Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 1

Prof. Dr. Caren Hagner Universität Hamburg Institut für Experimentalphysik Luruper Chaussee 149 22761 Hamburg Email: caren.hagner@desy.de Büro: DESY Gelände Bahrenfeld, Geb. 62, Zi. 210 Telefon: 040 8998 2297 Sprechstunden: nach Vereinbarung (email)

Webseite: https://www.neutrino.uni-hamburg.de/

Mein Forschungsgebiet: Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik,

speziell Neutrinophysik (Neutrino-Oszillationen)

Der OPERA Detektor im Gran Sasso Untergrundlabor

Target

v μ

X B B

Magnetic Spectrometer

ca. 150000 Blei-Fotoemulsion Ziegel

“Unsichtbares” sichtbar gemacht: Die Wechselwirkung eines Tau-Neutrinos vT

Dies war 2015 ein wichtiger Beweis für Neutrino Oszillationen:

Myon-Neutrinos (CERN Strahl) wandeln sich teilweise in Tau-Neutrinos um

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung /

Vorlesungstermine: Vorlesung Physik I: Di 14.00 – 15:30 Hörs. II Do 09.00 – 10:30 Hörs. II Vorlesung Einführung Di 15.45 – 16.45 Hörs. II in die Theoretische Physik I: Do 10.45 – 12.00 Hörs. II Übungsgruppen: Mi 09.00 – 11.15 in Seminarraum 5 und 6 Mi 11.30 – 13.45 in Seminarraum 5 und 6 für Lehramt: Mi 14.15 – 15.45 in Seminarraum 3 Übungszettel werden jeweils dienstags im Internet bereitgestellt, einen Tag später in den Übungen vorbesprochen und am Mittwoch der darauf folgenden Woche in den Übungsgruppen eingesammelt. Die korrigierten Zettel werden nach einer weiteren Woche in den Übungsgruppen zurückgegeben.

Sie sollten die Aufgaben gemeinsam mit einer Partnerin/einem Partner bearbeiten und abgeben. Hilfestellung zur Bearbeitung wird in den Übungen und auch in den die Vorlesung begleitenden Tutorien geleistet.

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung /

Tutorien: Montag 14.00 – 16.00 Sitzungszimmer AP Dienstag 10.00 – 12.00 Bibliothek AP

Erstes Übungsblatt: Nächsten Dienstag 19.4. (Nachmittag) im Internet Beginn der Übungen: nächsten Mittwoch 20.4. Abgabe der Übungszettel: darauf folgender Dienstag, VOR der Vorlesung Die korrigierten Übungszettel werden eine Woche später nach der Vorlesung zurückgegeben. Fragen dazu sollen vor allem in den Tutorien behandelt werden.

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung /

Klausur: 1. Termin: Mi, 27. Juli 2016 10:00 - 13:00 2. Termin: Mi, 12. Oktober 2016 10:00 - 13:00 Als Arbeitsmittel sollen Schreibzeug und ein einfacher Taschenrechner (keine Speicherfunktion, Grafik, etc.) mitgebracht werden, außerdem ein gültiger Lichtbildausweis. Es sind keine weiteren Hilsmittel / Unterlagen / Schmierzettel zugelassen. Alle notwendigen Unterlagen werden gestellt.

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung /

Bonusregelung: Der in den Übungen zu erwerbende Bonus wirkt sich günstig auf die Bewertung der Modulabschluss-Klausur aus (s.u.). Dazu wird nach etwa 2/3 der ersten bzw. zweiten Hälfte des Semesters jeweils eine Testklausur von ca. 60 min. geschrieben. Einen Bonus erhalten Sie, wenn Sie als Summe aus diesen Testklausuren insgesamt eine Mindestmenge an Punkten erwerben. Der Bonus erhöht die bei der Klausur erreichte Punktzahl um 40% der Mindestanforderung zum Bestehen. Die Endnote kann sich um bis zu einer Drittel Notenstufe gegenüber der Note ohne Bonus verbessern. Eine nur mit Hilfe des Bonus bestandene Klausur wird mit der Note 4.0 bewertet. Beispiel: Klausurpunkte: 32 von 80 = 40%, Bestehensgrenze Klausur: 40 Punkte = 50%, * ohne Bonus: nicht bestanden * mit Bonus: 32 + (0,4 x 0,5) x 80 = 48 Punkte > 40 Punkte → bestanden mit Note 4,0

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 8

Empfohlene Literatur zur Vorlesung

Die Vorlesung orientiert sich hauptsächlich an Demtröder und Halliday. Viele Erklärungen gefallen mir jedoch in Young/Freedman am Besten. Dieses Buch ist aber leider nur auf Englisch zu haben. Es schadet aber sicher nicht, wenn Sie sich trotzdem daran versuchen. Demtröder, "Experimentalphysik 1" 7. Auflage, Springer Verlag. Halliday, Resnick, Walker "Physik" , 2.Auflage, Wiley-VCH. Young, Freedman, "University Physics", Addison-Wesley Gerthsen, "Physik", 24. Auflage, Springer Verlag. Giancoli, "Physik", 3.Auflage, Pearson Studium.

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 9

Weitere Literatur (eher für Fortgeschrittene)

L. Bergmann, C. Schäfer „Lehrbuch der Experimentalphysik“ Bd. 1 Mechanik, Relativität, Wärme Verlag Walter de Gruyter

R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, „Vorlesungen über Physik“ Bd. 1 Mechanik, Strahlung und Wärme Bd. 2 Elektromagnetismus und Struktur der Materie Bd. 3 Quantenmechanik Oldenbourg Verlag

Klassiker:

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 10

Inhalt der Vorlesung Physik 1:

1. Einleitung

2. Mechanik des Massenpunktes und Gravitation

3. Bewegte Bezugssysteme, spezielle Relativitätstheorie

4. Dynamik von Mehrteilchensystemen und starrer Körper

5. Mechanik der Kontinua

6. Mechanische Schwingungen und Wellen

7. Wärmelehre und kinetische Gastheorie

Φυσική „Physike“ = Naturlehre

Platon

Aristoteles

Mikrokosmos Makrokosmos

Struktur des Protons Hubble Ultra Deep Field

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 13

Richard Feynman: „The Scientific Method“ (1964)

Guess Compute the consequences

Compare to experiment

„It is not unscientific to guess!“

Quantenelektrodynamik (QED) Nobelpreis 1965

Karl Popper (1902-1994)

Abgrenzung der empirischen Wissenschaft gegen Mathematik, Logik und Metaphysik: Abgrenzung der empirischen Wissenschaft gegen Mathematik, Logik und Metaphysik:

Logik der Forschung (1935):

Kriterium der Falsifizierbarkeit Kriterium der Falsifizierbarkeit

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 16

Teilgebiete der Physik

Atom- und Molekülphysik

Elementarteilchenphysik

Kernphysik

Festkörperphysik

Astrophysik

Geophysik

Biophysik

Kosmologie

Mechanik

Wärmelehre

Elektrodynamik

Quantenmechanik

Relativitätstheorie

Optik

Laserphysik

Beschleunigerphysik

Plasmaphysik

...

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 17

Aufbau und Struktur der Materie (Größenordnungen)

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 18

Physikalische Größen: Maßzahl, Einheit und Fehler

Messung:

Vergleich einer physikalischen Größe mit einer Maßeinheit (Normal, Standard)

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 19

Dimension, Größenordnung, Signifikante Stellen:

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 20

Beispiel zur Längenmessung

(http://www.schieblehre.biz/schieblehre-ablesen.html)

Mikrometerschraube

Schieblehre

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung /

Quelle: Wikipedia - Lucasbosch

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 22

Versuch: Messung der Lichtgeschwindigkeit

1.) Lichtpuls der LED wird ausgelöst und in zwei Strahlen

(Strahlteiler S) geteilt. Ein Strahl wird über den Reflektor R1

auf den Lichtdetektor D geleitet.

2.) Lichtsignal wird von D in ein elektrisches Signal umgewandelt,

dieses Spannungssignal wird auf dem Oszilloskop angezeigt.

3.) Der zweite Lichtstrahl läuft durch die Linse L auf den Reflektor R2,

läuft zurück und triftt wieder über S auf den Lichtdetektor D.

4.) Das zweite Signal wird dann ebenso auf dem Oszilloskop angezeigt.

5.) Der Abstand der beiden Signale auf dem Oszilloskop entspricht

der Zeit, die zwischen den beiden Pulsen vergangen ist.

R2

R1

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung /

Strahl 2 wird reflektiert und triftt 66ns

nach Strahl 1 auf den Detektor Reflektor 2

Reflektor 1

Auf dem Oszilloskop sieht man

Signal1 von Strahl1 und 66ns

später Signal2 von Strahl2. Das

Signal2 ist schwächer, wegen der

Verluste die auf dem längeren Weg

auftreten (Strahldivergenz, Verluste

an Linse und Reflektor etc.).

Diese beiden Werte sind entscheidend

für die Zeitauflösung des Oszilloskops:

1) Bandbreite = 100 MHz = 1081/s

2) Abtastrate 1 GS/s = 1 Gigasample pro Sekunde

= 109 Abtastungen pro Sekunde. Dies bedeutet:

Jede Nanosekunde wird die Höhe des Signals gemessen

Digitales Oszilloskop

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 24

SI-Einheiten (SI = Système Internationale d’Unités)

(Wer mehr darüber wissen will:

www.bipm.org (Bureau International des Poids et Mesures in Sèvres bei Paris)

1 kg = Masse des internationalen Kilogrammprototyps aus Platin-Iridium

1 s = Das 9.192.631.770 fache der Periodendauer der Strahlung, die beim Übergang der Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von 133Cs entsteht.

1 m = Länge der Strecke, die Licht im Vakuum in der Dauer von 1/299.792.458 Sekunden durchläuft.

Geo 3/2008, „Über alle Maßen genau“,

Spektrum der Wissenschaft 3/2010 „Die Zukunft von Kilogramm & Co.“)

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 25

Der Kilogramm Prototyp

Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) in Sèvres bei Paris

Das „Ur-Kilogramm“ liegt seit 1889 in Sevres.

weltweit gibt es ca. 80 Kopien,

1950 und 1990 Vergleich mit dem Original

Problem:

Die Masse des Urkilogramms nimmt ab!

Bisher ca. 50μg (durch Reinigung?)

An Neudefinition wird weltweit gearbeitet

In Deutschland verantwortlich:

Physikalisch Technische Bundesanstalt PTB in Braunschweig:

http://www.ptb.de

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 26

Die Einheit der Zeit - Sekunde:

Bis Mitte des 20.Jhdt durch Tageslänge festgelegt, später durch Jahreslänge. Doch Schwankungen z.B. durch Erdbeben, Gezeitenreibung etc.

Beispiel: Schwankungen der Tageslänge im Jahr 2009/2010 Abweichung in ms von der mittleren Tageslänge

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 27

Die Einheit der Zeit - Sekunde:

Seit 1967 durch eine bestimmte Schwingung (Mikrowelle) im Cäsium Atom

festgelegt

Die Cäsium-Fontänen-Uhren CSF1 und CSF2 der PTB in Braunschweig.

Die PTB besitzt seit Dez 2009 4 der UTC generierenden Atomuhren.

CSF2 ist in der absoluten Spitzengruppe dieser Uhren (relative Frequenz Unsicherheit kleiner als 1x10-15).

Gesetzliche Zeit in Deutschland: UTC = Coordinated Universal Time (Greenwich)

MEZ = UTC + 1h, Mitteleuropäische Zeit

MESZ = UTC + 2h. Mitteleuropäische Sommerzeit

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 29

Die Einheit der Länge – Meter

Bis ins 18.Jhdt: Längeneinheit (Elle) war nur lokal definiert.

(z.B.Erfurt 40cm, dagegen München 80cm)

Wiener Tuch- und Leinen Elle

Elle am Rathaus von Celle

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 30

Die Einheit der Länge – Meter

Idee: 1 Meter = 10 Millionster Teil des Erdmeridianquadranten durch Paris

1735 Expedition der Pariser Akademie nach Peru und Lappland. 1793 Festlegung der Längeneinheit Meter als 10 Millionster Teil des Erdquadranten auf dem Meridian durch Paris. 1792-99 Bestimmung des Meridianbogens zwischen Dünkirchen und Barcelona durch Delambre und Mechain.

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 31

Triangulation: Sind 2 Winkel und eine Seitenlänge eines Dreiecks bekannt, Lassen sich auch die anderen beiden Seiten berechnen

http://acces.inrp.fr/clea/lunap/Triangulation/TriangCompl1.html

Expedition von Delambre und Mechain (Sehr lesenswert in Geo kompakt Nr.22) Bestimmung der Entfernung zwischen Dünkirchen und Barcelona

Auf Grund eines kleinen Fehlers in der Messung von Mechain gilt:

Länge des Erdmeridianquadranten = 10.001,966 km (statt 10.000 km)

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 32

Die Einheit der Länge – Meter

1799 Festlegung des Urmeters aus Platin-Iridium. 1889 Einführung des internationalen Meterprototyps. 1960 Meter aus Wellenlänge eines atomaren Übergangs von 86Kr. Seit 1983: Lichtgeschwindigkeit festgelegt als 299.792.458 m/s. Meter definiert als Lichtlaufstrecke in 1/299.792.458 Sekunde.

Urmeter

Sie sollten auswendig wissen: c = 3x108 m/s

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 33

100 103 106 109 1012 1015 1018 1021

kilo

kilo

mega

gig

a

tera

peta

exa

zett

a

10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21

mill

i

mik

ro

nano

pik

o

fem

to

atto

zepto

k M G T P E Z m μ n p f a z

SI - Vorsilben

(mindestens) diesen Bereich

sollten Sie auswendig lernen

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 34

Das griechische Alphabet

(Bitte auch auswendig lernen)

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 35

Abgeleitete Einheiten

Abgeleitete Einheiten mit speziellen Namen

(Derived units with special names)

Ebener Winkel plane angle radian rad

Raumwinkel solid angle steradian sr

Frequenz frequency hertz Hz

Energie energy joule J

Kraft force newton N

Druck pressure pascal Pa

Leistung power watt W

El. Ladung electric charge coulomb C

El. Potenzial electric potential volt V

El. Widerstand electric resistance ohm Ω

El. Leitfähigkeit electric conductance siemens S

El. Kapazität electric capacitance farad F

Magn. Fluss magnetic flux weber Wb

Induktivität inductance henry H

Magn. Flusssdichte magnetic flux density tesla T

luminous flux lumen lm

illuminance lux lx

Celsius Temperatur celsius temperature degree celsius ◦C

Aktivität activity (of a radioactive source)

becquerel Bq

Dosis absorbed dose (of ionizing radiation)

gray Gy

Äquivalentdosis dose equivalent sievert Sv

Caren Hagner / PHYSIK 1 / Sommersemester 2016 Kapitel 1: Einleitung / 36

Nicht-SI-Einheiten

Schifffahrt: Seemeile 1sm = 1852m* (international: nautical mile nm)

Knoten 1kn = 1sm/h

Historische Definition: 1sm = Bogenlänge einer Winkelminute auf einem Großkreis

*) Sollte ein(e) Hamburger Student(in) wissen

(Kreis, dessen Mittelpunkt

auf den Mittelpunkt der

Kugel fällt. Längenkreise

sind Großkreise,

die Breitenkreise nicht.)