- Einführung in die Physik -
Prof. Dr. Ulrich Hahn
WS 2015/2016
Physik I im Studiengang Elektrotechnik
Einführung 2
Physik – eine Naturwissenschaft
Deutung, Erklärung, Quantifizierung von
- Naturvorgängen
- Eigenschaften von Körpern
- Aufbau der Materie
Technische Anwendungen
Natur
leblos lebendig
Physik
Chemie anorganisch
Chemie organisch
Biochemie
Biologie
Einführung 3
Laser
Supraleitung
Gebiete der Physik
• Atomphysik
• Festkörperphysik
• Kernphysik
• Elementarteilchenphysik
• Astrophysik/Kosmologie
• Mechanik Bewegungen von Körpern
• Thermodynamik Wärme, ~transport
• Akustik Schall, Wellen
• Optik Licht
• Elektrodynamik Elektrizität, Magnetismus
• Mechanik
• Akustik
• Thermodynamik
• Elektrodynamik
• Optik
Einführung 4 Sensorik, Messtechnik, Umwelttechnik
Welche Gebiete braucht die Elektrotechnik?
• Atomphysik
• Festkörperphysik
• Kernphysik
• Mechanik
• Akustik
• Thermodynamik
• Elektrodynamik
• Optik
Antriebs-, Automatisierungs-, Gebäudesystemt.
Energie-, Umwelt-, Gebäudesystemtechnik
Werkstoffe, Bauelemente, Halbleiter
Kernkraftwerke
Nachrichtentechnik
Beschallung, Maschinen, Umwelttechnik
Einführung 5
wie wird das Wissen gewonnen? Physikalischer Erkenntnisprozess
Natur beobachten
Experimente
(definierte Bedingungen)
Zusammenhänge zwischen Para-
metern/Einflußgrößen suchen
Verallgemeinerung
mathematische Formulierung
„Naturgesetz“
Ableiten anderer Zusammenhänge
(Deduktion von Naturgesetzen) Technik
Anwendung
Modelle
Simulation
Verfeinern prüfen
prüfen
Einführung 6
Geltungsbereich von Naturgesetzen
Proton
10-15 m
Atom
10-10 m
Virus
10-7 m
Mensch
1,75 m
Erde
107 m
Sonnen-
system
1013 m
Galaxis
1021 m
Mikrophysik klassische Physik
„direkt“ erfahrbar
Quantentheorie „Schulphysik“ Relativitätstheorie
Wirkung << h Geschw. << c
einheitliche Theorie ???
Makrophysik
Einführung 7
Prinzipien der klassischen Physik
Teilsystem 2 Teilsystem 1
Komplexes System • Zerlegung:
• Stetigkeit:
0
20
40
60
80
0 1 2 3 4 5
• Kausalität: Ursache Wirkung Zeitliche
Abfolge
• Objektivierbarkeit: Beobachtung beeinflusst nicht
das beobachtete Objekt • Objektivierbarkeit:
Einführung 8
Physikalische Größen beschreiben Eigenschaften Zustände physikalischer Objekte/Systeme Vorgänge
messbar Physikalische Größe = Zahlenwert * Einheit (wieviel) (was)
G = {G} * [G]
möglichst genau unabhängig vom Messort und -zeit leicht verfügbar das Einsatzgebiet abdecken
Messverfahren für die
Einheit festlegen
i. a. mehrere Messverfahren
unabhängig von der Wahl der Einheit
physikalische Gesetze: Verknüpfung physikalischer Größen
unabhängig von der Wahl der Einheiten
andere Zahlenwerte
Einführung 9
Basisgrößen & Maßsysteme
Viele physikal. Systeme Viele physikal. Größen
Viele Messverfahren
Physikalische Gesetze (Verknüpfung physikal. Größen)
Reduktion auf Basisgrößen
minimal: c g s – System: Centimeter - Länge Gramm - Masse Sekunde - Zeit
Gebräuchlich: m k s A – System:
K m
kg
s
A
Cd mol
Meter - Länge
Kilogramm - Masse
Sekunde - Zeit
Ampere - Stromstärke
Kelvin - Temperatur
Candela - Lichtstärke
mol - Stoffmenge
Einführung 10
Rechnen mit physikalischen Größen Größenvorsätze
10-15 Femto
10-12 Piko
10-9 Nano
10-6 Mikro
10-3 Milli
100
103 Kilo
106 Mega
109 Giga
1012 Tera
1015 Peta
Deka
Hekto
100
101
102
Zenti
10-1 Dezi
10-2
Molekül 1*10-9 m
Atom 1*10-10 m
Atomkern 1*10-14 m
Planetensystem 6*1012 m
Sonne 1,4*109 m
Erde 1,3*107 m
Mt. Everest 8,8*103 m
Mensch 1,75 m
Chip-Leitung 1,3*10-6 m
Regentropfen 1*10-3 m
Lichtjahr 9,5*1015 m
Merke:
Größenordnung:
10 x
Einführung 11
Rechnen mit physikalischen Größen
Basisgrößen Abgeleitete Größen
immer: Verknüpfung unterschiedlicher (Basis)größen durch Punktrechnung!
E = {E}*[E] : = G/H
E = {G}*[G]/{H}*[H] = {G}/{H}*[G]/[H]
{E} = {G}/{H}; [E] = [G]/[H]
E = {E}*[E] : = G + H
E = {G}*[G] + {H}*[H] {E}*[E]
Dimensionsprobe:
Ergibt die Berechnung die Einheit der gesuchten Größe?
Haben alle Summanden die gleiche Einheit?
aber: E = {G1}*[G] + {G2}*[G] E = {G1 + G2}*[G]
Einführung 12
Gültige Stellen
Physikal. Größe
Beschränkte
Genauigkeit
Messung Zahlenwert*Einheit
Berechnung
Eingangsgrößen Gültige Stellen
Einfluss der Messgenauigkeit:
Gültige Stellen: Gesicherte Ziffern des Zahlenwertes, außer
den die Größenordnung festlegenden Nullen
wissenschaftliche Notation: {G} = A*10b ; 1
gültige Stellen: gesicherte Ziffern von A
gültige Stellen bei Verknüpfungen:
Strichrechnung:
keine gültige Stelle jenseits der gemeinsamen gültigen Dezimalstellen
Punktrechnung:
kleinste Zahl der gültigen Stellen in allen Faktoren
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