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Einführung in die Physik für Pharmazeuten und Biologen (PPh): Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik
Dozent: Bert Nickel
Versuche:Gunnar Spiess, Christian Hundschell
Übungsleiter:Martin Huth, Matthias Fiebig
Tutoren:Samira Hertrich, Christian Hundschell, Christian Späth
Bert [email protected](089) 2180 1460
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Vorlesung: 2 x 45 minVorlesung: 2 x 45 min
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Experimente:Experimente:Gunnar Spiess, Christian HundschellGunnar Spiess, Christian Hundschell
ÜÜbungenbungen
Martin HuthMartin HuthMatthias FiebigMatthias Fiebig
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Tutorials:Tutorials:Samira Hertrich Samira Hertrich Christian Hundschell Christian Hundschell Christian SpChristian Spääthth
Übung : Montags 13:15 bis 14 Uhr, Butenandt-HSVorlesung: Montags 14:15 bis 15:45, Liebig HS Tutorials: Montags 16:00 bis 17:30, C3003 und D0001Klausur: Montag, 11.02. 2008 um 13 Uhr
http://www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/wise_07_08/pph/Web-Seite zur Vorlesung :
Einführung in die Physik für Pharmazeuten und Biologen (PPh): Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik
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Inhalt der Vorlesung:
MechanikBewegungen, Kräfte, Impuls, Energie, Hydrostatik, Hydrodynamik Schwingungen und Wellen, Akustik
WärmelehreTemperatur, Wärme, Aggregatzustände, Wärmeleitung
Elektrizitätslehre : Elektrostatik und ElektrodynamikLadungen, Felder, Potentiale, Spannung, Strom, Magnetismus, Induktion, WechselströmeElektromagnetische Wellen
OptikStrahlenoptik, Wellenoptik, Röntgenstrahlung, Laser
Aufbau der MaterieAtomphysik, Kernphysik, Festkörper
Literatur:
430 Seiten, ca. 30 Euro 720 Seiten, ca. 54 Euro
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Quelle : Lottspeich & Zorbas
Die wichtigsten methodischen Entwicklungen in der Bioanalytik
Physik liegt vielen analytischen Techniken zugrunde
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Zur Methode der Physik
stellt Fragen an die Natur
=> Experimente
1. Empirische Wissenschaft
Beschreibung der Natur mit Hilfeder Mathematik
2. Exakte Wissenschaft
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ErkenntnisHypothese
Experiment
Theorie
"Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosopie""
Newtonsche Mechanik :Erste moderneTheorie
Galilei: einer der ersten modernen Experimentatoren
(Modell)
Konkurrenz der Weltbilder (Theorien)
grafischen Darstellung von 1750
jede der abgebildeten Theorien hatte den Anspruch den Lauf der Planeten korrekt zu beschreiben und vorhersagen zu können
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Physikalische Größe = Maßzahl * Maßeinheit
Eigenschaften, Zustände oder Vorgänge die messbar sind, bezeichnet man als physikalische Größen
Länge [m] m:MeterZeit [s] s:SekundeGeschwindigkeit[m/s]Kraft [N] N:Newton
Dimension : Beschreibung einer physikalischen Größe in ihren Basisgrößen
Physikalische Größen, Einheiten
Geschwindigkeit = LängeZeit
(Die Dimension ist unabhängig von der Wahl der Einheiten)
Beispiel:
Praktische Einheiten
Beaufort 12 Beaufort 0
empirisch:v = 0.836 B3/2 m/s
B= 2: v= 7-11 km/hB=12: v=120 km/h
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Die Basiseinheiten (SI-Einheiten)SI: système international d’unités
Das Urmeter von 1876
Einheit der Länge
Relative Unsicherheit 10-14
Seit 1983 ist die Licht-geschwindigkeit aufc0=299 798 458 m/sfestgelegt.
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Größenordnungen in der Physik
Logarithmische Skala
n10
Vorsilben zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen
(SI - Vorsätze)
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1 Mikrometer1 Millimeter 1 Nanometer100µm 10nm100nm 0,1nm10µm
Mikroelektronik Chemie
Nano-wissenschaft
Physik: Top-Down Chemie: Bottom-Up
interdisziplinär
Der Nano-Kosmos in unsere Welt skaliert
1 cm 0,2 nm
Atome
1m 25 nmProteine
40 m 1µmE.coli
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Bakterium
TM VirusPhage
Virus
a) Kohlenstoffb) Zuckerc) ATPd) Chlorophylle) tRNAf) Antikörperg) Ribosomeh) Poliovirusi) Myosinj) DNAk) F-actinl) Enzymem) Pyruvat dehydrogenase
Goodsell, 1993
1µm
Moleküle3 Größen-
ordnungen
1nm
Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch.
Einheit der Zeit
Früher :1sec=1/86400 Tag
Relative Unsicherheit 10-14
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Zeitmessung :Oszilloskop
Zeitenskalen1015 Alter des Universums1012 Alter der Erde109 Erste Menschen / alter der Pyramiden106 1 Jahr = 3,15 107 s , 1 Tag 8,64 104 s103 Zeit die Licht von der Sonne zur Erde benötigt1 Abstand zwischen Herzschlägen10-3 Periode einer Schallwelle10-6 Periode einer Radiowelle10-9 Licht legt 30cm zurück10-12 Periode einer Molekülschwingung10-15 Periode einer Atomschwingung10-18 Licht legt Atomdurchmesser zurück10-21 Periode einer Kernschwingung10-24 Licht legt Kerndurchmesser zurück
sec
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Das Urkilogramm
Einheit der Masse
Relative Unsicherheit 10-9
vorher: definiert über Wasserdichte
Rätselhaft: Das Urkilogramm schwindet
Paris - Sehr langsam, aber doch nimmt das Urkilogramm ab, wie sein Wächter erklärte. Der Kilogramm-Prototyp, ein 39 Millimeter hoher Zylinder aus einer Platin- und Iridium-Legierung, wird seit 118 Jahren in einem Tresor des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM) in Sevres bei Paris aufbewahrt. Nur alle vierzig Jahre wird das Maß aller Kilos aus dem dreifach gesicherten Behältnis hervorgeholt, um es mit Kopien des Urkilogramms abzugleichen. Bei den jüngsten Messungen zeigte sich, dass das Original im Durchschnitt 50 Mikrogramm leichter war als die Vergleichskilos. "Sonderbar, denn alle Kopien sind aus dem gleichen Material wie das Urkilo", so der Physiker Richard Davis. Und viele der Referenzzylinder wurden ebenfalls 1889 gegossen.
50 10-9 kg : Unsicherheit 5 x 10-8 !
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Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012kg des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind.
In der Atomphysik und Chemie werden auch Atommasseneinheiten benutzt.Dem Isotop 12C wird die Atommassezahl 12 zugeordnet
Atomare Masseneinheit (amu) =u=1
12m 12C( )=
10−3 kgNA mol
=1,66053 ⋅10−27 kg
Stoffmengeneinheit Mol
Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist dieAvogadro-Konstante NA= 6,022·1023/mol
ANNn = N : Teilchenzahl [einheitenlos]
n : Stoffmenge [mol]
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Messung 1 2 3 4 5ti [s] 12 8 20 15 16
∑=
=N
iix
Nx
1
1
( )2
1
2
11 ∑
=
−−
=N
ii xx
Nσ
Mittleres Schwankungsquadratder Einzelmessung(Varianz)
( ) ( )2
111 ∑
=
−−⋅
=N
iiM xx
NNσ
Arithmetisches Mittel
2. statistische Fehler
Messreihe
Messgenauigkeit und Messfehler1. systematische Fehler : z.B. durch Messapparatur bedingt
Mittler Fehler desarithmetischen Mittels
Messreihe :xi 12 8 20 15 16i 1 2 3 4 5
arithmetischerMittelwert ( ) 2,14161520812
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=++++=x
( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ } 5,46,18,08,52,42,241 22222 =+++++++−+−=xσ
Standardabweichung der Einzelmessung
25,255,4
===Nx
Mσσ
Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts
25,22,14 ±=x
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Grafische Darstellung der Messreihe
1 2 3 4 5
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20σ±ix
Mx σ±
Quelle : Demtröder
Wie nah sind wir dem "wahren" Wert ?
Zur Natur der Messfehler
systematischer und statistischer Fehler gehen ein
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Gleichförmige Bewegung
Beschleunigte Bewegung
Kräfte
MECHANIKBewegungslehre (Kinematik)
Geschwindigkeit
Geschwindigkeit v ist das Verhältnis des zurückgelegten Weges∆s zur dazu benötigten Zeit, ∆t.
sm
sm
ts 5
210
==∆∆
=v
∆s∆t
t[s]
s[m] s[m]
t[s]
dtds
ts
t=
∆∆
=→∆ 0
limv
Die Geschwindigkeit ist die Ableitung des Ortes nach der Zeit
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Die Beschleunigung
v[m/s]
t[s]
Die Änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit nennt manBeschleunigung.
r a = lim
t →0
∆r v
∆t=
dr v
dtms2
⎡ ⎣ ⎢
⎤ ⎦ ⎥
dtda v
= und dtds
=v ⇒ a =d2sdt
Auch die Beschleunigung ist ein Vektor.
Die gleichförmig beschleunigte Bewegung[ ]2sma
t s[ ]
a
[ ]smv
t s[ ]
v0
a ( t ) = a
∫ ⋅=t
dtat0
)(v
0)( vv +⋅= tat
002
2)( sttats +⋅+⋅= v
( )∫ +⋅=t
dttats0
0)( v[ ]ms
t s[ ]s0
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In der Natur vorkommende Geschwindigkeiten
sm /103 8⋅
sm /103 2⋅
sm /101 6⋅
sm /102 3⋅
Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) :
Schallgeschwindigkeit :
Elektronen in der Fernsehröhre :
Wasserstoff bei T=300K (im Mittel) :
Schuss aus einer Gaspistole : ?
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