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Aufbau der Materie. Quantitative Beschreibung der Naturvorgänge Auch: Verstehen der Natur! Pysik: griechisch: Naturordnung Ziele und Methoden der Physik.

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Präsentation zum Thema: "Aufbau der Materie. Quantitative Beschreibung der Naturvorgänge Auch: Verstehen der Natur! Pysik: griechisch: Naturordnung Ziele und Methoden der Physik."—  Präsentation transkript:

1 Aufbau der Materie

2 Quantitative Beschreibung der Naturvorgänge Auch: Verstehen der Natur! Pysik: griechisch: Naturordnung Ziele und Methoden der Physik

3 Aufbau der Materie Erforschen, Messen, Experimentieren

4 Beschreiben durch Naturgesetze Wechselspiel Experiment - Theorie Sprache: Mathematik Ziele und Methoden der Physik

5 physikalische Disziplinen

6 Messen heißt: Mit einem Maßstab, einer Einheit vergleichen Beispiele: Meter (Länge), Sekunde (Zeit) Angaben einer Größe ohne Hinzufügen der Einheit ist sinnlos ! Ein etwas allgemeiner Begriff ist die Dimension einer physikalischen Größe Physikalische Größen

7 Einheiten können durch Vorsilben um Zehnerpotenzen verkleinert oder vergrößert werden: Dezimalsystem, metrisches System

8 Messung der mechanischen Grundgrößen Mechanische Uhr Atomuhr erste Kalenderbestimmung Zeitmessung

9 Messung der mechanischen Grundgrößen Cs-Fontäne als Atomuhr Resonanzfrequenz: 9,192,631,770 Hz www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.htm Zeitmessung

10 www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.htm Technical Description The round trip up and down through the microwave cavity lasts for about 1 second. During the trip, the atomic states of the atoms might or might not be altered as they interact with the microwave signal. When their trip is finished, another laser is pointed at the atoms. Those atoms whose atomic state were altered by the microwave signal emit light (a state known as fluorescence). The photons, or the tiny packets of light that they emit, are measured by a detector. This process is repeated many times while the microwave signal in the cavity is tuned to different frequencies. Eventually, a microwave frequency is found that alters the states of most of the cesium atoms and maximizes their fluorescence. This frequency is the natural resonance frequency of the cesium atom (9,192,631,770 Hz), or the frequency used to define the second. NIST-F1 is referred to as a fountain clock because it uses a fountain-like movement of atoms to measure frequency and time interval. First, a gas of cesium atoms is introduced into the clocks vacuum chamber. Six infrared laser beams then are directed at right angles to each other at the center of the chamber. The lasers gently push the cesium atoms together into a ball. In the process of creating this ball, the lasers slow down the movement of the atoms and cool them to temperatures near absolute zero. Two vertical lasers are used to gently toss the ball upward (the fountain action), and then all of the lasers are turned off. This little push is just enough to lift the ball about a meter high through a microwave-filled cavity. Under the influence of gravity, the ball then falls back down through the microwave cavity.

11 Messung der mechanischen Grundgrößen Messung mit Körperteilen: Elle 1m ist die Länge, die das Licht in 1/299 792 458 s zurücklegt Längenmessung

12 Abstand Erde-Sonne: 150 000 000 000m Abstand Erde-Mond: 380 000 000m Länge der chinesischen Mauer: 2 400 000m Höhe des Mt Everest: 8 848m Größe des Menschen: ~1.8m Dicke eines menschlichen Haars: 0.000 08m H 2 O Molekül: 0.000 000 001m Größe eines Atoms: 0.000 000 000 3m Spektrum der Längenmessung

13 10 0 =1 Meter10 1 =10 Meter10 2 =100 Meter 10 3 =1000 Meter CERN 10 4 =10 000 Meter LEP- Beschleuniger 10 5 =100 000 Meter Genfer See 10 6 =1000 000 Meter10 8 =100 000 000 Meter10 7 =10 000 000 Meter 10 9 =1000 000 000 Meter Mondbahn 10 10 =10 000 000 000 Meter Erdbahn in 4 Tagen 10 11 =100 000 000 000 Meter Erdbahn in 6 Wochen 10 12 =1000 000 000 000 Meter Sonnensystem 10 13 =10 000 000 000 000 Meter Sonnensystem 10 14 =100 000 000 000 000 Meter10 20 =100 000 000 000 000 000 000 Meter 10 21 =1000 000 000 000 000 000 000 Meter unsere Galaxis 10 23 =100 000 000 000 000 000 000 000 Meter 10 22 =10 000 000 000 000 000 000 000 Meter unsere Galaxis mit Magellanschen Wolken 10 26 =100 000 000 000 000 000 000 000 000 Meter 9325 Galaxien

14 Spektrum der Längenmessung 10 0 =1 Meter10 -1 =0.1 Meter10 -2 =0.01 Meter 10 -3 =0.001 Meter Fliegenauge 10 -4 =0.000 1 Meter Facetten 10 -5 =0.000 01 Meter Härchen 10 -6 =0.000 001 Meter10 -7 =0.000 000 1 Meter 10 -8 =0.000 000 01 Meter DNS Molekül 10 -14 =0.000 000 000 000 01 Meter Atomkern 10 -15 =0.000 000 000 000 001 Meter Proton mit Quarks 10 -10 =0.000 000 000 1 Meter Kohlenstoffatom

15 Gradmaß: 1 Grad ( 0 )=1/90 des rechten Winkels Bogenmaß: Kreisbögen d i um Schwerpunkt verhalten sich wie ihre Radien, d i /R i =const â(Bogenmaß)= voller Winkel â 360 0 = =2π (=6.28) bzw. â 1 0 = Einheit: 1Radiant (rad)= damit also: â 360 0 =2π rad Winkelmessung in der Ebene

16 Ω ist die räumliche Öffnung, die die vom Kugelmittelpunkt ausgehenden Strahlen der Mantelfläche eines Kegels einschließen. A=Durchstoßungsfläche des Kegels durch Kugeloberfläche Einheit: 1Steradiant Der volle Raumwinkel ist dann sr = 4π sr Winkelmessung im Raum

17 Meßunsicherheit und Meßfehler Systematischer Fehler: Fehlerhafter Bau von Meßgeräten, falsche Eichung, usw. Zufälliger Fehler: Ablesefehler, Schwankungen des Zeigers, usw. Der Einfluß der zufälligen Fehler wird durch häufiges Wiederholen der Messung und Mittelwertbildung kleiner Beispiel: oder

18 Mittelwert und Fehler Der Einfluß der zufälligen Fehler wird durch häufiges Wiederholen der Messung und Mittelwertbildung kleiner Mittelwert: Fehler: Meßreihe: 17.3, 17.0, 17.3, 17.4, 17.2 Mittelwert: a=17.24Fehler: σ=0.15 Der wahre Wert liegt mit einer Wahrscheinlichkeit von 68% im Intervall 17.24±0.15

19 Fehlerfortpflanzung Reihenentwicklung und lineare Näherung: Beispiel: Kantenlänge eines Würfels:Volumen=? relativer Fehler: Aus einer fehlerbehafteten Messgröße wird eine neue Variable f(x) gebildet. Wie groß ist der Fehler ?

20 Fragen zur Fehlerrechnung 1.Welchen relativen Fehler weist eine Uhr auf, die täglich um 10 Minuten vorgeht? 2.Angenommen, Sie leben 100 km von einem Radiosender entfernt und berücksichtigen die Laufzeit des Zeitsignals nicht. a)Wie groß ist der Fehler, den Sie dadurch begehen? b)Vergleichen Sie diesen Fehler mit der Laufzeit des Schalls von Ihrem 2m entfernten Radio bis an Ihr Ohr! Lichtgeschwindigkeit c=3 10 8 m/s, Schallgeschwindigkeit v S =340 m/s


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