Einführung in die Physik für LAK Ulrich Hohenester – KFU Graz, Vorlesung 1 Was ist Physik?, Messen und Maßsysteme, SI-System, Grundsäulen der Physik

Was ist Physik ? Wissenschaft von den Vorgangen in der unbelebten Natur, die ohne Stoffumsetzung ablaufen (Abgrenzung gegen Geisteswissenschaften, Biologie, Chemie) Alternative Definition: Wissenschaft von den „einfachen Dingen“ (Komplexitätsgrad derart, dass Vorgänge „berechenbar“ sind) Physik macht folgende implizite Voraussetzungen: Es existiert eine erkennbare Wirklichkeit. Die Wirklichkeit weist erkennbare Regelmäßigkeiten auf „Unter gleichen Umständen geschieht Gleiches“.

Physik ist eine Naturwissenschaft Experiment Modell Theorie Die Experimentalphysik versucht, mit Hilfe von planmäßig durchgeführten wissenschaftlichen Versuchen, die unter jeweils gleichen, möglichst übersichtlichen, reproduzierbaren und Störungen vermeidenden Bedingungen durchgeführt werden, Aussagen qualitativer und quantitativer Art über physikalische Vorgänge zu erhalten. Eine wichtige Voraussetzung der Experimentalphysik ist die Wiederholbarkeit der Experimente, da nur auf diese Weise die Objektivität von Aussagen garantiert werden kann.

Physik ist eine Naturwissenschaft Experiment Modell Theorie Ein Modell ist ein beschränktes Abbild der Wirklichkeit. Die Modellbildung abstrahiert mit dem Erstellen eines Modells von der Realität, weil diese meist zu komplex ist, um sie genau abzubilden. Dies wird aber auch gar nicht beabsichtigt, vielmehr sollen lediglich die wesentlichen Einflussfaktoren identifiziert werden, die für den zu betrachtenden Prozess bedeutsam sind. Beispiel „freier Fall“ (kein Luftwiderstand, homogenes Gravitationsfeld, …)

Physik ist eine Naturwissenschaft Experiment Modell Theorie Die Aufgabe der theoretischen Physik besteht darin, die empirischen Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen. Falls dies nicht möglich ist, werden Hypothesen für eine neue Theorie entwickt, die dann experimentell überprüft werden können. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Theorien empirisch überprüfbare Voraussagen ab. Bei der Entwicklung eines Modells wird die Wirklichkeit idealisiert; man konzentriert sich zunächst nur auf ein vereinfachtes Bild, um dessen Aspekte zu überblicken und zu erforschen; nachdem das Modell für diese Bedingungen ausgereift ist, wird es weiter verallgemeinert.

Einzig das Experiment entscheidet über richtig / falsch Michelson-Morley-Interferometer Einzig das Experiment entscheidet über richtig / falsch

Anforderungen an physikalische Theorien Eine Theorie ist ein System von Aussagen, das dazu dient, Ausschnitte der Realität zu beschreiben beziehungsweise zu erklären und Prognosen über die Zukunft zu erstellen. Eine gute Theorie soll verträglich sein mit bereits bewährten älteren Theorien oder sie sogar in den eigenen Erklärungsbereich miteinschließen; Erklärungswert besitzen, also z.B. nicht rein deskriptiv sein; Prognosen ermöglichen, die in der Praxis auch eintreffen und damit falsifizierbar sein; extensiv sein, ihr Gegenstandsbereich soll also nicht zu speziell sein; befruchten, also andere Wissenschaftler zu weitergehenden Forschungen inspirieren. Beispiel: Klassische Mechanik, Relativitästheorie, Quantenmechanik, …

Messen, Einheiten, Maßsysteme

Messen Praktisch werden physikalische Größen durch Messung bestimmt. Messen bedeutet Vergleich mit der (willkürlich durch Übereinkunft festgesetzten) Einheit der betreffenden Größe. Die Vorgangsweise beim Vergleich folgt einer (ebenso durch Übereinkunft festgelegten) Messvorschrift. Jede physikalische Größe wird angegeben als Produkt einer Maßzahl mit ihrer Einheit (z. B. 10 kg). In Größengleichungen ist die Summe oder Differenz von Größen nur dann definiert, wenn sie gleiche Einheiten haben; Addition oder Subtraktion von Größen mit verschiedenen Einheiten ist unzulässig. Wohl können aber Größen mit verschiedenen Einheiten multipliziert und dividiert werden, wobei das Resultat das Produkt (der Quotient) der Maßzahlen mal dem Produkt (dem Quotienten) der Einheiten ist (z. B. 3 m x 2 kg = 6 kg m). Beispiel: Geschwindigkeit 20 m/s, Beschleunigung 9.81 m/s2

Maßsystem Es können beliebig viele physikalische Größen eingeführt werden, was ebenso viele Einheiten nötig macht. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit unterscheidet man Grundgrößen, für die eigene Einheiten festgelegt werden, und abgeleitete Größen, deren Einheiten mittels Größengleichungen aus den Grundgrößen gewonnen werden. Ein Satz von festgelegten Grundgrößen definiert ein Maßsystem. In der Physik sind aus Gründen der Zweckmäßigkeit verschiedene Maßsysteme in Verwendung, das verbreitetste davon ist Internationale Maßsystem (SI, Système Internationale), das sieben Grundgrößen verwendet und die dazu gehörigen Einheiten definiert. Grundgrößen: Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol, Candela Wenn man das SI System verwendet, muss bei Zwischenrechnungen die Einheiten nicht immer explizit anschreiben. Das Endergebnis besitzt immer die richtigen Einheiten. Wann immer möglich, sollte man das SI System verwenden.

Meter, Kilogramm, Sekunde Urmeter und Urkilogram aus Platin-Iridium Hyperfeinübergang Caesium Ein Meter ist durch die Strecke definiert, die Licht im Vakuum innerhalb des Zeitintervalls von 1/299 792 458 Sekunden durchläuft. Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung. Ein Kilogramm ist festgelegt durch das Urkilogramm, einen Zylinders aus Platin-Iridium, der vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht verwahrt wird.

Ampere Ein Ampere ist die Stärke des zeitlich konstanten elektrischen Stromes, der im Vakuum zwischen zwei parallelen, unendlich langen, geraden Leitern mit vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt und dem Abstand von 1 m zwischen diesen Leitern eine Kraft von 2·10−7 Newton pro Meter Leiterlänge hervorrufen würde. Zukünftige Definiton: Im Oktober 2005 beschloss das Internationale Komitee für Maß und Gewicht (CIPM) die Vorbereitungen für eine Neudefinition der Einheiten Kilogramm, Ampere, Kelvin und Mol zu treffen, basierend auf Naturkonstanten. Gemäß diesem Vorschlag wäre das Ampere definiert durch den Fluss einer bestimmten Menge von Partikeln mit der Elementarladung pro Zeit.

Kelvin Das Kelvin (Einheitenzeichen: K) ist die SI-Basiseinheit der thermodynamischen Temperatur und zugleich gesetzliche Temperatureinheit; es wird auch zur Angabe von Temperaturdifferenzen verwendet. In Deutschland, Österreich, der Schweiz sowie in anderen europäischen Ländern gilt auch das Grad Celsius (Einheitenzeichen: °C) als gesetzliche Einheit für die Angabe von Celsius-Temperaturen und deren Differenzen. Dabei entsprechen 0 °C umgerechnet 273.15 K. Die Differenz zwischen zwei Temperaturwerten von einem Kelvin und einem Grad Celsius sind gleich groß und können gleichwertig verwendet werden.

Mol In der Zukunft sollen Mol und Kilogramm einheitlich definiert werden Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Einzelteilchen besteht, wie Atome in 12 Gramm des Nuklids Kohlenstoff-12 (12C) enthalten sind; sein Symbol ist „mol“. Wenn das Mol benutzt wird, müssen die verwendeten Einzelteilchen angegeben werden; es kann sich dabei um Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen, Photonen, sonstige Teilchen oder spezifizierte Gruppen solcher Teilchen handeln. Die Teilchenzahl pro ein Mol Stoffmenge (Avogadro-Konstante) hat den Wert 6.0224129 x 1023 mol-1. Ein Mol eines Stoffes enthält also ca. 602 Trilliarden Teilchen dieses Stoffes.

Candela Photon ~ 3,6 · 10−19 cd Kerze ~ 1 cd Glühlampe ~ 50 cd Sonne ~ 2 · 1027 cd Die Candela ist die SI-Basiseinheit der Lichtstärke, das heißt des von einem Objekt in eine gegebene Richtung ausgesandten Lichtstroms pro Raumwinkeleinheit (Steradiant, sr), gemessen in großer Entfernung von der Lichtquelle. Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540·1012 Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt durch Steradiant beträgt.

Angestrebt : Photon Elektron Avogardozahl Lichtgeschwindigkeit Planksches Wirkungsquantum Boltzmannkonstante wie bisher

Vorsilben

Kraft = Masse x Beschleunigung Grundsäulen der Physik Gallilei (1564–1642) Newton (1642 –1726) Kraft = Masse x Beschleunigung Mechanik Elektrodynamik Quantenmechanik Thermodynamik

Grundsäulen der Physik Faraday (1791–1867) Maxwell (1831–1879) Elektrische Ladungen sind die Quellen von elektrische Felder. Es gibt keine magnetischen Ladungen. Zeitlich veränderliche Magnetfelder erzeugen elektrische Wirbelfelder. Zeitlich veränderliche elektrische Felder und Ströme erzeugen magnetische Wirbelfelder. Mechanik Elektrodynamik Quantenmechanik Thermodynamik

Grundsäulen der Physik Bohr, Schrödinger, Heisenberg Mikroskopische Systeme werden durch Wellenfunktionen beschrieben Mechanik Elektrodynamik Quantenmechanik Thermodynamik

Grundsäulen der Physik Große Systeme bewegen sich in die Richtung des Gleichgewichtszustandes Mechanik Elektrodynamik Quantenmechanik Thermodynamik