Aufbau der Materie.

Präsentation zum Thema: "Aufbau der Materie."—  Präsentation transkript:

1 Aufbau der Materie

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

3 Erforschen, Messen, Experimentieren
Aufbau der Materie

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

5 physikalische Disziplinen

6 Physikalische Größen 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

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

8 Messung der mechanischen Grundgrößen
Zeitmessung erste Kalenderbestimmung Mechanische Uhr Atomuhr

9 Messung der mechanischen Grundgrößen
Zeitmessung Cs-Fontäne als Atomuhr Resonanzfrequenz: 9,192,631,770 Hz

10 Technical Description
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 clock’s 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. 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.

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

12 Spektrum der Längenmessung
Abstand Erde-Sonne: m Abstand Erde-Mond: m Länge der chinesischen Mauer: m Höhe des Mt Everest: 8 848m Größe des Menschen: ~1.8m Dicke eines menschlichen Haars: m H2O Molekül: m Größe eines Atoms: m

13 Spektrum der Längenmessung
1026= Meter 9325 Galaxien 1022= Meter unsere Galaxis mit Magellanschen Wolken 1021= Meter unsere Galaxis 1010= Meter Erdbahn in 4 Tagen 1011= Meter Erdbahn in 6 Wochen 1013= Meter Sonnensystem 104= Meter LEP-Beschleuniger 1012= Meter Sonnensystem 109= Meter Mondbahn 105= Meter Genfer See 103=1000 Meter CERN 1023= Meter 101=10 Meter 100=1 Meter 102=100 Meter 1014= Meter 108= Meter 106= Meter 107= Meter 1020= Meter

14 Spektrum der Längenmessung
10-14= Meter Atomkern 10-15= Meter Proton mit Quarks 10-10= Meter Kohlenstoffatom 10-8= Meter DNS Molekül 10-5= Meter Härchen 10-4= Meter Facetten 10-3=0.001 Meter Fliegenauge 100=1 Meter 10-1=0.1 Meter 10-2=0.01 Meter 10-6= Meter 10-7= Meter

15 Winkelmessung in der Ebene
Gradmaß: 1 Grad (0)=1/90 des rechten Winkels Bogenmaß: Kreisbögen di um Schwerpunkt verhalten sich wie ihre Radien, di/Ri=const â(Bogenmaß)= “voller Winkel” â3600= =2π (=6.28) bzw. â10= Einheit: 1Radiant (rad)= damit also: â3600=2π rad

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

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 Mittelwert: 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=17.24 Fehler: σ=0.15 Der wahre Wert liegt mit einer Wahrscheinlichkeit von 68% im Intervall 17.24±0.15

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

20 Fragen zur Fehlerrechnung
Welchen relativen Fehler weist eine Uhr auf, die täglich um 10 Minuten vorgeht? Angenommen, Sie leben 100 km von einem Radiosender entfernt und berücksichtigen die Laufzeit des Zeitsignals nicht. Wie groß ist der Fehler, den Sie dadurch begehen? Vergleichen Sie diesen Fehler mit der Laufzeit des Schalls von Ihrem 2m entfernten Radio bis an Ihr Ohr! Lichtgeschwindigkeit c=3 108 m/s, Schallgeschwindigkeit vS=340 m/s