Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physikerjonas/Optionalbereich/Skript/Vorlesung01.pdf · RUHR-UNIVERSIT˜T BOCHUM Was ist Physik? Die Physik gehört zu den Naturwissenschaften

FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE

RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM

Physik für Nicht-Physikerinnen undNicht-Physiker

Prof. Dr. W. Meyer17. April 2014


OrganisatorischesVorlesung

Prof. Dr. Werner MeyerNB 2/135

Sekretariat: Frau D. KlobesNB 2/131

Übungen: J. Herick & A. BerlinNB 2/28Tel: 235721

Hörsaal: Herr NowakHNB

1Anruf von Außen→ 0234-32-.....

Prof. Dr. W. Meyer | Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker | 2


OrganisatorischesÜbung

Vorlesung: Donnerstags von 10-12 Uhr im Hörsaal HNB2

Übungen: Mittwoch Gruppe A 11 - 12 Uhr NB 5/158Gruppe B 12 - 13 Uhr NB 6/173

Donnerstag Gruppe C 9 - 10 Uhr NB 2/158Gruppe D 12 - 13 Uhr NB 3/99

Ausgabe→ Donnerstags auf unserer HomepageAbgabe → eine Woche später; am Anfang der Vorlesung

Ausgabe Abgabe Besprechung

Anwesenheitsübung – – 23.4./24.4.

Übungszettel 1 17.4. 24.4. 7.5./8.5.Übungszettel 2 24.4. 8.5. 14.5./15.5Übungszettel 3 8.5. 15.5. 21.5./22.5.Übungszettel 4 15.5. 22.5. 4.6./5.6.Übungszettel 5 22.5. 5.6. 25.6./26.6.Übungszettel 6 5.6. 26.6. 2.7./3.7.Übungszettel 7 26.6. 3.7. 9.7./10.7.

2folgende Termine fallen aus, auch finden in diesen Wochen keine Übungen statt: 1.5. / 29.5. / 12.6. / 19.6.



OrganisatorischesBonus

Das Kriterium für den Erhalt der Kreditpunkte ist eine bestandene Klausur, die in der letzten Vorlesungstattfindet (17.7.2014 10:00 st. - 12:00 Uhr)

Zum Bestehen der Klausur müssen mindestens 50 % der Klausurpunkte erreicht werden.Es ist möglich 10 % der Klausurpunkte durch die Übungen zu erhalten.

in der Übung für die Klausur

ab 50 % → 1 %...

...ab 90 % → 9 %ab 95 % → 10 %

Um Anspruch auf den Bonus haben zu können,mussmindestens zweimal in den Übungen vorgerechnetwerden! Des Weiteren werden nur Übungszettel gewertet, die handschriftlich verfasst wurden.

Es gibt zu dieser Veranstaltung keinen Blackboard-Kurs.

Alle Informationen zur Vorlesung, sowie die Übungsblätter findet ihr unterhttp://www.ep1.rub.de/poltarg/Lehre/Optionalbereich/



"In der Wissenschaft beginnt alles Neue damit,dass jemand brummt ’Hmmm ... ist ja komisch’."

– Isaac Asimov



Was ist Physik?

Die Physik gehört zu den Naturwissenschaften und versucht grundlegende Phänomene undEigenschaften der Natur quantitativ zu beschreiben. Sie befasst sich mit der gesamten,unbelebten Materie im Universum.

Die Naturwissenschaften werden insbesonderevon der Neugier des Menschen angetrieben, die Weltum sich herum zu verstehen.

Damit teilen sich die Disziplinen der Naturwis-senschaften, der Philosophie und der Religionendieselben grundlegenden Fragen.

Frage

Antwort 1 Antwort 2 Antwort 3

Naturwissen-

schaftenPhilosophie Religion

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Warum sollte man sich mit Physikbeschäftigen?

Viele technische Berufe bauen auf physikalische Prinzipien auf. Die Physik gibt dabei Wege vorund zeigt Grenzen auf, die zu beachten sind.Bsp. Brückenbau, Raumfahrt, Schiffbau, Kernenergie, ...

Im Alltag helfen uns physikalische Kenntnisse, gewisse Situationen besser einzuschätzen zukönnen.Bsp. elektrischer Strom, Musizieren, Umgang mit Feuer, ...

Kenntnisse in Physik schützen uns auch vor irreführenden Informationen.Bsp. Schwarze Löcher am CERN→Weltuntergang, ...

Physik ist überall zu finden!!



Entwicklung der Physik

Frühzeit: Lehre der NaturKeine weitere Unterteilung. Es war die Lehre aller Dinge, die mit denSinnesorganen zu erfassen waren. Auch hier bestand schon der Drang zuVereinfachungen.

Griechen: Erste Ansätze→ Atome (unteilbar) als Bausteine der Materie.Bis dahin gab es 4 Elemente: Erde, Wasser, Luft, Feuer.

ca. 17. Jh.: Beginn der systematischen Erforschung der Natur→ Naturwissenschaften

Abtrennung: Biologie → lebende MaterieChemie → stoffliche Veränderungen der MaterieGeologie → Erforschung der ErdeAstronomie → Erforschung des KosmosPhysik → Erforschung der unbelebten Welt, Grundgesetze,

Wechselwirkungen und Kräfte der Materie



Berufswahl

Nach Richard Feynman (Experimentalphysiker) erfolgt die Abspaltung in verschiedeneFachrichtungen beim Betrachten eines Eimer Wassers

Interesse an Beruf

Maße Geodät

Woher H2O Geologe

Lust an Reaktionen Chemiker

Wunsch nach einem Mikroskop

Pantoffeltiere Biologe

Pantoffeltiere umbringen Pharmazeut

Atom-/Aufbau der Materie Kern-/

Elementarteilchen-physiker



Wie geht man in der Physik vor?

Physik gehört zu den Erfahrungswissenschaften. Die reine Beschreibung (Phänomenologie) derNatur ist aber noch keine Physik.

Die Physik arbeitet quantitativ und analytisch, d.h. Vorgänge oder Zustände werden mit objektivenMessmethoden gemessen und analysiert.

Achtung: Sinnesorgane sind nicht immer gute Messinstrumente!

– Man beginnt zunächst mit genauen Beobachtungen und stellt eine Hypothese auf.– Die Hypothese wird durch zahlreiche und sorgfältige Experimente geprüft.– Zeigen mehrere, möglichst unabhängige Experimente widerspruchsfrei die Richtigkeit der

Hypothese, so wird diese zu einer Theorie.

Die Flächen A und B sind in der Farbe und der Helligkeit identisch.




















Experiment


Wie beschreibt man die Physik?

Zur quantitativen Beschreibung benötigen wir

– wohldefinierte physikalische Größen(z.B. Länge und Zeit)

– dazu Maßeinheiten(hier Meter [ m ] und Sekunde [ s ])

Wir messen Maßzahlen für die jeweilige phys. Größe durch den Vergleichmit Standards [Einheit]

Phys. Größe = Zahlenwert × Einheit

z.B.3 Länge = 8,95 mz.B.4 Zeit = 9,56 s

Damit sind wir prinzipiell in der Lage zu messen, wann sich die Feder wo befindet.

Achtung: Die Feder ist ausgedehnt und unregelmäßig.

Daher betrachten wir bei der Messung des Ortes, als Funktion der Zeit, den Schwerpunkt derFeder.

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Weitsprung-Rekord: Mike Powell, 1991 Tokio 4 100 m-Lauf-Rekord: Usain Bolt, 2009 Berlin













3Weitsprung-Rekord: Mike Powell, 1991 Tokio 4 100 m-Lauf-Rekord: Usain Bolt, 2009 Berlin













3Weitsprung-Rekord: Mike Powell, 1991 Tokio 4 100 m-Lauf-Rekord: Usain Bolt, 2009 Berlin



MaßeinheitenSI-System

Das SI-System ist ein international anerkanntes Maßsystem. SI steht hierbei für Systèmeinternational d’unités. Es beinhaltet sieben physikalische Grundgrößen, aus denen sich alleanderen Einheiten ableiten lassen. Diese Grundgrößen lauten:

Dimension Einheit Einheitszeichen

Länge Meter mMasse Kilogramm kg

Zeit Sekunde sTemperatur Kelvin KStromstärke Ampere AStoffmenge Mol molLichtstärke Candela cd

ebener Winkel Radiant radRaumwinkel Steradiant sr



MaßeinheitenPräfixe

Häufig verwendete Vorsätze für Maßeinheiten, sogenannte Präfixe, dienen dazu sehr große, bzw.sehr kleine Werte übersichtlich darzustellen. Hier in der Vorlesung und in den Übungen werdenwahrscheinlich die Folgenden ausreichen:

Präfix Aussprache Exponentialschreibweise ausgeschrieben

f Femto 10−15 0,000000000000001p Pico 10−12 0,000000000001000n Nano 10−9 0,000000001000000µ Mikro 10−6 0,000001000000000m Milli 10−3 0,001000000000000c Zenti 10−2 0,010000000000000d Dezi 10−1 0,100000000000000k Kilo 103 1000,000000000000000M Mega 106 1000000,000000000000000G Giga 109 1000000000,000000000000000T Tera 1012 1000000000000,000000000000000

Sprich: Besäße man 12Ge, wäre man zwölffacher Milliardär!



MaßeinheitenBeispiele ’Raum’

Der geometrische Raum

Proton 10−15 m = 1 fm

Atomkerne 10−14 m = 10 fm

Atome 10−10 m = 100 pm = Å

Großes Molekül 10−8 m = 10 nm

Virus 10−7 m = 0,1 µm

Dreijähriges Kind 1 m

Matterhorn 4477 m

Erdradius 6,37 · 106 m

Große Halbachse der Erdbahn 1,496 · 1011 m = 0,15 Tm

Durchmesser der Milchstraße 9,46 · 1020 m

Hypothet. Radius des Universums 1027 m

42 Zehnerpotenzen1 Å = 10−10m (alt)

1 Lichtjahr = 9,4627 · 1015 m1 parsec = 3,26 Lichtjahre



MaßeinheitenBeispiele ’Zeit’

ZeitskalaAlter unseres Universums 1018 s

Alter der Erde (ungefähr) 1017 s

Mittlere Lebensdauer eines Menschen 109 s

Dauer eines Tages 8,64 · 104 s

Periode einer Ultraschallschwingung 10−5 s

Periode einer Molekülschwingung 10−12 s

Periode einer Atomschwingung 10−15 s

Zeit, die ein Lichtstrahl zum Durchqueren 10−18 seines Atoms benötigt

Periode einer Kernschwingung 10−22 s

Zeit, die eine elektromagnetische Welle 10−24 sbraucht, um einen Weg zurückzulegen, der

gleich der linearen Ausdehnung einesElementarteilchens ist



MaßeinheitenBeispiele ’Masse’

MasseUniversum 1055 kg

Galaxien 1040 kg

Sonne 1030 kg

Erde 1024 kg

Tanker 108 kg

Mensch 102 kg

Bakterien 10−15 kg

DNA-Molekül 10−23 kg

Proton 10−27 kg

Elektron 10−30 kg



Grundgebäude der Physik

N

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www.tagesspiegel.de

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E=mc 2

Mechanik

Elektrodynamik

Thermodynamik

Relativitätstheorie

Quantenphysik



Mechanik

Die Mechanik ist die Lehre von den Bewegungen (einschl. der Ruhezustände) der Körper im Raum.

Der Raum ist der uns bekannte 3-dimensionale Raum (Länge, Breite, Höhe).

Diese Bewegungen wollen wir quantitativ beschreiben und zu diesem Zweck müssen wira) den 3-dimensionalen Raum ausmessen könnenb) und zur Beschreibung des zeitlichen Verlaufs auch die Zeit messen

Der Körper ist in der Regel ausgedehnt – wie beim Experiment mit der Feder – und hat nochweitere Bewegungsgrade, wie z.B. die Rotation.

Deshalb werden wir uns zunächst den realen Körper idealisiert in einemMassepunkt vorstellen.



Mechanik - Massepunkt

Wir werden später den Schwerpunkt definieren und das folgende Modell rechtfertigen:

Modell: Massepunkt

"Die gesamte Masse des Körpers wirkt so, als wäre sie in einemPunkt vereinigt. Dieser Punkt ist zugleich sein Schwerpunkt."

Dieses Modell bedeutet eine Beschränkung des Problems auf das Grundsätzliche und äußereEigenschaften wie Volumen und Form werden vernachlässigt.

Der Körper wird alsmathematischer Punkt angesehen, der insbesondere keineRotationsbewegungen ausführen kann.

Feinheiten können unter Umständen später berücksichtigt werden.



Aber was ist die Masse eines Körpers?

Die Materie um uns herum ist aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut

Proton (p)Neutron (n)

}Nukleon mit der Massemn = 1,67 · 10−27 kg

+Elektron (e) me = 0,0009 · 10−27 kg

→ d.h. 1 kg Materie entspricht 11,67·10−27 ≈ 6 · 1026 Nukleonen (+ Elektronen)

Wir kennen den Zusammenhang zwischen Energie und Masse

Energie = Masse · c2 [ N · m] = [ kg] ·[ m

s

]2

Und was ist Energie?

Dazu später ...Zumindest: Jede Art von Energie kann sich in Masse ’kondensieren’ und umgekehrt.



Was sind Körper noch?

Neben der Eigenschaft der ’Masse’ haben Körper noch weitere Eigenschaften. Sie sind

– immer ausgedehnt, d.h. die Masse ist über ein endliches Volumen verteilt– entweder starr oder deformierbar

Körper

starre Körper(ausgedehnt)

deformierbar Körper(ausgedehnt)


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