Physik für Studierende der Bio- und

Lebensmitteltechnologie:

Einführung

Vorlesung WS 2003/04

Prof. Adalbert Ding

Gegenstand der Untersuchung:

Eigenschaften von Zeit, Raum und Materie,

insbesondere die Wechselwirkung der Materie.

Gegenwärtiges Weltbild:Die Materie besteht aus bestimmten Elementarteilchen. Die Eigenschaften können durch die Wechselwirkung der Elementarteilchen erklärt werden.

Dazu werden Theorien und Modelle, die diese Wechselwirkungen beschreiben, entwickelt. Sind die Theorien sehr grundlegend werden sie manchmal auch als Axiome bezeichnet (Beispiel Newtonsche Axiome). Diese Theorien und Modelle müssen durch reproduzierbare Messungen verifiziert werden. Eine Theorie basiert auf anderen, allgemein akzeptierten bzw. verifizierten Theorien und ist allgemein gültig (manchmal unter Beschränkung des Wertebereichs). Ein Modell kann auch empirisch begründet werden (was natürlich nicht bedeutet, dass nicht eine andere Theorie gefunden als Basis gefunden werden könnte). Das Modell vernachlässigt i.a. eine Reihe von Parametern und ist nur in einem beschränkten Bereich gültig.

Der Übergang zwischen Modell und Theorie ist häufig fließend.

Physik für Studierende der Bio- und Lebensmitteltechnologie:

Beispiel 1: Die Korrelation von roten Augen und weissem Fell

(z.B. bei Albinos):

Das Modell würde empirisch vorhersagen, dass bei roten Augen auch ein weisses Fell zu erwarten ist, jedoch bei weissem Fell nicht unbedingt rote Augen. Die Theorie würde eine Korrelation dieser Eigenschaften mit genetischen Defekten (d.h. Schäden an Chromosomen) herstellen und eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer solchen Erscheinung geben.

Beispiel 2: Molekülkräfte (Adhäsion, Kohäsion,...):

Die Anziehungskraft zwischen neutralen Molekülen ist etwa proportional zur 6. Potenz des Abstands in einem bestimmten Abstandsbereich. Der Proportionalitätsfaktor hängt von der Molekülsorte ab. Dieses Gesetz ist empirisch gefunden worden und kann inzwischen auf grundlegendere Theorien zurückgeführt werden.

Physik für Studierende der Bio- und Lebensmitteltechnologie:

Historisch sind im allgemeinen Theorien erst nach der Durchführung von Messungen entwickelt worden (Ausnahme: Relativitätstheorie). Stellt sich durch neue Experimente heraus, dass die Theorie die Experimente nicht mehr adäquat beschreibt, so muss die Theorie erweitert werden.

Beispiel: Der Übergang von der klassischen zur nichtklassischen Mechanik, bzw. von de klassischen zur relativistischen Mechanik. Diese Fragen sind inzwischen geklärt.

Nicht geklärt ist beispielsweise, ob die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum über große Zeiträume variiert.

Physik für Studierende der Bio- und Lebensmitteltechnologie:

Menschliche Meßgrößensind nicht quantifizierbar

• Gesichtssinn• Hören• Fühlen• Riechen und Schmecken

Menschliche Meßgrößen werden durch (teilquantifizierbare) Größen

ersetzt

Mensch:• Gesichtssinn Helligkeit

• Gesichtssinn Farbe

• Hören

• Fühlen

• Schmecken, Riechen

Messung:• Lichtintensität• Farbkoordinaten• Schalldruck, Schallspektrum• Kraft, Druck• Keine eindeutige Korrelation,

z.B. Masssenspektrometrie

Physikalische Grundgrößen

können direkt zu messen seinoder

entsprechen Erhaltungsgrößen

Physikalische Messungen

Bei einer Messung werden entweder 1.:

2 Werte miteinander verglichen

oder 2.:

es wird ein bekannter physikalischer Effekt benutzt, der eine leicht meßbare (häufig elektronische) physikalische Größe erzeugt, die nach 1. Bestimmt werden kann.

Physikalische Grundgrößenbestehend aus

Zahlenwert und Einheit

Größe Symbol Einheit Abk.

• Ort s,l Meter [m]• Zeit t Sekunde [s]• Ladung Q Coulomb [C]• Masse m Kilogramm [kg]• Temperatur T Kelvin [K]• Stoffmenge N Mol [1]

Alte Maße

Abgeleitete Größen

• Geschwindigkeit: v = s/t

• Beschleunigung a = v/t

• Impuls: p = m·v

• Kraft F = p/t

• Drehimpuls l = m·vr

• Drehmoment M = Fr

• Kinetische Energie Ekin = (m/2)·v2

dt

ds

t

s

t

sv

Abgeleitete Größen (differentiell)

rFM

vpl

dt

pd

t

p

t

pF

vmp

dt

sd

dt

vd

t

v

t

va

dt

sd

t

s

t

sv

Drehmoment

Drehimpuls

Kraft

Impuls

gungBeschleuni

gkeit Geschwindi

2

2

Alle physikalischen Meßverfahren müssen

reproduzierbare Ergebnisse liefern

Erhaltungssätze

• Ladung

• Masse

• Energie

• Impuls

• Drehimpuls

(nichtrelativistisch)

Der Impuls

• Die Größe der Bewegung ist durch die Geschwin-digkeit v und die Masse m (Menge der Materie) bestimmt:

p = m·v• Sie wird auch Impuls genannt.• Der Impuls ist eine Vektorgröße, ist also gerichtet.• Der Impuls kann nur durch das Einwirken einer

Kraft geändert werden (s. 1. bzw. 2. Newtonsches Axiom).

Energiearten

• Kinetische Energie

• Potentielle Energie

• Thermische Energie

• Elektrostatische Energie

• Magnetostatische Energie

• Elektromagnetische Energie (z.B. Licht)

• Kernenergie

Energie, Arbeit, Leistung

• Mechanische (kinetische) Energie m/2·v2

• Mechanische Arbeit W = F·s F·ds • Leistung N= W/t

• Wenn die Arbeit, einen Gegenstand von Punkt nach Punkt B zu bringen, unabhängig ist vom Weg, kann die Kraft F als 3D-Ableitung (Gradient) eines Potentials V geschrieben werden:

• F = -grad V (-dV/dx, -dV/dy, -dV/dz)• Solche Kräfte werden konservativ genannt

Vektoren °

Vektoren beschreiben gerichtete Größen. Sie können durch Länge (Größe) und Richtung oder durch

Komponenten beschrieben werden

•Dreidimensionaler (3D) Vektor (Normalfall) 3 Komponten (z.B. x, y, z) oder 1 Länge, 2 Winkel•Zweidimensionaler (2D) Vektor (ebenes Problem) 2 Komponten (z.B.x,y) oder 1 Länge [r], 1 Winkel[φ]•Mehrdimensionaler Vektor n Komponten (z.B.x1,..xi,..xn)

Vektoren (2) °

• Haben 2 Multiplikationsarten:

Inneres Produkt: Ergebnis skalar

Vektorprodukt: Ergebnis vektoriell

• Keine Division

• Sonderfall: komplexe Zahlen definiert durch 2 Komponenten, bzw. Länge und Winkel

Produkt: Ergebnis komplex (nicht skalar)

Division: Ergebnis komplex (nicht skalar)

Große Astronomen und Physiker °

• Gallileo Gallilei• Nikolaus Kopernikus• Kepler• Isaac Newton• James Clarc Maxwell• Heinrich Hertz• Wilhelm Röntgen• Albert Einstein