Vorlesung 21.10.2010 - 4. Physikalisches Institut - Universität Stuttgart
Vorlesung 21.10.2010 - 4. Physikalisches Institut - Universität Stuttgart
Vorlesung 21.10.2010 - 4. Physikalisches Institut - Universität Stuttgart
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für<br />
Umwst.<br />
Di 11.30-13.00<br />
Do 11.30-13.00<br />
HS 57.01<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Infos zur <strong>Vorlesung</strong><br />
Prof. Dr. Harald Giessen<br />
<strong>4.</strong> <strong>Physikalisches</strong> y<br />
<strong>Institut</strong><br />
Pfaffenwaldring 57<br />
70569 <strong>Stuttgart</strong><br />
Tel.: 0711 - 685 65111<br />
giessen@physik giessen@physik.uni-stuttgart.de<br />
uni-stuttgart de<br />
Mails immer mit Betreff, sonst<br />
Büro:<br />
Pfaffenwaldring 57<br />
Raum 4-552<br />
Sprechstunde: Fr. 11.30-12.30<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Infos zur <strong>Vorlesung</strong><br />
Robin Hegenbarth Bernd Metzger<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Assistent:<br />
Dr. Andy Steinmann<br />
<strong>4.</strong> <strong>Physikalisches</strong> <strong>Institut</strong><br />
Pfaffenwaldring 57<br />
70569 <strong>Stuttgart</strong><br />
Tel.: 0711 - 685 64963<br />
as4@physik as4@physik.uni-stuttgart.de<br />
uni-stuttgart de<br />
Mails immer mit Betreff, sonst auch<br />
Büro:<br />
Pfaffenwaldring 57<br />
<strong>4.</strong> Stock, 4-516<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Webseiten<br />
Oder direkt zum<br />
4 <strong>4.</strong> PI: PI<br />
http://www.pi<strong>4.</strong>uni-stuttgart.de<br />
Dort auf LEHRE klicken.<br />
Dort gibt es auch die Übungsaufgaben und Ankündigungen.<br />
Fakultät Physik:<br />
http://www http://www.physik.uni-<br />
physik uni<br />
stuttgart.de/cms/de/lehrangebot/vorlesungen/angebot-fuernichtphysiker.php<br />
dann dort auf Lehrangebot/Experimentalphysik<br />
für Nichtphysiker klicken.<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Literaturauswahl<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
40 €
Literaturauswahl<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
~ 49,- €<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
~ 78,- €
Literaturauswahl<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
~ 40,- €<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
~ 60,- €
Literaturauswahl<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
~ 55,- €<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Literaturauswahl<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Literaturauswahl<br />
Bronstein, 40 EUR<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
Stöcker Stöcker, 40 EUR<br />
Kuchling, 23 EUR
Was macht Physik?<br />
Physik (griechisch: ϕνσιζ): Naturordnung, das Natürliche<br />
• Beschreiben der Natur (mehr ( nicht!) )<br />
– Mit der Sprache der Mathematik<br />
– Viele sehr praktische Gründe<br />
• Liefert Vorhersagen<br />
– Auto im „Computer“ gebaut fällt nicht auseinander<br />
– Brücke bleibt stehen<br />
• Befriedigt ungemein!<br />
– Verstehen von Zusammenhängen<br />
–Möglichkeit g zum Mitreden<br />
– Richtige Entscheidungen treffen<br />
• Spaß! p<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Physik ist blöd<br />
• Mathematische Beschreibung ist „a priori“ abstrakt.<br />
• Denken ist immer anstrengend!<br />
• Auf Textaufgaben habe ich noch nie Lust gehabt!<br />
Stimmt, na und?<br />
• LLust t und d Spaß S ß sind i d auf f Dauer D langweilig l ili bis bi zum geht ht nicht i ht<br />
mehr, Können und Wissen aber nicht!<br />
• Physik liefert den leichtesten, nachhaltigsten und<br />
gleichzeitig einen spielerischen Zugang zur Mathematik und<br />
ingenieurwissenschaftlichen Problemen<br />
Problemen.<br />
• SIE BRAUCHEN PHYSIK IN IHREM BERUF!<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Regeln<br />
• Denken! Nicht nur abschreiben!<br />
– In Büchern viel besser zusammengefasst<br />
• Fragen! Nicht einfach alles schlucken!<br />
• Formeln verstehen! Das kann man alles nicht auswendig<br />
lernen!<br />
– Hilft viel, spart Zeit<br />
• Spaß an Physik! Kein Frust!<br />
– Schwerer Punkt, klappt nicht immer<br />
• Zuhören? Stören? Zuhause bleiben?<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Ziele der <strong>Vorlesung</strong><br />
• Anhand von Experimenten die Natur vorführen!<br />
• Zum Teil „abstruse“ Modelle näher<br />
bi bringen!<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
• Kenntnisstand vereinheitlichen!<br />
– Sozialistische Physik<br />
• Einzelne besonders motivieren<br />
– Elitenphysik<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Inhalt<br />
Mechanik: Schwingungen und Wellen:<br />
Elektrodynamik:<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Mechanik<br />
Die (klassische) Mechanik<br />
Sie ist die Grundlage aller<br />
physikalischen h ik li h und d ttechnischen h i h<br />
Phänomene.<br />
Die wichtigste Größe<br />
ist die Kraft<br />
M<br />
r<br />
F =<br />
9, 81M<br />
[ N]<br />
z.B. Gewichtskraft auf der<br />
Erdoberfläche<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
Die Gravitationskraft zwischen<br />
Den Massen bestimmt auch die<br />
B Bewegung der d Planeten Pl t<br />
und Gestirne
Mechanik<br />
Die klassiche Mechanik ....<br />
...behandelt die "Alltagsprobleme", zum Beispiel ......<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Flugkurve<br />
d des ffallenden ll d<br />
Flugzeuges<br />
Schnittpunkt:<br />
möglicher Treffpunkt<br />
falls gleichzeitig ???<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
Flugkurve<br />
Sie
Mechanik<br />
Um einen Körper anzuheben, muß<br />
man Arbeit leisten (z.B. (z B mit Hilfe<br />
eines Flaschenzuges)<br />
Der angehobene Körper hat<br />
danach eine erhöhte<br />
potentielle Energie<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
feste Rolle<br />
F =<br />
lose Rolle 2<br />
1 F<br />
s
Mechanik<br />
Energie der Bewegung v r<br />
U Um z.B. B ein i Fahrzeug F h oder d<br />
eine Rakete in Bewegung zu<br />
setzten, , muß Energie g aufge- g<br />
wendet werden.<br />
(Antriebsmotor)<br />
Das Fahrzeug hat dann<br />
kinetische Energie g<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Schwingungen und Wellen<br />
Schwingungen spielen in der Naturwissenschaft und<br />
Technik eine fundamentale Rolle<br />
Beispiel:<br />
x<br />
Federpendel<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
D<br />
F T<br />
F F<br />
m<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
x<br />
⇒ hharmonischer i h<br />
Oszillator<br />
π 2 π 3π 2 2π<br />
ϕ
Schwingungen und Wellen<br />
Die Resonanz<br />
Durch Wind wurde die Brücke zu resonanten Schwingungen<br />
mit extrem großen ß Amplituden angeregt bis zur Zerstörung<br />
Einsturz der Tacoma Bridge g („Galloping („ p g Gertie“) )<br />
am 7. November 1940<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Schwingungen und Wellen<br />
Im Jahre 1888 machte<br />
Heinrich i i h Hertz erste<br />
Experimente mit<br />
elektromagnetischen<br />
Wellen.<br />
Funkeninduktor<br />
Versuchsaufbau von H. Hertz ⇒<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Frequenz<br />
Schwingungen und Wellen<br />
700 600 500 nm 400<br />
sichtbares<br />
Licht<br />
v<br />
[ Hz]<br />
105 104 106 107 108 109 10 10 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023 Langwelle<br />
Mittel- Mittel UKW<br />
Ultra- Uta<br />
MikroInfrarot- & Kurz- und<br />
violettwellenstrahlungwelle<br />
Fernsehen Radar<br />
Licht<br />
strahlung<br />
Rö Röntgen- GGamma<br />
strahlungstrahlung 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 10 -11 10 -12 10 -13 10 -14<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
λ<br />
[ m]
Optik<br />
Totalreflexion an Grenzflächen (hier: Wasser-Luft)<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
Totalreflexion
Elektrodynamik<br />
Versuche mit Froschschenkeln<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimente p<br />
mit Blitzen ⇒<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Elektrodynamik<br />
Ladungen erzeugen im umgebenden Raum ein elektrisches Feld<br />
(Kraftfeld) ⇒ elektrische Feldlinien<br />
+<br />
_<br />
ungleiche Ladungen<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
+<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
+<br />
gleiche Ladungen
Elektrodynamik<br />
Von einem elektrisch ungeladenen<br />
Eisen kann eine Kraftwirkung auf<br />
anderes Eisen ausgehen ausgehen.<br />
Es wirkt ein Magnetfeld<br />
Ei Eisenmagnet t<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Kompaßnadel<br />
r<br />
F r<br />
Je nach Ausrichtung des Magneten<br />
gibt g es Anziehungg oder Abstoßungg<br />
F r<br />
1<br />
F2 r<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
Anziehung
Elektrodynamik<br />
Erzeugung hoher Spannungen durch einen Trafo<br />
Primärspule p<br />
U 1<br />
I 1<br />
n 1<br />
B<br />
Eisenjoch<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
A=const A const.<br />
SSekundärspule k dä l<br />
n 2<br />
I<br />
2<br />
U 2<br />
R<br />
Primärspule<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
Lichtbogen<br />
Sekundärspule<br />
p
Übungsaufgaben<br />
• Gibt’s auf unserer Homepage!<br />
• Sollten Sie rechnen, am besten ordentlich!<br />
• Wenn die Zeit einem ein Schnäppchen schlägt auch<br />
mal nur „so nebenbei“!<br />
• Aber auf keinen Fall gar nicht!<br />
• W Wenn es nicht i ht klappt! kl t! Fragen F Sie Si Herrn H St Steinmann i<br />
oder Herrn Hegenbarth/Metzger!<br />
• Rechnen Sie unbedingt auch Aufgaben aus Büchern!<br />
Insbesondere bei der Klausurvorbereitung!<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Sie können die Klausur<br />
ohne das Rechnen von<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Übungen g nicht<br />
bestehen!<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Warum Übungsaufgaben?<br />
• Typischerweise gehen Sie aus der <strong>Vorlesung</strong> raus und<br />
denken sich: „Prima, „ , das verstehe ich ja j fast alles!<br />
Gar nicht so schwer! Ach, da brauch ich ja nicht viel<br />
zu tun!“<br />
• Das ist eine komplette Fehleinschätzung!<br />
• Erst und nur beim Rechnen von Aufgaben lernt und<br />
versteht h man Physik! Ph ik!<br />
• Nur so kann man sich die vielen Dinge merken!<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Klausur<br />
Bestandene Klausur ist Voraussetzung für die<br />
Teilnahme am Anfängerpraktikum.<br />
Anmeldung zum Praktikum:<br />
http://www.physik.uni-stuttgart.de/studium/praktika/ap/termine/<br />
Klausur findet voraussichtlich Anfang März statt<br />
(genauer Termin: Prüfungsamt)<br />
Vorbereitung: (auch wenn‘s langweilt)<br />
<strong>Vorlesung</strong>, Lehrbücher und Online-Übungen<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Noch etwas wichtiges ehe es los geht<br />
• Reden Sie über Physik!<br />
• Fragen Sie mich oder Herrn Steinmann!<br />
– Immer wann Ihnen danach zu Mute ist!<br />
– NNach h der d <strong>Vorlesung</strong> V l (egal ( l ob b es „uncool l ist“ i t“ mit it<br />
dem Dozenten zu reden)<br />
– Per EMAIL<br />
– Telefon (0711 6856 4963, 0515)<br />
• Kommen Sie nach der <strong>Vorlesung</strong> nach vorne um die<br />
Experimente wirklich zu verstehen!<br />
• Sie dürfen auch spielen!<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Jetzt geht’s los!!!<br />
Mathematik Theorie<br />
Gezielte Fragestellung ⇒ „Natur“ ⇒ Antwort<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experiment<br />
Messung<br />
Technologie<br />
z.B. Elektronik<br />
Optik usw.<br />
<strong>Physikalisches</strong><br />
System<br />
Meßergebnis<br />
Das physikalische p y Modell<br />
(mathematische Abbildung)<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Experiment<br />
Das Experiment ist eine gezielte Frage an die Natur, auf die<br />
bei geeigneter g g experimenteller p Anordnung g eine eindeutige g<br />
Antwort erhalten werden kann.<br />
Um eine Aussage über die Messung zu machen erfassen wir<br />
das Experiment mit unseren Sinnen<br />
Sinnestäuschungen: g<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn<br />
Welcher rote Kreis<br />
ist größer?
Sinnestäuschungen<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Sinnestäuschungen<br />
Maßsystem y mit<br />
Referenzmaßstäben<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Grundgrößen und Maßeinheiten<br />
Internationales Einheitensystem (SI)<br />
Größe Einheitenname Zeichen<br />
Länge Meter m<br />
Zeit Sekunde s<br />
Masse Kilogramm g kgg<br />
El. Stromstärke Ampere A<br />
Temperatur Kelvin K<br />
Stoffmenge Mol mol<br />
Abgeleitetet Einheiten: z.B. Einheit der Leistung:<br />
1 Watt = 1 W = 1 kg·m2 /s3 1 Watt 1 W 1 kg m /s<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Länge, m<br />
Das Urmeter (1799):<br />
Relative Genauigkeit:<br />
10 6 ~ 10-6 Präziseres Normal (1960):<br />
Ein Meter ist das 1 650 763,73-fache der Wellenlänge<br />
der vom Atom 86 Kr beim Übergang vom Zustand 5d 5<br />
zum Zustand 2p 10 (orangerot) ausgesandten Strahlung.<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Relative Genauigkeit: ~ 10-8 g<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Länge<br />
Genauigkeit reichte immer noch nicht aus (1983):<br />
Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante:<br />
c / 299 792 458 m/s<br />
Der Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum<br />
während der Dauer von (1/ 299 792 458) Sekunden durchläuft<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Relative Genauigkeit: ~ 10-10 Relative Genauigkeit: 10<br />
Längenmesswerkzeuge im „Alltag“<br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
SI-Vorsätze<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Zeit, s<br />
Ursprüngliche Definition der Sekunde bezogen auf den<br />
Sonnentag: g<br />
1 s = 1/(24·60·60) = 1/86 400 eines Sonnentags<br />
Relativ ungenau<br />
Schwankungen der Länge<br />
Geschwindigkeit Neigung<br />
eines Sonnentages g<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Zeit<br />
Heutige Definition der Sekunde über die Cäsium-<br />
Atomuhr (Weltzeitstandard):<br />
Eine Sekunde ist das Zeitintervall, während dessen<br />
die Cäsiumuhr 9 192 631 770 Schwingungen macht.<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Zeitdauern in der Physik<br />
<strong>Universität</strong><br />
<strong>Stuttgart</strong><br />
Experimentalphysik für Mach., Umw., FMT, EnAn
Change language