1. Einführung in den Gegenstand Physik

1. 1. Einführung in den Gegenstand Physik Ausgangspunkte: Natur verstehen Natur nutzbar machen ( Lebensbewältigung ) ( Erkenntnisdrang ) Entmystifizierung der Natur 1.1 Einleitung Führe Aufgaben A1, A2, A6 Seite 5 Basiswissen 5RG Einführung in Physik 6. Klasse

2. Teilgebiete - Anwendungen Einführung in Physik 6. Klasse

3. Merksatz Die Physik befasst sich mit der Erforschung der Naturgesetze und der Beschreibung der Naturerscheinungen mit Hilfe dieser Gesetze im Bereich der unbelebten Natur. Einführung in Physik 6. Klasse

4. Postkarte mit den Gesetzen der klassischen Physik Einführung in Physik 6. Klasse

5. Historischer Abriss: Ägypter - Griechen Demokrit: Atome; Eratosthenes: Erdradius; Aristarch: Ansätze eines heliozentr. WB;Archimedes: Hebel;Ptolemaios: Geozentr. WB Kopernikus (1473 - 1543) heliozentr. WB Galilei (1564 -1642) Begründer der heutigen naturwissenschaftlichen Methode. Begründer der experimentellen Physik. Von hier an nahm die Naturwissenschaft einen großen Aufschwung. Newton (1643 - 1727) Er schuf die theoretischen Grundlagen für die Mechanik. Watt (1768 Dampfmaschine - Zeitalter der Technik) 17. Jahrhundert: Mechanik, Optik 18. Jahrhundert: Ausbau der Mechanik; Maschinen 19. Jahrhundert: Elektrizität und WärmelehreZusammenhang: Strom - Magnetfeld. Oersted (1820)Induktionsgesetz: Faraday (1832) Dynamoelektrisches Prinzip: Siemens (1867) (→Generatoren)Elektromagnetische Wellen: Maxwell: Optik ist ein Teilgebiet der Elektrizität. 20. Jahrhundert: Zwei große Forschungsrichtungen:a) Atomphysik, Quantentheorie, Elementarteilchen.b) Weltraumforschung, Sterne, Kosmologie, Relativitätstheorie Einführung in Physik 6. Klasse

6. Einführung in Physik 6. Klasse

7. 1.2 Die naturwissenschaftliche Methode: Lies B. S. 8 /2. Spalte • Naturvorgänge sind oft kompliziert und schwer beobachtbar (z.B. Untersuchung von Blitzen) • Beim Experiment lassen sich die einzelnen Größen leichter messen. • Experimente können jederzeit (??) wiederholt werden. • Das Experiment stellt eine Frage an die Natur. Antwort in Form von Messergebnissen. Experimente: Einführung in Physik 6. Klasse

8. Sprache der Physik: Mathematik Zwei wichtige Vorgangsweisen: a) Aus Ergebnissen eines Experiments ( Messreihen) wird ein physikalisches Gesetz hergeleitet. d. h. Aus Einzelbeobachtungen → allgemeingültiges Gesetz. Induktives Verfahren. z. B. Ohmsches Gesetz, Fallgesetz Einführung in Physik 6. Klasse

9. Einführung in Physik 6. Klasse

10. b) Intuition: Nicht alles wurde schon beobachtet. Hypothese: (unbewiesene Annahme) wird an den Anfang gestellt. Mit Hilfe mathematischer Methoden wird daraus eine Theorie entwickelt, die das Naturgeschehen beschreibt und begründet. Bereits Erwiesenes darf dadurch nicht falsch werden. Deduktives Verfahren. Nachweis der Theorie durch Experimente. Voraussagen müssen möglich sein. Einführung in Physik 6. Klasse

11. Einführung in Physik 6. Klasse

12. Einführung in Physik 6. Klasse

13. 1.3 Größen und Einheiten: Physikalische Größen sind messbare Eigenschaften von Objekten. Sie bestehen aus Zahlenwert und Maßeinheit. vernünftig anerkannt Beispiele: l=3m; t = 4s; ... Wir unterscheiden: Grundgrößen und abgeleitete Größen: Einführung in Physik 6. Klasse

14. Grundgrößen Einführung in Physik 6. Klasse

15. International System of Units (SI) Schreibe die Tabelle aus dem Buch S. 6 Vorsilben ab! Einführung in Physik 6. Klasse

16. Einführung in Physik 6. Klasse

17. Entfernung Erde-Sonne: dErde-Sonne150 Mill.km= 1,5·1011m Entfernung Erde-Mond: dErde-Mond384000km=3,84·108m Erdradius: rErde6370km=6,37·106m Atomgröße: rAtom10–10m Kerngröße: dAtomkern10–15m Lichtgeschwindigkeit: c300000km/s=3·108m/s Masse eines H-Atoms: mH1,67·10–27kg Anzahl der H2O-Moleküle in 18 g: 6·1023 (Loschmidtsche Zahl) Einführung in Physik 6. Klasse

18. 1.3.1 Die Längenmessung Definition der Längeneinheit: 1m ist der 40 Millionste Teil des Erdumfanges. Später Urmeter in Sevres bei Paris ( aus Platin und Iridium ) 1792 Vermessung Dünkirchen - Barcelona Lit: Ken Alder: Das Maß der Welt, Goldmann Verlag, Juni 2005 1875: Internationale Meterkonvention (Staatsvertrag, den auch Österreich-Ungarn unterzeichnete) Einführung in Physik 6. Klasse

19. Problematik des Urmeters: Mikroskop. Aufnahme des mittleren Striches. Einführung in Physik 6. Klasse

20. Urmeter und Urkilogramm 22. Juni 1799 Sevres bei Paris aus Platin-Iridium Einführung in Physik 6. Klasse

21. Derzeit gültige Meterdefinition: Seit 1983: 1 Meter ist gleich der Strecke, die das Licht im leeren Raum in einer Zeit von 1/299792458 s zurücklegt. [l] = m Basisgröße Bereich der heute zugänglichen Distanzen 10-18 m bis 1026 m. Vergl. B. (Basiswissen 5) S. 15 Messungen sind generell mit Messfehlern behaftet. Man kann daher die Messwerte nur bis auf diesen Messfehler (l) genau angeben. Einführung in Physik 6. Klasse

22. Messgeräte: mechanische Längenmessung: Maßband, Maßstab (1-10m; l=1cm) Schublehre (10 cm; l=0,1mm) Hauptskala Noniusskala Nonius: 10 Skalenteile der Noniusskala decken sich mit 9 Skalenteilen der Hauptskala. Einführung in Physik 6. Klasse

23. Nonius NONIUS Einführung in Physik 6. Klasse

24. Mikrometerschraube: Messgenauigkeit: Δl = 0,01 mm Lies ab! Einführung in Physik 6. Klasse

25. Größere Distanzen Trigonometrische Längenbestimmung: Abstecken einer Standlinie. Messen von Winkeln mit dem Theodolith. Berechnen mit Hilfe trigonometr. Funktionen. Einführung in Physik 6. Klasse

26. Größere Distanzen: Laufzeitmessungen (z. B. Radar, Infrarot, Ultraschall) Grundlage: Lichtgeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit Einführung in Physik 6. Klasse

27. Kleinere Distanzen: Optische Methoden (Interferometrie) Aufgabe: Miss die Dicke eines Blatts deines Physikbuchs mit einer Schublehre! Gehe wie im Buch BW 5 S. 12 vor! Fertige ein Protokoll dazu an! Gib dazu den relativen Fehler an: Relativer Fehler = Einführung in Physik 6. Klasse

28. 1.3.2 Die Zeitmessung Grundlage: periodische Vorgänge Alte Definition: 1s ist der 86400-te Teil eines mittleren Sonnentages. Neue Definition seit 1967: Die Sekunde ist gleich der Dauer der von 9.192.631.770 Schwingungen der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des Caesium-Atoms-133 entspricht. [t] = s Basisgröße Die Definition basiert auf der Atomuhr. Man sieht dabei, dass zur Angabe einer Maßeinheit auch die Messmethode überlegt werden muss. Die Richtigkeit der Zeit kann nur mit einer zweiten gleichgebauten Uhr festgestellt werden. Die Abweichung dieser beiden Uhren voneinander gibt den Messfehler an. Einführung in Physik 6. Klasse

29. Zeitbereiche: 10-24s (Lebensdauer der instabilsten Elementarteilchen) bis 1018s (Alter des Universums) vgl. B. S 17 Messgeräte: Uhren Wichtigste Bestandteile einer Uhr: • Periodischer Vorgang • Antrieb • Rückkopplung Pendeluhr: (B. S. 16) (Folie)Periodischer Vorgang: PendelschwingungAntrieb: UhrgewichtRückkopplung: mechanisch Anker Atomuhr: Genauigkeit: Δt = 10-12s Je höher die Frequenz einer Uhr ist, desto genauer ist sie. Einführung in Physik 6. Klasse

30. Entwicklung der Uhren Einführung in Physik 6. Klasse

31. Sonnenuhren Einführung in Physik 6. Klasse

32. Wasseruhren Einführung in Physik 6. Klasse

33. Sanduhr Öllampe Einführung in Physik 6. Klasse

34. Räderuhr 1509 Peter Henlein "Nürnberger Ei" St. Sebaldus Nürnberg Einführung in Physik 6. Klasse

35. Pendeluhr 1656 Christian Huygens Einführung in Physik 6. Klasse

36. Unruhfeder als Gangregulator Einführung in Physik 6. Klasse

37. 1928 Quarzuhr Einführung in Physik 6. Klasse

38. 1949 Atomuhr Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Einführung in Physik 6. Klasse

39. Ende UTC ( koordinierte Weltzeit) TAI (internationale Atomzeit) Einführung in Physik 6. Klasse

40. 1.3.3 Die Masse Sie ist ein Maß für träge und schwere Eigenschafteneines Körpers. (später Erklärung) 1kg ist so schwer wie das Pariser Urkilogramm. [m] = kg … Basisgröße Sollte gleich der Masse von 1dm3 Wasser bei 4°C sein.(Wasser ist etwas leichter (0,028 g ) Massenbereiche: 10-30kg (Elektronenmasse) bis 1042kg (Milchstraße) Vgl. BW 5 S. 19 Messgeräte: Waagen Massensatz (1,2,5) zum Vergleichen. Einführung in Physik 6. Klasse

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42. 1.3.3.1 Die Dichte Zum Vergleich verschiedener Stoffe führen wir eine weitere Größe ein. Die Dichte ist eine abgeleitete Größe. Einheiten: 1 kg/m3, 1 kg/dm3, 1 g/cm3 Umrechnung: 1 kg/dm³ = 1000 kg/m³ 1 g/cm³ = 1 kg/dm³ Rechne nach! Beispiele für Dichten: v gl. BW 5 S. 18 Aufgabe: Bestimme die Dichte mehrerer Körper! Einführung in Physik 6. Klasse

43. Balkenwaage Sie vergleicht die Masse des Körpers mit Massestücken von einem Massensatz. Massensatz Vergleiche auch mit einer elektronischen Waage! Miss zuerst die Masse von verschiedenen Körpern, dann deren Volumen! m1 = V1 = ρ1 = m2 = V2 = ρ2 = m3 = V3 = ρ1 = Schaue in der Tabelle nach! Einführung in Physik 6. Klasse

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45. 1.3.4 Messfehler Es gibt 2 Gruppen von Fehlern: • Systematische Fehler: z. B. falsch eingestelltes Messgerät, .. • Statistische Fehler: Sie treten bei jeder Messung auf und können nie zur Gänze ausgeschaltet werden. Sehr oft wird bei der Angabe eines Messwertes auch seine Genauigkeit angegeben. z. B. l = (5,71 ± 0,01)mm oder 5,71(1)mm kurz: l = 5,71mm, d.h. auf 2 Dezimalen genau Beachte: 5,71  5,710 Einführung in Physik 6. Klasse

46. Ende Meist wird eine Messreihe durchgeführt und davon der Mittelwert gebildet. absoluter Fehler: Abweichung vom tatsächlichen Wert (oder Mittelwert) relativer Fehler: = Berechne den relativen Fehler einer Quarzuhr und einer Schublehre. a) 1ms/d b) 0,1mm/10cm Lsg: a) 1,15.10-6 % b) 0,1 % Einführung in Physik 6. Klasse

47. Definitionen Einführung in Physik 6. Klasse

48. Ende Zusammenhänge und relative Genauigkeiten Einführung in Physik 6. Klasse