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0. Kap.: Was ist Physik? - HLW Kufstein

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0. Kap.: Was ist Physik?
0.1 Was ist Physik?
Die Menschen trachteten immer schon danach, die sie umgebende Welt zu
verstehen. Seit der Erfindung der Schrift, wahrscheinlich schon vorher, haben wir
nach Wegen gesucht, die Vielfalt von Ereignissen, die wir beobachten, zu ordnen.
Diese Suche nach Ordnung hat eine Vielzahl von Formen angenommen: Religion,
Kunst, aber auch Wissenschaft.
Unter Wissenschaft versteht man
zunächst
die
gesammelten
Erkenntnisse über die uns umgebende
materielle Welt. Gewöhnlich teilen wir
die Naturwissenschaft in mehrere
voneinander abgrenzbare, gleichzeitig
aber
auch
zusammenhängende
Disziplinen ein.
Biologie: lebende Organismen, wie
funktioniert Leben und
Lebewesen
Chemie: Wechselwirkung der
Elemente und
Verbindungen, sowie
daraus folgende
Eigenschaften der Materie
Geologie: Aufbau der Erde
Astronomie: Sonnensystem,
Sterne, Galaxien und
Universum als Ganzes
Geographie: Topographische
Auswirkungen auf den
Menschen und auf die
Wirtschaft
Physik: Materie und Energie, deren Prinzipien, die die Bewegungen von Teilchen
und Wellen bestimmen sowie die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und um die
Eigenschaften von Molekülen, Atomen, Atomkernen und ausgedehnteren Systemen
wie
Gasen,
Flüssigkeiten
und
Festkörpern.
Die
Physik
ist
die
Grundlagenwissenschaft von der unbelebten Natur. Andere naturwissenschaftliche
Disziplinen bauen auf der Physik auf.
0.2 Naturwissenschaftliche Modellbildung
Naturwissenschaftliche Erkenntnisse beruhen nicht auf einer intuitiv offenbarten
Wahrheit, sondern auf simplen und leicht nachvollziehbaren Überlegungen.
Dabei wird aus einfachen Modellbausteinen ein rationales Modell konstruiert.
Daraus werden Schlussfolgerungen abgeleitet, die anhand von Experimenten
überprüfbar sind.
Dabei hat es sich als sinnvoll erwiesen, sowohl für die Aufstellung der
Modellbausteine als auch für die Schlussfolgerungen die Sprache der Mathematik
zu verwenden. Dies ist auf den ersten Blick nicht so selbstverständlich, wie dies meist
angenommen wird. Der Grund liegt darin, dass die Mathematik die einfachste und
deutlichste Art ist, komplexe Sachverhalte zu abstrahieren (vereinfachen und
aufs Wesentliche konzentrieren).
1 Was heißt abstrahieren?
2 Wie wird in der Naturwissenschaft darüber entschieden ob ein Modell brauchbar ist
oder nicht?
3 Erkläre mit Hilfe eines einfachen Schemas wie Modelle und damit Meinungen
sowohl im Alltag als auch in der Naturwissenschaft gebildet werden.
4 Worin unterscheiden sich die Modelle des Alltags von den Modellen der
Naturwissenschaft?
(diese Fragen sollten aus dem Chemieunterricht bekannt sein)
0.3 Physikalische Größen und Maßeinheiten
Wert der physikalischen Größe = Zahlenwert * Einheit
(Einheiten gemäß SI-System)
Bsp.: t = 5 s
Das Internationale Einheitensystem, auch kurz SI (Abk. für frz.: Système international
d'unités) genannt, verkörpert das moderne metrische System und ist das am weitesten verbreitete
Einheitensystem für physikalische Einheiten. Es entstammt ursprünglich den Bedürfnissen der
Wissenschaft und Forschung, ist aber mittlerweile auch das vorherrschende Einheitensystem für
Wirtschaft und Handel. In der Europäischen Union (EU) und den meisten anderen Staaten ist die
Benutzung des SI im amtlichen oder geschäftlichen Verkehr gesetzlich vorgeschrieben; jedoch gibt es
hierzu viele nationale Ausnahmen.
Dabei basieren viele Einheiten auf den sieben Basiseinheiten:
Größe
FormelEinheit
zeichen
Einheiten
zeichen
Definition
Länge
l
Meter
m
Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum
während der Dauer von 1/299.792.458 Sekunden
durchläuft
Masse
m
Kilogram
m
kg
Das Kilogramm ist die Einheit der Masse; es ist
gleich der Masse des Internationalen
Kilogrammprototyps.
s
das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der
dem Übergang zwischen den beiden
Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes
von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden
Strahlung
Zeit
t
Sekunde
Stromstärke
I
Ampere
A
Stärke eines konstanten elektrischen Stromes,
der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich
lange und im Vakuum im Abstand von 1 Meter
voneinander angeordnete Leiter von
vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem
Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je
1 Meter Leiterlänge die Kraft 2 · 10 Newton
hervorrufen würde
Thermodynamische
Temperatur
T
Kelvin
K
der 273,16. Teil der thermodynamischen
Temperatur des Tripelpunkts des Wassers2)
Stoffmenge
Lichtstärke
n
IV
Mol
Candela
mol
die Stoffmenge eines Systems, das aus
ebensoviel Einzelteilchen besteht, wie Atome in
0,012 Kilogramm des Kohlenstoffnuklids 12C
enthalten sind. Bei Benutzung des Mol müssen die
Einzelteilchen spezifiziert sein und können Atome,
Moleküle, Ionen, Elektronen sowie andere
Teilchen oder Gruppen solcher Teilchen genau
angegebener Zusammensetzung sein
cd
die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung
einer Strahlungsquelle, die monochromatische
Strahlung der Frequenz3) 540 · 1012 Hz aussendet
und deren Strahlstärke in dieser Richtung
1/683 Watt durch Steradiant beträgt
Umgangssprache und Ungenauigkeiten in Zusammenhang mit Größen und Einheiten
Im Allgemeinen, aber auch im wissenschaftlichen deutschen Sprachgebrauch sind einige Schreib- und
Sprechweisen (im Folgenden erstgenannt) üblich, die nicht oder nur teilweise mit dem Internationalen
Einheitensystem konform sind:
Längen, Flächen, Volumina: qm statt m² (Abk. für Quadratmeter, veraltet); ccm statt cm³ (Abk. für
Cubiccentimeter, veraltet); cbm statt m³ (Abk. für Cubicmeter, veraltet
Massen: Tonne statt Megagramm steht ausserhalb des SI, ist aber völlig korrekt; Kilo statt
Kilogramm; Hekto statt Hektogramm; Deka statt Dekagramm; Weiterverwendung des Pfunds und des
Zentners (im Sinne von 500 Gramm bzw. 50 kg, letzterer in der Schweiz, Österreich und Russland 100
kg); Gewicht statt Masse
Zeit: kmh statt km/h (Geschwindigkeitseinheit); Stundenkilometer statt Kilometer pro Stunde für
km/h; Verwendung des a für Jahr als Zeiteinheit
Strom (inkl. abgeleitete Größen): Ampere in deutschsprachigen Ländern mit Akzent geschrieben;
Stromspannung statt besser elektrische Spannung, Betriebsspannung, Netzspannung ist kein Verstoß
gegen das SI, weil dieses keine Benennungen physikalischer Größen regelt; Elektronenvolt statt
Elektronvolt
Temperatur: Verkürzung von „Grad Celsius“ zu „Grad“; der Grad ist eine Einheit des ebenen Winkels.
Die veraltete Bezeichnung „Grad Kelvin“ für „Kelvin“.
Leistung: Nach wie vor ist die Verwendung von PS (Pferdestärke) anstatt (Kilo)watt beliebt
Die
Vorsilben
von
häufigen
Vielfachen
und
Bruchteilen der SI-Basiseinheiten sind in Tabelle 1.2
aufgelistet. Diese Vielfachen sind jeweils Zehnerpotenzen.
Ein solches System nennt man Dezimalsystem. Das
Dezimalsystem, das auf dem Meter basiert, heißt
metrisches System. Die Vorsilben können auf jede SIEinheit angewandt werden: 0,001 Sekunden sind 1
Millisekunden (ms), 1000 000 Watt sind 1 Megawatt (MW)
usw.
Versuche selbst solche Umrechnungen
durchzuführen:
0,000 000 000 1 A = ___________nA
0,000 000 000 1 A = ___________pA
1 000 kg = _________g = __________t (Mg)
10 m = ________cm = _______mm = ________km
100 MW = ________W = _________GW
23 105 K = ________MK = _________°C
3600 min = __________s = __________ks
0,0023 mol = _________mmol = __________µmol
50 km/h = ____________m/s
5 m/s = ____________km/h
1 l (Liter) = ___________ dm3 = ____________m3 = ____________cm3
1 1012 V = ____________TV = ____________GV = ____________MV
1 1012 V = ____________hV = ____________kV = ____________daV
1 1012 V = ____________dV = ____________cV = ____________mV
1 1012 V = ____________µV = ____________nV = ____________aV
0.4 Physikalisch Messen: Messgenauigkeit und Messfehler
Physikalischen Formel müssen durch Experimente verifiziert werden!
Voraussetzung: geeignete Messgeräte (Bsp: Längenmessung: Zollstock : geringe Genauigkeit
Messschieber: hohe Genauigkeit ca. 1/10 mm
Messmittel Zollstock oder Messschieber – Tafelbreite (Aneinanderreihen der Messschiebermessungen)
(grobe Skalierung und Parallaxe)
Faustregel:
- Maximalwert der Messgröße kleiner als der Skalenendwert
- Minimalwert etwa 10% des Skalenendwertes.
Messfehler: statistische Fehler oder systematische Fehler
Fehlerreduzierung: Wiederholtes Messen und Ablesen
Verfahren Statistik (Mittelwert, Standardabweichung, ...)
Beschreibung des Messverfahrens
Gesamtfehler = statistische + systematische Fehler
Messunsicherheit und Messfehler:
• Jedes Messergebnis weist eine Messunsicherheit, die auch als Messfehler (error) bezeichnet wird.
• Das Messergebnis = Messwert +/- Messfehler.
• Das Messergebnis ist ein Schätzwert für den wahren Wert (richtiger Wert) der Messgröße
• Der Messfehler ist das Ergebnis systematischer und zufälliger Fehler.
• Der Messfehler kann implizit durch die signifikanten Stellen des Messergebnisses angegeben
werden.
• Der Messfehler kann explizit als absoluter oder relativer Fehler angegeben werden. Der absolute
Fehler hat die Einheit des Messwertes.
•
•
Systematische Fehler werden durch Unvollkommenheit der Messgeräte verursacht. Sie haben einen
bestimmten Betrag und ein bestimmtes Vorzeichen und werden durch Korrekturen am Messwert
berücksichtigt.
Zufällige Fehler werden durch Schwankungen der Messgröße, der Messgeräte, der Umwelt, durch
den Beobachter etc. verursacht. Sie sind unvermeidbar, können aber abgeschätzt und durch
Wiederholung verringert werden.
Absoluter und relativer Messfehler
1. Angabe eines Messergebnisses: Messergebnis = Messwert und Messfehler (Messunsicherheit).Die
Messunsicherheit kann explizit oder implizit angegeben werden:
2. Explizite Darstellung der Messunsicherheit:
Durch die Angabe des absoluten oder relativen Messfehlers:
m = 21,57 kg ± 0,02 kg ... Absoluter Messfehler//m = 21,57 kg ± 0,1 % ..... Relativer Messfehler
Das Messergebnis ist als 4-stellige Dezimalzahl mit 2 Dezimalstellen nach dem Komma dargestellt.
Die letzte Kommastelle ist fehlerbehaftet.
3. Implizite Darstellung der Messunsicherheit:
Das Messergebnis hat drei signifikante Stellen. Die 4. Stelle ist unsicher und gibt damit implizit die
Messunsicherheit an. m = 21,57 kg
Mathematische Formeln: Arithmetischer Mittelwert und Standardabweichung
•
•
Treten nur zufällige Fehler auf, wird mehrfach gemessen und der arithmetische Mittelwert
berechnet.
Trägt man auf, wie häufig die Einzelmessungen derselben physikalischen Größe denselben Wert liefern,
liegen die Messpunkte auf einer glockenförmigen Kurve, der Gaußschen Glockenkurve oder
Normalverteilung.
•
Die Standardabweichung s ist ein Maß für die zufällige Abweichung der einzelnen Messwerte vom
Mittelwert einer Stichprobe
Fehlerfortpflanzung tritt auf, wenn eine physikalische Größe aus verschiedenen Messwerten
zusammengesetzt ist. Der Gesamtfehler hängt davon ab, ob die Messwerte addiert, multipliziert oder
potenziert werden.
Sind die Schwankungen des Messobjektes groß gegenüber der Genauigkeit des Messgerätes, müssen
Messungen an größeren Stichproben und weitere Verfahren der Statistik zur Auswertung herangezogen
werden.
•
•
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