EXPERIMENTALPHYSIK I
Mechanik und Wärme
Universität Mainz

Prof. Dietrich Harrach
Übungen: Dr. Frank Maas

WS 97/98

Organisatorisches

• VORLESUNG 4 Std.
  Mittwoch 10:15 - 12:00 (Pause 11:00 - 11:15)
  Donnerstag 10:15 - 12:00 (Pause 11:00 - 11:15)
• ÜBUNGEN 2 Std.
  Verschiedene Termine (Listen im Vorraum HS 20)
  1. Mi 13-15 Ketterer
  2. Mi 15-17 Bermuth
  3. Mi 13-15 Caprano
  4. Mi 15-17 Dörk
  5. Do 15-17 Lopes Ginja
  6. Do 15-17 Hammel
  
  Austeilen der Aufgabenblätter : Mittwochs nach der Vorlesung
  Abgabe der Lösungsblätter : Bis Dienstags 14:00 der folgenden Woche
  
• ÜBUNGSSCHEIN
  Zum Erhalt des Scheins:
  Mindestpunktzahl (60% des Maximums) bei den wöchentlichen Übungsaufgaben
  

  Bestehen der KLAUSUR (typ 60% der max. Punktzahl) am Semesterende
  

• Tutorium 2 Std.
  Freies Gespräch über Studieninhalt, Studienablauf und allgemeine Probleme nach Wahl des Hochschullehrers und den Wünschen der Studierenden
  

  Bislang drei Gruppen:
  1) Prof. Neuhausen Do 13-15
  2) Prof. Trübenbacher Do 13-15
  3) Prof. Walcher Do 13-15
  4) N.N. bei Bedarf O. u. Z. nach Vereinbarung
  5) N.N. bei Bedarf
  

INHALT DER VORLESUNG 1. Einführung und Überblick

1.1 Bedeutung der Experimentalphysik

1.2 Modellbegriff in der Physik

1.3 Einordnung der Physik in Kultur, Wissenschaft und Technik

2. Physikalische Messungen

2.1 Grundgrößen in der Physik (Normale und Messverfahren)
2.2 Maßsysteme
2.3 Meßgenauigkeit und Meßfehler

3. Mechanik des Massenpunkts

4. Bewegte Bezugssysteme und spezielle Relativitätstheorie

5. Systeme von Massenpunkten. Stöße

6. Dynamik starrer ausgedehnter Körper

7. Reale feste und flüssige Körper

8. Gase

9. Strömende Flüssigkeiten und Gase

10. Mechanische Schwingungen und Wellen

11. Wärmelehre

Literatur Deutschsprachige Lehrbücher:

1) Demtröder Experimentalphysik 1 (Mechanik und Wärme) ISBN 3-540-56543

2) Dransfeld, Kienle, Vonach Physik I (Newtonsche und relativistische Mechanik) ISBN 3-486-22149-3

3) Bergmann-Schäfer Lehrbuch der Experimentalphysik Band 1 (Mechanik,Akustik, Wärmelehre) ISBN 3-11-012391-6

4) Gerthsen Kneser Physik

Englischsprachige Lehrbücher:

1)Halliday Resnick
2)Berkeley Physics Course 1
3)Feynman Lectures 1

1. Einführung und Überblick

• PHYSIK
  Auffinden der Grundbausteine der Natur und ihrer Wechselwirkungen
  Komplexe Naturerscheinungen auf einfachere Gesetzmäßigkeiten zurückführen
  Erklärung durch wenige Grundprinzipien
  
• EXPERIMENT
  zunächst Naturbeobachtung (astronomisch, meteorologisch ..)
  dann bewusst herbeigführte, kontrollierte Situation
  

  -messend beschrieben
  -beliebig wiederholbar
  -reproduzierbar an anderem Ort zu anderer Zeit
  
  Ziel:
  -Systematisierung der Messergebnisse
  -Fassung in einen mathematischen Zusammenhang
  -Erkennen physikalische Gesetzmäßigkeiten
  

• PHYSIKALISCHE GESETZE
  

  -Verknüpfen meßbarer physikalischer Größen in mathematischen Gleichungen
  -Reduktion empirischer Zusammenhänge auf allgemeinere Prinzipien
  

• GÜLTIGKEITSBEREICH PHYSIKALISCHER GESETZE
  -Überprüfung der Zusammenhänge unter extremen Bedingungen
  -Steigerung der Messgenauigkeit
  -Kritik und Erweiterung von bislang anerkannten Prinzipien und Gesetzmäßigkeiten

Der Modellbegriff in der Physik Modell: idealisiertes, vereinfachendes Abbild eines physikalischen Zusammenhangs
-Reduktion auf die wesentliche Fragestellung
-vereinfachte mathematische Behandlung

z.B.
Ersetzung realer Körper durch einen Massenpunkt
Vernachlässigung der Luftreibung beim freien Fall

• Die theoretische Beschreibung in der Physik ist immer die Beschreibung eines Modells, das man sich von der Natur macht

Man spricht vom ''Standardmodell'' der Teilchenphysik, und meint damit den bisherigen Gipfel des Reduktionismus(''Weltformel'')

Physikalische Hypothesen/ Arbeitsmodelle

Modelle können experimentell überprüft werden

Bestätigung, Widerlegung oder Verfeinerung

Philosophische Frage nach der Wirklichkeit bzw. objektiven Realität

Die Physikalische Beschreibung bietet bestenfalls ein widerspruchsfreies Abbild der materiellen Natur

Hierzu kann man z.B. Kap 1.3-1.5 in Demtröder(1) die historische Entwicklung nachlesen

Die Welt ist reicher als der Teil den man messend und modellmäßig erfassen kann
Nachbarwissenschaften -Biologie/ Biophysik
-Chemie/ Physikalische Chemie
-Astrophysik
-Geophysik Meteorologie/ Physik der Atmosphäre
-Materialwissenschaft
-Energiewandlung
-Verkehrstechnik
-Nachrichtenübertragung

Kap. 2 Physikalische Messungen

MESSEN - Vergleichen mit einem Normal/Maßstab

Das Normal repräsentiert die Maßeinheit
Maßstäbe werden mit dem Normal geeicht
Meßergebnis = Maßzahl * Maßeinheit


Forderungen an ein Normal:
genügende Genauigkeit
reproduzierbar
vertretbarer Aufwand


Güte der Messung:
Zuverlässigkeit (-> optische Täuschungen, Ablesegenauigkeit)
Genauigkeit (z.B. Ganggenauigkeit von Uhren)


Man braucht mindestens drei Grundgrößen:
-Länge
-Zeit
-Masse
Durch Kombination lassen sich im Prinzip Maßeinheiten aller physikalischen Größen darstellen

Aus praktischen Gründen werden noch eigene Einheiten für Temperatur und elektrische Stromstärke verwendet

2.1 Längeneinheiten

Seit 1875 das Meter: 1/10 000 000 eines Erdquadranten (leider 0.02 % falsch)
Repräsentiert durch Platin-Iridium Maßstab mit zwei Marken
Genauigkeit ca. 10^-6 d.h. $\mu m$

Seit 1960 Wellenlänge der orangen Fluoreszenzlinie des Krypton 86
$\lambda_{Kr}=1/1 650 763.73~m$
Genauigkeit 10^-8

Seit 1983 Festlegung der Vakuumlichtgeschwindigkeit auf:

c₀= 299 792 458  m/s

Definition:
1m ist die Strecke die das Licht in 1/299 792 458 s durchläuft.

Wegen des Zusammenhangs $c_{0}=\nu \cdot \lambda$
kann man aus einer Frequenzmessung die Wellenlänge bestimmen

Damit ist die Genauigkeit des Längenmaßstabs and die des Zeitmaßstabs gekoppelt.

Die in der Physik angetroffenen Längenskalen reichen vom
-Quark (< 10^-18m)
-Durchmesser des Alls (10⁺²⁶m $\approx 10^{10}$LJ)

Andere Längeneinheiten:
Kernphysik: 1 Fermi=10^-15m=1 fm
Atomphysik: 1 Ångström= 1 Å=10^-10m=0.1 nm
Astronomie: 1 Astronomische Einheit = 1 AE = mittl. Abst. Erde Sonne(große Halbachse) = $1.49 \cdot 10^{11}$m
1 LJ = $9.5 \cdot 10^{15}$m
1 Parsec = 1 pc = $3 \cdot 10^{16}$m = 3.2 LJ

1 pc = 1 AE / tan(1 '' )

Messverfahren

Sekundärnormale
Schieblehre (1/10 mm) mit Noniusablesung
Mikrometerschraube (1/100 mm=10$\mu m$
Interferometer $\approx \lambda /100 \approx 5 \cdot 10^{-9}m$

Laufzeitmessung(Laser,Radar) z.B. Erde-Mond($3\cdot 10^{8}$km)auf 3 cm