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Einführung in die Physik für Pharmazeuten und Biologen (PPh): Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik

Dozent: Bert Nickel

Versuche:Gunnar Spiess, Christian Hundschell

Übungsleiter:Martin Huth, Matthias Fiebig

Tutoren:Samira Hertrich, Christian Hundschell, Christian Späth

Bert Nickelnickel@lmu.de(089) 2180 1460

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Vorlesung: 2 x 45 minVorlesung: 2 x 45 min

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Experimente:Experimente:Gunnar Spiess, Christian HundschellGunnar Spiess, Christian Hundschell

ÜÜbungenbungen

Martin HuthMartin HuthMatthias FiebigMatthias Fiebig

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Tutorials:Tutorials:Samira Hertrich Samira Hertrich Christian Hundschell Christian Hundschell Christian SpChristian Spääthth

Übung : Montags 13:15 bis 14 Uhr, Butenandt-HSVorlesung: Montags 14:15 bis 15:45, Liebig HS Tutorials: Montags 16:00 bis 17:30, C3003 und D0001Klausur: Montag, 11.02. 2008 um 13 Uhr

http://www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/wise_07_08/pph/Web-Seite zur Vorlesung :

Einführung in die Physik für Pharmazeuten und Biologen (PPh): Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik

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Inhalt der Vorlesung:

MechanikBewegungen, Kräfte, Impuls, Energie, Hydrostatik, Hydrodynamik Schwingungen und Wellen, Akustik

WärmelehreTemperatur, Wärme, Aggregatzustände, Wärmeleitung

Elektrizitätslehre : Elektrostatik und ElektrodynamikLadungen, Felder, Potentiale, Spannung, Strom, Magnetismus, Induktion, WechselströmeElektromagnetische Wellen

OptikStrahlenoptik, Wellenoptik, Röntgenstrahlung, Laser

Aufbau der MaterieAtomphysik, Kernphysik, Festkörper

Literatur:

430 Seiten, ca. 30 Euro 720 Seiten, ca. 54 Euro

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Quelle : Lottspeich & Zorbas

Die wichtigsten methodischen Entwicklungen in der Bioanalytik

Physik liegt vielen analytischen Techniken zugrunde

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Zur Methode der Physik

stellt Fragen an die Natur

=> Experimente

1. Empirische Wissenschaft

Beschreibung der Natur mit Hilfeder Mathematik

2. Exakte Wissenschaft

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ErkenntnisHypothese

Experiment

Theorie

"Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosopie""

Newtonsche Mechanik :Erste moderneTheorie

Galilei: einer der ersten modernen Experimentatoren

(Modell)

Konkurrenz der Weltbilder (Theorien)

grafischen Darstellung von 1750

jede der abgebildeten Theorien hatte den Anspruch den Lauf der Planeten korrekt zu beschreiben und vorhersagen zu können

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Physikalische Größe = Maßzahl * Maßeinheit

Eigenschaften, Zustände oder Vorgänge die messbar sind, bezeichnet man als physikalische Größen

Länge [m] m:MeterZeit [s] s:SekundeGeschwindigkeit[m/s]Kraft [N] N:Newton

Dimension : Beschreibung einer physikalischen Größe in ihren Basisgrößen

Physikalische Größen, Einheiten

Geschwindigkeit = LängeZeit

(Die Dimension ist unabhängig von der Wahl der Einheiten)

Beispiel:

Praktische Einheiten

Beaufort 12 Beaufort 0

empirisch:v = 0.836 B3/2 m/s

B= 2: v= 7-11 km/hB=12: v=120 km/h

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Die Basiseinheiten (SI-Einheiten)SI: système international d’unités

Das Urmeter von 1876

Einheit der Länge

Relative Unsicherheit 10-14

Seit 1983 ist die Licht-geschwindigkeit aufc0=299 798 458 m/sfestgelegt.

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Größenordnungen in der Physik

Logarithmische Skala

n10

Vorsilben zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen

(SI - Vorsätze)

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1 Mikrometer1 Millimeter 1 Nanometer100µm 10nm100nm 0,1nm10µm

Mikroelektronik Chemie

Nano-wissenschaft

Physik: Top-Down Chemie: Bottom-Up

interdisziplinär

Der Nano-Kosmos in unsere Welt skaliert

1 cm 0,2 nm

Atome

1m 25 nmProteine

40 m 1µmE.coli

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Bakterium

TM VirusPhage

Virus

a) Kohlenstoffb) Zuckerc) ATPd) Chlorophylle) tRNAf) Antikörperg) Ribosomeh) Poliovirusi) Myosinj) DNAk) F-actinl) Enzymem) Pyruvat dehydrogenase

Goodsell, 1993

1µm

Moleküle3 Größen-

ordnungen

1nm

Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch.

Einheit der Zeit

Früher :1sec=1/86400 Tag

Relative Unsicherheit 10-14

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Zeitmessung :Oszilloskop

Zeitenskalen1015 Alter des Universums1012 Alter der Erde109 Erste Menschen / alter der Pyramiden106 1 Jahr = 3,15 107 s , 1 Tag 8,64 104 s103 Zeit die Licht von der Sonne zur Erde benötigt1 Abstand zwischen Herzschlägen10-3 Periode einer Schallwelle10-6 Periode einer Radiowelle10-9 Licht legt 30cm zurück10-12 Periode einer Molekülschwingung10-15 Periode einer Atomschwingung10-18 Licht legt Atomdurchmesser zurück10-21 Periode einer Kernschwingung10-24 Licht legt Kerndurchmesser zurück

sec

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Das Urkilogramm

Einheit der Masse

Relative Unsicherheit 10-9

vorher: definiert über Wasserdichte

Rätselhaft: Das Urkilogramm schwindet

Paris - Sehr langsam, aber doch nimmt das Urkilogramm ab, wie sein Wächter erklärte. Der Kilogramm-Prototyp, ein 39 Millimeter hoher Zylinder aus einer Platin- und Iridium-Legierung, wird seit 118 Jahren in einem Tresor des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM) in Sevres bei Paris aufbewahrt. Nur alle vierzig Jahre wird das Maß aller Kilos aus dem dreifach gesicherten Behältnis hervorgeholt, um es mit Kopien des Urkilogramms abzugleichen. Bei den jüngsten Messungen zeigte sich, dass das Original im Durchschnitt 50 Mikrogramm leichter war als die Vergleichskilos. "Sonderbar, denn alle Kopien sind aus dem gleichen Material wie das Urkilo", so der Physiker Richard Davis. Und viele der Referenzzylinder wurden ebenfalls 1889 gegossen.

50 10-9 kg : Unsicherheit 5 x 10-8 !

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Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012kg des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind.

In der Atomphysik und Chemie werden auch Atommasseneinheiten benutzt.Dem Isotop 12C wird die Atommassezahl 12 zugeordnet

Atomare Masseneinheit (amu) =u=1

12m 12C( )=

10−3 kgNA mol

=1,66053 ⋅10−27 kg

Stoffmengeneinheit Mol

Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist dieAvogadro-Konstante NA= 6,022·1023/mol

ANNn = N : Teilchenzahl [einheitenlos]

n : Stoffmenge [mol]

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Messung 1 2 3 4 5ti [s] 12 8 20 15 16

∑=

=N

iix

Nx

1

1

( )2

1

2

11 ∑

=

−−

=N

ii xx

Nσ

Mittleres Schwankungsquadratder Einzelmessung(Varianz)

( ) ( )2

111 ∑

=

−−⋅

=N

iiM xx

NNσ

Arithmetisches Mittel

2. statistische Fehler

Messreihe

Messgenauigkeit und Messfehler1. systematische Fehler : z.B. durch Messapparatur bedingt

Mittler Fehler desarithmetischen Mittels

Messreihe :xi 12 8 20 15 16i 1 2 3 4 5

arithmetischerMittelwert ( ) 2,14161520812

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=++++=x

( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ } 5,46,18,08,52,42,241 22222 =+++++++−+−=xσ

Standardabweichung der Einzelmessung

25,255,4

===Nx

Mσσ

Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts

25,22,14 ±=x

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Grafische Darstellung der Messreihe

1 2 3 4 5

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20σ±ix

Mx σ±

Quelle : Demtröder

Wie nah sind wir dem "wahren" Wert ?

Zur Natur der Messfehler

systematischer und statistischer Fehler gehen ein

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Gleichförmige Bewegung

Beschleunigte Bewegung

Kräfte

MECHANIKBewegungslehre (Kinematik)

Geschwindigkeit

Geschwindigkeit v ist das Verhältnis des zurückgelegten Weges∆s zur dazu benötigten Zeit, ∆t.

sm

sm

ts 5

210

==∆∆

=v

∆s∆t

t[s]

s[m] s[m]

t[s]

dtds

ts

t=

∆∆

=→∆ 0

limv

Die Geschwindigkeit ist die Ableitung des Ortes nach der Zeit

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Die Beschleunigung

v[m/s]

t[s]

Die Änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit nennt manBeschleunigung.

r a = lim

t →0

∆r v

∆t=

dr v

dtms2

⎡ ⎣ ⎢

⎤ ⎦ ⎥

dtda v

= und dtds

=v ⇒ a =d2sdt

Auch die Beschleunigung ist ein Vektor.

Die gleichförmig beschleunigte Bewegung[ ]2sma

t s[ ]

a

[ ]smv

t s[ ]

v0

a ( t ) = a

∫ ⋅=t

dtat0

)(v

0)( vv +⋅= tat

002

2)( sttats +⋅+⋅= v

( )∫ +⋅=t

dttats0

0)( v[ ]ms

t s[ ]s0

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In der Natur vorkommende Geschwindigkeiten

sm /103 8⋅

sm /103 2⋅

sm /101 6⋅

sm /102 3⋅

Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) :

Schallgeschwindigkeit :

Elektronen in der Fernsehröhre :

Wasserstoff bei T=300K (im Mittel) :

Schuss aus einer Gaspistole : ?