einführung in die experimentalphysik für pharmazeuten · 1 millimeter 1 mikrometer 1 nanometer...
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Einführung in die Experimentalphysik für Pharmazeuten
Prof. Joachim Rädler e-mail: [email protected]
Vorlesung: Montags 11.15 bis 12.45, Liebig HS Übung : Montags 10.00 bis 11.00, Liebig HSKlausur: am 23. Juli. 2006 von 11.15 bis 12.45
www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/sose_07/pphWeb-Seite zur Vorlesung :
Gunnar Spiess (Experimentelle Vorlesungsbegleitung)Dr. Doris Heinrich (Übungen)
Schellingstr.4J. RädlerLehrstuhl für Experimental PhysikGeschwister Scholl-Platz 1Tel.: 2180-2437
Physik-Praktikum
http://www.physik.uni-muenchen.de/studium/praktikum/
Dr. Karsten Jessen
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
Quelle : Lottspeich & Zorbas
Die wichtigsten methodischen Entwicklungen in der Bioanalytik
Physik liegt vielen analytischen Techniken zugrunde
Zur Methode der Physik
stellt Fragen an die Natur
=> Experimente
1. Empirische Wissenschaft
Beschreibung der Natur mit Hilfeder Mathematik
2. Exakte Wissenschaft
ErkenntnisHypothese
Experiment
Theorie
"Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosopie""
Newtonsche Mechanik :Erste moderneTheorie
Galilei: einer der ersten modernen Experimentatoren
Konkurrenz der Weltbilder (Theorien)
jede der abgebildeten Theorien hatte den Anspruch den Lauf der Planeten korrekt zu beschreiben und vorhersagen zu können
grafischen Darstellung von 1750
Physikalische Größen, EinheitenEigenschaften, Zustände oder Vorgänge die messbar sind, bezeichnet man als physikalische Größen
Physikalische Größe = Maßzahl * Maßeinheit
Länge [m] m:MeterZeit [s] s:SekundeGeschwindigkeit[m/s]Kraft [N] N:Newton
Dimension : Beschreibung einer physikalischen Größe in ihren Basisgrößen
Geschwindigkeit = LängeZeit
(Die Dimension ist unabhängig von der Wahl der Einheiten)
Beispiel:
Einheit der Länge
Das Urmeter von 1876
Seit 1983 ist die Licht-geschwindigkeit aufc0=299 798 458 m/sfestgelegt.
Relative Unsicherheit 10-14
Box mit Molekülen(maßstabsgetreu)
Bakterium Bakterien-Phage
HIV Virus
Goodsell, 1993
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Nanowissenschaft ist interdisziplinŠr
1 Mikrometer1 Millimeter 1 Nanometer100µm 10nm100nm 0,1nm10µm
Mikroelektronik Chemie
Nano-wissenschaft
Physik: Top-Down Chemie: Bottom-Up
Bakterium
TM VirusPhage
Virus
a) Kohlenstoffb) Zuckerc) ATPd) Chlorophylle) tRNAf) Antikörperg) Ribosomeh) Poliovirusi) Myosinj) DNAk) F-actinl) Enzymem) Pyruvat dehydrogenase
1µm
Moleküle3 Größen-
ordnungen
1nm
Goodsell, 1993
Einheit der Zeit
Früher :1sec=1/86400 Tag
Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch.
Relative Unsicherheit 10-14
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
StoffmengeneinheitDas Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012kg des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind.
Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist dieAvogadro-Konstante NA= 6,022·1023/mol
ANNn = N : Teilchenzahl [einheitenlos]
n : Stoffmenge [mol]
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
Messgenauigkeit und Messfehler1. systematische Fehler : z.B. durch Messapparatur bedingt
2. statistische FehlerMessung 1 2 3 4 5ti [s] 12 8 20 15 16
∑=
=N
iix
Nx
1
1
Messreihe
Arithmetisches Mittel
Mittleres Schwankungsquadratder Einzelmessung(Varianz)
( )2
1
2
11 ∑
=
−−
=N
ii xx
Nσ
Mittler Fehler desarithmetischen Mittels ( ) ( )
2
111 ∑
=
−−⋅
=N
iiM xx
NNσ
xi 12 8 20 15 16i 1 2 3 4 5Messreihe :
arithmetischerMittelwert ( ) 2,14161520812
51
=++++=x
Standardabweichung der Einzelmessung
( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ } 5,46,18,08,52,42,241 22222 =+++++++−+−=xσ
Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts
25,255,4
===Nx
Mσσ 25,22,14 ±=x
Geschwindigkeit
Geschwindigkeit v ist das Verhältnis des zurückgelegten Weges∆s zur dazu benötigten Zeit, ∆t.
s[m]
t[s]
∆s∆t
t[s]
s[m]
dtds
ts
t=
∆∆
=→∆ 0
limvsm
sm
ts 5
210
==∆∆
=v
Die Geschwindigkeit ist die Ableitung des Ortes nach der Zeit
Die BeschleunigungDie Änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit nennt manBeschleunigung.
Auch die Beschleunigung ist ein Vektor.
v[m/s]
t[s]
r a = lim
t →0
∆r v
∆t=
dr v
dtms2
⎡ ⎣ ⎢
⎤ ⎦ ⎥
dtda v
= und dtds
=v ⇒ a =d2sdt
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