Einführung in die Experimentalphysik für Pharmazeuten · werden in der Bundesrepublik Deutschland...
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Einführung in dieExperimentalphysik für Pharmazeuten
Friedrich Simmele-mail [email protected]
Vorlesung: Montags 14.15 bis 15.45, Liebig HS
Übung : Montags 13.15 bis 14.00, Butenandt HS
Klausur: ~ am 15. Februar 2007 von 14.00 bis 15.30
http://www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/wise_06_07/pphWeb-Seite zur Vorlesung :
Experimentelle Vorlesungsbegleitung: Karin Beer, Christian Hundschell
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Schellingstr.4
INFO: Physik-Praktikum für pharmazeutische Studiengänge im Sommersemester 2007
http://www.physik.uni-muenchen.de/studium/praktikum/
Organisation: Dr. Karsten Jessen Schellingstr. 4, 80799 München [email protected]
Informationen (ab Februar) unter:
- Termine- Online-Anmeldung Meldeschluss 31. März- Aktuelles
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Physik-Praktikum für pharmazeutische Studiengänge im Sommersemester 2007
Organisation: Dr. Karsten Jessen Schellingstr. 4, 80799 München [email protected]
erforderlich für Teilnahme:
- Physik-Vorlesung (diese hier)
- Online-Anmeldung
- Einführungsveranstaltung
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Inhalt :
Mechanik Bewegungen, Kräfte, Impuls, Energie, Hydrostatik, Hydrodynamik Schwingungen und Wellen, AkustikWärmelehre Temperatur, Wärme, Aggregatzustände, WärmeleitungElektrizitätslehre: Elektrostatik und Elektrodynamik Ladungen, Felder, Potentiale, Spannung, Strom, Magnetismus, Induktion, Wechselströme Elektromagnetische WellenOptik Strahlenoptik, Wellenoptik, Röntgenstrahlung, LaserAufbau der Materie Atomphysik, Kernphysik, Festkörper
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Literatur:
430 Seiten, ca. 30 Euro 720 Seiten, ca. 54 Euro
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6
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7Quelle : Lottspeich & Zorbas
Die wichtigsten methodischenEntwicklungen in der Bioanalytik
PhysikalischePhänomenesindGrundlagevieler bio-analytischerTechniken
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8
Zur Methode der Physik
stellt Fragen an die Natur
=> Experimente
1. Empirische Wissenschaft
Beschreibung der Natur mit Hilfe der Mathematik
2. Exakte Wissenschaft
),()(2
),(2
txxVm
txt
i !!"#$
%&'
+()=*
* hh
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• Ein Körper bewegt sich nur bei ständiger Krafteinwirkung.
• Je größer die Kraft, desto größer die Geschwindigkeit.
• Kraft bedeutet Bewegungs- oder Wirkungsvermögen.
• Ruhe und Bewegung sind wesensmäßig zu unterscheidende Zustände.
Aristoteles´ Bewegungslehre
falschAristoteteles 384 – 322 v. Chr.
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10Erkenntnis
Hypothese
Experiment
Theorie
"Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosopie""
Newtonsche Mechanik :Erste moderneTheorie
Galileo: einer der ersten modernen Experimentatoren
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Konkurrenz der Weltbilder (Theorien)
grafische 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 Größen, Einheiten
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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:
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14
Physikalische Größen, Einheiten
Schreibweisen:
- physikalische Größen werden kursiv geschrieben
- Einheiten werden nicht kursiv geschrieben
[...] bedeutet „Einheit von“
Beispiel: [v]=m/s
„Die Einheit der Geschwindigkeit ist Meter/Sekunde“
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15
Die Basiseinheiten (SI-Einheiten)
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Die Basiseinheiten (SI-Einheiten)SI: système international d’unités
m
Elektrizitätslehre
Wärmelehre
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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
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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
Moleküle
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Vorsilben zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen
(SI - Vorsätze)
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Mikrostrukturierung
Chemie
Nanowissenschaft
„bottom-up“
„top-down“
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Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch.
Einheit der Zeit
Früher :1 sec=1/86400 Tag(Sonnensekunde)
Relative Unsicherheit 10-14
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Zeitskalen von Ereignissen
1018 Alter des Universums1017 Leben auf der Erde1014 Erste Menschen 1011 Alter der Pyramiden107 1 Jahr = 3,15 107 s ,105 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 Radiowelle (MHz)10-9 Licht legt 30cm zurück10-12 Periode einer Molekülschwingung10-15 Schnelle chemische Reaktionen10-18 Licht legt Atomdurchmesser zurück10-23 Licht legt Kerndurchmesser zurück
sec
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Das Urkilogramm
Einheit der Masse
Relative Unsicherheit 10-9
ursprüngliche Definition:
Masse von 1 Liter Wassermaximaler Dichte (bei 3.98°C)
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alte Apothekerwaage Analysenwaage
Genauigkeit 0.0001 g
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Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielenTeilchen besteht, wie Atome in 0,012 kg des Kohlenstoffnuklids 12Centhalten sind.
In der Atomphysik und Chemie werden auch Atommasseneinheiten benutzt.Dem Isotop 12C wird die Atommassenzahl 12 zugeordnet
Atomare Masseneinheit (amu) =u= ( ) kg1066053,1mol
kg10
12
1 273
12 !!
"==A
NCm
StoffmengeneinheitDefinition
Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist dieAvogadro-Konstante NA= 6,022·1023/mol
AN
Nn = N : Teilchenzahl (einheitenlos)
n : Stoffmenge (mol)
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a mole
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Avogadro und Loschmidt
Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (* 9. August 1776 in Turin; † 9. Juli 1856 in Turin)
Molekularhypothese:
gleiche Volumina von Gasen enthalten unter gleichen Bedingungen die gleiche Anzahl von Teilchen
(* 15. März 1821 in Putschirn bei Karlsbad; † 8. Juli 1895 in Wien)Johann Josef Loschmidt
u.a. Bestimmung der Größe von Luftmolekülen
und 1865 erstmalige Schätzung der Avogadrozahl ( Loschmidtzahl)
erstmalige genaue Bestimmung: Perrin (1914)
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29
Lichtstärke: CandelaEin Candela ist die Lichtstärke (Lichtstromdichte) einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 · 1012 Hertz, entsprechend einer Wellenlänge λ von ca. 555 nm, mit einer Leistung von 1/683 Watt pro Steradiant (Raumeinheitswinkel) aussendet. Wie bei allen photometrischen Größen bestimmt die Hellempfindlichkeitskurve V(λ) die physiologische Abhängigkeit von der Wellenlänge. Für die gewählte Wellenlänge gilt: V(555nm) = 1.
Retina
Im Gegensatz zur „Intensität“ (= Energiefluss in Watt/m2))Ist die empfundene Lichtstärke von den physiologischenCharakterisitika des Auges abhängig.
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30
Rechnen mit physikalischen Größen
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32
Messung 1 2 3 4 5xi 12 8 20 15 16
2. statistische Fehler
Messreihe
Messgenauigkeit und Messfehler1. systematische Fehler : z.B. durch Messapparatur bedingt
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33
Messung 1 2 3 4 5xi 12 8 20 15 16
!=
=N
i
ix
Nx
1
1
( )2
1
2
1
1
!=
""
=N
i
ixx
N#
MittleresSchwankungsquadratder Einzelmessung(Varianz)
( )( )
2
11
1
!=
""#
=N
i
iMxx
NN$
Arithmetisches Mittel
2. statistische Fehler
Messreihe
Messgenauigkeit und Messfehler1. systematische Fehler : z.B. durch Messapparatur bedingt
Mittlerer Fehler desarithmetischenMittels
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Eichen und Kalibrieren
Eichung (Wikipedia)
Eichung ist die vom Gesetzgeber vorgeschriebene Prüfung einesMessgerätes auf Einhaltung der zugrundeliegenden eichrechtlichenVorschriften, insbesondere der Eichfehlergrenzen. Mit einem Stempel wirddie Einhaltung für die Gültigkeitsdauer der Eichung bestätigt. Eichungenwerden in der Bundesrepublik Deutschland von den Landeseichämtern undStaatlich Anerkannten Prüfstellen unter fachlicher Aufsicht durch diePhysikalisch-Technische Bundesanstalt durchgeführt. Oder in anderenWorten: eine Eichung ist eine gesetzlich vorgeschriebene und auf nationaleStandards rückführbare Kalibrierung.
Oft wird der Begriff Eichung fälschlich für Kalibrierung verwandt. So hörtman oft vom angeblichen "Eichstrich" an Schankgefäßen (Bierglas), obwohlSchankgefäße von der Eichpflicht ausgenommen sind. Richtig ist "Füllstrich".
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35
Eichen und Kalibrieren
Kalibrierung (Wikipedia)
Die Prüfung von Messgeräten, für die es keine gesetzlichen Vorgaben gibt,stellt eine Kalibrierung dar. Sie ist im Gegensatz zur Eichung keinehoheitliche Aufgabe. Eine interne Kalibrierung ist eine Kalibrierung, bei deralle Messgeräte auf einen firmeninternen oder organisationsinternenStandard genormt werden. Eine rückführbare Kalibrierung ist eineKalibrierung, deren Referenz ein nationaler Standard ist (z.B. einMessgerät/Messaufbau der PTB), die gewonnenen Messergebnisse sindfolglich auf diesen nationalen Standard rückführbar. RückführbareMessgeräte werden oft auch als Referenz-Messgeräte bezeichnet. DerVorteil der auf nationale (und somit in der Regel auch internationale)Standards rückführbaren Messgeräte ist die weltweite Vergleichbarkeit derMessergebnisse.
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36
Parallaxenfehler
Versuch
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37
Messfehler: Maßstab
Länge: ?
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38
Messfehler mit sinnesphysiologischen Ursachen
Extremfall: optische Täuschungen
Versuch
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39
Messreihe :xi 12 8 20 15 16i 1 2 3 4 5
arithmetischerMittelwert ( ) 2,14161520812
5
1=++++=x
( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ } 87,38,18,08,52,42,24
1 22222=++++++!+!=
x"
Standardabweichung der Einzelmessung
73,15
87,3===
N
x
M
!!
Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts
7,12,14 ±=x
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40
Grafische Darstellung der Messreihe
1 2 3 4 5
10
20!±
ix
Mx !±
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41
Quelle : Demtröder
Wie nah sind wir dem "wahren" Wert ?
Zur Natur der Messfehler
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42
„Signifikante Stellen“
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43
Zusammenfassung
Kriterien einer physikalischen Messung1. reproduzierbar (Vergleichbarkeit von Messungen an verschiedenen Orten und Zeiten)
2. quantitativ (zahlenmäßig in Bezug auf eine Vergleichsgröße, die Maßeinheit)
3. genau (Angabe eines Messfehlers)
Grundgrößen der Mechanik : Meter, Kilogramm, Sekunde(MKS)
Fehlerstatistik
m/s10998.28
!=cLichtgeschwindigkeit :Avogadro-Konstante:
Naturkonstanten
123mol10022.6
!"=
AN
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44
Hinweis:
Nächsten Montag, 30.10.06, fallen Übung und Vorlesung aus !
Weitere aktuelle Infos siehe Webseite