2b Physikalische Größen
Längeneinheit Meter [m]
Griechenland
1 Stadion = 185 m-192 m Preußen
1 Klafter =1.883 m England
1 yard = 91.43 cm
1 furlong = 201.16 m China, Han Dynastie 1 n.Chr
1 Shaku = eine Handspanne (1/33 m) in Japan gebräuchlich bis 1966
Definiert über die Rohrlänge der Koshoflöte, die zu einer bestimmten Tonhöhe gehört
Ulmer Masskessel (Kepler 1627)
Tiefe: 2 Schuh
Durchmesser 1 Elle
Volumen 1 Eimer
Gewicht 4.5 Zentner (leer)
7.0 Zentner (voll Donauwasser) Heringsahm 15 Jahrhundert
ein Bronzegefäß von 14.75 Liter Inhalt wurde als Maßeinheit für eine bestimmte Fischmenge eingeführt.
Acht Heringsahme entsprechen einer Rostocker Heringstonne
Längeneinheit Meter [m]
1793 Französische Nationalversammlung stimmt der Definition des Urmeters zu.
1872 Deutschland übernimmt die Längeneinheit Meter
1960 Definition des Meter über die orangerote Linie von 86Kr
Ein Meter entspricht genau dem 1650763.73 fachen der Wellenlänge der orangeroten Spektralwellemlänge von 86Kr
1983 Definition über die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
Der Meter ist die Strecke, die das Licht im Vakuum, in dem Zeitintervall des 299792458 Teil einer Sekunde zurücklegt
Genauigkeit
Zentimetermass +/- 1mm Schieblehre +/- 0.1mm
Mikrometerschraube +/- 0.01 mm
Elektronische Messung +/- 0.001 mm
Zehn hoch Zehn
Relevante Längeneinheiten
Parsec 3.08567 x 10
16m
Lichtjahr 9.46053 x 10
15m
astronomische Einheit (AE, Abstand Erde-Sonne) 1.49597 x 10
11m
Lichtsekunde 299,792,458 m
foot (Fuß) 0,3048 m
inch (Zoll) 0.0254 m
Ångström 1.0 x 10
-10m
Bohrscher Radius (a
0) 0.511 x 10
-10m
Elektron-Proton Abstand im H-Atom
Schwarzschildradius 1,49x10
-27m
Kritische Radius zur Bildung eines Schwarzen Lochs
Physikalisch relevante Längen und Abstände
Abstand zu den am weitesten entfernten Galaxien 2x10
+26m Abstand zum Andromedanebel 2x10
+22m Abstand zum nächsten Stern (Proxima Centauri) 4x10
+16m
Abstand zu Neptun 4x10
+12m
Radius der Erde 6x10
+06m
Durchmesser einer Datenübertragungs-Glasfaser 1x10
-04m Durchmesser von Feinstaubpartikeln 1x10
-05m Strukturgröße auf Mikrochips 6x10
-08m
Länge eines Virus 1x10
-08m
Radius eines Protons 1x10
-15m
Plancklänge
kleinste physikalisch sinnvolle Länge1x10
-35m
Größe des Objekts
Entfernung Erde-Mond
Laufzeit eines Lichtpulses zum Mond und zurück
Δt = 2.55 Sekundenwir definieren Δx als Unterschied zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen
0km 38250 s
s 2.55 300000 km
2 1 2
1
2 ⇒ Δ = Δ = ⋅ =
Δ
= Δ s c t
t c s
Reflektor
Standort Mondoberfläche
Genauigkeit der Messung circa 3 mm
Eines der Ergebnisse: Der Mond entfernt sich pro Jahr um 3.8 cm von der Erde
Warum wird später im Kapitel Drehimpuls erklärt
8
Abstandsmessung für entfernte Objekte
γ
α β
B A
C
( A B ) C
C B
A
γ α
γ β
α
sin sin
sin sin
sin
=
≈
⇒
=
=
Position im
Winter Position im
Sommer
°
=
⋅
= ⋅
⋅
=
=
⋅
=
0004 .
0
m 10 4.26
m 10 sin 3
sin
m 10 3 2
m 10 4.26 Lj
4.5
Centauri Alpha
zu Abstand
16 11
11 16
α α
AE C
AE AE
m 10 1.5 1
cheEinheit Astronomis
⋅
11=
AE
Messung geringer Abständsänderungen
Michelson Interferometer
Bedingung für
Konstruktive Interferenz Δl=2(l
2-l
1)=nλ
Laser nm
HeNe = 632 . 8
λ
Albert Abraham Michelson (1852 - 1931)
Helium-Neon Laser λ = 632 nm
Konstruktive Interferenz
Destruktive Interferenz
Gravitationswellen
Ziel Frequenzunterschiede im
Bereich von 0.1 bis 1Hz detektieren
Geo600
Interferometer 600 m Schenkellänge
Hannover
Gravitationswellendetektor im All
5 000 000 km Abstand
LISA
Laser Interferometer Space Antenna
geplanter Start 2014
Kilogramm [kg]
Einheit Kilogramm (1 kg) Definiert über das Urkilogramm
Masse eines Platin-Iridium Zylinders
In vielen Fällen reicht eine solche Genauigkeit nicht aus
z.B verliert das Urkilogramm durch Umwelteinflüsse (Reinigung) an Gewicht, ca. 0.00007 kg Bei einer Weltreisproduktion 825 Millionen Tonnen bedeutet das ein Gewicht von 60 Tonnen Personenwaage zeigt auf
0.1 kg genau an Beispiel 100 kg Auflösung m/Δm =103
Als einziges der sieben Basiseinheiten ist das Kilogramm noch nicht über Naturkonstanten definiert
Ausweg: Definition aus atomarer Größe
Atomare Masseneinheit 1 u = 1.6605402x10
-27kg 1/12 der Masse des
12C - Isotops
Feinwaage
Höhere Genauigkeit
Genauigkeit 1 μg bei 500g Auflösung m/Δm = 5x105
Durch Vergleich mit dem Urkilogramm wird eine unbekannte Masse bestimmt
Genauigkeit
Avogadro Projekt
Einheit kg aus der Avogadrokonstanten
1 kg
28Si
Ausgangsprodukt Silizium
Isotopentrennung
28Si (92.2297 %)
von
29
Si (4.683 2%)
30
Si 3.0872 %)
Herstellung des Kristalls Czochralski-Verfahren
Bestimmung der Kristallstruktur und speziell der interatomaren Abstände
Oberfläcghenbeschaffenheit der Kugel
Ziel: Eine Genauigkeit von 1 zu 100 Millionen
Bestimmung der Verunreinigungen Bestimmung des
Massenverhältnisses von 28Si zu 12C
1
2
7 3
5
4 6
1 - 23
12
mol 10
0221420 .
6
C g 12 in Atome der
Anzahl
⋅
A
=
N
Physikalisch relevante Massen
bekanntes Universum 1x10
+53kg
Milchstrasse 2x10
+41kg
Sonne 2x10
+30kg
Erde 5x10
+24kg
Mond 7x10
+22kg
Wassers auf der Erde 1x10
+21kg
Erdatmosphäre 5x10
+18kg
Ozeandampfers Titanic 5x10
+07kg
Flugzeugs A380 6x10
+05kg
Elefant 5x10
+03kg
Eizelle 4x10
-06kg
Penicillinmolekül 5x10
-17kg
Uranatom 4x10
-25kg
Elektronneutrinos <4x10
-36kg
Zuwachs bei Absorption eines grünen Photons 4x10
-36kg
Heraklit (530-480 vC) Alles fließt
Augustinus von Hippo (354-430) Was ist Zeit? Wenn mich niemand fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären weiß ich es nicht
Issac Newton (1643-1727) Die absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer Natur gleichförmig und ohne
Beziehung auf irgend einen äußeren Gegenstand
Vom Wesen der Zeit
Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646-1717)
Zeit kam mit der Erschaffung der Welt... Was tat Gott ehe er Erde und Himmel erschuf? ... Er hat Höllen hergerichtet für Leute, die so große Geheimnisse ergrübeln wollen
Albert Einstein (1879-1955):
Zeit ist, was man an der Uhr abliest
Zeiteinheit Sekunde [s]
Wie kann man eine Sekunde definieren?
Mittlerer Sonnentag (Standard bis 1956)
Die Zeit für eine ErdrotationProblem
Die Geschwindigkeit der Erdrotation ist nicht konstant
El Nino Saisonale Einflüsse
Windkräfte, Biomasse Längerfristige Einflüsse
Gezeitenreibung, Kopplung Erdmantel-Erdkern
Für genaue Messungen ist ein besserer Standard notwendig
86400s s 1
1
s 86400 h
24
Sonnentag mittlerer
=
=
Alternativen
alle Methoden haben nur eine begrenzte Genauigkeit
Wasseruhr
bekannt seid Ktesibios 100 vChr
Pendeluhr
Pulsmessung Metronom
Christian Huygens (1629-1695)
s 1 für m 0.24
2 Periode
=
=
=
T l
g π l T
Wasserzufuhr unterbrechen und wiegen
Prinzip
1. Füllen des Behälters durch dünnes Rohr
2. Unterbrechung der Wasserzufuhr und wiegen des Behälters
Zeiteinheit Sekunde [s]
Schwingquarz
Prinzip:
Bei Anregung eines Quarzoszillators mit einer Wechselspannung führt der Quarz
Deformationsschwingen aus . Bei Veränderung der Anregungsfrequenz beobachtet man für eine ganz bestimmte Frequenz eine Resonanz in der Antwort des Systems
(Resonanzkreis mit geringer Dämpfung).
Das ist die Eigenfrequenz des Quarzkristalls Genauigkeit:
etwa 10-4 (100 ppm) Anwendung:
Mikroprozessoren Uhren
Schichtdickenmesser (Änderung der Resonanzfrequenz bei Änderung der Masse)
Temperaturmessung (Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Umgebungstemperatur)
Atomuhr
Für die Verbreitung der „Zeit“ in Deutschland beauftragt ist die PTB (Zeitgesetz 1978) www.ptb.de
"Die Hyperfeinstruktur-Übertragungsfrequenz im Grundzustand des Cäsiumatoms ermöglicht eine sehr genaue und einheitliche Zeitmessung. Sie hat eine Ungenauigkeit kleiner als 5 x 10-12. Das Frequenznormal der PTB
hat eine Ungenauigkeit von sogar weniger als 0.65 x 10-14. Eine Sekunde ist folgendermaßen definiert: Die Sekunde ist das 9.192.631.770fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hybridfeinstrukturenniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133 Cs entsprechenden Strahlung."
(Quelle PTB)
Prinzip: In einem Mikrowellenresonator misst man die Frequenz von Hyprefeinstruktur-
Übergängen in Atomen. Auf diese Frequenz wird eine externe Uhr synchronisiert.
Genauigkeit:
Typ Frequenz in GHz Genauigkeit Langzeit-Stabilität
Schwingquarz >10 10−9 ca. 100 sec
133Cs 9,192 10−13 ca. 105sec
87Rb 6,835 10−12 ca. 103sec
H 1,420 10−15 ca. 105sec
Die Genauigkeit einer Atomuhr kann durch abgebremste Atome verbessert werden (Cäsium-Fontäne).
Neuere Experimente versuchen Übergänge im optischen Spektralbereich (1015 Hz) zu nutzen.
Für die erfolgreichen Experimente zur frequnzgenauen Teilung optischer Frequenzen gab es im Jahre 2005 den Nobelpreis an die Forscher Theodore Hänsch (MPI, München) und John Hall (Boulder)
Cs Ofen
Mikrowellenresonator Detektor für
angeregte Atome
Detektor für nicht angeregte Atome
22
Zeitintervalle in Sekunden
Mittlere Lebensdauer eines Protons 3x10
+40Alter des Universums 5x10
+17Alter der Milchstrasse 3x10
+17Alter der Erde 1x10
+17Lebensdauer eines Menschen 1x10
+09Studiendauer 2x10
+07Länge einer Tages 9x10
+05Herzschlag 8x10
-01Photoblitz 1x10
-05Zerfallszeit des Müons 2x10
-06Taktzeit eines Pentiumprozessors 1x10
-09Laufzeit des Lichts durch das Auge 1x10
-10Kürzester Lichtpuls 3x10
-17Zerfallszeit des instabilsten Teilchens 1x10
-23Planckzeit 1x10
-43(kürzestes physikalisch sinnvolles Zeitintervall)
eine Sekunde
Dendrochronologie
Bedeutung
Archäologie
Hausbau- und Siedlungsgeschichte Kunstgeschichte
Paläoklimatologie und Klimatologie
Gletscher-, Waldbrand- und Überflutungsgeschichte Erforschung des Vulkanismus
Insekten- und Immissionsschäden Kriminalistik (z.B. Kunstfälschungen).
Was tun bei größeren
zeitlichen Abständen
Datierung
Bestimmung der Zeit, die seid einem signifikanten physikalischen Ereignis
vergangen ist
Lösung des Problems
Radioaktiver Zerfall
Kohlenstoff-Kreislauf in der Natur
C14-Methode
Das radioaktive Kohlenstoffisotop
14C entsteht in der oberen Atmosphäre und verteilt sich gleichmäßig auf
der Oberfläche der Erde. Über die Nahrungskette ist
14
C in jedem Organismus vorhanden
Stirbt der Organismus und erfolgt keine Zuführung von
14
C mehr sinkt der Anteil von
14C in der Probe.
Solange sich der Kohlenstoff im Kreislauf befindet entspricht das Verhältnis der Kohlenstoffisotope dem
natürlichen Verhältnis der einzelnen Isotope.
Ab diesem Zeitpunkt tickt die Uhr!
Nach 5730 Jahren ist die Hälfte der
14C Atome zerfallen
C14-Methode geeignet für Ereignisse im Bereich bis einige zehntausend Jahre
Radioaktiver Zerfall
Statistischer Prozess
N /2
Anzahl instabiler Kerne N
Zeit
0
N 0
T 1/2 N /e 0
T 1/e
(
14)
14 4 -1Luft 12
14
Probe 12
14
a 10 21 . 1 ,
C exp Zählrate
C Zählrate C
Zählrate C
Zählrate ⎟⎟ ⎠ ⋅ − = ⋅
−⎜⎜ ⎞
⎝
= ⎛
⎟⎟ ⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ λ t λ
( ) λt
I
I(t) = ⋅ exp − Form Allgemeine
0
n Finanzwese und
Medizin, Chemie,
Biologie, Physik,
der in Prozesse andere
für viele auch
gilt
Verzinsung
Höhe der mit Luftdrucks des
Abnahme
rs Kondensato eines
Aufladung
Bakterien von
Wachstum
Kalibration der C 14 Zeitskala
Probleme:
Suess-Effekt
Massive Verbrennung von fossilem Kohlenstoff
(Kohle, Erdöl) nach 1850 AD verfälscht die Daten.
Der so erzeugte
Kohlenstoff ist alt und enthält kaum noch 14C Anteile. Dadurch
verringert sich der Anteil von 14C in der Atmosphäre.
Geochronologie
Datierung großer Zeiträume in uranhaltigem Gestein
238
U und
235U zerfallen über unterschiedliche Zerfallsreihen in
206Pb und
207Pb
Halbwertszeit von
238U: 4.47x10
9a und
235U: 7,038 · 10
8a
Kalium-Argon Methode
alternatives Verfahren, wenn Gestein nicht uranhaltig ist
%) (11.2
%) 8
. 88 (
40 18 40 20 40
19
-
Ar Ca K
Zerfall Zerfall
−
−
→
→
+
β β
Halbwertszeit 1 . 26 ⋅ 10
9a
Erstarren des Gesteins: Kein Austausch mehr mit der Umgebung
wird auch zur Datierung von Mondproben und Meteoriten verwendet
Abgeleitete Größen
ALLE ANDEREN EINHEITEN WERDEN AUS DEN ELEMENTAREINHEITEN ZUSAMMENGESETZT !!!
Fläche:
Volumen
Geschwindigkeit Beschleunigung Kraft
Energie Leistung Druck
Spannung
m
2m
3m/s m/s
2kg m/s
2(=N)
kg m
2/s
2(=J)
kg m
2/s
3(=W)
kg m/s
2m
2(=Pa)
kg m
2/As
3(=V)
Basiseinheiten
Parallelwelten
Basiseinheiten
In diesem Fall hat sich das metrische System nicht durchgesetzt.
Vielleicht gibt es auch ein Problem mit der
Umrechnung.
1 pound-force (lbf)
= 4,45 Newton (N)
Signifikante Stellen
Mit dem Maßband gemessener Kreisradius r=1.23 m
r
m 0 7.75345067 m
23 . 1 2
2 = ⋅ =
= π r π U
Berechne den Umfang
Ergebnis der Rechnung mit dem Taschenrechner
Ist es sinnvoll, diesen Wert mit 9 Stellen nach dem Komma anzugeben???
Signifikante Stellen
Mit dem Maßband gemessener Kreisradius r=1.23 m
r
m 0 7.75345067 m
234 . 1 2
2 = ⋅ =
= π r π U
Berechne den Umfang
Ergebnis der Rechnung mit dem Taschenrechner
Das Maßband liefert einen Messwert mit einer Genauigkeit von +/- 1 mm
DAUMENREGEL
Deshalb Messwerte nur mit den Nachkommastellen angeben, die man der Messung selbst auch zutraut
m 7.753
=
U
Dimensionsanalyse
Man kann die Dimension einer Messgröße nutzen, um auf die zugrunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu schließen
ab
A = A = π r 2 A a h
2
= 1 a
b r
a
h
In allen Fällen ist die Dimension der Größe [L²]
Dimensionsanalyse
Normalerweise haben wir es mit folgenden den Größen zu tun Länge [L]
Zeit [T]
Masse [M]
elektrischer Strom [I]
...
ma F =
Zum Beispiel:
Das zweite Newtonsche Gesetz hat die Einheiten Masse [M] x Beschleunigung [L/T²]
Dimension ML/T²
Dimensionsanalyse
[ ] L
T L T
L
T T² L T
L T
L
2 ² v 1
v
2
?
0
⎥⎦ +
⎢⎣ ⎤
≠ ⎡
⎥⎦ ⎤
⎢⎣ ⎡
⎥⎦ ⎤
⎢⎣ ⎡
⎥⎦ +
⎢⎣ ⎤
= ⎡
⎥⎦ ⎤
⎢⎣ ⎡
⇓ +
= at
Physikalische Größen, die nicht dieselbe Dimension haben, kann man nicht addieren bzw. subtrahieren.
Test: Ist die Gleichung richtig ?
Da die Dimension auf den beiden Seiten der Gleichung nicht
übereinstimmt, kann man schließen, dass die Formel nicht richtig sein kann!
Das hilft (aber nicht immer) auch in Prüfungen