Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker - Ruhr-Universität ...

Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 

Information zur Vorlesung 

’Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker’ 

Prof. Dr. Werner Meyer 

NB 2/135 

Sekretariat: 

Übungen: 

Hörsaal: 

Frau G. Schäfer 

NB 2/131 

J. Herick & A. Berlin 

NB 2/28 

Tel: 23572 1 

Herr Nowak 

HNB 

1 Anruf von Außen → 0234-32-..... 

Prof. Dr. W. Meyer (Ruhr-Universität Bochum) 11. April 2013 1 / 20


Organisatorisches 

Vorlesung: Donnerstags von 10-12 Uhr im Hörsaal HNB 2 

Übungen: Mittwoch 11-12, NB 5/158, Gruppe A 

Mittwoch 12-13, NB 5/158, Gruppe B 

Donnerstag 9-10, NB 2/158, Gruppe C 

Donnerstag 12-13, NB 3/99 , Gruppe D 

Ausgabe → Donnerstags auf unserer Homepage 

Abgabe → eine Woche später; am Ende der Vorlesung 

Ausgabe Abgabe Besprechung 

Anwesenheitsübung 1 – – 17.4./18.4. 

Anwesenheitsübung 2 – – 24.4./25.4. 

Übungszettel 1 18.4. 25.4. 2.5 

Übungszettel 2 25.4. 2.5. 15.5./16.5 

Übungszettel 3 2.5. 16.5. 5.6./6.6. 

Übungszettel 4 16.5. 6.6. 12.6./13.6. 

Übungszettel 5 6.6. 13.6. 19.6./20.6. 

Übungszettel 6 13.6. 20.6. 26.6./27.6. 

Übungszettel 7 20.6. 27.6. 3.7./4.7. 

Übungszettel 8 27.6. 4.7. 10.7./11.7. 

2 folgende Termine fallen aus, auch finden in diesen Wochen keine Übungsstunden statt: 9.5. / 23.5. / 30.5. 



Organisatorisches II 

Kriterium für den Erhalt der Kreditpunkte ist eine bestandene Klausur , die in der letzten Vorlesung 

stattfindet (18.7.2013 10:00 st. - 12:00 Uhr) 

Zum Bestehen der Klausur müssen mindestens 50 % der Klausurpunkte erreicht werden. 

Es ist möglich 10 % der Klausurpunkte durch die Übungen zu erhalten. 

in der Übung 

für die Klausur 

ab 50 % → 1 % 

. 

. 

ab 90 % → 9 % 

ab 95 % → 10 % 

Um Anspruch auf den Bonus zu haben, muss mindestens einmal in der Übungsstunde vorgerechnet 

werden! 

Des Weiteren werden nur Übungszettel gewertet, die handschriftlich verfasst wurden. 

Alle Informationen zur Vorlesung, sowie die Übungsblätter findet man 

unter 

http://www.ep1.rub.de/poltarg/Lehre/Optionalbereich/ 



"In der Wissenschaft beginnt alles Neue damit, 

dass jemand brummt ’Hmmm ... ist ja komisch’." 

– Isaac Asimov 



Was ist Physik? 

Die Physik gehört zu den Naturwissenschaften und versucht grundlegende Phänomene 

und Eigenschaften der Natur quantitativ zu beschreiben. Sie befasst sich mit der 

gesamten, unbelebten Materie im Universum. 

Die Naturwissenschaften werden insbesondere 

von der Neugier des Menschen angetrieben, 

die Welt um sich herum zu verstehen. 

Damit teilen die Disziplinen der Naturwissenschaften, 

der Philosophie und der Religionen 

dieselben grundlegenden Fragen. 

Naturwissenschaften 

Frage 

Philisophie 

? ? 

Religion 

Antwort 1 Antwort 2 Antwort 3 



Warum sollte man sich mit Physik beschäftigen? 

Viele technische Berufe bauen auf physikalische Prinzipien auf. Die Physik gibt dabei 

Wege vor und zeigt Grenzen auf, die zu beachten sind. 

Bsp. Brückenbau, Raumfahrt, Schiffbau, Kernenergie, ... 

Im Alltag helfen uns physikalische Kenntnisse, gewisse Situationen besser 

einzuschätzen zu können. 

Bsp. elektrischer Strom, Musizieren, Umgang mit Feuer, ... 

Kenntnisse in Physik schützen uns auch vor irreführenden Informationen. 

Bsp. Schwarze Löcher am CERN → Weltuntergang, ... 

Physik ist überall zu finden!! 



Entwicklung der Physik 

Frühzeit: 

Griechen: 

ca. 17. Jh.: 

Lehre der Natur 

Keine weitere Unterteilung. Es war die Lehre aller Dinge, die mit den Sinnesorganen 

zu erfassen waren. 

Auch hier bestand schon der Drang zu Vereinfachungen. 

Erste Ansätze → Atome (unteilbar) als Bausteine der Materie. 

Bis dahin gab es 4 Elemente: Erde, Wasser, Luft, Feuer. 

Beginn der systematischen Erforschung der Natur 

→ Naturwissenschaften 

Abtrennung: Biologie → lebende Materie 

Chemie → stoffliche Veränderungen der Materie 

Geologie → Erforschung der Erde 

Astronomie → Erforschung des Kosmos 

Physik → Erforschung der unbelebten Welt, Grundgesetze, 

Wechselwirkung und Kräfte der Materie 



Was arbeitetest du? 

Nach Richard Feynman (Experimentalphysiker) erfolgt die Abspaltung in 

verschiedene Fachrichtungen beim Betrachten eines Eimer Wassers 

Interesse an 

Maße 

Woher H 2 O 

Lust an Reaktionen 

Beruf 

Geodät 

Geologe 

Chemiker 

Wunsch nach einem Mikroskop 

Pantoffeltiere 

Pantoffeltiere umbringen 

Aufbau der Materie 

Biologe 

Pharmazeut 

Atom-/ 

Kern-/ 

Elementarteilchenphysiker 



Wie macht man Physik? 

Physik gehört zu den Erfahrungswissenschaften. Die reine Beschreibung 

(Phänomenologie) der Natur ist aber noch keine Physik. 

Die Physik arbeitet quantitativ und analytisch, d.h. Vorgänge oder Zustände werden mit 

objektiven Messmethoden gemessen und analysiert. 

Achtung: Sinnesorgane sind nicht immer gute Messinstrumente! 

– Man beginnt zunächst mit genauen Beobachtungen und stellt eine Hypothese auf. 

– Die Hypothese wird durch zahlreiche und sorgfältige Experimente geprüft. 

– Zeigen mehrere, möglichst unabhängige Experimente widerspruchsfrei die 

Richtigkeit der Hypothese, so wird diese zu einer Theorie. 

Exp. 



Wie macht man Physik? 

Physik gehört zu den Erfahrungswissenschaften. Die reine Beschreibung 

(Phänomenologie) der Natur ist aber noch keine Physik. 

Die Physik arbeitet quantitativ und analytisch, d.h. Vorgänge oder Zustände werden mit 

objektiven Messmethoden gemessen und analysiert. 

Achtung: Sinnesorgane sind nicht immer gute Messinstrumente! 

A und B sind in der Farbe und der Helligkeit identisch. 



Wie beschreibt man die Physik? 

Zur quantitativen Beschreibung benötigen wir 

– wohldefinierte physikalische Größen 

(z.B. Länge und Zeit) 

– dazu Maßeinheiten 

(hier Meter [ m ] und Sekunde [ s ]) 

Wir messen Maßzahlen für die jeweilige phys. Größe durch den Vergleich 

mit Standards [Einheit] 

Phys. Größe = Zahlenwert × Einheit 

3 

z.B. Länge = 8,95 m 

" Zeit = 9,56 s 

Damit sind wir prinzipiell in der Lage zu messen, wann sich die Feder wo befindet. 

Achtung: Die Feder ist ausgedehnt und unregelmäßig. 

Daher betrachten wir bei der Messung des Ortes, als Funktion der Zeit, den Schwerpunkt 

der Feder. 

3 100 m-Lauf-Rekord: Usain Bolt, 2009 Berlin / Weitsprung-Rekord: Mike Powell, 1991 Tokio 



Maßeinheiten - SI-System 

Das SI-System ist ein international anerkanntes Maßsystem. SI steht hierbei für Système 

international d’unités. Es beinhaltet sieben physikalische Grundgrößen, aus denen sich 

alle anderen Einheiten ableiten lassen. Diese Grundgrößen lauten: 

Dimension Einheit Einheitszeichen 

Länge Meter m 

Masse Kilogramm kg 

Zeit Sekunde s 

Temperatur Kelvin K 

Stromstärke Ampere A 

Stoffmenge Mol mol 

Lichtstärke Candela cd 

ebener Winkel Radiant rad 

Raumwinkel Steradiant sr 



Maßeinheiten - Präfixe 

Häufig verwendete Vorsätze für Maßeinheiten, sogenannte Präfixe, dienen dazu sehr 

große, bzw. sehr kleine Werte übersichtlich darzustellen. Hier in der Vorlesung und in den 

Übungen werden wahrscheinlich die Folgenden ausreichen: 

Präfix Aussprache Exponentialschreibweise ausgeschrieben 000 

f Femto 10 −15 0,000000000000001 

p Pico 10 −12 0,000000000001000 

n Nano 10 −9 0,000000001000000 

µ Mikro 10 −6 0,000001000000000 

m Milli 10 −3 0,001000000000000 

c Zenti 10 −2 0,010000000000000 

d Dezi 10 −1 0,100000000000000 

k Kilo 10 3 1000,000000000000000 

M Mega 10 6 1000000,000000000000000 

G Giga 10 9 1000000000,000000000000000 

T Tera 10 12 1000000000000,000000000000000 

Sprich: Besäße man 12Ge, wäre man zwölffacher Milliardär! 



Maßeinheiten - Beispiele ’Raum’ 

Der geometrische Raum 

Proton 10 −15 m = 1 fm 

Atomkerne 10 −14 m = 10 fm 

Atome 10 −10 m = 100 pm = Å 

Großes Molekül 10 −8 m = 10 nm 

Virus 10 −7 m = 0,1 µm 

Dreijähriges Kind 

Matterhorn 

Erdradius 

1 m 

4477 m 

6,37 · 10 6 m 

Große Halbachse der Erdbahn 1,496 · 10 11 m = 0,15 Tm 

Durchmesser der Milchstraße 

Hypothet. Radius des Universums 

9,46 · 10 20 m 

10 27 m 

42 Zehnerpotenzen 

1 Å = 10 −10 m (alt) 

1 Lichtjahr = 9,4627 · 10 15 m 

1 parsec = 3,26 Lichtjahre 



Maßeinheiten- Beispiele ’Zeit’ 

Zeitskala 

Alter unseres Universums 

Alter der Erde (ungefähr) 

Mittlere Lebensdauer eines Menschen 

Dauer eines Tages 

Periode einer Ultraschallschwingung 

Periode einer Molekülschwingung 

Periode einer Atomschwingung 

Zeit, die ein Lichtstrahl zum Durchqueren 

eines Atoms benötigt 

Periode einer Kernschwingung 

Zeit, die eine elektromagnetische Welle 

braucht, um einen Weg zurückzulegen, der 

gleich der linearen Ausdehnung eines 

Elementarteilchens ist 

10 18 s 

10 17 s 

10 9 s 

8,64 · 10 4 s 

10 −5 s 

10 −12 s 

10 −15 s 

10 −18 s 

10 −22 s 

10 −24 s 



Maßeinheiten - Beispiele ’Masse’ 

Masse 

Universum 

Galaxien 

Sonne 

Erde 

Tanker 

Mensch 

Bakterien 

DNA-Molekül 

Proton 

Elektron 

10 55 kg 

10 40 kg 

10 30 kg 

10 24 kg 

10 8 kg 

10 2 kg 

10 −15 kg 

10 −23 kg 

10 −27 kg 

10 −30 kg 



Grundgebäude der Physik 

Thermodynamik 

+ - + - 

- 

+ + - + - 

- 

- 

- + - 

+ - 

+ - --- + - 

+ 

+ - 

+ 

- 

Elektrodynamik 

S 

N 

Relativitätstheorie 

Mechanik 

E=mc 2 

www.tagesspiegel.de 

Quantenphysik 



Mechanik 

Die Mechanik ist die Lehre von den Bewegungen (einschl. der Ruhezustände) der Körper 

im Raum. 

Der Raum ist der uns bekannte 3-dimensionale Raum (Länge, Breite, Höhe). 

Diese Bewegungen wollen wir quantitativ beschreiben und zu diesem Zweck müssen wir 

a) den 3-dimensionalen Raum ausmessen können 

b) und zur Beschreibung des zeitlichen Verlaufs auch die Zeit messen 

Der Körper ist in der Regel ausgedehnt – wie beim Experiment mit der Feder – und hat 

noch weitere Bewegungsgrade, wie z.B. die Rotation. 

Deshalb werden wir zunächst den realen Körper idealisiert in einem Massepunkt 

vorstellen. 



Mechanik - Massepunkt 

Wir werden später den Schwerpunkt definieren und das folgende Modell rechtfertigen: 

Modell: Massepunkt 

"Die gesamte Masse des Körpers wirkt so, als wäre sie in einem 

Punkt vereinigt. Dieser Punkt ist zugleich sein Schwerpunkt." 

Dieses Modell bedeutet eine Beschränkung des Problems auf das Grundsätzliche und 

äußere Eigenschaften wie Volumen und Form werden vernachlässigt. 

Der Körper wird als mathematischer Punkt angesehen, der insbesondere keine 

Rotationsbewegungen ausführen kann. 

Feinheiten können unter Umständen später berücksichtigt werden. 



Aber was ist die Masse eines Körpers? 

Die Materie um uns herum ist aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut 

} 

Proton (p) 

Nukleon mit der Masse m n = 1,67 · 10 −27 kg 

Neutron (n) 

+ 

Elektron (e) 

m e = 0,0009 · 10 −27 kg 

→ d.h. 1 kg Materie entspricht 

1 

1,67·10 −27 ≈ 6 · 1026 Nukleonen (+ Elektronen) 

Wir kennen den Zusammenhang von Energie und Masse 

Energie = Masse · c 2 

[ N · m] = [ kg] · [ m 

s 

] 2 

Und was ist Energie? 

Dazu später ... 

Zumindest: Jede Art von Energie kann sich in Masse ’kondensieren’ und umgekehrt. 



Was sind Körper noch? 

Neben der Eigenschaft der ’Masse’ haben Körper noch weitere Eigenschaften. Sie sind 

– immer ausgedehnt, d.h. die Masse ist über ein endliches Volumen verteilt 

– entweder starr oder deformierbar 

Körper 

starre Körper 

(ausgedehnt) 

deformierbar Körper 

(ausgedehnt)

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