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Lecture notes

Experimentalphysik 1 ( Klassische Mechanik) - Skript / Mitschrift

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19
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10-11-2020
Written in
2019/2020

Der gesamte Stoff des ersten Semesters in Experimentalphysik 1 umfangreich zusammengefasst als Skript mit nützlichen Kommentaren, Hinweisen und Grafiken zum leichteren Verstehen. Es dient sehr gut als Vorbereitung auf die Prüfung und zur Erstellung eines Formelzettels. Meine Mitschrift umfasst die Themengebiete: 1. Physikalische Größen, Einheiten, Messungen 2. Klassische Dynamik (Kinematik, Arbeit/Energie/Leistung, Drehbewegung) 3. Bezugssysteme und Scheinkräfte 4. Systeme von Masseschwerpunkten (Stöße elastisch/inelastisch) 5. Dynamik Starrer Körper (Drehimpuls und Trägheitsmoment, Kreiselbewegung) 6. Schwingungen (harmonisch, gedämpft, erzwungen) 7. Mechanische Wellen (inkl. Doppler-Effekt) 8. Mechanik fester und flüssiger Körper (Statik fester Körper, Hydrostatik, Hydrodynamik)

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November 10, 2020
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19
Written in
2019/2020
Type
Lecture notes
Professor(s)
Prof. kienberger
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EXPERIMENTAL
PHYSIK 1


Technische Universität München
Physik B.Sc.

,. Physikalische
1 Größen ,
Einheiten und Messungen
.1
1 .
Physikalische Großen und Einheiten =
quantitative Beschreibung von
Vorgängen in der Natur
(bestehend aus Maßzahl und Maßeinheit)
Bei Berechnungen immer Einheiten mit
angeben .
&
z .
B L =
504 kn
V
.




* Ergebnis Messfehler
inner mit angegen .




Maßeinheit
* der
Jeder Physikalische Vorgang --
Festlegung +
Bestimmung der Maßzahl durch
Vergleich . . .




↑=


bei
=

2 7 W =
#BER : Pulsclaver yfs ,




Epus = =
0 9r]
Repelitionsrate Rhe
.



3 kHz
Pools
Es =g o
=
=
0 .
3


Durchschnittsleistung 2, 7 W
.




I = 10W Tre => A =
3 .




10
-




3 cm" =
ret




# #
Signifikante Stellen :
Azuverlässig bekannte Stellen

*
Anzahl der
Signifikanten Stellen zeigt an
,




wie
groß die
Ungenauigkeit einer
Messung .
ist




B 2 50 stellen
z 3
signifikante
.




·




,




4 Stellen
2 ,
503 signifikante
Stellen
0
,
0103 3
signifikante ·
z .
B .
. 6
0 .




106 M oder

In Zer-Potenzen bleiben :


0
,
6 .


10-6 Ms = 0
.
6 fS =
600 As




. Das internationale
. 2
1 Einheitensystem SI

Definition einer Sekunde :




133

& 192 631 7 70 ·
-




Periodendauer des
Hypertein Übergangs (S

Definition des Meters :




Länge der Strecke ,
die Licht im Vakuum während der Dauer von


(1/299792458) Sekunden durchläuft .




Definition des Ambers :




Stärke eines konstanten elektrischen Stromes S




definiert und des Widerstands
über Einheit der
Spannung
Definition der Candela :




>
- Lichtstärke Monochromatische der Frequenz 540 10 I
die
Strahlung
.




,




aussendet und deren Strahlstäre 1/683 W/Sterediant beträgt .




=
ein metrisches ,
dezimales und Definition Kelvin :




Einheit der thermodynomischen Temperatur ist der 276 13-teil
Kohärentes Einheitensystem
, ,




der
Temperatur des Triplepunktes des Wassers .




*
Definition des Mols :



Alle Einheiten sollen vo n diesen
7 Basis einheiten ableitbar sein Stoffmenge eines Systems aus ebenso vielen Einzelteichen

Wie Atome in 0 .
012 kg des Kohlenstoffnuklids (enthalten sind




.3
1
Messungen Messgenauigkeit , ,
Statistik

Messfehler- Systematische Fehler und Statistische Fehler

=>

Abweichung einer
Messung vom =>

zufällige positive und
Erwartungswert negative Abweichungen
# . B . durch instrumentelle Einflüsse , z . B &
-
Runden , Schätzen ,

(wie lockere Teile am Messgerät ,
ungenaue

Justierung bzw .




Kalibrierung)
zufällige Fehler im Messgerät,
durch persönliche Fehler ,
(wie Reaktionszeit oder falsches Ablesen zufällig ablaufende
Ereignisse
durch Umwelteinflüsse ,
(Brechung , Temperatur schwankung)
USW .

,Versuch :

Geschwindigkeitsmessung einer Gewehrkugel
- I




E
t =5. Fo 500 welche Messfehler
- trelen auf ?

v =
30cm .




6005 =
1885




STATISTISCHE GRÖßEN




#Xi
Arithmetischer Mittelwert

bei
mit Xi-E =

Abreichungdereinzelnen Ergessen
n-Messungen
:




Standartabweichung
oders (für n > 11 * - )
sind

die
zufällige
Einzelmessung
Fehler ,
mit


behaftet
denen

.
ist





Der Mittlere Fehler Mit Ö =
Konstant (auch für n -
c)

des Mittelwerts der Einzelmessungen und E =
0 für ht o




GAUB'SCHE VERTEILUNGSFUNTION /Normalverteilung

Bei
großer Anzahl von
Messungen mit
ausschließlich statistischen Fehlern :




&exp
der
Verteilung
=
der Häufigkeit Messwertex
Mittelwert e




68 % aller Messwerte haben eine
Abweichung F von


95 % aller Messwerte haben eine
Abweichung <20 von
99 8 %
,
aller Messwerte haben eine
Abweichung So von :




Parametern
FEHLERFORTPFLANZUNG für physikalische Große >
y(x1 Xs Xn) abhängig
:

+2 von
-




y
-




, ,
. . .




(8) + :
Bei nicht Fehlern DXi
großen
(Aymax) )
zu ,




für AY
=
X +....
gilt die
Näherung
:




Annäherungen
26brauugo
:




01

, . Klassische
2 Mechanik
.1
2 Kinematik =
Mathematische
Beschreibung der
Bewegung eines
Körpers im Raum




W
Geschwindigkeit= =




Beschleunigung = Zeit Beschleunigung (




=>
a
= v (moren e Beschleunigung
&




PHYSIRALISCHE FELDER beschreiben die räumliche Große
physikalischen
:


Verteilung einer

·
Skalarfeld (fürskalare ,
nicht gerichtete Größen ,
z .
B Temperatur)

·
Vektor feld Dtirgerichtete Großen ,
z .
B .
Wind)


·

Gradientenfeld = Vektorfeld ,
dessen Vektoren die Gradienten eines Skalarfeldes sind
(Gradientenfelder sind wirbelfrei)




Bewegung in 1 Dimension




#
.
1 konstante Geschwindigkeit bei
gleichförmiger geradlinige Bewegung ,
wenn a(t) >0 und v(t) > 0




Yv
x H) =
Svodt =
vo Sat =
vo
·




Ct-to) + C
o
=> Iv()) wird größer
=
vo :
a =


x(t 0)
mit
Anfangspunkt neder Betrags- alt) und v(t)-O
~
Wenn
= = =
X .
= C =
X. nur wenn 0

noch Richtungsänderung => (v()) wird
größer

Beschleunigung
und v(t)
2. Konstante
gleichförmig beschleunigte Bewegung
bei Wenn alt >0 0

oder alt)o und v(t) > 0



Sandt aoSdt



&
v(t) = =
=
aot + 2 => IvCH) nimmt ab


v(t ol C
Anfangsbedingung
=>
Mit = =
vo = =
v .



a =
Go
() Sudt Slaot Eart
1


X =
=

+ voldt = +
vot +
C


x(t 0) ("
Anfangsbedingung
=>
Mit X
= =
=>
.
=
X .




KREIS BEWEGUNG


Bewegungen in 2 und 3 Dimensionen



z .
B



Bewegung
.
=H =




-Egt

in 3
+
20




Dimensionen

: H)
xH =

r



=
+




( *)
orH) =




Er ist und Winkel f =
2 I




...
mit Konstanter
Geschwindigkeit
: H =


[ Gleichförmigekreisbewegung- F
↳ E =E (x) ( 1
Richtung mit und =




=
... hit konstante Beschleunigung : H

Zentripetal beschleunigung a (in Richtung
Kreiszentrum)
1)
Mit = v/r = 22 .


r




Allgemeine Krumlinige Bewegung a =
a+ +
az


# Bewegungen Raumrichtungen erfolgen
der einzelnen
mit +
tangentiale Beschleunigung
-




>




unabhängig voneinander ! mit zu
zentripetale Beschleunigung

, WÜRFE
F Normalbeschleunigung (Radialbeschleunigung")

I
v2
y(t) E
Bewegungsgleichungen :
An =
↑ mit
p
=

Krümmungsradius ,
bzw .
=
wa r



Bahnbeschleunigung")
= Tangentialbeschleunigung
X (H) vo (2 t (
F
= .
.




y(t)
=

vo
·




sing .




t -




Egt2 a == mits(t) =

Bogenlange
X(t)




Krümmungskreis



-
bei Bahnkurven :




=




der
Kreis
Kurve
,




fundfsqmainsanhat
der

anliegt
an einem


,
und
Punkt
mit dieser
.
Fundin =
ym =

y +y




.2
2 .

Dynamik für Punktmassen -



Kräfte + NEWTONSCHE GESETzE




TRÄGHEITSGESETZ Maß für Bewegungszustand
>
-
.
1 Newtonsches Axiom - : den :




Jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder
gleichförmigen Impuls p = M + mit [p]
=

kg .
keine Kraft auf ihn wirkt & Fi 0 p const
solange
=

Bewegung
= =

.




=

Bewegung eines massebehafteten Körpers



.
2 Newtonsches Axion AKTIONSPRINZIP :




>
-
-




Kraft mit [F] kg * N
Die zeitliche
Änderung des Körpers
.




ist
=




Impulses
=
eines




gleich der
äußeren Kraft. Mit Me = const : F =
A =


Mt. =
m+

mit M+ const : F = (m+ ) =

m . +.
3
. Newtonsches Axiom -



REARMONSPRINZIP :




Kräfte sind die Ursache
Bei der
Wechselwirkung von Massen treten Kräfte immer für die
Änderung
Masse (meistens
paarweise auf .
Übt Korper In auf Körper In die Kraft Fez des Impulses einer eine Beschleunigung) .




dann übt 2 auf En die Kraft F Ei
>
aus =
aus
-




,
.




Kräfte
addieren : -
>




#
VERTORGRÖßEN VS .
SKALARE GRÖßEN
(Kraft Geschwindigkeit
, , Semperatur , Energie ,
Ladung ,


Magnetfeldstärke Impuls , , Beleutungsstärke ,
Masse)

Drehmoment) . . .
haben nur Betrag !
· . .
haben Betrag und Richtung !




&
F
TrägeMasse
:
=
m +
-


a


(wiedersetzt sich der Beschleunigung)
Martierende Kugeln)
Schwere Masse : F =
Ms a

laufgrund der Gravitationskraft)




7
#L mokrat
ZENTRALKRÄFTE :
GRAVITATIONSKRAFT :




zwei Massen ziehen sich an -




Kraft
-




=
,
die immer auf einen festen

Punkt (das Kraftzentrumz) bezogen ist

Fa
-G /Nu
=



also auf 8 85-1012 .
zulweg zeigt do
mit
Z
=
.
,




Z . B .


Gravitationskraft unseres *
Gravitationskonstante G =
6 , 67 .




10-11m3/legsa FUNDAMENTALE WECHSELWIRKUNGSKRÄFTE :



Sonnensystems ,
Colombkraft eines
Gravitationskraft ,

Atoms 9 8152
- Elektromagnetische Kraft
,




=
,

SPEZIALLFALL Gewichtskraft Fa
Zentripetalkraft Fz
:
Mc 9 Schwache-/Starke Wechselwirkung
·


=




(auf einen Körper an der
Erdoberfläche))

, ↳#
Elastische Kräfte : Elastische
Verformung Federkraft ( =
Ursache für die
Formänderung eines Körpers
-




Hooke'sches Ge
Ein
Körper auf einer festen K :
Federkonstante
desho
Fläche wird elastisch verformt ,
(Je größert ,

Feder
härter die
wodurch die Gegenkraft Fel =
Fa
Kraft
-




erzeugt wird ,
sodass Fges
=
0 .
d h
.
.




Dehnung propotional zur




Reibungskräfte :
verlangsamt Bewegungen und dämpf Schwingungen




# insmum J
=
Widerstand ,
der in der Berührungs- Haftreibungskraft Fran Gleitreibung Fra/Fa Rollreibungskraft Far/Fr
fläche zweier Körper bei ihren relativen
dh . .
ein Körper bewegt sich auf bei Rollen auf einer
Unterlage
Bewegungen zueinander auftritt
.


einer
Unterlage dann F3-FH ,



(
Reibungskraft Fr zu entgegengesetzt) wird erst dann
d h
. .
ruhender Körper


Fr =
-




ks .
besondernist
der Kontaktfläche
, wenn
antinent
F2 Fr , wegen
umstimu
sog .
Kraftschluss Fr =
-




F .




Mit ks :
Reibungskonstante Normal :
M) Ma >
Mr
FH =

MH-FN-Normalkraft
(Mit ist Haftreibungskoeffizient)




antibung J
Viskose Reibun Fa
einer
langsamen Kugel in einer
9
Flüssigkeit

Fr
=

EcpAv Fr = -




Gayri
↳w
:
Widerstandskoeffizient /bei
Kugel (
=

1) Reibung ~
Geschwindigkeit

des Mediums (Gas
Flüssigkeit) Fallende
Kugel hat
=>
P :
Dichte



En
,


konstante Geschwindigkeit
Lorentzkraft : A :
Querschnittsfläche




#atartana
aucad se
in
Magnetfeld Konservative Kräfte- F .




dF = 0


geschlossenen Systems
sich keinerlei Arbeit
verrichten längs eines in ,
z .
B .
Gravitations-/Golombkraft



Kräfte
Dissipative >
-




Arbeit
verrichten umso mehr ,
je länger
der
zurückgelegte Weg des Systems ist
,
z .

B. Reibungskräfte ,
Wirbelfelder




·
-


Masse





s
Eindimensionale Massen -




Bewegung,in V(te) v(tel In M) g (te-t)
ausstoß

= Konst
Mit vo
-
= .




10
g 0
g)
=




-




, ,



ve =
(0 ,
0
,
-




Vel
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