Ausgewählte Kapitel der Physik · 26.04.06 Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de...

Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 126.04.06

Mein Name: Prof. W. de Boer, Inst. f. Exp. Kernphysik;Koordinaten: PHH 9-19; Tel. 608-3593email: [email protected]

Webseite:www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ModernephysikÜbungen Ende der Wocheund Folien auf dieser Webseite!

Sprechstunde: nach der VL am Mi. oder Fr.

Ausgewählte Kapitel der Physik


Ziel der Vorlesung•Physik als Grundlage für Ingenieurwissenschaften

vor allem Verständnis der physikalischen Vorgängewenn Systeme KLEIN und/oder SCHNELL werden(Relativitätstheorie und Quantenmechanik)

Angebote:• Vorlesung mit Experimenten und wissensch. Gespräch

4 SWS (Mi+Fr um 8:00 in Gerthsen HS)• Übungen 1 SWS Do 15:45 Lehmann HS• Praktikum (3 Versuche) am 4.7+11.7+18.7

(Anmeldung am 26.6+27.6 bei Fr. Zeckai)

Prüfung zum Vordiplom: Klausur (über VL+Übungen + Praktikum)in der Woche vor Semesteranfang (SS+WS)(nur eine Wiederholung möglich, inkl. mündliche Nachprüfung)


Regeln bei Übungen

Sie können Klausurpunkte sammeln, wenn Sie regelmäßigan den Übungen teilnehmen UND vorrechnen (Größenordnung: Sie sammeln bis zu 30% der bei der Klausur benötigten Punktzahl!)

(Sie tragen VOR der Übung ein welche Aufgaben Sie gerechnethaben und Tutor wählt nach dieser Liste aus,wer welche Aufgabe vorrechnen soll.)(Wenn Sie ausgewählt wurden und NICHTS vorbereitethaben, führt dies zu NEGATIVEN Klausurpunkten!)


8 10 12 14 16 18 20 22 Zeit

ArriveKaffeeVorlesung

LunchÜbungen

Leave

Sub-optimale Nutzung des Gehirns

Kreativität des Gehirns


8 10 12 14 16 18 20 22 Zeit

Übungen lösen

Kaffee

Vorlesung

LunchWissenschaftlichesGespraech Leave

Besseres Zeiteinteilung


WissenschaftlichesGespräch!

Übungen

Wir behalten von dem

•Was wir lesen: 10%

•Was wir hören: 20%

•Was wir sehen: 30%

•Hören und sehen: 50%

•Selber sagen: 70%

•Selber tun: 90%

Vorlesungen

Wie lernen wir?


Wissenschaftliches Gespräch

Prüfen Sie im wissenschaftliches Gespräch :

•Sind Sie mit dem wichtigsten Konzepten (z.B. Newtonsche Gesetze), Messmethoden (z.B. Luftdruck), Gröβenordnugnen (z.B. Atomgrö βe) vertraut?

•Können Sie mit Ihrem Physik-Basiswissen umgehen?

•Wie kommen Sie mit Fragestellungen weiter, über die Sie bishernicht nachgedacht haben?


1. Gerthsen Physik von Gerthsen/Meschede (Springer) 65 Euro

2. Physik von Tipler (Spektrum) 69 Euro(Neue Ausgabe: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure von Tipler et al.) 75 Euro

1. Physik für Ingenieure, H. Lindner 35 Euro(Fachbuchverlag Leipzig)

4. Physik für Ingenieure, Hering, Martin, Stöhrer 45 Euro(VDI Verlag)

5. Physik von Alonso/Finn Addison-Wesley 49 Euro6. Taschenbuch der Physik von Stoecker 29 Euro

Literatur

1. und 2 sehr gut, ALLE Gebiete (brauchen nicht alles)3. und 4. sehr verständlich, aber wenig Atomphysik Vorschlag: kaufen sie alten Tipler gebraucht (Amazone,39Euro)


Vorlesungsinhalt


Curriculum Vitae: Wim de Boer

1966-1971: Studium TH Delft (NL)1971-1974: Fellowship am CERN (Genf)

(European Center for Particle Physics)

1974-1976: Postdoc in USA (Argonne)1976-1987: Forschung am DESY (HH)

(Deutsches Elektronen Synchrotron)

1987-1988: Forschung am SLAC (USA)Ab 1989: Professur Exp. Teilchenphysik KA

Exp. am CERN und auf ISS


Energie des Universums

Nur 4% besteht aus uns bekannte Materie

Rest besteht aus einerForm die bisher nichtim Labor hergestelltwerden konnte.

Dunkle Materie Sucheam LHC Beschleunigeram CERN in Genf und im Weltraum


Vorlesungsinhalt - 1Mechanik1. Einige Grundlagen der klassischen MechanikBewegungsgrößen, Newtonsche Axiome, Bezugsysteme

2. Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie und einige FolgerungenInertialsystem, Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation, Längenkontraktion, Massenzunahme, relativistische Bewegungsgrößen, Äquivalenz Masse/Energie3. Der harmonische Oszillatorfreier harmonischer Oszillator, Überlagerung von Schwingungen, gedämpfter Oszillator, Fourier-Integral und Lorentz-Kurve, erzwungene Schwingung / Resonanz

II. Mechanische und elektromagnetische Wellen

1. Mathematische Beschreibung von Wellen2. Verschiedene Arten von Wellen3. Energietransport4. Elektromagnetische Wellen

ebene Lichtwelle, Wellengleichung, Dispersionsrelation, Intensität 5. Wellenpakete

Gruppen-/Phasengeschwindigkeit6. Kohärenz und Interferenz

stehende Wellen, Huygensches Prinzip7. Reflexion und Brechung8. Beugung

Spalt, Vielfachspalt, Gitter, Auflösungsvermögen, Gitterspektrometer, Hologramm9. Polarisation

lineare/zirkulare Polarisation, Brewster-Winkel, Doppelbrechung


Vorlesungsinhalt - 2

III. Geometrische Optik1. Reflexion2. Brechung und Totalreflexion3. Abbildungen durch Linsen

Brennpunkt, Abbildungskonstruktion, Hauptebenen4. Optische InstrumenteAuge, Lupe, Kamera, Mikroskop, Fernrohr

IV. Quantenoptik1. Teicheneigenschaften elektromagnetischer Strahlungphotoelektrischer Effekt, Compton-Effekt, Paar-Erzeugung und –VernichtungBremsstrahlung und Röntgenspektrum, Strahlung eines schwarzen Körpers, Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen im Atom, Laser2. Welleneigenschaften von Teilchende Broglie-Wellenlänge, Elektronenbeugung3. Unschärfe-Relationen4. Dualismus Welle-Teilchen / Die Wellenfunktion


Vorlesungsinhalt - 3V. Physik der Atomhülle / Grundlagen der Quantenmechanik1. Das Atom: einige grundlegende Eigenschaften2. Das optische Spektrum des H-Atoms3. Der Franck-Hertz-Versuch4. Das Bohrsche Atommodell

Postulate, Energie-Niveaus des H-Atoms, Unzulänglichkeiten5. Die Schrödinger-Gleichungfreies Teilchen, stationäre und zeitabhängige Schrödingergleichung, Operatoren6. Teilchen in Potentialtöpfen

Kastenpotential, parabolisches Potential/q.m. harmonischer Oszillator,Tunneleffekt

7. Quantenmechanische Behandlung des H-AtomsSchrödinger-Gleichung des H-Atoms, Wellenfunktionen, Quantenzahlen, Termschema8. Bahndrehimpuls, Spin und magnetische Momente

quantenmechanische Drehimpulse, magnetische Quantenzahl, Spin, Zeeman-Effekt, Spinresonanz

9. Pauli-Prinzip und Quanten-Statistik Ausschlussprinzip, Periodensystem, Bosonen, Fermionen,

Verteilungsfunktionen


Vorlesungsinhalt - 4VI. Festkörperphysik1. Kristallstruktur und chemische Bindung2. Kristallstrukturanalyse3. Elektronen im Festkörper

Bändermodell, elektrische Leitfähigkeit von Metallen und Halbleitern

4. Thermische Eigenschaften von FestkörpernPhononen, molare Wärmekapazität (Phononen/Elektronen), Wärmeleitfähigkeit

VII. Kern- und Teilchenphysik1. Aufbau des Atomkerns2. Tröpfchenmodell des Atomkerns3. Das Fermigasmodell/Schalenmodell4. Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung5. Radioaktiver Zerfall6. Kernspaltung7. Elementarteilchen und fundamentale Wechselwirkungen


Newton (1643-1727)Newton: um einen Körper zu veranlassen, seine gradlinige gleichförmige Bewegung aufzugeben, muss eine Kraft wirken.Eine Kraft führt zu einer Beschleunigung, die proportional zur Kraft ist. Proportionalitätskonstante= „träge” Masse, d.h. F=maBsp: Beschleunigung eines Autos hängt von seiner ‘trägen’ Masse ab.

F=ma gilt auchfür Gravitationskräftem=„schwere“ Masse



Beim Abschuss eines Pfeils lässt Affe sich aus Baumfallen. Ist dies klug?


Vorlesung 1:

Roter Faden:

1. Definitionen der mks-Einheiten2. Definition eines Vektors3. Bewegung eines Massenpunktes

• in einer Dimension• in zwei Dimensionen• in drei Dimensionen

Exp: Bücher fallen, Affe schiessen


• Eine physikalische Gröβe ist ein Attribut, dassin einem Experiment gemessen wird oder in einer Theorie ausgerechnet wird.

• Es besteht aus einem Symbol, Zahl und Einheit, z. B. X=10[m]

• Typische Einheiten: m, kg, s, A, K, Candela

Physikalische Gröβen


Griechisches Alphabet PrefixePhysikalische Gröβen


• Die Potenz von 10 nennt man die Gröβenordnung

Gröβenordnungen

m mm m


1. Mks-Einheiten


1. Mks-Einheiten

1 Mol entspricht 6.1023 Teilchen


1. Abgeleitete Gröβen


2. Vektoren


2. Vektoren

a bc

de=a+b+c+d

a

b a

b

-ba-ba+b


2. Vektoren


3. Mechanik von MassenpunktenEin Massenpunkt ist sehr oft eine gute Näherung für Fragestellungen, wenn Ausdehnung keine Rolle spielt,wie z.B. bei Planetenbewegungen.

Ansonsten Ausdehnung berücksichtigendurch Summe über viele Massenpunkte zu nehmen.

Kinematik: Beschreibung von Bewegungen durchWeg, Geschwindigkeit und Beschleunigung alsFunktion der Zeit, d.h. x(t), v(t) und a(t).

Dynamik: Beschreibung von Bewegungen unterBerücksichtigung der Ursachen der Bewegungen,d.h. unter Berücksichtigung der Kräfte.


3. Mechanik von MassenpunktenBewegung in einer Dimension:

Ort als Funktion der Zeit, x(t):

Geschwindigkeit: v(t)Beschleunigung: a(t)


Beispiel: Strassenbahn zwischen zwei Haltestellen

v

ta

t

Konvention:“Geschwindigkeit”=Momentane Geschwindigkeit

“Beschleunigung”=momentane Beschleunigung


3. Mechanik von Massenpunkten

Spezialfall 1: a(t)=0:

x(t) v(t)= x(t)a(t)=v(t)=x(t)

a=konstant;v=v0+at; x=x0+v0t+1/2at2


3. Mechanik von Massenpunkten

Spezialfall 2: a(t)=-g:(fallender Stein)


a=konstant;v=v0+at; x=x0+v0t+1/2at2

Wichtig: Bewegung in x- und y-Ri. UNABHÄNGIG!


Bewegung in zwei Dimensionen:3. Mechanik von Massenpunkten

Wichtig: Bewegung in x,y,z-Ri.UNABHÄNGIG!


3. Mechanik von MassenpunktenBeispiel: Vertikaler Fall ohne/mit horizontaler Anfangsgeschwindigkeit:



Beim Abschuss eines Pfeils lässt Affe sich aus Baumfallen. Ist dies klug?


Antwort

unabhängig von der ZeitAffe wird immer getroffen.Besser nicht gesprungen.

Pfeil Annahme:

des Pfeils


BeispieleBewegung in drei Dimensionen:


Zum Mitnehmen aus VL1:

Kinematik=Beschreibung einer Bewegungdurch Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigungin Abhängigkeit der Zeit:


a=konstant; v=v0+at; x=x0+v0t+1/2at2

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