E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 1. Vorlesung … · Mittelwert aus den besten zwei von drei...

E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 1. Vorlesung – 09.04.2018

Prof. Dr. Jan Lipfert [email protected]

09.04.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 1

https://xkcd.com/1666/

Heute: -  Übersicht über die Veranstaltung -  Temperatur und 0. Hauptsatz -  Längen- und Volumenausdehnung

E2-E2p: Gesamtübersicht


Zwei große Themenblöcke:

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Hall_effect.png

Wärmelehre / Thermodynamik / statistische Physik

Elektromagnetismus / Elektrodynamik

10 Vorlesungen

13 Vorlesungen

1. Klausur (17.5.2018, 8:00-10:00)

2. Klausur (19.7.2018, 16:00-18:00)

Systeme mit (sehr) vielen Teilchen

Elektrisch geladene Teilchen

Termine


Vorlesungen: Montag 08:15-10:00 (inklusive 15 min Pause) Donnerstag 08:15-10:00 (inklusive 15 min Pause) E2: 4 SWS Vorlesung + 2 SWS Übung = 9 ECTS Punkte E2p: 3 SWS Vorlesung + 1 SWS Übung = 6 ECTS Punkte (In der Praxis werden wir einige Vorlesungen für die E2p optional machen)

Klausuren: 1. Klausur (Wärmelehre): 17.5.2018, 8:00-10:00 Uhr

2. Klausur (Elektromagnetismus): 19.7.2018, 16:00-18:00 Uhr Nachklausur (Wärmelehre und Elektromagnetismus): 28.9.2018

Wer würde lieber später anfangen? Wer hat eine Veranstaltung um 10:00?

KORREKTUR: Zum Bestehen müssen Sie entweder die ersten beiden Klausuren bestehen (dann ist Ihre Endnote der Mittelwert der beiden Klausurergebnisse) oder die Nachklausur bestehen (die Endnote ist dann die Note der Nachklausur oder der Mittelwert aus den besten zwei von drei Klausuren, je nachdem was für Sie besser ist).

Übungsgruppen


Zeit Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag

8 – 10 Uhr Vorlesung 6 Tutorien Vorlesung

10 – 12 Uhr 5 Tutorien

12 – 14 Uhr 2 Tutorien 1 Tutorium 4 Tutorien

14 – 16 Uhr 1 Tutorium 2 Tutorien 1 Tutorium

16 – 18 Uhr

!  Melden Sie sich bitte (ab heute 10:00) bis Mittwoch im LSF an! !  Maximal 20 Teilnehmer pro Übung. !  Wenn eine Übung voll ist, kann man sie nicht mehr belegen - allerdings

kann man sich wieder abmelden und eine andere Übung belegen. !  Unterstrichene Tutorien besonders für Nebenfächler. !  Die 2-5 unbeliebtesten Termine werden gestrichen und die Anmeldung

wieder geöffnet. !  Keine Tutorien in der ersten Woche und am 10.5. / 31.5.2018.

Gibt es Interesse an einer Übungsgruppe auf Englisch? Wann?

Team


Vorlesung: Prof. Jan Lipfert ([email protected]) Lehrstuhl für Angewandte Physik und Biophysik Ludwig-Maximilians-Universität Amalienstraße 54, 80799 München Versuche: Paul Koza ([email protected]) Leitung der Übungen: Dr. Martin Benoit ([email protected]) Simon Fuchs ([email protected]) Emmanouil Koutsangelas ([email protected]) Lea Wassermann ([email protected]) Eine Liste aller Tutoren ist auf der Vorlesungswebseite zu finden

Materialien zur Veranstaltung


Webseite der Vorlesung: https://www.physik.uni-muenchen.de/lehre/vorlesungen/sose_18/E2-E2p_-Waermelehre-und-Elektromagnetismus/index.html

Übungsblätter, Ankündigungen •  Die Übungsblätter können auf der Webseite heruntergeladen

und ausgedruckt werden. •  Übungsblätter werden am Montag herausgegeben und sollten am

folgenden Montag während der Vorlesung abgegeben werden. •  Das 1. Blatt muss nicht abgegeben werden,

es wird in der 2. Woche in den Tutorien besprochen.

Folien der Vorlesung Es gibt immer eine „vorher“ Version (zum Ausdrucken vor der Vorlesung) und eine „komplette“ Version (mit meinen handschriftlichen Notizen).

Literatur


•  Vorlesungsfolien •  Bücher:

Physik Paul A. Tipler Spektrum Akademischer Verlag ISBN: 978-3-642-54165-0

Gerthsen Physik D. Meschede Springer ISBN: 3642128939

Experimentalphysik 1 Wolfgang Demtröder Springer ISBN: 978-3-662-46415-1

Thermal Physics Daniel Schroeder Pearson ISBN: 978-3-8689-4345-0

Thermodynamik Klaus Stierstadt Springer ISBN: 978-3662557150

Halliday Physik David Halliday et al. Wiley-VCH ISBN: 3527413561

Elementar, zum Einstieg:

Typisches E2 Niveau:

Ausführlich, gut für Herleitungen:

Klausuren


•  1. Klausur (Wärmelehre): 17.5.2018, 8:00-10:00 Uhr •  2. Klausur (Elektromagnetismus): 19.7.2018, 16:00-18:00 Uhr •  Nachklausur (Wärmelehre und Elektromagnetismus): 28.9.2018

Bei der Klausur sind erlaubt: •  1 handbeschriebenes DIN-A4 Blatt, Vorder- und Rückseite; also

insgesamt 2 Seiten (beim Schreiben des Blattes lernt man sehr viel!)

•  Ein normaler Taschenrechner (kein Laptop, kein Smartphone)

•  Keine Formelsammlung, keine Lehrbücher

•  Wörterbücher sind erlaubt

KORREKTUR: Zum Bestehen müssen Sie entweder die ersten beiden Klausuren bestehen (dann ist Ihre Endnote der Mittelwert der beiden Klausurergebnisse) oder die Nachklausur bestehen (die Endnote ist dann die Note der Nachklausur oder der Mittelwert aus den besten zwei von drei Klausuren, je nachdem was für Sie besser ist).

Übungsblätter: Aufwärmen und Vorrechnen


A A

B

“Aufwärmen”

Vorrechnen

!  Kurzaufgaben/ Verständnisfragen

!  Längere Rechenaufgaben

Übungsblatt

•  Die bearbeiteten Übungsblätter werden eingesammelt und korrigiert.

•  Jedes Übungsblatt hat zwei Teile.

•  Teil A wird mit entweder 0 oder 1 Punkt bewertet und in der Gruppe besprochen und erklärt.

•  Teil B wird mit 0, 1 oder 2 Punkten bewertet und dann vorgerechnet.

Bewertungsschlüssel Teil B: Bearbeitung Bewertung

Aufgabe komplett richtig oder maximal kleine Flüchtigkeitsfehler

2 Punkte

Richtiger Ansatz, teilweise richtige Rechnungen

1 Punkt

Nicht bearbeitet oder kein richtiger Ansatz

0 Punkte

Übungsmodus: Bonuspunkte


•  Für jeden Block (Wärmelehre und Elektromagnetismus) gibt es maximal 10 Bonuspunkte für die jeweilige Klausur.

•  Pro Block gibt es maximal 5 Bonuspunkte für das Vorrechnen von Übungsaufgaben und 5 Bonuspunkte für abgegebene Übungsblätter.

•  Das Vorrechnen einer Aufgabe bringt maximal 5 Bonuspunkte; man kann mehrfach vorrechnen. Punkte

Übungsblä.er Bonus-‐ punkte

> 80% 5

> 70% 4

> 60% 3

> 50% 2

> 40% 1

< 40% 0

•  Die Bonuspunkte werden zum Ergebnis der Klausur(en) addiert (für die Klausuren alleine gibt es jeweils maximal 100 Punkte).

•  Die Bonuspunkte für die Wiederholungsklausur werden aus dem Durchschnitt der Bonuspunkte beider Blocks berechnet.

•  Man kann auch ohne Punkte aus der Übung an der Klausur teilnehmen, die Klausur bestehen, und eine 1,0 erreichen.

•  Mit 10 Bonuspunkten kann man sich ca. um eine halbe Notenstufe verbessern.

Verhältnis von Übungen und Vorlesung


•  Die Übungen bauen auf den Stoff der Vorlesung auf, gehen aber auch darüber hinaus. Gleichzeitig wird in den Übungen nicht der Stoff der Vorlesung wiederholt.

•  Die Beschäftigung mit den Übungsaufgaben hilft enorm beim Verstehen

des Stoffes und bietet eine gute Kontrolle des eigenen Verständnisses. •  Die Übungen bieten eine gute Vorbereitung auf die Klausur

(sind aber kein reines „Klausur-Rechen-Training“).

Warum sollte ich die Übungen und Vorlesungen besuchen?


•  Keine Anwesenheitspflicht (weder Vorlesung noch Übung)!

•  Die Vorlesungen führen den Stoff ein, helfen Wichtiges von Unwichtigem zu unterscheiden, Zusammenhänge zu sehen.

•  Experimente veranschaulichen den Stoff und bilden Gedächtnisstützen für spätere Wiederholung.

•  Sowohl Vorlesung als auch Übung bieten Forum und Treffpunkt für Diskussion, Ansprechpartner, Gleichgesinnte und Fragen.

Die Vorlesungen und Übungen sind ein Angebot an Sie!

Es liegt an Ihnen, was Sie aus dieser Veranstaltung (und aus Ihrem Studium an der LMU) machen!

Aktive Teilnahme an den Übungen korreliert mit Klausurerfolg!


PN1 – WS2013/14 PN1 – WS2014/15 PN1 – WS2015/16

PN1 – WS2016/17 PN1 – WS2017/18 Studenten mit 10 Punkten aus den Übungen erzielen im Mittel ca. 15 Punkte mehr in der Klausur als Studenten mit 0 Punkten, d.h. insgesamt 25 Punkte mehr.

PINGO: Peer instruction for very large groups


Wir werden das online-feedback System „PINGO“ benutzen. Zum Mitmachen brauchen Sie ein Internet-fähiges Gerät:

1. Gehen Sie auf die Webseite pingo.upb.de

2. Geben Sie die Kennziffer der „Session“ ein. Für heute: 679370

3. Stimmen sie ab!

Beispielfrage zum Ausprobieren: „Wie nehmen Sie an der Abstimmung teil?“

Motivation: Thermodynamik & statistische Physik


Was mache ich mit Systemen, die aus (sehr!) vielen Teilchen bestehen?

„Statistical physics is not really modern physics – it is pre-modern physics, it is modern physics, and I assure you it will be post-modern physics.“

Leonard Susskind (*1940)

http://theoreticalminimum.com

„Eine Theorie ist desto eindrucksvoller, je größer die Einfachheit ihrer Prämissen ist, je verschiedenartigere Dinge sie verknüpft und je weiter ihr Anwendungsbereich ist. Deshalb der tiefe Eindruck, den die klassische Thermodynamik auf mich machte. Es ist die einzige physikalische Theorie allgemeinen Inhalts, von der ich überzeugt bin, dass sie im Rahmen der Anwendbarkeit ihrer Grundbegriffe niemals umgestoßen wird.“

https://de.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

Albert Einstein (1879-1955)

Anwendung der klassischen Mechanik auf Systeme mit vielen Teilchen


Molekulardynamik (MD): Numerische Lösung der Newtonschen Bewegungsgleichungen mit einem empirischen Potential

Cytochrome c (ein kleines Protein):

Glutaminsäure

Möglichkeiten und Limitierungen von Molekulardynamik Simulationen


Proteinfaltungssimulationen

NTL9 Protein, faltet in ~1.5 ms Voelz, Pande et al., JACS (2010)

Simulation eines HIV Capsids

Insgesamt 64 x 106 Atome, 100 ns Simulation (Thanks to Rafael Bernadi, Schulten group UIUC) Limitierungen:

•  Typischer Integrationszeitschritt 1 fs – typische Simulationen ~ns bis µs •  Anzahl der simulierten Atome typischerweise 104 - 106

•  Interpretation!? „Now the computer knows the answer, but I would like to know it, too!“

Unser Vorgehen in diesem Semester: Thermodynamik & statistische Mechanik

09.04.2018

Thermodynamik betrachtet Stoffe als Kontinuum und beschreibt Systeme mit makroskopischen Zustandsgrößen: Druck p, Volumen V, Temperatur T

https://en.wikipedia.org/wiki/James_Watt

Dampfmaschine nach James Watt, 1766

http://www.britannica.com/science/perfect-gas-law

Statistische Mechanik geht von einer mikroskopischen Betrachtung der Teilchen aus und beschreibt sie mit statistischen Methoden.

Rüttelmaschine für Gasmodell

Prof. Dr. Jan Lipfert 18

„Klassische“ Anwendungen von Thermodynamik

09.04.2018 19

Dampfmaschine (Newcomen 1712; Watt 1766)

https://de.wikipedia.org/wiki/Dampfmaschine

Die Thermodynamik wurde im 18. und 19. Jahrhundert vor allem zum Verständnis und der Optimierung von Wärmekraftmaschinen entwickelt

https://de.wikipedia.org/wiki/Gasturbine

Dampfmaschine und Energieumwandlung

Aus https://de.wikipedia.org/wiki/ITER

Fusionsreaktor (Prototyp)

Aus https://de.wikipedia.org/wiki/ Verbrennungsmotor

Verbrennungsmotor Turbine

https://de.wikipedia.org/wiki/Gasturbine Heißluftmotor

Heizkraftwerk

https://de.wikipedia.org/wiki/Kraftwerk

Statistische Mechanik in der Biologie „Swimming in molasses, walking in a hurricane“

Dean Astumian

Animation: Brownsche Dynamik http://physics-animations.com/

Animation: Molekularer Motor (XVIVO / Harvard)

Brownsche Molekularbewegung (Howard Berg Lab, Harvard)

Schwimmende E. coli Bakterien (Howard Berg Lab, Harvard)

Robert Brown Botaniker

(1773-1858)

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Robert_brown_botaniker.jpg

20

Anwendungen von Thermodynamik in der Meteorologie


Änderung der Lufttemperatur

https://de.wikipedia.org/wiki/Wolke

Bildung von Wolken

https://de.wikipedia.org/wiki/Lufttemperatur

Thermodynamik in der Kosmologie/Astrophysik Schwarze Löcher als

thermodynamisches System

Hawking Strahlung ist thermische Strahlung!

Frühes Universum ist im lokalen thermischen Gleichgewicht

©National Astronomical Observatory of Japan https://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzes_Loch

https://de.wikipedia.org/wiki/Sonne

Thermonukleare Prozesse (Supernova, Kernfusion in Sternen, Galaxienentstehung)

https://de.wikipedia.org/wiki/Supernova

https://en.wikipedia.org/wiki/Nebula


Temperatur und der 0. Hauptsatz

09.04.2018

Wärme ist ungeordenete Molekülbewegung. Wärmeenergie ist kinetische Energie dieser Bewegung. Temperatur ist ein lineares Maß für den Mittelwert der kinetischen Energie der ungeordneten Molekülbewegung.

0. Hauptsatz der Thermodynamik: Befinden sich zwei Körper im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten, so stehen sie auch untereinander in thermischen Gleichgewicht. Sie haben in diesem Fall die gleiche Temperatur.

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Nullter_Hauptsatz_der_Thermodynamik.svg

Prof. Dr. Jan Lipfert 23

Viele Eigenschaften hängen von der Temperatur ab – und können zur Temperaturmessung genutzt werden! (z.B. Leitfähigkeit, Volumen, Länge, Farbe, etc.)

NTC-Widerstand Infrarotkamera

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