PHYSIK A2 WS 2013/14WS 2014/15WS 2019/20

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Prof. Dr. Manfred Bayer

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Dozent: Manfred Bayer

Dienstzimmer: CP1-01-180, Tel. 755-3532

e-mail: manfred.bayer@tu-dortmund.de

Übungen: Erik Kirstein

e-mail: erik.kirstein@tu-dortmund.de

Sprechstunden: Immer!!!

Gelesen wird immer!

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Laserspektroskopie an kondensierter Materie

mit Schwerpunkt auf quantenphysikalischen Fragen

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Informationen zur Vorlesung

Vorlesung Physik A2 (WS 2018/20) / B2 (SS 2020)

für Studierende der Chemie + Chemische Biologie

für Studierende des Informatik, Wissenschaftsjournalismus,

Mathematik und Statistik

Ort: Hörsaalgebäude II, Hörsaal 1

Zeit: Donnerstag: 815 bis 945 Uhr (2 Stunden)

Freiwilliges Angebot:

Mathematische Ergänzung zu Physik A2/B2

Ort: Mathematik M E 2

Zeit: Freitag, 16.15 Uhr (1 Stunde)

Beginn: 18. Oktober 2019

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Die in der Vorlesung verwendeten Folien sowie die Übungsblätter

(ohne Lösungen) sind im Internet unter folgender Adresse zu finden:

Die Files liegen im *.pdf-Format vor.

http://www.e2.physik.tu-dortmund.de

dann: teaching -> ws 2019/20

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Jede Woche ein Übungszettel mit Aufgaben zu aktuellen Themen der

Vorlesung PHYSIK A2

Übungsgruppen:

1-stdg. Übungen in Form von Frontalübungen:

Chemie und Chemische Biologie

Mo, 12:15 – 13.00 Uhr, C HS 3

Do, 14:15 – 15.00 Uhr, HGII / HS4

Fr, 11.15 – 12.00 Uhr, HGII / HS7

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Weitere Übungsgruppen:

2-stdg. Übungen:

Wissenschaftsjournalismus, Mathematik, Statistik et al.

Zeit: Mo, 8.15-9.45 Uhr

Ort: SRG 1 1.004

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Die Übungen können schriftlich ausgearbeitet zur Korrektur abgege-

ben werden!!

Sie können Ihre Übungszettel GEMEINSAM abgeben, d.h. es können sich

ungefähr drei Studierende zum Lösen der Aufgaben zusammenfinden. Es hat

sich durch langjährige Erfahrung herausgestellt, dass das Besprechen (nicht

das sinnlose Abschreiben!) der Aufgaben mit Ihren Kommilitonen sehr stark

beim Verständnis der Aufgaben hilft. Also: Bilden Sie kleine Arbeitsgruppen!

Selbstverständlich korrigieren wir aber auch Einzelabgaben.

Abgabetermin: Donnerstags, bis 12.00 Uhr!

Abgabeort: Briefkästen vor Eingang zu Hörsaalgebäude II

Der Besuch der Übungen ist freiwillig, aber unbedingt ratsam!

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Am Ende jedes Semesters wird eine Klausur geschrieben!

Zudem werden wir eine Liste von Ansprechpartnern veröffentlichen,

die neben der Korrektur Ihrer Übungsblätter für fachliche Fragen zur

Verfügung stehen:

siehe Vorlesungs-Homepage!

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Empfohlene Literatur: PHYSIK A2/B2

• Tipler Physik Spektrum-Verlag• Halliday Physik Wiley VCH

sowie jedes andere einführende Buch.

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Inhalt der Vorlesung A2

1. Einführung

Methode der Physik

Physikalische Größen

Übersicht über die vorgesehenen Themenbereiche

2. Teilchen

A. Einzelteilchen

Beschreibung von Teilchenbewegung

Kinematik: Quantitative Erfassung

Dynamik: Ursachen der Bewegung

Energie, Arbeit + Leistung

Erhaltungssätze: Impuls+Energieerhaltung

Drehbewegung

Schwingungen, harmonischer Oszillator

B. Teilchensysteme

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Mathematik Theorie

Technologiez.B. Elektronik

Optik usw.

Experiment

Messung

Physikalisches

SystemMeßergebnis

Gezielte Fragestellung „Natur“ Antwort

(mathematische Abbildung)

1.1 Methode der Physik

Das physikalische Modell

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Die Mathematik ist unverzichtbares Hilfsmittel

zur quantitativen Behandlung

naturwissenschaftlicher und technischer Probleme.

-> Übungsblatt 1

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Beispiel für Meßgenauigkeiten:

Loschmidt‘sche Zahl L

"Avogadro-Konstante" NA

Millikan (1910) L = (6.064 ± 0.006) ·1023

Loschmidt (1865) L = (0.76 ± ? ) ·1023

Kappler (1931) L = (6.059 ± 0.061) ·1023

ICSU (1973) L = (6.022045 ± 0.000031) ·1023

PTB (1981) L = (6.0221360 ± 0.0000069) ·1023

ICSU (1985) L = (6.0221358 ± 0.0000041) ·1023

Anzahl der Atome pro

Mol einer Substanz

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1.2 Physikalische Größen

Jede physikalische Größe muss durch eine eindeutige

und präzise Messvorschrift definiert werden.

Physikalische Größe = Maßzahl · Maßeinheit

Beispiel: Elektrischer Strom

I = 6.78 ·Ampere = 6.78 A

Das gebräuchlichste Maßsystem ist das SI-System:

„Standard International Units“

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Physikalische Größen hängen oft auf wohldefinierte Weise von anderen

Größen ab. Die Verknüpfung wird durch eine Formel angegeben.

oder in symbolischer Schreibweise2t

sa

Die von der Wahl des speziellen Maßsystems unabhängige Relation

„Weg durch Zeit2“ bestimmt die Dimension der Beschleunigung,

beispielsweise im SI-System zu m/s2.

2Zeit

WeggungBeschleuni Beispiel:

Es lässt sich ein Satz an Basisgrößen definieren,

auf den andere Größen zurückgeführt werden können.

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Basisgrößen und zugehörige Einheiten:

Länge Meter, m

Zeit Sekunde, s

Masse Kilogramm, kg

Temperatur Kelvin, K

Stromstärke Ampère, A

Lichtstärke Candela, Cd

Stoffmenge Mol, mol

Einheiten für zusammengesetzte Größen:

Kraft = Masse ·Beschleunigung [kg m/s2]

= Newton [N]

Dichte = Masse / Volumen [kg/m3]

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20

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1 m ist die Strecke, die das Licht im Vakuum

zurücklegt in (im Prinzip exakt!)Meter

Kilogramm

Sekunde

Ampère

Sekunde2997924581

1 kg ist die Masse des internationalen Kilogrammtyps

(Fehler: m/m 10-9)

1 s ist das 9192631770 fache der Periodendauer

beim Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus

des Grundzustandes von 133Cs (Fehler: t/t 10-14)

1 A ist die Stärke eines konstanten Stromes, der durch

zwei gerade, parallele und unendlich lange Leiter im

Abstand von 1 m fließt und dabei pro Meter Leiterlänge

die Kraft F = 210-7 N erzeugt

(Fehler: I/I 10-6) SI-

Einheiten

Definition der wichtigsten Basiseinheiten

neue SI-Definition!

neue SI-Definition!

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Da die Werte physikalischer Größen

einen extrem großen Wertebereich

überstreichen, führt man Bezeich-

nungen für bestimmte Zehnerpotenzen

ein.

Begriff: Unterschied um eine Größenordnung

= "Faktor 10 Unterschied"

femto, f 10-15

pico, p 10-12

nano, n 10-9

micro, µ 10-6

milli, m 10-3

centi, c 10-2

deci, d 10-1

deca, da 10

hecto, h 102

kilo, k 103

mega, M 106

giga, G 109

tera, T 1012

peta, P 1015

s106

m10

17

26

t

l

1 m

s1

m1

t

l

s10

m10

24

18

t

l

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Genauigkeit von Messungen und Messfehler

Alle Messungen sind mit Fehlern behaftet!

1. Systematische Fehler:

• keine Methode der Behandlung

• werden oft nicht erkannt

• sind schwer abzuschätzen

• können durch Verbesserung desExperiments vermieden werden

Fehler der Meßinstrumente,nicht optimale Auslegung desExperiments in Bezug auf dieFragestellung.

Angabe eines Wertes: statsys xxx

2. Statistische Fehler: Schwankungen der Meßwerte

bei Meßreihen, sind unvermeidbar

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Beispiel für statistische Fehler:

Der Wagen rollt 5 mal vom

Startpunkt die schiefe Ebene

herunter. Mit Hilfe von

Lichtschranken wird jedes

mal die Durchlaufzeit für die

Strecke x gemessen.

Lichtschranken

x

Start

Nr. Zeit t [s]

1 1,34

2 1,29

3 1,31

4 1,33

5 1,28

Meßergebnisse:

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n Messungen: n321 ,,,, tttt

Wahrscheinlichster Wert:

n

i

tn

tttn

t1

in21

11

Maß für den Meßfehler: 1. Versuch

01111

11

i

1

i

1

i t

n

i

t

n

i

n

i

n

i

tn

tn

ttn

tn

t Nicht geeignet!

Was ist der richtige Wert ?

Für das Beispiel ergibt sich:

ss

tssssssti

31,15

55,655,628,133,131,129,134,1

5

1

i

Das weiß man nicht! Es kann nur der „Mittelwert“ angegeben werden,

der mit einem gewissen Fehler den „wahrscheinlichsten“ Wert angibt.

t

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2. Versuch:

n

i

n

i

ii ttn

tn

t1 1

222

1

1)(

1

1

Ein Meßwert wird angegeben in der Form:

Messwert = Mittelwert ± Standardabweichung

Der „relative Fehler“ isttt

t

Beispiel: 210202,0

t

t

2222225

1

20026.0)03,0()02,0(0)02,0()03,0( ssssstt

i

i

ssst 026,00255,00026,02

1 2

Daraus folgt der „mittlere quadratische Fehler“ (die Streuung der Werte)

s)01,031,1( tBeispiel:

tt mit

n

i

i ttnn 1

22

)1(

1

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1.3 Übersicht über die Themengebiete der

Vorlesung A2 und B2

• Mechanik

• (Thermodynamik)

• Elektrodynamik

• Optik

• (Atomphysik und Quantenmechanik)

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Die (klassische) Mechanik

Newton‘sche Axiome/Gleichungen

1) In einem Inertialsystem bewegt sich ein Körper geradlinig gleichförmig,

wenn auf ihn keine Kraft einwirkt.

2) Die Änderung des Impulses eines Körpers ist durch die Kraft, die auf ihn

wirkt, gegeben.

3) Kräfte treten immer paarweise auf: Wirkt Körper A auf Körper B mit

einer bestimmten Kraft, so wirkt Körper B auf Körper A zurück mit

einer Karft vom gleichen Betrag, aber entgegengesetzter Richtung.

pdt

dF

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30

Die (klassische) Mechanik

Sie ist die Grundlage aller physikalischen und technischen Phänomene!

Kinematik: Beschreibung der Bewegung

Dynamik: Beschreibung ihrer Ursachen

Die Gravitationskraft zwischen den

Massen bestimmt auch die Bewegung

der Planeten und Gestirne

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31

Die klassiche Mechanik ....

...behandelt die "Alltagsprobleme", zum Beispiel ......

Flugkurve

James BondFlugkurve

des fallenden

Flugzeuges

Schnittpunkt:

möglicher Treffpunkt

falls gleichzeitig ???

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32

lose Rolle s2

1FF

feste Rolle

Um einen Körper anzuheben, muß

man Arbeit leisten (z.B. mit Hilfe

eines Flaschenzuges). Abhängig von

der Zeit, wird us. Leistung er-

bracht.

Der angehobene Körper hat

danach eine erhöhte

potentielle Energie

Wichtige Begriffe:

Bewegung wird durch das

Ausüben einer Kraft hervor-

gerufen!

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33

v

Um z.B. ein Fahrzeug oder

eine Rakete in Bewegung zu

setzten, muß Energie aufge-

wendet werden.

(Antriebsmotor)

Das Fahrzeug hat dann

kinetische Energie

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34Generator

mechanische

Energie

elektrische

Energie

Umkehrung

durch den

Elektromotor

Energieformen können ineinander umgewandelt werden.

Vielfach liegt Energie zunächst in mechanischer Form vor.

(Wärme, Wasser, Wind)

von grundlegender Bedeutung in Technik

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35

Schwingungen spielen in der Naturwissenschaft und Technik eine

fundamentale Rolle

D

FT

FF

m

x

Beispiel:

Federpendel

2 23 2

x

harmonischer Oszillator

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36

Versuch: Schwingung einer

Stimmgabel

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37

Einsturz der Tacoma Bridge („Galloping Gertie“) am 7. November 1940

Durch Wind wurde die Brücke zu resonanten Schwingungen mit extrem

großen Amplituden angeregt bis zur Zerstörung

Die Resonanz

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38

Die Thermodynamik

Kupferband

ZylinderWerden zwei Körper

mit einer gewissen

Kraft gegeneinander

gerieben, werden sie

warm.

Mechanische Energie

wird in Wärme

umgewandelt.

Beispiel: Bremsen

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39

Die Thermodynamik

Hauptsätze der Thermodynamik

1. Hauptsatz:

2. Hauptsatz:

Es ist unmöglich, eine zyklisch Maschine zu konstruieren, die

keinen anderen Effekt bewirkt, als Wärme aus einem Reservoir zu

entnehmen und eine äquivalente Menge an Arbeit zu verrichten.

Maximaler Wirkungsgrad

einer Maschine:

3. Hauptsatz

Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Temperaturnullpunkts

AQdU

1

21T

T

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40

Gewicht

Charakterisierung eines Systems:

Temperatur

Thermodynamik: Phänomenologische Thermodynamik

Statistische Mechanik

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41

T1 = const.

T2 = const.

0Q

0Q

1Q

2Q

VV1 V4 V2 V3

p

Periodische, thermodynamische

Prozesse wie z.B. der Carnot-

Prozeß haben eine große tech-

nische Bedeutung

Wärmekraftmaschinen

Beispiel:

Verbrennungsmotor

Phänomenologische Thermodynamik

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42

Zum Verständnis aller

thermodynamischen

Vorgänge braucht man

ein Modell des Gases.

Modell:

Das Gas besteht aus elastischen

Kugeln, die sich ständig bewegen

und gegeneinander sowie gegen

die Begrenzungswände stoßen

Mikroskopisches Verständnis

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43

Der Druck entsteht durch den Aufprall der Gasmoleküle

auf die Wandflächen.

x

Kolben

Fläche A

F

Gasmoleküle

Zylinder

Studium der Gase

und technische

Anwendung kann

z.B. mit Kolben

und Zylinder erfolgen.

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44

Im 18. Jahrhundert wurden erste Versuche mit

Reibungselektrizität gemacht, indem man z.B.

Schwefel- und Glaskugeln gerieben hat.

Die Elektrodynamik

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45

Versuche mit Froschschenkeln

Experimente mit Blitzen

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46

t

EjB

t

BE

B

E

000

0

0

Die Maxwell‘schen Gleichungen

(1864)

James Clerk Maxwell

(1831 - 1879)

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47

Ladungen erzeugen im umgebenden Raum ein elektrisches Feld (Kraftfeld)

elektrische Feldlinien

gleiche Ladungen

++

ungleiche Ladungen

+_

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48

In einem Leiter sind elektrische

Ladungen frei beweglich. Legt

man an solch einen Leiter eine

Spannung, geraten die Ladungen

in Bewegung, es fließt ein Strom.

Häufig benutzt man ein idealisiertes

Ersatzschaltbild für den Stromkreis:

I

U

Leiter

U–

bewegte Ladung q

+

Leiter

Der Leiter erhitzt sich in der Regel.

elektrische Energie Wärme

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49

Von einem elektrisch ungeladenen

Eisen kann eine Kraftwirkung auf

anderes Eisen ausgehen.

Es wirkt ein Magnetfeld

1F

2F

Anziehung

Je nach Ausrichtung des Magneten

gibt es Anziehung oder Abstoßung

Eisenmagnet

Kompaß-

nadel

F

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50

Strom

I

LeiterFeld B

Ein stromdurchflossener Leiter ist

von einem kreisförmigen Magnet-

feld umgeben.

Ørsted entdeckt 1820 den Zusammen-

hang von Strom und Magnetfeld

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51

Bewegung

Leiterschleife

Magnet

B-Feld

elektrische

Spannung

Wenn man ein Magnetfeld

in einer Leiterschleife

zeitlich verändert, entsteht

eine elektrische Spannung.

„Induktion“

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52

Technische Anwendung: Der Transformator

A=const.

B

U1

U2

I1

I2

n1

n2

R

PrimärspuleSekundärspule

Eisenjoch

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53

Im Jahre 1888 machte

Heinrich Hertz erste

Experimente mit

elektromagnetischen Wellen.

Versuchsaufbau von H. Hertz

Funkeninduktor

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54

3520 km

Erste Funkverbindung zwischen Cornwall (England) und Neufundland

G. Marconi (1901)

Morse Code: = „S“ (success)

Sendeantenne an 4 Masten von 61 m

Empfangsantenne 122 m am Drachen

Marconis Empfangsstation inNeufundland

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55

Strahlungs-richtung

Dipol-

achse

Strahlungscharakteristik

eines Hertz‘schen Dipols

+

_Dipol

beschleunigte Ladungen

erzeugen elektromagnetische

Wellen

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56

Beispiele von

technischen

Antennenanlagen

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57

105104 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023

Hz][vFrequenz

104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14

m][

700 600 500 400nm

sichtbaresLicht

Mittel-

& Kurz-

welle Lic

htLang-

welle

UKW

und

Fernsehen Rad

ar Mikro-

wellen

Infrarot-

strahlung

Ultra-

violett-

strahlung

Röntgen-

strahlung

Gamma-

strahlung

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58

Historische Erzeugung von Radiowellen durch Hochspannungsfunken.

Die hohe Spannung baut ein entsprechend

hohes E-Feld auf. Schlägt der Funken über,

bricht innerhalb von ns das Feld zusammen.

Dabei werden die Ladungen stark bescheu-

nigt und strahlen.

Heute wird der primitive Funken durch aktive

Bauelemente (Röhren und Transistoren) er-

setzt.

Weißes Licht enthält EM-Wellen ver-

schiedener Frequenzen = „Farben“

Prisma

GlühdrahtDurch hohe Temperatur

werden die Ladungen in

den Molekülen so stark

zu thermischen Bewegun-

gen (Bescheunigung) an-

geregt, daß sie EM-Wellen

aussenden.

Erzeugung von Licht durch eine Glühbirne

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59

Das Auge erzeugt mit einer Linse

ein Bild auf der Netzhaut. Die

Brennweite der Linse ist in einem

bestimmten Bereich variabel, um

Nah- und Fernsicht zu ermöglichen.

Bild auf der

Netzhaut

Fernsicht:

r

Nahsicht:

cm25r

Geometrische Optik

Optik: Geometrische Optik

Wellenoptik

Quantenoptik

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60

Reflexion von Licht an glatter Oberfläche

Anwendung:

der Spiegel

Geometrische Optik

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61

Beobachtung der

Lichtbrechung an

einem geraden Stab

im Wasser

Geometrische Optik

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62

Totalreflexion an Grenzflächen (hier: Wasser-Luft)

Totalreflexion

Geometrische Optik

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63

Anwendung:

Das Prinzip der Totalreflexion wird bei Glasfaserkabeln angewendet.

Glasfaser

n1 = 1

n2 > 1

Lichtstrahl

Luft oder

Vakuum

Geometrische Optik

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64fobj fobjfok fok

G

ObjektivOkular

z

Zwischen-

bild

Das Mikroskop

Linsen Geometrische Optik

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65

WellenoptikBeugung

Licht wird durch ein Objekt mit Abmessungen vergleichbar zur Licht-

wellenlänge abgelenkt.

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66

WellenoptikInterferenz

Bei Überlagerung von kohärenten Licht kann es zur konstruktiven bzw.

destruktiven Interferenz kommen, abhängig von der Relativphase.

Wasserwelle