Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 126.04.06
Ausgewählte Kapitel der Physik
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, SS 06, Prof. W. de Boer 226.04.06
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)
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 326.04.06
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!)
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 426.04.06
ArriveKaffeeVorlesung
LunchÜbungen
Leave
Kreativität des Gehirns
8 10 12 14 16 18 20 22 Zeit
Sub-optimale Nutzung des Gehirns
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 526.04.06
Besseres Zeiteinteilung
Übungen lösen
Kaffee
Vorlesung
LunchWissenschaftlichesGespraech Leave
8 10 12 14 16 18 20 22 Zeit
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 626.04.06
Wie lernen wir?
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 726.04.06
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?
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 826.04.06
Literatur
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 Euro1. 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)
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 926.04.06
Vorlesungsinhalt
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1026.04.06
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1126.04.06
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1226.04.06
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1326.04.06
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1426.04.06
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1526.04.06
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1626.04.06
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1726.04.06
Wissenschaftliches Gespräch
Beim Abschuss eines Pfeils lässt Affe sich aus Baumfallen. Ist dies klug?
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1826.04.06
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1926.04.06
Physikalische Gröβen• Eine physikalische Gröβe ist ein Attribut, dass
in 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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2026.04.06
Griechisches Alphabet PrefixePhysikalische Gröβen
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2126.04.06
Gröβenordnungen
m mm m
• Die Potenz von 10 nennt man die Gröβenordnung
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2226.04.06
1. Mks-Einheiten
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2326.04.06
1. Mks-Einheiten
1 Mol entspricht 6.1023 Teilchen
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2426.04.06
1. Abgeleitete Gröβen
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2526.04.06
1. Abgeleitete Gröβen
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2626.04.06
2. Vektoren
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2726.04.06
2. Vektoren
a bc
de=a+b+c+d
a
b a
b
-ba-ba+b
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2826.04.06
2. Vektoren
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 2926.04.06
2. Vektoren
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3026.04.06
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.
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3126.04.06
3. Mechanik von MassenpunktenBewegung in einer Dimension:
Ort als Funktion der Zeit, x(t):
Geschwindigkeit: v(t)Beschleunigung: a(t)
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3226.04.06
Beispiel: Strassenbahn zwischen zwei Haltestellen
v
t
t
Konvention:“Geschwindigkeit”=Momentane Geschwindigkeit
“Beschleunigung”=momentane Beschleunigung
a
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3326.04.06
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
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3426.04.06
3. Mechanik von Massenpunkten
Spezialfall 2: a(t)=-g:(fallender Stein)
x(t) v(t)= x(t)a(t)=v(t)=x(t)
a=konstant;v=v0+at; x=x0+v0t+1/2at2
Wichtig: Bewegung in x- und y-Ri. UNABHÄNGIG!
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3526.04.06
Bewegung in zwei Dimensionen:3. Mechanik von Massenpunkten
Wichtig: Bewegung in x,y,z-Ri.UNABHÄNGIG!
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3626.04.06
3. Mechanik von MassenpunktenBeispiel: Vertikaler Fall ohne/mit horizontaler Anfangsgeschwindigkeit:
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3726.04.06
Wissenschaftliches Gespräch
Beim Abschuss eines Pfeils lässt Affe sich aus Baumfallen. Ist dies klug?
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3826.04.06
Antwort
unabhängig von der ZeitAffe wird immer getroffen.Besser nicht gesprungen.
Pfeil Annahme:
des Pfeils
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3926.04.06
BeispieleBewegung in drei Dimensionen:
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 4026.04.06
Zum Mitnehmen aus VL1:
Kinematik=Beschreibung einer Bewegungdurch Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigungin Abhängigkeit der Zeit:
x(t) v(t)= x(t)a(t)=v(t)=x(t)
a=konstant; v=v0+at; x=x0+v0t+1/2at2
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