PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker und Biologen

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1 PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker und Biologen 1. Vorlesung Nadja Regner, Thomas Schmierer, Gunnar Spieß, Peter Gilch Lehrstuhl für BioMolekulare Optik Department für Physik Ludwig-Maximilians-Universität München Team Experimente Gunnar Spieß gunnar.spiess@physik.uni-muenchen.de Tel: (-2893) (-2101) Übung Thomas Schmierer (Chemiker) thomas.schmierer@physik.uni-muenchen.de Tel: Nadja Regner (Biologen) nadja.regner@physik.uni-muenchen.de Tel: Vorlesung PD Dr. Peter Gilch peter.gilch@physik.uni-muenchen.de Tel: Oettingenstr. 67 Zimmer: 0.23 Sprechstunde nach Vereinbarung

2 Termine Vorlesung Freitag Liebig Hörsaal Übung Montag Wieland- Chemiker Hörsaal Übung Biologen Freitag Wieland- Hörsaal Achtung: Übung der Biologen am im Butenandt-HS In der Übung heute wird die PN1-Klausur vom besprochen! Für Chemiker und Biologen! Klausur So oder so? Nach Endes des Semesters wird eine zweistündige (120 min) Klausur geschrieben. Termin: Freitag, , Uhr (Liebig- und Buchner-HS) oder Dienstag, , Uhr (Liebig- und Buchner-HS) Diese wird mit mind. ~ 50 % der maximalen Punktzahl bestanden. Kurz vor Beginn des Wintersemesters wird eine Wiederholungsklausur angeboten. Termin: Mittwoch, , Uhr (Liebig- und Buchner-HS) Zugelassen zur Klausur sind: Taschenrechner, mathematische Formelsammlung, ein handschriftlich beidseitig beschriebenes DIN A4-Blatt

3 Wie funktioniert die Übung? 1. Jeden Freitag wird in der Vorlesung ein Übungsblatt ausgeteilt. Dieses finden Sie auch auf der Internet-Seite. 2. Bearbeiten Sie dieses Blatt alleine oder mit Kollegen vor der Übungsstunde. 3. In den Übungsstunden werden dann die Aufgaben von Ihnen oder vom Betreuer vorgerechnet. Die Teilnahme an der Übung wird nicht bewertet! Sie ist aber eine sehr gute Vorbereitung auf die Klausur! Internet Die Unterlagen zu diesem Kurs Lückentext Übungsaufgaben Further Reading finden Sie im Netz unter... Schauen Sie bitte regelmäßig auf diese Seite, da wir dort auch etwaige Terminänderungen, etc. ankündigen!

4 Literatur (Vorschläge) Man kann ein Studium bestehen, ohne je in eine Vorlesung gegangen zu sein, aber kaum, ohne je in ein Lehrbuch geschaut zu haben. Physik Paul A. Tipler Spektrum Akademischer Verlag ISBN: Kurzes Lehrbuch der Physik G. Klages Springer, Berlin ISBN: Physik für Hochschulanfänger H. Wegner Teubner Studienbücher ISBN: Physik für Biologen D. Pelte Springer ISBN: Elektrischer Strom Magnetismus Wechselstromkreise Elektromagnetische Wellen Ausbreitung EM-Wellen Spektroskopie Geometrische Optik Was haben wir vor? Überblick über Themen des Semesters Elektrostatik Magnetische und elektrische Wechselfelder - Induktion Optische Instrumente - Mikroskop Quantenmechanik Atomphysik / Molekülphysik Aktuelle physikalische Forschung in Chemie und Biologie Optik Elektrodynamik Quantenmechanik

5 Die Physik im Überblick Angewandte Physik: Astrophysik, Biophysik, Atomphysik, Optik,... Statische Physik, Thermodynamik Allgemeine Relativitätstheorie Kern- und Teilchenphysik Quantenmechanik, Quantenelektrodynamik Spezielle Relativitätstheorie Mechanik Elektrodynamik Gravitationskraft Elektrische Kraft Schwache Kernkraft Starke Kernkraft Die fundamentalen Kräfte Für Chemiker und Biologen am wichtigsten: Elektrische und magnetische Kräfte Das Leben verliefe ohne Schwerkraft sicher anders Aber:

6 Technische Anwendungen der Elektrodynamik Radiowellen, Licht, UV-Strahlen, Röntgen-Strahlen... Einige behandelte Phänomene Experiment CD-Spektrometer Wir wollen behandeln z.b. Was haben dieses Strahlen/Wellen gemeinsam? Was unterscheidet sie? Experiment Polarisation

7 Elektrische und magnetische Kräfte und der Aufbau der Materie Was hält die Welt im Innersten zusammen? Atome und Moleküle: Experiment Helium-Ballons Vergleich Gravitationskraft und elektrische Kraft im H-Atom + - Es gibt keine chemischen Kräfte! z.b. NaCl-Kristall z.b. H 2 -Molekül

8 Elektrische und magnetische Phänomene im atomaren und molekularen Bereich müssen mit Hilfe der Quantenmechanik beschrieben werden. Im atomaren Bereich gibt es keine klassischen Bahen Sondern Aufenthaltswahrscheinlichkeiten Elektrische oder mechanische Kräfte erklären nicht alles: Atomkerne, Kernkräfte, Radioaktivität Warum ist der Kern des Heliums stabil? + + Starke abstoßende Coulombkräfte zwischen Protonen! Warum sind bestimmte Kerne nicht stabil? Radioaktivität: Bilanz zwischen abstoßenden Coulombkräften und anziehenden Kernkräften ungünstig!

9 Elektrodynamik Wie wer das noch einmal in der Mechanik? Keplers Gesetze Newtons Axiome r 1. F = 0 r r 2. F = ma r r 3. F = F r v = 0 Galileis Gesetze

10 Elektrodynamik: Ersetze Newton durch Maxwell Coulomb- Gesetz U = R I Ohmsches Gesetz Maxwell-Gleichungen (integrale Form) r r d r r (I) E dr = B ds K dt r 2 r d r r 1 (II) c B dr = E ds + K dt ε 0 r r 1 (III) E ds = ρdv SO ε VSO 0 r r (IV) B ds = 0 SO r r j ds Faradaysches Induktionsgesetz Unser Held (III): James Clerk Maxwell in Edinburgh geboren (Gutsbesitzer-Familie) 1846 Maxwell schreibt sein erstes Paper (mit 14 Jahren!, über Ovale) Studium Mathematik und Physik in Edinburgh Studium in Cambridge 1856 Professor in Aberdeen 1860 Professor am King s College in London Privatier in Schottland Professor in Cambridge Arbeiten zu Elektrizität und Magnetismus (MW-Gleichungen) Vorhersage der elektromagnetischen Wellen Arbeiten zur statistische Mechanik (Maxwell-Verteilung) Arbeiten zur Farbwahrnehmung zusammen mit seiner Frau hat er das erste Farbphoto erstellt.

11 Ein kurzer Blick auf die Maxwell-Gleichungen "War es ein Gott, der diese Zeichen schrieb?" Goethe Zitat, das Ludwig Boltzmann einer Vorlesung über die Maxwell-Gleichungen voranstellte. (I) (II) (III) (IV) c 2 r r d r r E dr = B ds K dt r r d r r 1 B dr = E ds + K dt ε 0 r r 1 E ds = ρdv SO ε VSO 0 r r B ds = 0 SO r r j ds Elektrisches Feld Magnet. Feld Ladungsdichte Stromdichte Lichtgeschwindigkeit Einiges zu Vektorfeldern Elektrisches und magnetisches Feld sind vektorielle Größen, die vom Ort und der Zeit abhängen können. Graphische Darstellung über Feldlinien Starkes Feld Schwaches Feld Feld mit Quelle Feld mit Wirbel

12 r E K Was bedeuten diese Integralsymbole? 1. Wegintegral r dr Geschlossenes Wegintegral längs K r B Was bedeuten diese Integralsymbole? 2. Flächenintegral r ds Flächenintegral über eine Fläche, die durch die Kurve K begrenzt ist. Wird auch als Fluß bezeichnet. Gleiche Kurve K andere Flächen Wegner, Physik für Hochschulanfänger

13 ρdv V So Was bedeuten diese Integralsymbole? 3. Volumenintegral Volumenintegral über von SO eingeschlossenem Volumen