Wintersemester 2004/2005. Stephan Paul Physik Department E18 TU-München

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1 Wintersemester 2004/2005 Stephan Paul Physik Department E18 TU-München

2 Einführung Organisation: Informationen via WWW ( Klausuren DVP: Physik III/IV September 2005 (wird vom Prüfungsamt mitgeteilt) Freischussklausur: xx. Februar 2005 (Zulassung via Übungen s.u.) Übungen Übungsleiter: Bernhard Ketzer (Physik - E18) - Betreuer: Jan Friedrich, Anna-Maria Dinkelbach, Boris Grube, Bernhard Ketzer, Axel-R. Müller, Nils Syassen, Weitzel Quirin, L. Schmitt) 7 Gruppen (Einteilung bitte via WWW in Listen eintragen) Übungsaufgaben werden am Montag ausgeteilt - Auch als download verfügbar Ablauf: - Bei Beginn einer Übung: o o Anwesenheitsliste (2/3 Anwesenheit für Klausurzulassung notwendig) Markierung welche Aufgaben gut vorbereitet wurden (Punktesystem) - Vorrechnen an der Tafel (mind. 2 Unteraufgaben für Klausurzulassung) Musterlösungen im Internet 2

3 Experimentalphysik 3/4 Übungsbetrieb ca. 160 Studenten 7 Übungsgruppen vorgesehen Freischussklausur Exp-Phys 3 am Ende des 3. Semesters:,,Art, Umfang und Dauer der studienbegleitenden Prüfungen werden zu Beginn der Lehrveranstaltung vom Dozenten festgelegt und den Studenten mitgeteilt'' DVP II (Sommer 2005): Keine Scheinpflicht 1.5h Exp-Phys h Exp-Phys 4 3

4 Hinweise zur Vorlesung Literatur W.Zinth/H.-J.Körner (Oldenbourg) Skriptum R. Gross ( H.Daniel - Optik (W. de Gruyter) W.Demtröder E-Lehre und Optik (Springer) E. Hecht (Addison Wesley) M.Born/E.Wolf (Cambridge Univ. Press) H.Haken/H.-C. Wolf (Springer) Infos zur Vorlesung Transparente (sofern verfügbar) als PDF im Internet Versuchsbeschreibungen im Internet 4

5 Vorlesungs- Nummer Datum Spezielle Aufgaben Einführung, Gruppenaufteilung Gruppenaufteilung Stoff Einfuehrung, Geschichte, Wellen, Elektromagnetische Wellen Teil 1 - Einfuehrung Fourrier Zerlegung, Lichtdruck, Brechungsindex, Dispersion Teil I Dispersion Teil II, Durchgang von Licht durch verschiedene Materialien, Absorption, Farben, Streuung Rayleigh Streuung, Polarisation in der Streuung, Brechungsgesetz, Allerheiligen Fresnellsche Fomeln, Brew esterw inkel, Totalreflexion, Drehung der Polarisation, Aenderung der Phase Drehung der Polarisation, Aenderung der Phase, Polarisation, Huygensches Prinzip, Fermastsches Prinzip, Dichroismus Polarisatoren, Doppelbrechung, Kalkspat, Lambda/2 Lambda/4 Plaettchen Inhaltsangabe I Optische Aktivitat, Kerr Effekt, Faraday Effekt, Geometrische Optik - Einfuehrung, Abbildung, Spiegel, Lochkamera, sphaehrischer Spiegel Sphaerischer Spiegel, Parabolspiegel, Prisma, Linsen - Einfuehrung, duenne Linsen, Zylinderlinse dicke Linsen, Matrix- Optik, Linsenfehler: chromatische Aberration, sphaerische Aberration, Koma, Astigmatismus, Bildfeldw oelbung, Verzeichnung, Kohaerenz Interferenz Dies Interferenz, Interferometer Beugung, Spalt, Gitter, Gitterspektograph, Fresnelsche Ringe Kirchhoffsche Beugungstheorie, Fresnel, Frauenhofer, Fourrier-Darstellung der Beugung Optische Instrumente und ihre Auflosung Moderne optik - Fernrohre, Interefernzteleskope, Aulosung optische Instrumente 5

6 Fourier Optik Nichtlineare Optik Einfuehrung Quantenphysik, Photoeffekt, Messung von h, Anw endungen des Photoeffektes Comptoneffekt, Charakteristische Roentgenstrahlung, Paarerzeugung, Drehimpuls der Photonen Welle Teilchen Dualismus, Strahlungsgesetze, (Wien, Stefan Boltzman, Rayleigh, Strahlungsformeln (Planck), Inhaltsangabe II Laser, Eigenschaften Elektron/Positron, Stern- Gerlach, Curie, Einstein de Haas, Zyklotronfrequenz Materiew ellen, Wellenpakete, Wellenfunktion Unschaerferelation, Schroedingergleichung Anw endungen der Schroedingergleichung, Tunneleffekte, Alpha- Zerfall Quantisierung gebundener Zustaende Wasserstoffatom, Aufbau der Atome Ueberhang 6

7 I - Geschichtliches Optik war Wegbereiter zur modernen Physik Praktischer Nutzen Intellektuelle Herausforderung Stationen der Optik Antike: - Griechen: Spiegel (poliertes Kupfer, Bronze, Zinn) o Lichtphänomene studiert durch Philosophen: geradlinige Ausbreitung, Relexionsgesetz (Euclid 300 v. Chr.) o Brennglas ist von Aristophanes zum erstenmal erwahnt worden (in Komedie) - Römer Planar-konvexe Linse in Pompeji gefunden o Seneca nimmt Bezug auf Vergorsserungseffekt in Wasser gefüllten Glaskoerper - Ägypter o Altes Ägypten: Spiegel (ca v. Chr.) im Niltal gefunden o Brechung durch Claudius Ptomoleus studiert o 1. Jhdt: Heron von Alexandria Lichtausbreitung folgt Prinzip des kurzesten Weges o 1000: Alhazen studiert Reflexion, spharische und parabolische Spiegel, Menschl. Auge Neuzeit: Europa - Erster Wissenschaftler (im heutuigen Sinne) Roger Bacon ( ) o Linsen zur Sehkorrektur o Kombination von Linsen o Erstes Verständnis des Durchgangs von Licht durch Linsen 7

8 Geschichtliches 1608 : Lippershey ( ) meldet erstes Fernrohr zum Patent an Fernrohr von Galileo und Kepler ( ) weiterentwickelt - Sternbeobachtung Entdeckung des Mikroskops durch Z. Janssen ( ) Kepler entdeckt das Gesetz der Totalreflektion und Brechungsgestz fuer kleine Einfallswinkel, dünne Linsen Snell ( ) entdeckt Brechungsgesetz 1621 Descartes reformuliert das Brechungsgesetz (Sinus-Gessetz) Bau von Linsen Brille (Sehgläser) Grimaldi ( ) entdeckt die Beugung Fermat formuliert Brechungsgesetz aus seinem Prinzip der minimalen Wirkung Intereferenzerscheinungen beobachtet von Hooke ( ) und Boyle ( ) an dünnen Schichten - Beginn der Wellentheorie Galilei Galilei ( ) Rene Descartes ( ) Pierre de Fermat ( ) 8

9 Newton beobachtet die spektrale Zerlegung des Lichtes. Formulierung der Lichtausbreitung (Korpuskulartheorie) Teilchen fur jede Farbe Wellenausbreitung im Ather (Wellenlange) Chromatische Aberrationen Versuch der Korrektur fehlgeschlagen Huygens entwickelt die Wellentheorie Lichtgeschwindigkeit in dichten Medien Brechungsgesetz, Beugung, Doppelbrechung in Kalzit Entdeckung der Polarisation Konkurrierende Vorstellungen: Licht als Teilchenstrom oder schnelle Schwingung des Athers? Fresnel und Young stützen Wellenbild durch Experimente Fresnel erarbeitet mathematische Formulierung Faraday macht bahnbrechende Experimente in Elektrizitat ind Magnetismus Maxwell vereinheitlicht magnetische und elektrische Felder Theoretische Abschätzung der Lichtgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit Experiment Geschichtliches Sir Isaac Newton ( ) Christian Huygens ( ) James Clerk Maxwell ( ) 9

10 Poincare ( ) zweifelt an Äthertheorie Einstein formuliert spezielle Relativitätstheorie (1905) Äthertheorie widerlegt Lichtgeschwindigkeit unabhängig von Bewegung des Bezugssystems Lichtwellen pflanzen sich durch den leeren Raum fort Planck begründet die Quantenmechanik (1900) Optik und Licht Dualismus von Welle und Teilchenbild: Licht breitet sich wie Welle aus Emission und Absorption von Licht wie Teilchen Beispiel Im 20. Jahrhundert: Verlagerung auf Atomphysik: Heute: Aktive Forschung in der Quantenoptik Technische Nutzung bei Informationsübertragung Prazisionsphysik Grundlagenforschung Geschichtliches Albert Einstein ( ) Photo mit Bildverstaerkertechnik Granularitaet bei Lichtwechselwirkung mit Materie 10

11 Theorie elektromagnetischer Wellen f df f df d df v x d t d dt d f x df f df v d t d

12 Theorie Elektromagnetischer Wellen 12

13 Theorie elektromagnetischer Wellen Andere Wellenformen: Kugelwelle Zylinderwelle Kugelwelle bei grossem Abstand 13