Ausgewählte Kapitel der Physik

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1 Ausgewählte Kapitel der Physik Mein Name: Prof. W. de Boer, Inst. f. Exp. Kernphysik; Koordinaten: PHH 9-19; Tel Webseite: www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/modernephysik Übungen Ende der Woche und Folien auf dieser Webseite! Sprechstunde: nach der VL am Mi. oder Fr. Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 1

2 Ziel der Vorlesung Physik als Grundlage für Ingenieurwissenschaften vor allem Verständnis der physikalischen Vorgänge wenn 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 (Anmeldung am 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 2

3 Regeln bei Übungen Sie können Klausurpunkte sammeln, wenn Sie regelmäßig an 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 gerechnet haben und Tutor wählt nach dieser Liste aus, wer welche Aufgabe vorrechnen soll.) (Wenn Sie ausgewählt wurden und NICHTS vorbereitet haben, führt dies zu NEGATIVEN Klausurpunkten!) Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 3

4 Kreativität des Gehirns Arrive Kaffee Vorlesung Lunch Übungen Leave Zeit Sub-optimale Nutzung des Gehirns Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 4

5 Besseres Zeiteinteilung Vorlesung Übungen lösen Lunch Kaffee Wissenschaftliches Gespraech Leave Zeit Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 5

6 Wie lernen wir? 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 Wissenschaftliches Gespräch! Übungen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 6

7 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 bisher nicht nachgedacht haben? Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 7

8 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 Euro 6. Taschenbuch der Physik von Stoecker 29 Euro 1. 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 8

9 Vorlesungsinhalt Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 9

10 Curriculum Vitae: Wim de Boer : Studium TH Delft (NL) : Fellowship am CERN (Genf) (European Center for Particle Physics) : Postdoc in USA (Argonne) : Forschung am DESY (HH) (Deutsches Elektronen Synchrotron) : 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 10

11 Energie des Universums Nur 4% besteht aus uns bekannte Materie Rest besteht aus einer Form die bisher nicht im Labor hergestellt werden konnte. Dunkle Materie Suche am LHC Beschleuniger am CERN in Genf und im Weltraum Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 11

12 Vorlesungsinhalt - 1 Mechanik 1. Einige Grundlagen der klassischen Mechanik Bewegungsgrößen, Newtonsche Axiome, Bezugsysteme 2. Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie und einige Folgerungen Inertialsystem, Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation, Längenkontraktion, Massenzunahme, relativistische Bewegungsgrößen, Äquivalenz Masse/Energie 3. Der harmonische Oszillator freier harmonischer Oszillator, Überlagerung von Schwingungen, gedämpfter Oszillator, Fourier-Integral und Lorentz-Kurve, erzwungene Schwingung / Resonanz II. Mechanische und elektromagnetische Wellen 1. Mathematische Beschreibung von Wellen 2. Verschiedene Arten von Wellen 3. Energietransport 4. Elektromagnetische Wellen ebene Lichtwelle, Wellengleichung, Dispersionsrelation, Intensität 5. Wellenpakete Gruppen-/Phasengeschwindigkeit 6. Kohärenz und Interferenz stehende Wellen, Huygensches Prinzip 7. Reflexion und Brechung 8. Beugung Spalt, Vielfachspalt, Gitter, Auflösungsvermögen, Gitterspektrometer, Hologramm 9. Polarisation lineare/zirkulare Polarisation, Brewster-Winkel, Doppelbrechung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 12

13 Vorlesungsinhalt - 2 III. Geometrische Optik 1. Reflexion 2. Brechung und Totalreflexion 3. Abbildungen durch Linsen Brennpunkt, Abbildungskonstruktion, Hauptebenen 4. Optische Instrumente Auge, Lupe, Kamera, Mikroskop, Fernrohr IV. Quantenoptik 1. Teicheneigenschaften elektromagnetischer Strahlung photoelektrischer Effekt, Compton-Effekt, Paar-Erzeugung und Vernichtung Bremsstrahlung und Röntgenspektrum, Strahlung eines schwarzen Körpers, Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen im Atom, Laser 2. Welleneigenschaften von Teilchen de Broglie-Wellenlänge, Elektronenbeugung 3. Unschärfe-Relationen 4. Dualismus Welle-Teilchen / Die Wellenfunktion Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 13

14 Vorlesungsinhalt - 3 V. Physik der Atomhülle / Grundlagen der Quantenmechanik 1. Das Atom: einige grundlegende Eigenschaften 2. Das optische Spektrum des H-Atoms 3. Der Franck-Hertz-Versuch 4. Das Bohrsche Atommodell Postulate, Energie-Niveaus des H-Atoms, Unzulänglichkeiten 5. Die Schrödinger-Gleichung freies Teilchen, stationäre und zeitabhängige Schrödingergleichung, Operatoren 6. Teilchen in Potentialtöpfen Kastenpotential, parabolisches Potential/q.m. harmonischer Oszillator, Tunneleffekt 7. Quantenmechanische Behandlung des H-Atoms Schrödinger-Gleichung des H-Atoms, Wellenfunktionen, Quantenzahlen, Termschema 8. 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 14

15 Vorlesungsinhalt - 4 VI. Festkörperphysik 1. Kristallstruktur und chemische Bindung 2. Kristallstrukturanalyse 3. Elektronen im Festkörper Bändermodell, elektrische Leitfähigkeit von Metallen und Halbleitern 4. Thermische Eigenschaften von Festkörpern Phononen, molare Wärmekapazität (Phononen/Elektronen), Wärmeleitfähigkeit VII. Kern- und Teilchenphysik 1. Aufbau des Atomkerns 2. Tröpfchenmodell des Atomkerns 3. Das Fermigasmodell/Schalenmodell 4. Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung 5. Radioaktiver Zerfall 6. Kernspaltung 7. Elementarteilchen und fundamentale Wechselwirkungen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 15

16 Newton ( ) 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=ma Bsp: Beschleunigung eines Autos hängt von seiner trägen Masse ab. F=ma gilt auch für Gravitationskräfte m= schwere Masse Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 16

17 Wissenschaftliches Gespräch Beim Abschuss eines Pfeils lässt Affe sich aus Baum fallen. Ist dies klug? Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 17

18 Vorlesung 1: Roter Faden: 1. Definitionen der mks-einheiten 2. Definition eines Vektors 3. 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 18

19 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 19

20 Physikalische Gröβen Griechisches Alphabet Prefixe Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 20

21 Gröβenordnungen m m m m Die Potenz von 10 nennt man die Gröβenordnung Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 21

22 1. Mks-Einheiten Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 22

23 1. Mks-Einheiten 1 Mol entspricht Teilchen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 23

24 1. Abgeleitete Gröβen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 24

25 1. Abgeleitete Gröβen Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 25

26 2. Vektoren Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 26

27 2. Vektoren b a+b b a a a-b -b c a b d e=a+b+c+d Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 27

28 2. Vektoren Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 28

29 2. Vektoren Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 29

30 3. Mechanik von Massenpunkten Ein Massenpunkt ist sehr oft eine gute Näherung für Fragestellungen, wenn Ausdehnung keine Rolle spielt, wie z.b. bei Planetenbewegungen. Ansonsten Ausdehnung berücksichtigen durch Summe über viele Massenpunkte zu nehmen. Kinematik: Beschreibung von Bewegungen durch Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung als Funktion der Zeit, d.h. x(t), v(t) und a(t). Dynamik: Beschreibung von Bewegungen unter Berücksichtigung der Ursachen der Bewegungen, d.h. unter Berücksichtigung der Kräfte. Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 30

31 3. Mechanik von Massenpunkten Bewegung 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 31

32 Beispiel: Strassenbahn zwischen zwei Haltestellen v Konvention: t Geschwindigkeit = Momentane Geschwindigkeit a Beschleunigung = momentane Beschleunigung t Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 32

33 3. Mechanik von Massenpunkten Spezialfall 1: a(t)=0: x(t) v(t)= x(t) a(t)=v(t)=x(t) a=konstant; v=v 0 +at; x=x 0 +v 0 t+1/2at 2 Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 33

34 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=v 0 +at; x=x 0 +v 0 t+1/2at 2 Wichtig: Bewegung in x- und y-ri. UNABHÄNGIG! Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 34

35 3. Mechanik von Massenpunkten Bewegung in zwei Dimensionen: Wichtig: Bewegung in x,y,z-ri. UNABHÄNGIG! Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 35

36 3. Mechanik von Massenpunkten Beispiel: Vertikaler Fall ohne/mit horizontaler Anfangsgeschwindigkeit: Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 36

37 Wissenschaftliches Gespräch Beim Abschuss eines Pfeils lässt Affe sich aus Baum fallen. Ist dies klug? Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 37

38 Antwort des Pfeils Annahme: Pfeil unabhängig von der Zeit Affe wird immer getroffen. Besser nicht gesprungen. Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 38

39 Bewegung in drei Dimensionen: Beispiele Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 39

40 Zum Mitnehmen aus VL1: Kinematik=Beschreibung einer Bewegung durch Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung in Abhängigkeit der Zeit: x(t) v(t)= x(t) a(t)=v(t)=x(t) a=konstant; v=v 0 +at; x=x 0 +v 0 t+1/2at 2 Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer 40