Physik 2 für Chemiker 1. Vorlesung

Transkript

1 Passwort für Folien / Übungsblätter: pn2maxwell Physik 2 für Chemiker 1. Vorlesung Heute: Übersicht über die Veranstaltung Motivation: Elektromagnetische Phänomene in Alltag & Forschung & spezifisches Beispiel: organische Elektronik Elektrische Ladung und Coulombgesetz Prof. Thomas Weitz thomas.weitz@lmu.de

2 Team Vorlesung Prof. Thomas Weitz, nanosys.physik.lmu.de AG Physik mit Nanosystemen LudwigMaximiliansUniversität Amalienstraße 54, München Versuche Gunnar Spieß, Übungen Jakob Lenz Felix Winterer Samuel Stubhan Nicole Popst

3 Materialien zur Veranstaltung Webseite der Vorlesung: PN2_EinfuehrungindiePhysikfuerChemiker2/index.html Folien der Vorlesung Es gibt immer eine vorher Version (zum Ausdrucken vor der Vorlesung) und eine komplette Version (mit den handschriftlichen Notizen) Übungsblätter Die Übungsblätter werden jeweils am Freitag online gestellt, und dann in der Übung 10 Tage später besprochen Das erste Übungsblatt wird heute hochgeladen

4 Literatur Vorlesungsfolien und aufzeichnung Bücher: Halliday: Physik (Bachelor Edition) D. Halliday, R. Resnick, J. Walker WileyVCH, Berlin ISBN: Weiterführende / ergänzende Literatur: Physik Paul A. Tipler Spektrum Akademischer Verlag ISBN: Gerthsen Physik D. Meschede Springer ISBN:

5 Übungen Montags 12:0016:00 Es gibt insgesamt 8 Gruppen in 8 Hörsälen Die Gruppen bleiben in den Hörsälen sitzen, die Tutoren rotieren durch Raum (montags) Gruppe 1 WillstätterHS *) 1 (OC) 1a (PC) 1 (Mathe) 1 (Physik) Gruppe 2 WielandHS *) 2a (PC) 2 (Mathe) 2 (Physik) Gruppe 2 BaeyerHS 2 (OC) Gruppe 3 C (OC) 3a (PC) 3 (Mathe) Gruppe 3 C (Physik) Gruppe 4 C2.003 LeipeltSR 4 (Physik) 4 (OC) 4a (PC) 4 (Mathe) Gruppe 5 C (Mathe) 5 (Physik) 5 (OC) 5a (PC) Gruppe 6 D (Mathe) 6 (Physik) 6 (OC) 6a (PC) Gruppe 7 E (PC) 7 (Mathe) 7 (Physik) 7 (OC) Gruppe 8 K (PC) 8 (Mathe) 8 (Physik) 8 (OC) *) nicht am u !

6 Übungsmodus: Vorrechnen Die Übungsblätter werden nicht eingesammelt oder korrigiert; stattdessen werden die Aufgaben vorgerechnet. Die Übungsgruppen haben etwa 16 Studierende. Es wird 11 Übungsblätter mit 34 Übungsaufgaben geben, also etwa 40 Aufgaben. Somit hat jeder die Chance 2x vorzurechnen. Bonussystem für Vorrechnen: Die Studenten rechnen vor. Die Tutoren vergeben Punkte (max. 5 pro Aufgabe). Die Punkte der zwei besten vorgerechneten Aufgaben gehen in die ÜbungsBonuswertung (d.h. maximal 10 Punkte). Studenten, die noch nicht vorgerechnet haben, werden bevorzugt, damit jeder die Chance auf zweimal Vorrechnen bekommt.

7 Übungsmodus: Bonuspunkte Für jede vorgerechnete Aufgabe gibt es maximal 5 Punkte. Insgesamt können maximal 10 Punkte Bonuspunkte aus den Übungen erlangt werden. Die Bonuspunkte werden zum Ergebnis der Klausur addiert (für die Klausur alleine gibt es maximal 100 Punkte). Man kann auch ohne Punkte aus der Übung an der Klausur teilnehmen, die Klausur bestehen, und sogar eine 1,0 erreichen. Mit 10 Bonuspunkten kann man sich maximal um eine halbe Notenstufe verbessern.

8 Verhältnis von Übungen und Vorlesung Die Übungen bauen auf den Stoff der Vorlesung auf, gehen aber auch darüber hinaus. Gleichzeitig wird in den Übungen nicht der Stoff der Vorlesung wiederholt. Die Beschäftigung mit den Übungsaufgaben hilft enorm beim Verstehen des Stoffes und bietet eine gute Kontrolle des eigenen Verständnisses. Die Übungen bieten eine gute Vorbereitung auf die Klausur (sind aber kein reines KlausurRechenTraining ). Mathematik/ Rechnen ist unerlässlich in den Naturwissenschaften!

9 Warum sollte ich die Übungen und Vorlesungen besuchen? Keine Anwesenheitspflicht (weder Vorlesung noch Übung) Nur in der Vorlesung sehen Sie Experimente. Auf Experimenten fußen die besprochenen Erklärungen / Übungen Die Vorlesungen führen den Stoff ein, helfen Wichtiges von Unwichtigem zu unterscheiden, Zusammenhänge zu sehen Sowohl Vorlesung als auch Übung bieten Forum und Treffpunkt für Diskussion, Ansprechpartner, Gleichbetroffene mit PhysikProblemen und Fragen

10 Klausur 2stündige schriftliche Prüfung Weiteres zu den Inhalten während des Semesters Termine: voraussichtlich: Klausur: Montag Wiederholungsklausur: Freitag Bei der Klausur: 2 handbeschriebene DINA4 Blätter, jeweils Vorder und Rückseite (keine Kopien; beim Schreiben des Blattes lernt man viel!) Ein normaler Taschenrechner (kein Laptop, kein Smartphone), Wörterbuch Keine Formelsammlung, Keine Lehrbücher

11 Besuch der Übungen korreliert mit Erfolg in der Klausur! PN1 WS2013/14 PN1 WS2014/15 PN1 WS2015/16 Studenten mit 10 Punkten aus den Übungen erzielen im Mittel ca. 15 Punkte mehr in der Klausur als Studenten mit 0 Punkten mit den Bonuspunkten also insgesamt 25 Punkte mehr!

12 Termine Vorlesung: momentan: Freitags 09:1511:00 (inklusive 15 min Pause) Vorschlag: Freitags 9:00 11:00 (inklusive 15 min Pause) dafür jeweils Freitag nach Christi Himmelfahrt (26.05) und Fronleichnam (16.06) frei Übungen: Montag 12:0016:00 Klausuren: Abschlussklausur: Montag , 9 11 Uhr Wiederholungsklausur: Freitag , 9 11 Uhr

13 Lehrinhalte PN2 1) Elektrostatik: Ladung, Feld, Potential 2) Magnetismus, Ströme 3) Elektromagnetismus, MaxwellGleichungen Im%C3%A1n_de_forma_de_ferradura..png Spannungsmessger%C3%A4t 4) Elektromagnetische Wellen 5) Optik ng 6) Festkörperphysik Nicht behandelt: Wärmelehre, Thermodynamik, Quantenmechanik ( Physikalische Chemie)

14 Zeitplan der Vorlesung (vorläufig) Übersicht und Administratives; Motivation; Ladungen & CoulombGesetz Elektrostatik Ladungstransport Elektrischer Strom Magnetismus Freitag nach Christi Himmelfahrt Elektromagnetische Felder und Induktion Wechselstromkreise Freitag nach Fronleichnam Elektromagnetische Wellen, Maxwellgleichungen Ausbreitung EM Wellen, Spektroskopie Geometrische Optik, Mikroskopie Festkörperphysik, Ausblick: Organische Elektronik, Halbleiter, Atomphysik Klausurwiederholung

15 MOTIVATION Wofür braucht ein Chemiker überhaupt Elektrodynamik?

16 Kombination von Chemie und Physik: Innovativ! Perylene diimide F. Würthner, Chem. Commun., 14 (2004) # 6

17 Kombination von Chemie und Physik: Innovativ! Lochleiter Elektronenleiter

18 Kombination von Chemie und Physik: Innovativ! E vac E vac W f ~ 5 ev + ~2 ev LUMO HOMO 0.7 ev LUMO HOMO ~2 ev Au Au Neuartige organische Halbleiter mit einstellbaren elektronischen Eigenschaften

19 Organische Elektronik in Displays? Glas / Kunststoff Organische Leuchtdiode Transistoren

20 Neue Anwendungen: Displays Prototyp von PlasticLogic Biegbare Bildschirme

21 Neue Anwendungen: Solarzellen Biegbare Solarzellen (Heliatek) # 8

22 Elektrodynamik im Alltag commons/b/b4/chef_pepin_toaster.jpg rg/wiki/laptop_cooler /wiki/notebook Demonstration: LEDs Experiment: Einfacher Elektromotor

23 Elektrodynamik im Alltag Der erste Transistor (Bell labs 1947, 1 transistor / 10 cm²) 3D FinFETs; Intel 2012, 1.4 Milliarden Transistoren / 1,6 cm²)

24 Elektromagnetische Wellen von Radio bis Röntgen Wilhelm_Conrad_Röntgen Farbwahrnehmung RIbtYavosQ4PtWbWlIMKrel1aKPn4uxmkqOSkFy.jpg rg12.jpg 24

25 Elektrische Methoden im (Bio)Chemie Labor Elektrochemie Elektrophorese

26 Elektrodynamik in der Physiologie/Biologie Nervenleitung z.b. HodgkinHuxley Model: Neuronen als Schaltkreise (Nobelpreis 1963) Elektrokardiogramm (EKG) Ionenkanäle z.b. patchclamp Technik (Nobelpreis 1991) m Elektrische Messungen ermöglichen Einblicke in die Physiologie des Herzens (Nobelpreis für Willem Einthoven 1924) cine/laureates/1991/ 26

27 Elektrodynamik und Optik in Messverfahren Experiment: Laserpointer und Beugung an einem Gitter Experiment: Polarisation

28 Elektrische Kräfte und der Aufbau von Materie NaClKristall NaCl#/media/File:Halite_crystal.jpg H 2 Molekül

29 Elektrische und magnetische Phänomene im atomaren und molekularen Bereich müssen mit Hilfe der Quantenmechanik beschrieben werden. Im atomaren Bereich gibt es keine klassischen Bahnen sondern Aufenthaltswahrscheinlichkeiten Auf der Skala von Atomen und Molekülen: Quantenelektrodynamik!

30 Elektrostatik

31 Zwei unterschiedliche Ladungen Thales von Milet, Griechenland (550 v.chr.): Nachdem Bernstein (griechisch ηλεκτρόν) an einem trockenen Fell gerieben wurde übt er eine anziehende Kraft auf Vogelfedern oder Haare aus. Charles du Fay, Frankreich ( ): Zwei Arten von (Reibungs)Elektrizität ( vitreuse und resineuse, Glas und Harz) können sich gegenseitig neutralisieren. Benjamin Franklin, U.S.A ( ), sprach von einer Ladungsart (einem Fluid), welche nur ihren Aufenthaltsort verändert und somit (positive oder negative) Aufladung verursacht dia/commons/6/67/thales06.jpg y Experiment: Statische Elektrizität mit Plastikstange Es gibt positive und negative Ladungen. Ladungen mit gleichem Vorzeichen stoßen sich ab, Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen ziehen sich an

32 Elektrische Kräfte Ladungsverschiebung Experiment: Statische Elektrizität mit Papierkopf Experiment: Elektroskop Aufladen

33 PINGO: Unterschiedliche Ladungen A C C B A B A, B und C seien elektrisch geladene Platten. Die elektrostatischen Kräfte zwischen A und B und zwischen A und C sind oben eingezeichnet. Wie verhalten sich Platten B und C? Abstimmen unter pingo.upb.de! (Session ID: ) A) Stoßen sich ab. B) Ziehen sich an. C) Es wirkt keine Kraft zwischen B und C. D) Kann mit den Angaben allein nicht beantwortet werden.

34 Bei jedem bekannten physikalischen Prozess bleibt die Summe der Ladungen unter Berücksichtigung der Vorzeichen erhalten. Beispiele: Ladungserhaltung Chemische Reaktion Photoionisation Paarbildung von Teilchen und Antiteilchen

35 Elektrische Kräfte: Coulombsches Gesetz Experiment: Geladene Kugeln Experiment: Coulombsches Gesetz Coulombsches Gesetz: q 1 und q 2 werden mit Vorzeichen eingesetzt! ε 0 ist die Dielektrizitätskonstante [= C 2 / (N m 2 )] Einheit der Ladung: 1 C = 1 Coulomb = 1 A s; definiert als Ladungsmenge die durch einen Strom von 1 Ampere (1 A) in 1 s transportiert wird Es gilt das Superpositionsprinzip ugustin_de_coulomb CharlesAugustin Coulomb ( ) 35

36 PINGO: Coulomb Gesetz & Superposition D A) d B) d D C) e p + p + p + p + e Oben sind drei Anordnungen von zwei Protonen (p + ) und einem Elektron (e ) gezeigt. In welcher Anordnung ist der Betrag der resultierende elektrostatische Gesamtkraft auf das Elektron am größten? Abstimmen unter pingo.upb.de! (Session ID: ) A) Anordnung A. B) Anordnung B. C) Anordnung C. D) In allen drei Anordnungen gleich. d e p + D p +

37 Vergleich Coulombgesetz und Gravitationsgesetz CharlesAugustin Coulomb ( ) Sir Isaac Newton ( ) Coulombsches Gesetz: Newtonsches Gravitationsgesetz: Gleiche Abhängigkeit vom Abstand Beide Kräfte wirken paarweise (Erinnere: actio est reactio Newton III) Ladungen können unterschiedliche Vorzeichen haben, es gibt aber nur eine Art der Masse! Gravitation ist immer attraktiv! Gravitation ist relativ zur Coulombkraft schwach Siehe Übungsaufgaben!