Experimentalphysik 1+2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik (EP-12)15 ECTS
(englische Bezeichnung: Experimental Physics 1&2: Mechanics, Thermodynamics and Electrodynamics)
Modulverantwortliche/r: Dozenten der experimentellen Physik
Lehrende:
Christopher van Eldik
Studienfächer/Prüfungsordnungsmodule:
Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik (34270, 2 semester)
Start semester: |
WS 2017/2018 | Duration: |
2 semester | Cycle: |
jährlich (WS) |
Präsenzzeit: |
180 Std. | Eigenstudium: |
270 Std. | Language: |
Deutsch |
Lectures:
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- Mechanik
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Experimentalphysik 1 für Physikstudierende: Mechanik (WS 2017/2018)
(Vorlesung, 5 SWS, Christopher van Eldik, Tue, Fri, 10:00 - 12:00, HG; Wed, 16:00 - 18:00, HG; Drei Vorlesungstermine nach Vereinbarung nur jede zweite Woche)
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Übungen zur Experimentalphysik 1 für Physikstudierende: Mechanik (WS 2017/2018)
(Übung, 2 SWS, Christopher van Eldik et al.)
- Wärmelehre und Elektrodynamik
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Experimentalphysik 2 für Physikstudierende: Wärmelehre und Elektrodynamik (SS 2018)
(Vorlesung, 5 SWS, Christopher van Eldik, Mon, Wed, 10:00 - 12:00, HG; every 2. week Fri, 8:00 - 10:00, HG)
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Übungen zur Experimentalphysik 2 für Physikstudierende: Wärmelehre und Elektrodynamik (SS 2018)
(Übung, 2 SWS, Christopher van Eldik, Tue, 12:00 - 14:00, SR 00.732, SRTL (307), TL 1.140, SR 00.103, 308 TL, SR 01.779, SR 02.779; Tue, 14:00 - 16:00, SR 00.103, SR 00.732, SR 01.779, SR 02.729, SR 01.332, SRTL (307), TL 1.140, 308 TL)
Inhalt:
Mechanik
Gebiete der Physik, Längen- und Geschwindigkeitsskalen, Abgrenzung klassische/ Quanten-/ relativistische Physik; Physikalische Größen; Messungen und Messfehler
Bewegung auf Raumkurven, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehbewegungen, Längen-
und Zeitmessung; Masse, Impuls, Impulserhaltung; Newtonsche Gesetze; Kraftfelder,
Arbeit, Potential, Energie, Energiesatz, Leistung; Bewegungsgleichungen; Drehimpuls,
Drehmoment
Klassisch: Inertialsysteme und Galilei-Transformation; Beschleunigte Bezugssysteme,
Scheinkräfte (insb. Zentrifugal, Coriolis); Spezielle Relativitätstheorie: Konstanz der
Lichtgeschwindigkeit und ihre Konsequenzen; Lorentz-Transformation; relativistische
Phänomene (insbesondere Zeitdilatation, Längenkontraktion, Zwillingsparadoxon);
Vierervektoren, Lorentz-Skalarprodukt, relativistische Energie-Impuls-Beziehung
Schwerpunkt, Schwerpunktbewegung, Erhaltungssätze; Stöße: Elastische/inelastische
Stöße, Streuprozesse, relativistische Stöße; Gravitation und Planetenbewegungen,
Keplersche Gesetze
Darstellung von Volumen und Masse als Volumenintegrale; Rotationsenergie, Drehimpuls,
Trägheitsmoment; Bewegung des starren Körpers (Kinematik, Gleichgewichtslage,
Abrollen); Bewegungsgleichungen (Rotation um feste Achse, freier Kreisel: Nutation,
Präzession, Stabilität von Drehachsen)
Reibung zwischen festen Körpern; Elastische Deformationen (Hooke, Kontraktion,
Scherung, Torsion, Biegung); Hydrostatik (Statischer Druck, Auftrieb);
Flüssigkeitsgrenzflächen (Oberflächenspannung, Kapillarität); Strömungen (Reibungsfrei:
Bernoulli; mit Reibung: Laminar (Hagen-Poiseuille), turbulent (Navier-Stokes);
Aerodynamik, cw-Wert, aerodynamische Phänomene)
Kompressibilität, barometrische Höhenformel; kinetische Gastheorie (Druck, Verbindung
zu absoluter Temperatur, Stoßquerschnitt, freie Weglänge); Maxwell-Verteilung
Schwingungen: Freier Oszillator, erzwungene Schwingungen, Resonanz, gekoppelte
Schwingungen, Überlagerung von Schwingungen; Wellen: Beschreibung, Wellengleichung,
Wellenphänomene (Reflexion, Brechung, Beugung, Überlagerung), stehende Wellen,
bewegte Sender und Empfänger
Wärmelehre
Wärmephänomene, Temperaturmessung; absolute Temperaturskala; innere Energie und
spezifische Wärme; Schmelz- und Verdampfungswärme
Konvektion, Wärmeleitung, Strahlung
Zustandsgrößen; Zustandsänderungen und der erste Hauptsatz; Kreisprozesse, zweiter
Hauptsatz; Entropie, reversible und irreversible Prozesse, dritter Hauptsatz
Van-der-Waals-Zustandsgleichung; Aggregatzustände und -umwandlungen,
Phasendiagramme, kritischer und Tripelpunkt
Elektrodynamik
Elektrische Ladung; Coulomb-Gesetz; elektrostatisches Feld (Feldstärke, Fluss, 1. Maxwell,
Potenzial, Spannung, Multipolentwicklung); Materie in elektrischen Feldern: Leiter,
Influenz und Flächenladungen, Kondensatoren, Dielektrika; Energie des E-Feldes
Ladungstransport und elektrischer Widerstand (Strom, Stromdichte, Ohm, Kirchhoffsche
Regeln, Auf-/Entladen von Kondensatoren); Leitungsmechanismen, T-Abhängigkeit von
Widerständen (Metalle, Halbleiter, dotierte Halbleiter, Diode, Transistor, Isolatoren,
Phänomen der Supraleitung); Stromerzeugung und Strommessung (Galvanisches Element,
Spannungsreihe, Brennstoffzelle, Akku, Thermoelement, Peltier-Effekt, Innenwiderstand)
Magnetische Wirkungen; Magnetfelder stationärer Ströme (gerader Leiter, Spule);
Ampèresches Gesetz; magnetischer Fluss, 2. Maxwell; Vektorpotenzial; Magnetfelder
beliebiger Stromverteilungen, Biot-Savart, Ringstrom, Helmholtz-Spulen; Kräfte auf
bewegte Ladungen im Magnetfeld (Lorentz-Kraft, Fadenstrahlrohr, e/m, Hall-Effekt,
Definition des Ampère); Relativität von E- und B-Feldern
Magnetische Dipole (auch atomar); Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität,
Para-, Dia- und Ferromagnetismus (Hysterese, Curie-Temperatur), Antiferro- und
Ferrimagnete; Feldgleichungen in Materie, Felder an Grenzflächen, Elektromagnet
Faradaysches Induktionsgesetz; 3. Maxwell; Induktionsphänomene, Selbstinduktion;
Energie des magnetischen Feldes; Verschiebungsstrom, 4. Maxwell; Wechselspannung
und Wechselstrom (Wechselstromkreise, Generator, Elektromotor, Transformator)
Schwingkreise; Hertzscher Dipol (offene Schwingkreise, Dipol-Strahlungsfeld,
elektromagnetische Strahlungsquellen); Elektromagnetische Wellen im Vakuum
(Wellengleichung, elektromagnetisches Frequenzspektrum); Polarisation; Energie- und
Impulstransport, Poynting-Vektor; elektromagnetische Wellen in Resonatoren und
Hohlleitern; elektromagnetische Wellen in Materie
Lernziele und Kompetenzen:
Die Studierenden
erläutern und erklären die experimentellen Grundlagen und die quantitativ-mathematische Beschreibung mechanischer Vorgänge, der Wärmelehre und elektromagnetischen Phänomene gemäß den detaillierten Themen im Inhaltsverzeichnis
wenden die physikalischen Gesetze und jeweiligen mathematischen Methoden auf konkrete Problemstellungen an
Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:
Das Modul ist im Kontext der folgenden Studienfächer/Vertiefungsrichtungen verwendbar:
- Materialphysik (Bachelor of Science): 1-2. Semester
(Po-Vers. 2010 | NatFak | Materialphysik (Bachelor of Science) | Module des 1. und 2. Fachsemesters | Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)
- Mathematik (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2015w | NatFak | Mathematik (Bachelor of Science) | Module des Nebenfachs | Nebenfach Physik (experimentell) | Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)
- Mathematik (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2015w | NatFak | Mathematik (Bachelor of Science) | Module des Nebenfachs | Nebenfach Astronomie | Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)
- Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien)
(Po-Vers. 2007 | NatFak | Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien) | Pflichtmodule der Grundlagen- und Orientierungsprüfung (GOP) | Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)
- Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien)
(Po-Vers. 2010 | NatFak | Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien) | Pflichtmodule der Grundlagen- und Orientierungsprüfung (GOP) | Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)
- Physik (Bachelor of Science): 1-2. Semester
(Po-Vers. 2010 | NatFak | Physik (Bachelor of Science) | Regulärer Bachelorstudiengang | Module des 1. und 2. Fachsemesters, Grundlagen- und Orientierungsprüfung | Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)
Studien-/Prüfungsleistungen: