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Experimentalphysik 1+2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik (mit Praktikum) (EP-12)15 ECTS (englische Bezeichnung: Experimental Physics 1&2: Mechanics, Thermodynamics and Electrodynamics (with lab courses))
Modulverantwortliche/r: Peter Hommelhoff, Dozenten der experimentellen Physik Lehrende:
Peter Hommelhoff
Start semester: |
WS 2020/2021 | 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 2020/2021)
(Vorlesung, 5 SWS, Peter Hommelhoff, Tue, Fri, 10:00 - 12:00, HG, HD, HE, HF, HH; Wed, 16:00 - 18:00, HG, HD, HE, HF, HH, HC; Mon, Tue, Fri, (außer Fri 8.1.2021, Fri 15.1.2021, Fri 22.1.2021, Fri 29.1.2021, Fri 5.2.2021, Fri 12.2.2021); Tue, 10:00 - 12:00, Raum n.V.; Der Mittwochstermin nur ca. jede zweite Woche. Genaue Termine werden in VL bekanntgegeben.)
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Übungen zur Experimentalphysik 1 für Physikstudierende: Mechanik (WS 2020/2021)
(Übung, 2 SWS, Peter Hommelhoff et al.)
- Wärmelehre und Elektrodynamik
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Experimentalphysik 2 für Physikstudierende: Wärmelehre und Elektrodynamik (SS 2021)
(Vorlesung, 5 SWS, Peter Hommelhoff, Mon, Wed, 10:00 - 12:00, HG, HH, HD, HF; every 2. week Fri, 8:00 - 10:00, HG, (außer Fri 14.5.2021); every 2. week Fri, 8:00 - 10:00, HH, HD, HF; every 2. week Fri; VL vom 14.5. findet wegen Feiertag in der Woche am 7.5. statt. Wie schon im Wintersemester werden wir wieder viele Hörsäle zur Verfügung haben, damit Sie alle vor Ort die Vorlesung hören und die Experimente hinterher in HG ansehen können. Dies ist nach derzeitigem Stand der Dinge (25.2.) in Ausnahmefällen zulässig. Diese Vorlesung stellt eine Ausnahme dar. Sie als Zweitsemester sollen wieder die Möglichkeit haben, Experimente anzusehen und anzufassen und direkt Fragen stellen zu können. Wir werden die Vorlesung aber auch wieder live ins Internet übertragen und auch als Video im FAU-Portal verfügbar machen. Vor Ort werden wir uns selbstverständlich an die gültigen Infektionsschutzregeln halten.)
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Übungen zur Experimentalphysik 2 für Physikstudierende: Wärmelehre und Elektrodynamik (SS 2021)
(Übung, 2 SWS, Peter Hommelhoff, Tue, 12:00 - 14:00, SRTL (307), TL 1.140, SR 00.103, 308 TL, SR 01.779, SR 02.779, HD, HC, SRLP 0.179, HE, HF, HB; Tue, 14:00 - 16:00, SR 00.103, SR 01.779, SR 02.729, SR 01.332, SRTL (307), TL 1.140, 308 TL, HD, HC, SRLP 0.179, HG, HF, HB; Tue, 16:00 - 18:00, HG, HD, HE, SR 00.103, SRTL (307), SRLP 0.179, TL 1.140)
- Praktikum
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
führen Messungen mit Messgeräten typisch für Physiklabore durch
werten Messungen aus, stellen Fehleranalysen auf, führen ein Protokoll und präsentieren die Ergebnisse
arbeiten in kleinen Teams zusammen
Studien-/Prüfungsleistungen:
Experimentalphysik: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik (Prüfungsnummer: 60604)
(englischer Titel: Experimental physics: Mechanics, thermodynamics and electrodynamics)
- Prüfungsleistung, Klausur, Dauer (in Minuten): 120, benotet, 15 ECTS
- Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %
- weitere Erläuterungen:
Im Wintersemester wird eine 90 minütige Klausur als freiwillige Zwischenprüfung angeboten. Klausurnoten 4.0-2.7 ergeben einen Bonus von 0.3 oder 0.4, Klausurnoten 2.3-1.0 ergeben einen Bonus von 0.6 oder 0.7 für die Gesamtnote des Moduls.
- Prüfungssprache: Deutsch
- Erstablegung: SS 2021, 1. Wdh.: WS 2021/2022
1. Prüfer: | Peter Hommelhoff |
- Termin: 26.07.2021, 10:00 Uhr, Ort: HB, HC, HD, HE, HF, HG, HH (Staudtstraße 5, 91058 Erlangen)
Praktikum Experimentalphysik: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik (Prüfungsnummer: 60631)
- Studienleistung, Praktikumsleistung, unbenotet, 15 ECTS
- weitere Erläuterungen:
Durchführung und abschließende gemeinsame Dokumentation fünf verschiedener Versuche in Form einer Protokollsammlung (ca. 40 Seiten). Es besteht die Möglichkeit, die Dokumentation einzelner Versuche vorab zur Zwischenevaluation einzureichen.
- Erstablegung: SS 2021, 1. Wdh.: WS 2021/2022
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