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Einrichtungen >> Naturwissenschaftliche Fakultät (Nat) >> Department Physik >> Institut für Physik der Kondensierten Materie >>
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Lehrstuhl für Kristallographie und Strukturphysik
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Dimensionsanalyse und experimentelles Arbeiten [PW DAExp] -
- Dozent/in:
- Rainer Hock
- Angaben:
- Vorlesung, 2 SWS, benoteter Schein, ECTS: 5, für Anfänger geeignet, Die Veranstaltung findet online statt. Ort und Zeit werden am Tag der Vorbesprechung vereinbart. Falls Sie an diesme Termin keine Zeit, aber Interesse an der Vorlesung haben, kontaktieren Sie mich bitte vorab per Email. Beitritt zur StudOn Seite über den Link: https://www.studon.fau.de/crs3690387_join.html
- Termine:
- Di, 13:00 - 14:30, SR Staudtstr. 3
Die Veranstaltung findet online statt. Ort und Zeit werden am Tag der Vorbesprechung vereinbart. Falls Sie an diesem Termin keine Zeit, aber Interesse an der Vorlesung haben, kontaktieren Sie mich bitte vorab per Email. Beitritt zur StudOn Seite über den Link: https://www.studon.fau.de/crs3690387_join.html. Link zoum ZOOM Meeting im Ordner Organisation.
Vorbesprechung: Dienstag, 13.4.2021, 13:00 - 13:30 Uhr
- Studienrichtungen / Studienfächer:
- WF Ph-BA ab 4
WF LaP-SE ab 4
WF PhM-BA ab 4
- Voraussetzungen / Organisatorisches:
- Voraussetzung:
Grundkenntnisse der Physik
Organisatorisches:
In den Übungen soll das Gelernte in Form kleiner experimenteller Projekte vertieft werden.
Sie sollen in Kleingruppen mit einfachen Mitteln (Uhr, Metermaßs, Waage, etc.= Garagenphysik) experimentieren und die aus der Dimensionsanalyse bestimmten möglichen Gesetzmässigkeiten verifizieren oder falsifizieren und die noch unbekannten Konstanten der mathematischen Modellierung experimentell bestimmen.
Beispiele für Projekte sind:
wie hängt die (normale) Gehgeschwindigkeit von der Körpergröße ab ? wie hängt die Geschwindkeit von Ruderbooten von der Anzahl der Ruderer ab ? wie hängt der Kraterdurchmesser von der kinetischen Energie eines Impaktors (Asteroid) ab ? wie hängt die Periodendauer verschiedener Pendel von den anderen physikalischen Größen ab ? wie hängt die aus einem Loch pro Zeit auströmende Menge Sand von der Lochgröße und anderen physikalischen Größen ab ? wie bestimmt man aus der Radius-Zeit Abhängigkeit der Druckwelle einer atomaren Explosion die Sprengkraft der Bombe (ohne Experimente!) wie muss ich ein Schiffsmodell bauen (skalieren), um an dem Modell etwas über die Dimensionierung des Antriebsmotors eines realen Schiffs zu lernen ?
Die Experimente werden in den Übungen von Ihnen unter Anleitung durchgeführt.
Die Methode und ihre Anwendung soll ihr physikalisches Denken schulen und Ihnen gestatten, mathematische Modelle (funktionale Zusammenhänge) für unterschiedlichste Phänomene der Natur selber zu erarbeiten.
- Inhalt:
- Eine Anwendung 'nullter Ordnung' der 'Dimensionsanalyse' kennen Sie bereits alle.
Mathematische Zusammenhänge (Gleichungen), die die Natur konsistent und mathematisch korrekt beschreiben, müssen dimensionshomogen sein: 5 Äpfel + 3 Birnen ergibt in der Summe nicht 8 Physiker.
Die Dimensionsanalyse nutzt im Kern die erforderliche Dimensionshomogenität der mathematischen Modelle, um funktionale Zusammenhänge zwischen Variablen herzuleiten. Sie liefert also ein 'Gesetz', welches die verschiedenen Variablen mathematisch richtig verknüpft. Diese Grundanforderung genügt oftmals, um wertvolle Gesetzmässigkeiten zur Beschreibug der Natur abzuleiten.
Die Dimensionsanalyse liefert Ihnen leider keine eventuell in den Gleichungen vorkommenden Konstanten, wie z.B. den Faktor 2pi in der Gleichung für die Periodendauer des mathematischen Pendels.
Um diese Faktoren - oft der Größenordnung 1 - zu bestimmen, müssen Sie experimentieren. Und hierzu liefert Ihnen wiederum die Dimensionsanalyse den Schlüssel zur Planung der Experimente in Form dimensionsloser Variabler.
In der Vorlesung werden die Methoden der Dimensionsanalyse von der 'Anschauung' bis hin zu den mathematischen Techniken betrachtet.
Die Dimenisonanalyse kann ein wetvoles Denkwerkzeug in ihrem physikalischen Schaffen darstellen, und: Sie dürfen selber Gesetze erfinden und deren Übereinstimmung mit dem Experiment testen.
- Empfohlene Literatur:
- Um sich einen Eindruck von der Dimensionsanalyse zu verschaffen, können Sie im Internet diese beiden Dokumente ansehen:
Als pdf sofort zu finden, wenn sie nach den Autoren in Kombination mit den Titeln goggeln.
A.A. Sonin: The physical basis of dimensional analysis
Peter Goldreich, Sanjoy Mahajan,Sterl Phinney:
Order-of-Magnitude Physics: Understanding the World with Dimensional
Analysis, Educated Guesswork, and White LiesBücher hierzu sind Spezialliteratur. Sie können einige davon in meinem Büro einsehen. Hier drei wichtige Bücher zum Thema:
T. Szirtes: Applied dimensional analysis and modelling, Elsevier Verlag
A. Palmer: Dimensional Analysis and intelligent experimentation
World Scientific Publishing
M. Zlokarnik: Scale-up in chemical engineering
Wiley VCH
T. Duncan: Chemical Engineering Design and Analysis: An introduction
Cambridge University Press
P. Bridgman: Dimensional Analysis
Forgotten Books Reprint
- Schlagwörter:
- Dimensionsanalyse, Experimentelles Arbeiten
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Übungen zu Dimensionsanalyse und experimentelles Arbeiten [PWU DAExp] -
- Dozent/in:
- Rainer Hock
- Angaben:
- Übung, benoteter Schein, Kredit: 2, ECTS: 2, nur Fachstudium, Die Veranstaltung findet online statt. Ort und Zeit werden am Tag der Vorbesprechung vereinbart. Falls Sie an diesem Termin keine Zeit, aber Interesse an der Vorlesung haben, kontaktieren Sie mich bitte vorab per Email. Beitritt zur StudOn Seite über den Link: https://www.studon.fau.de/crs3690387_join.html. Link zoum ZOOM Meeting im Ordner Organisation.
- Termine:
- Di, 14:30 - 16:00, SR Staudtstr. 3
Ort und Zeit werden am Tag der Vorbesprechung vereinbart.
Vorbesprechung: Dienstag, 13.4.2021, 13:00 - 13:30 Uhr
- Studienrichtungen / Studienfächer:
- WF Ph-BA ab 4
WF Ph-MA ab 1
WF LaP-SE ab 4
WF PhM-BA ab 4
WF PhM-MA ab 1
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Struktur kristalliner Materie I [PW SKM I] -
- Dozent/in:
- Rainer Hock
- Angaben:
- Vorlesung, 2 SWS, benoteter Schein, ECTS: 5, für Anfänger geeignet, nur Fachstudium
- Termine:
- Di, 8:00 - 10:00, SR Staudtstr. 3
Die Vorlesung und Übung wird online via ZOOM stattfinden. Weitere Informationen finden sie im Ordner 'Organisation' der StudOn Seite zur Veranstaltung. Der Beitriit ist passwortfrei unter dem Link:https://www.studon.fau.de/crs3689746_join.html
- Studienrichtungen / Studienfächer:
- WF Ph-BA ab 5
WF PhM-BA ab 5
- Inhalt:
- Einführung in die Symmetrielehre kristallin geordneter Materie
Zwei- und dreidimensionale Punktgruppen anhand von Beipielen, Gruppenmultiplikationstabellen Ein-, zwei- und dreidimensionale Raumgruppen mit Beispielen Röntgenbeugung am Kristall in der kinematischen Näherung, Thompson-Streuung am Elektron, Rayleigh Streuung am Atom, Streuung an der kristallographischen Elementarzelle, Beugung am dreidimensional periodischen Gitter, die Gittersumme Geometrie der Röntgenbeugung, skalare und vektorielle Beschreibung, Bragggleichung, Lauegleichungen und Ewaldkonstruktion Das Beugungsbild als Fouriertransformierte der Elektronendichteverteilung Informationsgehalt von Beugungsbildern an Beispielen Apparaturen zur Aufnahme von Röntgenbeugungsbildern
Die Studierenden erwerben Kenntnisse
der Beschreibung kristalliner Materie der Punktgruppen und Raumgruppen der Physik der Beugung an gitterhaften Strukturen der Grundlagen der Röntgenbeugung vom Elementarprozess der Streuung am Elektron bis zur Beugung am dreidimensionalen Kristallgitter des Zusammenhangs zwischen Elektronendichte und Strukturfaktor der Informationsgehalte von Beugungsaufnahmen an Kristallen der verwendeten Messapparaturen für Röntgenbeugungsuntersuchungen
- Empfohlene Literatur:
- Liebe Studierende,
jeder Mensch hat einen unterschiedlichen Zugang zu den vermittelten Lehrinhalten. Dies gilt für alle Fächer. Das Buch von M. Julian, an dem ich mich im Teil ‚Symmetrielehre’ orientiere, muss nicht die für sie am besten geeignete Darstellung des Stoffes sein. Ich halte es allerdings für eine sehr gut gelungene Darstellung der Kristallsymmetrie mit hervorragender graphischer Aufbereitung.
Maureen M. Julian, Foundations of Crystallography with Computer Applications, CRC Press, Second Edition 2015, Taylor & Francis Group
Wegen des unterschiedlichen Geschmacks gebe ich Ihnen hier eine Literaturliste an die Hand, - auch für den Teil ‚Röntgenbeugung’ (hier reicht ein Studium des Buches von Julian sicher nicht aus) -, die Ihnen alternative Fachbücher nennt.
M. J. Buerger, ‚Kristallographie – Eine Einführung in die geometrische und röntgenographische Kristallkunde’, de Gruyter Lehrbuch
W. Borchardt-Ott, ‚Kristallographie: Eine Einführung für Naturwissenschaftle, Springer Verlag
Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm und Detlef Klimm, ‚Einführung in die Kristallographie’, Oldenburg Verlag
R. Borchardt & S. Turowski, ‚ Symmetrielehre der Kristallographie – Modelle der 32 Kristallklassen zum Selbstbau’, Oldenburg Verlag (wenn Sie Zeit zum Basteln haben…)
W. Massa, ‚ Kristallstrukturbestimmung’, Teubner Studienbücher Chemie
D. Schwarzenbach & J. Glinnemann, ‚ Kristallographie’, Springer Verlag
(Die beiden Herren wissen genau, wovon sie schreiben …)
B. E. Warren, ‚ X-ray Diffraction’, Dover Books on Physics
(halte ich für eine sehr gute Darstellung der Grundlagen der Röntgenbeugung zu einem sehr guten Verhältnis Preis/Seite …)
R. Allmann, Röntgenpulverdiffraktometrie, Springer Verlag
(Mit dem Schwerpunkt auf der Beugung anb polykristallinen Materialien vermittelt das Buch auch eine gute Einführung in die Grundlagen der Beugung)
C. Giacovazzo ed., ‚Fundamentals of Crystallography’, IUCR Texts on Crystallography 2
Oxford Science Publications
F. D. Bloss, ‘ Crystallography and Crystal Chemistry’, Mineralogical Society of America
(Kristallchemie kommt in ihrer Grundvorlesung nicht vor, der Grundlagenteil zur Kristallographie sehr wohl)
C. Hammond, ‚ The Basics of Crystallography and Diffraction’ IUCR Texts on Crystallography 12, Oxford Science Publications
(Ein Dauerbrenner… , wenn Sie wissen, was drin steht und es verstanden haben, wissen Sie recht viel)
E. Zolotoyabko, ‚Basic Concepts in Crystallography’, Wiley-VCH
P. G. Radaelli, ‘ Symmetry in Crystallography’ IUCR Texts on Crystallography 17, Oxford Science Publications
M. Ladd & R. Palmer, ‘Structure Determination by X-Ray Crystallography’, Kluwer Academic/Plenum Publishers
(Ein sehr gutes Standardwerk bereits in der 4ten Auflage. In der 4ten Auflage bekommen Sie eine CD gratis dazu, mit allen Programmen, die sie für eine Strukturaufklärung benötigen.)
J. M. Cowley, ‚ Diffraction Physics’, North-Holland Personal Library
(Für ihre Grundvorlesung zu umfangreich. Ich nenne das Buch trotzdem: Wenn Sie Beugungsphysik konsistent und detailliert abgehandelt finden wollen, dann dort)
J. Als-Nielsen & D. McMorrow, ‚ Elements of Modern X-Ray Physics, Wiley
D. W. Bennett, ‘ Understanding Single-Crystal X-Ray Crystallography, Wiley-VCH(Ein dicker Schinken, viel Info für’s Geld, sehr ansprechend gemacht, ein gutes Buch)
C. Suryanarayana & M. G. Norton, ‚ X-Ray Diffraction – A practical Approach’, Plenum Press New York and London (– eigentlich eine Anleitung zu praktischem Arbeiten im Berecih der Pulverbeugungsmethoden-)
U. Müller, ‚Symmetriebeziehungen zwischen verwandten Kristallstrukturen: Anwendungen der kristallographischen Gruppentheorie in der Kristallchemie, Studienbücher Chemie, Teubner/Vieweg Verlag Falls es interessiert, wie die Gruppentheorie in der Kristallographie u. A. Anwendungen findet, ist dieses Buch zu empfehlen. Ich kann das Thema leider immer nur punktuell ansprechen.
Kurzbeschreibung: In der Kristallchemie und Kristallphysik spielen die Beziehungen zwischen den Symmetriegruppen (Raumgruppen) kristalliner Feststoffe eine besondere Rolle. In Teil 1 dieses Buches von Müller sind die mathematischen Hilfsmittel zusammengestellt: die Grundbegriffe der Kristallographie, insbesondere der Symmetrielehre, die Theorie der kristallographischen Gruppen und die Formalismen der hier gebrauchten kristallographischen Berechnungen. In Teil 2 des Buches wird die Anwendung auf Probleme der Kristallchemie aufgezeigt. Zahlreiche Beispiele illustrieren, wie man die kristallographische Gruppentheorie heranziehen kann, um Verwandtschaften zwischen Kristallstrukturen aufzuzeigen, Ordnung in die Unmenge der Kristallstrukturen zu bringen, mögliche Kristallstrukturtypen vorherzusagen, Phasenumwandlungen zu analysieren, das Phänomen der Domänen- und Zwillingsbildung in Kristallen zu verstehen und Fehler bei der Kristallstrukturanalyse zu vermeiden.
- Schlagwörter:
- Strukturphysik, Kristallographie, Röntgenbeugung
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