Schwerpunkte zur Prüfung Experimentalphysik
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D. Michel Vorlesung Experimentalphysik 2003/2004 Schwerpunkte zur Prüfung Experimentalphysik 0. Allgemein 1. Internationales System (S. I.): Problem der Grundgrößen, Festlegung der Einheiten (kg, m, s) 2. Beispiele für skalare und vektorielle Größen, skalare und Vektor-Felder. 1. Mechanik 1. Kinematik: Gesetze der geradlinigen gleichförmigen und gleichförmig beschleunigten Bewegung; zusammengesetzte Bewegungen (z. B. Wurfparabel); Beschreibung von Kreisbewegungen. 2. Dynamik: Interpretation der 3 Newtonschen Axiome. Anwendung zur Ableitung von Bewegungsgesetzen. 3. Arbeit, Energie, Leistung. Was sind konservative Kräfte. Energiesatz (Bsp. Schwerkraft nahe und fern der Erdoberfläche). 4. Energie- und Impulserhaltung: elastischer Stoß, unelastischer Stoß, Ballistisches Pendel. 5. Kräfte, die auf einen Massenpunkt auf einer Kreisbahn wirken (Zentripetal-Kraft). 6. Definition eines Inertialsystems, Galilei-Transformation 7. Keplersche Gesetze, Interpretation nach Newton, Gravitationsgesetz. Was versteht man unter 1., 2. und 3.kosmischer Geschwindigkeit? Erläuterung zum Cavendish-Versuch (Aufbau, was wird gemessen) 8. Haftreibung, Gleitreibung. Bestimmung von Reibungszahlen, viskose Reibung (Erläuterung zu Formeln von Stokes, Newton) 9. Dynamik starrer Körper: Definition Drehimpuls und Drehmoment, Definition und Berechnung des Trägheitsmomentes einfacher Körper. Wie kann man Trägheitsmomente messen (nur Drehtischmethode gefragt)? 10. Pendelgesetze: mathematisches, physisches P., harm. Näherung. Wie macht sich Dämpfung bemerkbar? 11. Beispiele für Drehimpulserhaltung. 12. Bewegungsgleichung starrer Körper. Anwendung: Rollbewegungen auf schiefer Ebene. Was versteht man unter Nutationsbewegung, Präzessionsbewegung eines Kreisels 13. Was ist Dehnung und Torsion (nur Erläuterungen zu Begriffsbildung und Definitionen)? Hookesches Gesetz (hier auch Ansatz erläutern, warum ist dieser Fall so wichtig), was bewschreibt die Poissonsche Zahl 14. Druckänderungen mit der Höhe in einem Glas und in einer Flüssigkeitssäule. Barometrische Höhenformel. Hydrostatisches Paradoxon. 15. Wovon hängt die Steighöhe einer Flüssigkeit in einer Kapillare ab? 16. Diskussion der Bernoullischen Gleichung: welcher Zusammenhang wird beschrieben welche Größen treten auf und wie kann man sie messen, Begriffe erläutern: laminare und turbulente Strömung, Geschwindigkeitsverteilung in einem Rohr bei laminarer Strömung, was besagt das Hagen-Poisseuille-Gesetz (qualitative Beschreibung, wann gilt es), Aerodynamisches Paradoxon. 2. Mechanische Schwingungen und Wellen; Akustik 1. Mechanische harmonische Schwingungen (Realisierung; Diskussion des mathem. Ausdrucks, komplexe Schreibweise. 2. Überlagerung Schwebungen. 3. Überlagerung harmonischer Schwingungen mit zueinander senkrechten Richtungen (lineare, zirkulare, elliptische Schwingungen; Lissajousfiguren). 4. Mechanische Wellen (longitudinal, transversal; Schall; c = f λ). 5. Harmonische ebene Welle (nur analytischen Ausdruck für Ausbreitung in z-Richtung diskutieren). Was bedeutet: Wellenzahlvektor, Wellenfläche, Phasengeschwindigkeit, Polarisation, Schwingungsebene). 6. Überlagerung von Wellen (Schwebungen; stehende Wellen). 7. Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen (Schallgeschwindigkeit) in Festkörper, Flüssigkeit, Gas 8. Was verstehen Sie unter einem Machschen Kegel, wann tritt eine Kopfknallwelle auf 9. Erläuterungen zu Dopplereffekt (keine Herleitung). 3. Wärmelehre (Thermodynamik) 1. Zustandsgleichung des idealen Gases harmonischer Schwingungen gleicher Schwingungsrichtung; 2. Modell der kinetischen Gastheorie; thermodynamische Temperatur 3. Van-der-Waalssche Zustandsgleichung (Diskutieren; Maxwellsche Gerade, kritische Größen) 4. 1. Hauptsatz (für endlichen und differentiellen Prozeß; Erläuterung: Energie ist Zustandsfunktion, Erläuterungen zur Wärme und zur geleisteten Arbeit) 5. Spezifische Wärmekapazität (u. a. für ideales Gas; Kalorimetrie). 6. Adiabatischer Prozeß, Poissonsche Gleichungen. 7. Ausdehnung eines Gases ins Vakuum; Joule-Kelvin [oder auch Joule- Thomson]Prozeß, Was beschreibt die Enthalpie, Gasverflüssigung (nur Prinzip erläutern, qualitative Beschreibung des Linde-Verfahrens). 8. Carnotscher Kreisprozeß (warum besitzt dieser Prozeß eine so grundlegende Bedeutung, Erläuterung zu Wirkungsgrad; diskutiere mögliche Anwendungen: WärmeKraft-Maschine, Wärmepumpe). 9. 2. Hauptsatz (in Plancks Formulierung; reversibler und irreversibler Prozeß; η (real) < η Carnot, reduzierte Wärmen, Entropie, statistische Interpretation ist nicht Bedingung, Erläuterungen dazu werden aber besonders honoriert) 10. Phasendiagramm (Phasen, Komponenten; Gibbssche Phasenregel) 11. Clausius-Clapeyronsche Gleichung (nur Begründung und Beispiele zur Anwendung) 12. Lösungen: Osmose; Dampfdruck einer Lösung, Van’t Hoffsches Gesetz (Gefrierpunktserniedrigung, Siedepunktserhöhung). 13. Wärmeübertragung (Wärmeleitungsgleichung; Konvektion; Strahlung) 14. Transportphänomene in Gasen: was bedeutet: mittlere freie Weglänge, qualitative Erläuterung zur Diffusion und zur Viskosität von Gasen: welche physikalische Größen treten dabei auf, was ist Selbstdiffusion – mittlere quadratische Verschiebung, Erläuterung zur Einsteinschen Beziehung) 4. Elektrodynamik 1. Festlegung der Einheit A 2. Coulombsches Gesetz: Kraft zwischen Punktladungen 3. Elektrischer Fluß, Guassscher Satz (1. Maxwellsche Gleichung). Feldstärke und Potential Punktladung, elektrischer Dipol, metallische Hohlkugel und homogen geladene Kugel (innen und außen). 4. Vergleiche Feldstärke E und dielektrische Verschiebung D. Bedeutung der Dielektrizitätskonstanten. 5. Energiedichte eines elektrischen Feldes; Kraftwirkung. 6. Platten-, Kugelkondensator, Zylinderkondensator: Berechnungsprinzipien und Meßverfahren für die Kapazität (Messbrücken, vgl. Ziffer 9), Ein- und AusschaltVorgänge, Kapazitäten bei Anwesenheit von Dielektrika. 7. Erklärung und Auswirkung der Kontaktspannung (Dielektrika und Leiter) 8. Was verstehen Sie unter Faraday-Konstante, Grundlagen der Elektrolyse 9. Messung elektrischer Spannungen, Stromstärken und Messbereichserweiterung (hier ist vor allem gefragt: spannungsgerechte und stromgerechte Schaltung, Messbrücken allgemein und speziell Wheatstone-Brücke [vgl. Praktikum]), Temperaturabhängigkeit von Widerständen 10. Gleichstromleistung: Messung, Anpassung an Stromquelle. 11. 12. Knoten- und Maschenregel. Diskutiere das Durchflutungsgesetz. Einführung von H und Berechnungsprinzip bei einfachen Leiteranordnungen. 13. 14. Biot-Savartsches Gesetz. Definition und Messung der magnetischen Induktion B (nur Hall-Sonde erläutern) 15. Kraft im Magnetfeld, insbesondere zwischen zwei stromführenden Leitern (vgl. auch 4.1) 16. Dia-, Ferro-, Ferri-, Paramagnetismus. 17. Herstellung und Messung von Wechselströmen (erläutere Oszilloskop). 18. Wechselstromrechnung, komplexe Widerstände: Definition, Schaltung und Messung. Resonanzkreise: Tiefpaß, Hochpaß, Frequenzfilter 19. Transformator, Dynamo (Prinzip) 20. Hertzsche Wellen, Hertzscher Dipol, Fernfeld 5. Optik 1. Lichtgeschwindigkeit, Römer, Fizeau, Bradley 2. Reflexions-, Brechungsgesetz; Totalreflexion, Fermatsches Prinzip 3. Abbildungsgleichungen (Bildkonstruktion, Spiegel, Linsen) 4. Optische Instrumente (Fernrohre, Mikroskop, Lupe: Aufbau,. Strahlengang) 5. Was verstehen Sie unter Dispersion 6. Interferenz (Kohärenz, Fresnelscher Doppelspiegel, planparallele Platte, Keil, Michelson-Interferometer; stehende Lichtwellen 7. Fraunhofersche Beugung (Spalt, Gitter; Spaltfunktion, Gitterfunktion) 8. Gitter-, Prismenspektrometer. 9. Auflösungsvermögen (Gitterspektrometer, Fernrohr, Mikroskop): was verstehen Sie unter spektralem und räumlichem Auflösungsvermögen, was ist physikalischer Ausgangspunkt (Beugung, qualitative Erläuterung). Was ist jeweils wichtig ? Bei Mikroskop: keine Erläuterung zu Abbe-Bedingung). 10. Strahlung schwarzer Körper; Def. schw. Körper, Rayleigh-Jeans-Formel, Wiensches Strahlungsgesetz, Ansatz nach Planck, Wiensches Verschiebungsgesetz, StefanBoltzmannsches Gesetz 11. Polarisiertes Licht (Brewstersches Gesetz; Doppelbrechung als Kristalleigenschaft, ordentlicher, außerordentlicher Strahl, λ/4-Blättchen). 12. Drehung der Schwingungsebene linear polarisierten Lichts (Quarz; Zuckerlösung). 6. Atomphysik 1. Größe und Kinetik der Atome und Moleküle Allg. zur Atomphysik - Avogadrosches Gesetz, Bestimmung relativer Atommassen, absolute Atommassen - Methoden zur Bestimmung der Avogadroschen Konstante - Methoden zur Ermittlung der Größe der Atome (Dichteste Kugelpackung, Kritisches Volumen nach van der Waals, mittlere freie Weglänge, innere Reibung von Gasen) - Statistische Interpretation des Druckes, Geschwindigkeitsverteilung, Def. und Ansatz zur Berechnung von <v>, <v2>, Gleichverteilungssatz (Fortsetzung zu 3.2., s.o..) 2. Aufbau der Atome aus geladenen Teilchen - Bestimmung der Elementarladung e (Millikan, Faradaysche Gesetze) und von e/m (Ablenkung in elektrischen und magnetischen Feldern, Thomson-Experiment) Massenspektrometrie - Lenardsche Streuexperimente - Aussagen aus Rutherfordschen Streuexperimenten. Erläuterung der Streuformel und Voraussetzungen zur Herleitung (aber nicht Herleitung) - Planetenmodell nach Rutherford, Grenzen des Modells - Photoelektrischer Effekt, Gegenfeldmethode zur Messung von Ekin, Erklärung nach Einstein, Bestimmung von h - Frank-Hertz-Versuch 3. Atombau und Spektrallinien - Serienformel für H-Atome (Erläuterung der Lyman-, Balmer-, usw. Serien), Ritzsches Kombinationsprinzip - Bohrsches Atommodell (Postulate, Energien, Bahnradien, Hauptquantenzahl, Quantisierungsbedingung) und spezielle Mängel des Modells, Anwendung: H-Atom - Warum tritt bei Alkalimetall-Spektren eine effektive Quantenzahl, z. B. neff = n + s, usw., zur Beschreibung der Terme auf? Warum gibt es jetzt Auswahlregeln? - Erläuterungern zum Bahndrehimpuls, Drehimpulsquantenzahl, magnetische Quantenzahl, welche Werte der Quantenzahl 1 sind den Korrekturwerten s, p, d, f zugeordnet, welche Werte kann 1 bei vorgegebenem n annehmen? - Erläuterung zum Elektronenspin, magneto-mechanische Anomalie, Stern-GerlachVersuch (nur qualitativ: welche Anordnung, was wird gemessen, was kann man aussagen). - Was versteht man unter dem Zeeman-Effekt (nur normaler Zeemaneffekt)? 4. Systeme von Elektronen - Pauli-Verbot - Schalenaufbau der Atome, Schalen, Unterschalen, Experimentelle Beobachtung: Periodizität der Atomdurchmesser - nur erläutern, welche Beziehung besteht zum Schalenaufbau) - Beispiel für Anwendungen der Hundschen Regeln: Mn2+ (Konfiguration, Termsymbol des elektronischen Grundzustandes) - Entstehung der kontinuierlichen und der charakteristischen Röntgenstrahlung, Anwendung der Röntgenstrahlung - Moseleysches Gesetz 5. Systeme von Photonen - Erläutern Sie die Begriffe spontane und induzierte Emission! Welche Bedeutung haben sie für das Verständnis der Wechselwirkung zwischen atomarem System und Strahlung? - Erläutern Sie das Laserprinzip am Beispiel (Laserbedingungen)! Welche weiteren Lasertypen gibt es? 6. Welle-Teilchen-Dualismus - Erläuterung des Comptoneffekts: Beschreibung der Befunde, Deutung mittels nichtzentralem elastischen Stoss, warum ist keine Deutung im Wellenbild möglich? Was beschreibt die Compton-Wellenlänge? - Beschreiben Sie die Versuchsordnung von Davisson und Germer zur Elektronenbeugung. Folgerung aus Ergebnis; warum ist nicht die Deutung im Teilchenbild möglich? - De Broglie-Wellenlänge; Erläuterung zur Formel, Bsp.: Deutung der stationären Elektronenbahnen des H-Atoms - Energie-Impuls-Beziehung im nichtrelativistischen Fall: Warum ist dies als eine verallgemeinerte Dispersionsbeziehung zu verstehen? Vgl. auch mit Diskussion für Ruhemasse Null! - Was sagt die Heisenbergsche Unschärferelation aus? des He-Ne-Lasers
