Schwerpunkte zur Prüfung Experimentalphysik

D. Michel
Vorlesung Experimentalphysik
2002/2003
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 (Stokes,
Newton)
9.
Dynamik starrer Körper: Definition Drehimpuls und Drehmoment, Definition und
Berechnung des Trägheitsmomentes einfacher Körper. Wie kann man
Trägheitsmomente messen?
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?
Hookesches Gesetz und 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
(laminare
Strömung,
Geschwindigkeitsverteilung in einem Rohr, Hagen-Poisseuille, 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 (analytischen Ausdruck für Ausbreitung in z-Richtung
diskutieren). Wellenzahlvektor, Wellenfläche, Phasengeschwindigkeit, Polarisation,
Schwingungsebene).
6.
Überlagerung von Wellen (Schwebungen; linear, zirkular, elliptisch polarisierte Wellen;
stehende Wellen).
7.
Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen (Schallge-schwindigkeit)
Festkörper, Flüssigkeit, Gas (u. a. Machscher Kegel, Kopfknallwelle).
8.
Dopplereffekt.
9.
Weber-Fechnersches Gesetz (Def. von db und Phon).
3.
Wärmelehre (Thermodynamik)
1.
Zustandsgleichung des idealen Gases
2.
Modell der kinetischen Gastheorie; thermodynamische Temperatur
harmonischer
Schwingungen
gleicher
Schwingungsrichtung;
in
3.
Van-der-Waalssche Zustandsgleichung (Diskutieren; Maxwellsche Gerade, kritische
Größen)
4.
1. Hauptsatz (für endlichen und differentiellen Prozeß; Energie ist Zustandsfunktion,
Erläuterungen zur Wärme und zur geleisteten Arbeit)
5.
Spezifische Wärmekapazität (u. a. für ideales Gas; Kalorimetrie).
6.
Adiabatischer Prozeß, Poissonsche Gleichung.
7.
Ausdehnung eines Gases ins Vakuum; Joule-Kelvin-Prozeß, Enthalpie (u. a.
Gasverflüssigung).
8.
Carnotscher Kreisprozeß (Wirkungsgrad; Wärmepumpe).
9.
2. Hauptsatz (in Plancks Formulierung; reversibler und irreversibler Prozeß; η (real) < η
Carnot, reduzierte Wärmen, Entropie)
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.
Diffusion (Statistischer Charakter; 1. und 2. Ficksches Gesetz)
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. Verhalten bei Anwesenheit verschiedener Dielektrika.
7.
Erklärung und Auswirkung der Kontaktspannung (Dielektrika und Leiter)
8.
Grundlagen der Elektrolyse.
9.
Messung elektrischer Spannungen, Stromstärken und Meßbereichserweiterung,
Wheatstone-Brücke; 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.
15.
Kraft im Magnetfeld, insbesondere zwischen zwei stromführenden Leitern (vgl. auch
4.1)
16.
Dia-, Ferro-, Ferri-, Paramagnetismus.
17.
Herstellung und Messung von Wechselströmen.
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)
5.
Phasen- und Gruppengeschwindigkeit; 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).
10.
Strahlung schwarzer Körper; Def. schw. Körper, Rayleigh-Jeans-Formel, Wiensches
Strahlungsgesetz, Ansatz nach Planck, Wiensches Verschiebungsgesetz, StefanBoltzmannsches Gesetz
11.
Kerr-Effekt, Faraday-Effekt
12.
Polarisiertes Licht (Brewstersches Gesetz; Doppelbrechung als Kristalleigenschaft,
ordentlicher, außerordentlicher Strahl, λ/4-Blättchen).
13.
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
-
Was sind „wasserstoffähnliche“ Ionen, Rydberg-Konstante, Darstellung der Frequenzen
durch Rydbergformeln (Berücksichtigung der Kernmitbewegung)
-
Alkalispektren: Drehimpulsquantenzahl; Wie kann man physikalisch erklären, daß sich
die Serienformeln der Alkaliatome und des H-Atoms einerseits ähneln und andererseits
unterscheiden?
-
Welche Werte der Quantenzahl 1 sind den Korrekturwerten s, p, d, f zugeordnet, welche
Werte kann 1 bei vorgegebenem n annehmen? Wie kann man mit Hilfe der Nebenquantenzahl 1 die optisch erlaubten Übergänge zuordnen?
-
Erläuterung zum Dublettcharakter der Einelektronen-Spektren
-
Elektronenspin, magneto-mechanische Anomalie, Stern-Gerlach-Versuch (welche Anordnung, was wird gemessen, was kann man aussagen).
-
Was versteht man unter dem Zeeman-Effekt?
4.
Systeme von Elektronen
-
Pauli-Verbot
-
Schalenaufbau der Atome (Periodizität der Atomdurchmesser - nur erläutern, welche
Beziehung besteht zum Schalenaufbau)
-
Beispiel für Anwendungen der Hundschen Regeln: Mn2+
-
Entstehung der kontinuierlichen und der charakteristischen Röntgenstrahlung, Anwendung der Röntgenstrahlung
-
Moseleysches Gesetz
-
-
Molekülspektren
Welche Energiezustände können angeregt werden?
Erklären Sie das Zustandekommen
- einer Linie innerhalb einer Bande
- einer Bande
- eines Bandensystems
Was versteht man unter Rotations-Schwingungsspektrum?
-
Raman-Effekt: Was versteht man darunter? Welche Bedeutung für Molekülphysik?
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 des He-Ne-Lasers
(Laserbedingungen)! Welche weiteren Lasertypen gibt es?
6.
Welle-Teilchen-Dualismus
-
Erläuterung des Comptoneffekts: Beschreibung der Befunde, warum ist keine Deutung
im Wellenbild möglich?
-
Beschreiben Sie die Versuchsordnung von Davisson und Germer zur Elektronenbeugung. Folgerung aus Ergebnis; warum nicht Deutung im Teilchenbild?
-
De Broglie-Wellenlänge; Formel, Def. von Impuls im relativistischen und
nichtrelativistischen Fall, Deutung der stationären Elektronenbahnen des H-Atoms
-
Aussage der Heisenbergschen Unschärferelation, Interpretation durch WellenpaketDiskussion
-
Schrödingergleichung - Ansatz, Bsp. zur Erläuterung des Zusammenhanges an Hand
der Behandlung des Wasserstoff-Atoms und des harmonischen Oszillators: keine
detaillierte Rechnung, sondern nur Diskussion der Energiewerte und Interpretation der
Wellenfunktion, Vergleich mit klassischer Behandlung.