Gliederung der Vorlesung

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Gliederung der Vorlesung:
„Experimentalpysik in zwei Semestern“
1 Wintersemester
J. Ihringer, 19.1.2004
1.1 Grundlagen zur Mechanik und Elektrizitätslehre
Mechanik
(Physik elektrisch neutraler Teilchen)
Physikalische Grundgrößen
Zeit, Länge, Temperatur, Stoffmenge
Masse
Elektrizitätslehre
(Physik unter explizitem Einfluss der Ladung)
Strom
Beleuchtungsstärke
Ladungen sind immer mit Massen verbunden
Begriffe zur Bewegung eines Massenpunktes
Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung, auch
auf Kreisbahnen
Die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen Massen und/oder Ladungen
Gravitations- , Elektromag.-Kraft, starke u. schwache Wechselw. zwischen Kernbausteinen
Eigenschaften der Massen
Eigenschaften der Ladungen
Es gibt eine kleinste Ladung, die
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„Elementarladung“ e, Ladungen können
Masse ist Energie konvertierbar: E  m  c
„positiv“ oder „negativ“ sein
Zur Beschleunigung einer Masse ist eine zur
„trägen Masse“ proportionale Kraft
erforderlich, Newtonsche Gesetze,
Zentrifugalkraft
Wechselwirkung zwischen Massen:
Wechselwirkung zwischen Ladungen
Gravitationsgesetz.: Die immer anziehende
Coulombgesetz: Die, nach Vorzeichen der
Kraft ist proportional zu den „schweren
Ladungen, anziehende oder abstoßende Kraft
Massen“
ist proportional zu den Ladungen
Wechselwirkung zwischen Gravitations- und
Trägheitsgesetz
Geradlinige Bewegung: Fallbeschleunigung,
Wurfparabeln, Bewegung auf einer
Kreisbahn: Kepler Gesetze
Wechselwirkung zwischen Coulomb- und
Trägheitsgesetz
Klassisches Bild der Elektronenbahnen um
den Kern (vgl. mit Praktikums Versuch: e/m
Bestimmung)
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Feldstärke
Quotient: Zähler: Kraft auf einen Körper, Nenner: Masse oder Ladung des Körpers
Elektrisches Feld, erzeugt durch Ladungen
oder sich zeitlich ändernde magnetische
Felder
Magnetisches Feld, erzeugt durch bewegte
Gravitationsfeld, erzeugt durch Massen
Ladungen oder sich zeitlich ändernde
elektrische Felder
Werden im magnetischen Feld Ladungen
bewegt, dann wirkt auf sie die Lorentzkraft
Energie
Überführungsarbeit zwischen zwei Punkten mit Feldstärken
Potentielle Energie
Bewegte Massen zeigen „kinetische“ Energie
Energie zum Aufbau elektrischer und
magnetischer Feldern
Ein mechanisches System stellt sich so ein,
dass die potentielle Energie minimal wird
Leistung ist Energie / Zeit
Potential
Quotient: Zähler: Überführungsarbeit zwischen zwei Punkten mit Feldstärken (in
konservativen Felder), Nenner: überführte Masse oder Ladung
Elektrisches Potential: Überführungsarbeit /
Gravitationspotential: Überführungsarbeit /
überführte Ladung („Probeladung“)
überführte Masse (vgl. Höhenangabe im
Gravitationsfeld)
Potentialdifferenz: Elektrische Spannung
Leistung
Produkt aus Spannung und Stromstärke
1.2 Erhaltungssätze
Definition des Schwerpunkts analog zum Mittelwert einer beliebigen Verteilung
Masse und Schwerpunkt genügen zur Beschreibung von Translationsbewegungen
Definition des Trägheitsmoments analog zur Varianz einer beliebigen Verteilung
Rotationsbewegungen: Trägheitsmoment bezüglich einer Drehachse
1.2.1 Energieerhaltung
Bei physikalischen Vorgängen in einem abgeschlossenen System bleibt die Summe aller
Energien konstant
1.2.2 Impulserhaltung
Bewegte Massen tragen einen Impuls, Impuls als zeitliches Integral der Kraft
Bei physikalischen Vorgängen in einem abgeschlossenen System bleibt die Summe aller
Impulse konstant
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1.2.3 Drehimpulserhaltung
Der Drehimpuls eines Körpers steht senkrecht zur Geschwindigkeit und dem Ortsvektor vom
Beobachter zum Körper (Vektorprodukt beider Größen)
Bei physikalischen Vorgängen in einem abgeschlossenen System bleibt die Summe aller
Drehimpulse konstant
1.3 Schwingungen
Modellsysteme zur Erzeugung von Schwingungen
Elektrischer Schwingkreis aus Kondensator
Federpendel
und Spule
Bauteile und ihre Eigenschaften:
Kondensator (Kapazität): Spannung
Mechanische Feder (Federkonstante): Kraft
proportional zur Aufladung Q ,
proportional zur Auslenkung x
Spule (Induktivität): Spannung proportional
Trägheitsgesetz (Masse): Kraft proportional

zur Änderung des Stroms Q
zur Beschleunigung x
Bewegung im viskosen Medium (Reibung):
Kraft proportional zur Geschwindigkeit x
Widerstand (Ohmscher Widerstand):
Spannung proportional zum Strom Q
Schwingungen
Def.: Frequenz, Periode, Amplitude, Gedämpfte Schwingung
Ausblick: Schwingungen zur Schallerzeugung in Instrumenten, zwischen Bausteinen der
Moleküle und der atomaren Gitter (El. Mag. Schwingungen auf unterschiedlichen Skalen)
Erzwungene Schwingung: Resonanz, Phasenlage zwischen Antrieb und Oszillator
Wellen
Def.: Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwind., Welle-Teilchen Dualismus, p  k , E  h
Gekoppelte Pendel (Doppelpendel)
Eigenschwingungen mit unterschiedlicher
Zwei induktiv gekoppelte Schwingkreise
Frequenz und Symmetrie
(Schwebungen)
Mikroskopisch es Bild der Schwingungen in
Festkörpern: Teilchen schwingen als
gekoppeltes System (Phononen)
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1.4 Aufbau der Materie, Aggregatszustände und ihre statischen
Eigenschaften
Aggregatszustände
Wechselwirkung zwischen Teilchen: Bindungsarten. Gleichgewicht zwischen
Bindungskräften und thermischer Bewegung, d. h. Ordnung und Unordnung
Festkörper (Mechanik deformierbarer Medien)
Elastizität, Hookesches Gesetz, Spannung, Dehnung, Scherung,
Physikalische Eigenschaften Flüssigkeiten und Gase: Hydro- und Aerostatik
Def: Druck, Dichte, Kompressibilität, Viskosität
Flüssigkeiten:
Druck, Auftrieb, Hydrostatisches Paradoxon, Oberflächenspannung, Kapillarwirkung
Gas: Dichte (Normalbedingungen) ca. 1/1000 der Flüssigkeit oder des Festkörpers
Allg. Gasgleichung, Druck, Auftrieb, barometrische Höhenformel
1.5 Dynamische Eigenschaften
D’Alembertsches Prinzip
Das d’Alembertsche Prinzip berücksichtigt in der Kräftesumme die Trägheitskraft. Letztere

enthält die zweite Ableitung des Ortes nach der Zeit x , dadurch wird die Kräftesumme zur
Bewegungsgleichung.
1.5.1 Bewegung ohne Reibungskräfte
Bewegung von Gasen und Flüssigkeiten: Hydro- und Aerodynamik
Volumenstromdichte, Kontinuitätsgleichung, Bernoulli-Gesetz
Bewegung von Festkörpern (Mechanik starrer Körper)
Kräftegleichgewicht, Zerlegung von Vektoren (Kräfteparallelogramm), Hebelgesetze
Rotationsbewegungen: Drehimpuls und Drehmoment, Corioliskraft, Kreisel: Präzession
1.5.2 Bewegung mit Berücksichtigung der Reibungskräfte
Reibung zwischen festen Körpern
Def. der Normal- und Hangabtriebskraft
Reibungskräfte proportional zur Normalkraft,
unabhängig von der Geschwindigkeit
Reibung in Flüssigkeiten und Gasen
Laminare Strömung, Newtonsche Flüssigkeit,
Viskosität
Reibungskräfte proportional zur
Geschwindigkeit, Stokessches Gesetz
Hagen-Poiseuillesches Gesetz, Grenzschicht,
Reynoldsche Zahl
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Physik des Schalls
Druckwellen, physiologische Empfindung des Schalls, Schallmessung
1.6 Wärmelehre, Wärmeleitung
Wärmelehre
Zustandsgleichung idealer und realer Gase
Erster Hauptsatz der Wärmelehre, Wärmemenge und Energie
Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre, Entropiebegriffe nach Clausius und Boltzmann
Mikroskopisches Bild der Orte und Bewegung der Teilchen : Verteilungen (Poisson-, Gauss-,
Maxwell-Verteilung)
Phasenumwandlungen
Wärmeleitung
Transport in Abhängigkeit vom Temperaturgradienten
1.7 Diffusion, Lösungen, Osmose
Diffusion
Ficksches Gesetz
Lösungen
Wassermoleküle sind Dipole: Hydration, Van’t Hoffsches Gesetz, osmotischer Druck,
Gefrierpunkterniedrigung, Siedepunkterhöhung
Skripten zur Vorlesung:
http://www.uni-tuebingen.de/uni/pki/skripten/skripten.html