PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker und Biologen
Werbung
PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker und Biologen 1. Vorlesung – 20.4.07 Nadja Regner, Thomas Schmierer, Gunnar Spieß, Peter Gilch Lehrstuhl für BioMolekulare Optik Department für Physik Ludwig-Maximilians-Universität München Team Experimente Gunnar Spieß E-Mail: [email protected] Tel: 089-2180-2047 (-2893) (-2101) Übung Thomas Schmierer (Chemiker) E-Mail: [email protected] Tel: 089-2180-9241 Nadja Regner (Biologen) E-Mail: [email protected] Tel: 089-2180-9250 Vorlesung PD Dr. Peter Gilch E-Mail: [email protected] Tel: 089-2180-9243 Oettingenstr. 67 Zimmer: 0.23 Sprechstunde nach Vereinbarung Termine Vorlesung Freitag 1115-1245 LiebigHörsaal Übung Chemiker Montag 1015-1100 WielandHörsaal Übung Biologen Freitag 1315-1400 WielandHörsaal Achtung: Übung der Biologen am 27.4.07 im Butenandt-HS In der Übung heute wird die PN1-Klausur vom 23.2.07 besprochen! Für Chemiker und Biologen! Klausur So oder so ? • Nach Endes des Semesters wird eine zweistündige (120 min) Klausur geschrieben. Termin: Freitag, 27. 7. 07, 10-12 Uhr (Liebig- und Buchner-HS) oder Dienstag, 6. 8. 07, 10-12 Uhr (Liebig- und Buchner-HS) • Diese wird mit mind. ~ 50 % der maximalen Punktzahl bestanden. • Kurz vor Beginn des Wintersemesters wird eine Wiederholungsklausur angeboten. Termin: Mittwoch, 12. 10. 07, 10-12 Uhr (Liebig- und Buchner-HS) • Zugelassen zur Klausur sind: Taschenrechner, mathematische Formelsammlung, ein handschriftlich beidseitig beschriebenes DIN A4-Blatt Wie funktioniert die Übung? 1. Jeden Freitag wird in der Vorlesung ein Übungsblatt ausgeteilt. Dieses finden Sie auch auf der Internet-Seite. 2. Bearbeiten Sie dieses Blatt alleine oder mit Kollegen vor der Übungsstunde. 3. In den Übungsstunden werden dann die Aufgaben von Ihnen oder vom Betreuer vorgerechnet. Die Teilnahme an der Übung wird nicht bewertet! Sie ist aber eine sehr gute Vorbereitung auf die Klausur! Internet Die Unterlagen zu diesem Kurs • „Lückentext“ • Übungsaufgaben • „Further Reading“ finden Sie im Netz unter ... http://www.bmo.physik.uni-muenchen.de/~gilch/pn2_07/ Schauen Sie bitte regelmäßig auf diese Seite, da wir dort auch etwaige Terminänderungen, etc. ankündigen! Literatur (Vorschläge) „Man kann ein Studium bestehen, ohne je in eine Vorlesung gegangen zu sein, aber kaum, ohne je in ein Lehrbuch geschaut zu haben.“ Physik Paul A. Tipler Spektrum Akademischer Verlag ISBN: 3860251228 Physik für Hochschulanfänger H. Wegner Teubner Studienbücher ISBN: 3519230534 Kurzes Lehrbuch der Physik G. Klages Springer, Berlin ISBN: 3540435476 Physik für Biologen D. Pelte Springer ISBN: 3540211624 Was haben wir vor? 20.4. Überblick über Themen des Semesters 27.4 Elektrostatik 4.5 Elektrischer Strom 11.5 Magnetismus 18.5. Magnetische und elektrische Wechselfelder - Induktion 25.5. Wechselstromkreise 1.6. Elektromagnetische Wellen 8.6. Ausbreitung EM-Wellen 15.6. Spektroskopie 22.6. Geometrische Optik 29.6. Optische Instrumente - Mikroskop 6.7. Quantenmechanik 13.7. Atomphysik / Molekülphysik 20.7. Aktuelle physikalische Forschung in Chemie und Biologie Elektrodynamik Optik Quantenmechanik Die Physik im Überblick Angewandte Physik: Astrophysik, Biophysik, Atomphysik, Optik, ... Statische Physik, Thermodynamik Allgemeine Relativitätstheorie Kern- und Teilchenphysik Quantenmechanik, Quantenelektrodynamik Spezielle Relativitätstheorie Mechanik Elektrodynamik Gravitationskraft Elektrische Kraft Schwache Kernkraft Die fundamentalen Kräfte Starke Kernkraft Für Chemiker und Biologen am wichtigsten: Elektrische und magnetische Kräfte Das Leben verliefe ohne Schwerkraft sicher anders … Aber: Technische Anwendungen der Elektrodynamik Radiowellen, Licht, UV-Strahlen, Röntgen-Strahlen ... Einige behandelte Phänomene Experiment CD-Spektrometer Wir wollen behandeln z.B. • Was haben dieses Strahlen/Wellen gemeinsam? • Was unterscheidet sie? Experiment Polarisation Elektrische und magnetische Kräfte und der Aufbau der Materie Was hält die Welt im Innersten zusammen? Atome und Moleküle: Experiment Helium-Ballons Vergleich Gravitationskraft und elektrische Kraft im H-Atom + - Es gibt keine chemischen Kräfte! z.B. NaCl-Kristall z.B. H2-Molekül - + + - Elektrische und magnetische Phänomene im atomaren und molekularen Bereich ... ... müssen mit Hilfe der Quantenmechanik beschrieben werden. Im atomaren Bereich gibt es keine klassischen Bahen Sondern Aufenthaltswahrscheinlichkeiten Elektrische oder mechanische Kräfte erklären nicht alles: Atomkerne, Kernkräfte, Radioaktivität Warum ist der Kern des Heliums stabil? + + Starke abstoßende Coulombkräfte zwischen Protonen! Warum sind bestimmte Kerne nicht stabil? Radioaktivität: Bilanz zwischen abstoßenden Coulombkräften und anziehenden Kernkräften „ungünstig“! Elektrodynamik Wie wer das noch einmal in der Mechanik? Keplers Gesetze Galileis Gesetze Newtons Axiome r r 1. F = 0 ⇒ v = 0 r r 2. F = ma r r 3. F12 = − F21 Elektrodynamik: Ersetze Newton durch Maxwell + - - CoulombGesetz U=RI Ohmsches Gesetz Maxwell-Gleichungen (integrale Form) r r d r r E • d r = − B • dS ∫K dt ∫SK r r d r r 1 (II) c 2 ∫ B • dr = ∫ E • dS + K dt SK ε0 r r 1 (III) ∫ E • dS = ∫ ρdV (I) SO ε0 r r (IV) ∫ B • dS = 0 SO Faradaysches Induktionsgesetz VSO ∫ SK r r j • dS Unser Held (III): James Clerk Maxwell 1831 in Edinburgh geboren (Gutsbesitzer-Familie) 1846 Maxwell schreibt sein erstes Paper (mit 14 Jahren!, über Ovale) 1847-50 Studium Mathematik und Physik in Edinburgh 1850-54 Studium in Cambridge 1856 Professor in Aberdeen 1860 Professor am King´s College in London 1865-71 „Privatier“ in Schottland 1871-79 Professor in Cambridge 1831-79 • Arbeiten zu Elektrizität und Magnetismus (MW-Gleichungen) • Vorhersage der elektromagnetischen Wellen • Arbeiten zur statistische Mechanik (Maxwell-Verteilung) • Arbeiten zur Farbwahrnehmung – zusammen mit seiner Frau hat er das erste Farbphoto erstellt. Ein kurzer Blick auf die Maxwell-Gleichungen "War es ein Gott, der diese Zeichen schrieb?" Goethe Zitat, das Ludwig Boltzmann einer Vorlesung über die Maxwell-Gleichungen voranstellte. r r d r r (I) ∫KE • dr = − dt ∫SKB • dS r r d r r 1 2 (II) c ∫ B • dr = ∫ E • dS + K dt SK ε0 r r 1 (III) ∫ E • dS = ∫ ρdV SO ε0 r r (IV) ∫ B • dS = 0 SO VSO Elektrisches Feld ∫ SK r r j • dS Magnet. Feld Ladungsdichte Stromdichte Lichtgeschwindigkeit Einiges zu Vektorfeldern Elektrisches und magnetisches Feld sind vektorielle Größen, die vom Ort und der Zeit abhängen können. Graphische Darstellung über Feldlinien Starkes Feld Schwaches Feld Feld mit Quelle Feld mit Wirbel Was bedeuten diese Integralsymbole? 1. Wegintegral r r E • d r ∫ K Geschlossenes Wegintegral längs K Was bedeuten diese Integralsymbole? 2. Flächenintegral r r B • d S ∫ SK Flächenintegral über eine Fläche SK, die durch die Kurve K begrenzt ist. Wird auch als „Fluß“ bezeichnet. Gleiche Kurve K andere Flächen SK SK Wegner, Physik für Hochschulanfänger Was bedeuten diese Integralsymbole? 3. Volumenintegral ∫ VSo ρdV Volumenintegral über von SO eingeschlossenem Volumen
