Farbe - Physik-Department E18

Wintersemester 2004/2005
Stephan Paul
Physik Department E18 – TU-München
Einführung
Organisation:
ƒ Informationen via WWW (www.e18.physik.tu-muenchen.de/teaching/phys3/index.html)
ƒ Klausuren
ƒ
• DVP: Physik III/IV September 2005 (wird vom Prüfungsamt mitgeteilt)
• Freischussklausur: xx. Februar 2005 (Zulassung via Übungen s.u.)
ƒ
Übungen
• Übungsleiter: Bernhard Ketzer (Physik - E18)
- Betreuer: Jan Friedrich, Anna-Maria Dinkelbach, Boris Grube, Bernhard Ketzer, Axel-R.
Müller, Nils Syassen, Weitzel Quirin, L. Schmitt)
• 7 Gruppen (Einteilung 18.10-21.10. – bitte via WWW in Listen eintragen)
http://www.e18.physik.tu-muenchen.de/teaching/phys3_uebung/index.html
• Übungsaufgaben werden am Montag ausgeteilt
- Auch als download verfügbar
• Ablauf:
- Bei Beginn einer Übung:
o Anwesenheitsliste (2/3 Anwesenheit für Klausurzulassung notwendig)
o Markierung welche Aufgaben gut vorbereitet wurden (Punktesystem)
- Vorrechnen an der Tafel (mind. 2 Unteraufgaben für Klausurzulassung)
• Musterlösungen im Internet
2
Experimentalphysik 3/4 – Übungsbetrieb
ƒ
ƒ
ƒ
ca. 160 Studenten
7 Übungsgruppen vorgesehen
Freischussklausur Exp-Phys 3 am Ende des 3.
Semesters:
• ,,Art, Umfang und Dauer der studienbegleitenden Prüfungen
werden zu Beginn der Lehrveranstaltung vom Dozenten
festgelegt und den Studenten mitgeteilt''
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DVP II (Sommer 2005): Keine Scheinpflicht
• 1.5h Exp-Phys 3 + 1.5h Exp-Phys 4
3
Hinweise zur Vorlesung
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Literatur
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W.Zinth/H.-J.Körner (Oldenbourg)
Skriptum R. Gross (http://www.wmi.badw.de/E23/lehre/vorlesung/index.html)
H.Daniel - Optik (W. de Gruyter)
W.Demtröder – E-Lehre und Optik (Springer)
E. Hecht (Addison Wesley)
M.Born/E.Wolf (Cambridge Univ. Press)
H.Haken/H.-C. Wolf (Springer)
Infos zur Vorlesung
• www.physik.tu-muenchen.de/~kressier
• Transparente (sofern verfügbar) als PDF im Internet
• Versuchsbeschreibungen im Internet
4
Inhaltsangabe I
VorlesungsNummer
1
Datum
Spezielle
Aufgaben
18.10.2003 Einführung,
Gruppenaufteilung
2
21.10.2003 Gruppenaufteilung
3
25.10.2003
4
29.10.2003
5
01.11.2003
04.11.2003
Allerheiligen
6
7
08.11.2003
11.11.2003
Stoff
Einfuehrung,
Geschichte, Wellen,
Elektromagnetische
Wellen Teil 1 Einfuehrung
Fourrier Zerlegung,
Lichtdruck,
Brechungsindex,
Dispersion Teil I
Dispersion Teil II,
Durchgang von Licht
durch verschiedene
Materialien,
Absorption, Farben,
Streuung
Rayleigh Streuung,
Polarisation in der
Streuung,
Brechungsgesetz,
Fresnellsche Fomeln,
Brew esterw inkel,
Totalreflexion,
Drehung der
Polarisation,
Aenderung der Phase
Drehung der
Polarisation,
Aenderung der Phase,
Polarisation,
Huygensches Prinzip,
Fermastsches Prinzip,
Dichroismus
Polarisatoren,
Doppelbrechung,
Kalkspat, Lambda/2
Lambda/4 Plaettchen
8
15.11.2003
9
18.11.2003
10
22.11.2003
11
25.11.2003
12
29.11.2003
13
02.12.2003
05.12.2003
14
09.12.2003
15
12.12.2003
16
16.12.2003
17
19.12.2003
Dies
Optische Aktivitat, Kerr
Effekt, Faraday Effekt,
Geometrische Optik Einfuehrung,
Abbildung, Spiegel,
Lochkamera,
sphaehrischer Spiegel
Sphaerischer Spiegel,
Parabolspiegel, Prisma,
Linsen - Einfuehrung,
duenne Linsen,
Zylinderlinse
dicke Linsen, MatrixOptik, Linsenfehler:
chromatische
Aberration,
sphaerische
Aberration, Koma,
Astigmatismus,
Bildfeldw oelbung,
Verzeichnung,
Kohaerenz
Interferenz
Interferenz,
Interferometer
Beugung, Spalt, Gitter,
Gitterspektograph,
Fresnelsche Ringe
Kirchhoffsche
Beugungstheorie,
Fresnel, Frauenhofer,
Fourrier-Darstellung
der Beugung
Optische Instrumente
und ihre Auflosung
Moderne optik Fernrohre,
Interefernzteleskope,
Aulosung optische
Instrumente
5
Inhaltsangabe II
Fourier Optik Nichtlineare
Optik
Einfuehrung
Quantenphysik,
Photoeffekt, Messung von
h, Anw endungen des
Photoeffektes
Comptoneffekt,
Charakteristische
Roentgenstrahlung,
Paarerzeugung, Drehimpuls
der Photonen
19
07.01.2004
20
11.01.2004
21
14.01.2004
22
17.01.2004
Welle Teilchen Dualismus,
Strahlungsgesetze, (Wien,
Stefan Boltzman, Rayleigh,
Strahlungsformeln (Planck),
23
20.01.2004
Laser, Eigenschaften
Elektron/Positron, SternGerlach, Curie, Einstein de
Haas, Zyklotronfrequenz
24
24.01.2004
25
27.01.2004
Materiew ellen,
Wellenpakete,
Wellenfunktion
Unschaerferelation,
Schroedingergleichung
26
31.01.2004
27
03.02.2004
28
07.02.2004
29
10.02.2004
Anw endungen der
Schroedingergleichung,
Tunneleffekte, AlphaZerfall
Quantisierung gebundener
Zustaende
Wasserstoffatom, Aufbau
der Atome
Ueberhang
6
I - Geschichtliches
ƒ
Optik war Wegbereiter zur modernen Physik
• Praktischer Nutzen
• Intellektuelle Herausforderung
ƒ
Stationen der Optik
• Antike:
- Griechen: Spiegel (poliertes Kupfer, Bronze, Zinn)
o Lichtphänomene studiert durch Philosophen: geradlinige Ausbreitung, Relexionsgesetz
(Euclid 300 v. Chr.)
o Brennglas ist von Aristophanes zum erstenmal erwahnt worden (in Komedie)
- Römer Planar-konvexe Linse in Pompeji gefunden
o Seneca nimmt Bezug auf Vergorsserungseffekt in Wasser gefüllten Glaskoerper
- Ägypter
o
o
o
o
Altes Ägypten: Spiegel (ca. 1900 v. Chr.) im Niltal gefunden
Brechung durch Claudius Ptomoleus studiert
1. Jhdt: Heron von Alexandria – Lichtausbreitung folgt Prinzip des kurzesten Weges
1000: Alhazen studiert Reflexion, spharische und parabolische Spiegel, Menschl. Auge
• Neuzeit: Europa
- Erster Wissenschaftler (im heutuigen Sinne) Roger Bacon (1215-1294)
o Linsen zur Sehkorrektur
o Kombination von Linsen
o Erstes Verständnis des Durchgangs von Licht durch Linsen
7
Geschichtliches
• 1608 : Lippershey (1587-1619) meldet erstes Fernrohr zum
Patent an
• Fernrohr von Galileo und Kepler (1571-1630)
weiterentwickelt
- Sternbeobachtung
Galilei Galilei
(1546-1642)
• Entdeckung des Mikroskops durch Z. Janssen (1588-1656)
• Kepler entdeckt das Gesetz der Totalreflektion und
Brechungsgestz fuer kleine Einfallswinkel, dünne Linsen
• Snell (1591-1626) entdeckt Brechungsgesetz 1621
• Descartes reformuliert das Brechungsgesetz (Sinus-Gessetz) Rene Descartes
Ö Bau von Linsen
Ö Brille (Sehgläser)
• Grimaldi (1618-1663) entdeckt die Beugung
• Fermat formuliert Brechungsgesetz aus seinem Prinzip der
minimalen Wirkung
• Intereferenzerscheinungen beobachtet von Hooke (16351703) und Boyle (1629-1695) – an dünnen Schichten
- Beginn der Wellentheorie
(1596-1650)
Pierre de Fermat
(1608-1665)
8
Geschichtliches
ƒ
Newton beobachtet die spektrale Zerlegung des Lichtes.
•
•
•
•
ƒ
Formulierung der Lichtausbreitung (Korpuskulartheorie)
Teilchen fur jede Farbe
Wellenausbreitung im Ather (Wellenlange)
Sir Isaac Newton
Chromatische Aberrationen – Versuch der Korrektur fehlgeschlagen (1642-1727)
Huygens entwickelt die Wellentheorie
Ö Lichtgeschwindigkeit in dichten Medien
Ö Brechungsgesetz, Beugung, Doppelbrechung in Kalzit
• Entdeckung der Polarisation
•
•
Konkurrierende Vorstellungen: Licht als Teilchenstrom oder
schnelle Schwingung des Athers ?
Fresnel und Young stützen Wellenbild durch Experimente
Christian Huygens
(1629-1695)
• Fresnel erarbeitet mathematische Formulierung
•
•
•
Faraday macht bahnbrechende Experimente in Elektrizitat ind
Magnetismus
Maxwell vereinheitlicht magnetische und elektrische Felder
Theoretische Abschätzung der Lichtgeschwindigkeit in
Übereinstimmung mit Experiment
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
9
Geschichtliches
ƒ
ƒ
Poincare (1854-1912) zweifelt an Äthertheorie
Einstein formuliert spezielle Relativitätstheorie (1905)
•
•
Ö
•
•
Lichtwellen pflanzen sich durch den leeren Raum fort
Planck begründet die Quantenmechanik (1900)
Optik und Licht – Dualismus von Welle und Teilchenbild:
•
•
•
•
Äthertheorie widerlegt
Lichtgeschwindigkeit unabhängig von Bewegung des Bezugssystems
Albert Einstein
(1879-1955)
Licht breitet sich wie Welle aus
Emission und Absorption von
Licht wie Teilchen
Beispiel Æ
Im 20. Jahrhundert: Verlagerung auf
Atomphysik:
Heute: Aktive Forschung in der
Quantenoptik
•
Technische Nutzung bei
Informationsübertragung
•
•
Prazisionsphysik
Grundlagenforschung
Photo mit Bildverstaerkertechnik
Granularitaet bei Lichtwechselwirkung
mit Materie
10
Theorie elektromagnetischer Wellen
wf
wx
df
d[ wf
wt
df d[
˜
d [ dt
wf
wx
df
d[ wf
wt
v
df
d[
df
v
d[ 2.1.3
2.1.4
11
Theorie Elektromagnetischer Wellen
12
Theorie elektromagnetischer Wellen
ƒ
Andere Wellenformen:
• Kugelwelle
• Zylinderwelle
Kugelwelle bei grossem Abstand
13