Ausgewählte Kapitel der Physik

Ausgewählte Kapitel der Physik
Mein Name: Prof. W. de Boer, Inst. f. Exp. Kernphysik;
Koordinaten: PHH 9-19; Tel. 608-3593
email: [email protected]
Webseite:
www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/Modernephysik
Übungen Ende der Woche
und Folien auf dieser Webseite!
Sprechstunde: nach der VL am Mi. oder Fr.
26.04.06
Ausgewählte Kapitel der Physik, SS 06, Prof. W. de Boer
1
Ziel der Vorlesung
•Physik als Grundlage für Ingenieurwissenschaften
vor allem Verständnis der physikalischen Vorgänge
wenn Systeme KLEIN und/oder SCHNELL werden
(Relativitätstheorie und Quantenmechanik)
Angebote:
•
Vorlesung mit Experimenten und wissensch. Gespräch
4 SWS (Mi+Fr um 8:00 in Gerthsen HS)
•
Übungen 1 SWS Do 15:45 Lehmann HS
•
Praktikum (3 Versuche) am 4.7+11.7+18.7
(Anmeldung am 26.6+27.6 bei Fr. Zeckai)
Prüfung zum Vordiplom:
Klausur (über VL+Übungen + Praktikum)
in der Woche vor Semesteranfang (SS+WS)
(nur eine Wiederholung möglich, inkl. mündliche Nachprüfung)
26.04.06
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2
Regeln bei Übungen
Sie können Klausurpunkte sammeln, wenn Sie regelmäßig
an den Übungen teilnehmen UND vorrechnen
(Größenordnung: Sie sammeln bis zu 30%
der bei der Klausur benötigten Punktzahl!)
(Sie tragen VOR der Übung ein welche Aufgaben Sie gerechnet
haben und Tutor wählt nach dieser Liste aus,
wer welche Aufgabe vorrechnen soll.)
(Wenn Sie ausgewählt wurden und NICHTS vorbereitet
haben, führt dies zu NEGATIVEN Klausurpunkten!)
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3
Kreativität des Gehirns
Arrive
Kaffee
Vorlesung
Leave
Lunch
Übungen
8
10
12
14
16
18
20
22 Zeit
Sub-optimale Nutzung des Gehirns
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4
Besseres Zeiteinteilung
Vorlesung
Übungen lösen
Wissenschaftliches
Lunch Gespraech
Leave
Kaffee
8
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10
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20
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22 Zeit
5
Wie lernen wir?
Wir behalten von dem
•Was wir lesen:
10%
•Was wir hören: 20%
•Was wir sehen:
26.04.06
30%
•Hören und sehen: 50%
Vorlesungen
•Selber sagen:
70%
Wissenschaftliches
Gespräch!
•Selber tun:
90%
Übungen
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6
Wissenschaftliches Gespräch
Prüfen Sie im wissenschaftliches Gespräch :
•Sind Sie mit dem wichtigsten Konzepten (z.B.
Newtonsche Gesetze), Messmethoden (z.B. Luftdruck),
Gröβenordnugnen (z.B. Atomgrö βe) vertraut?
•Können Sie mit Ihrem Physik-Basiswissen umgehen?
•Wie kommen Sie mit Fragestellungen weiter, über die Sie bisher
nicht nachgedacht haben?
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7
Literatur
1.
Gerthsen Physik von Gerthsen/Meschede (Springer) 65
Euro
2. Physik von Tipler (Spektrum) 69 Euro
(Neue Ausgabe: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure
von Tipler et al.) 75 Euro
1. Physik für Ingenieure, H. Lindner 35 Euro
(Fachbuchverlag Leipzig)
4. Physik für Ingenieure, Hering, Martin, Stöhrer 45 Euro
(VDI Verlag)
5. Physik von Alonso/Finn Addison-Wesley 49 Euro
6. Taschenbuch der Physik von Stoecker 29 Euro
1. und 2 sehr gut, ALLE Gebiete (brauchen nicht alles)
3. und 4. sehr verständlich, aber wenig Atomphysik
Vorschlag: kaufen sie alten Tipler gebraucht (Amazone,39Euro)
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8
Vorlesungsinhalt
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Curriculum Vitae: Wim de Boer
1966-1971: Studium TH Delft (NL)
1971-1974: Fellowship am CERN (Genf)
(European Center for Particle Physics)
1974-1976: Postdoc in USA (Argonne)
1976-1987: Forschung am DESY (HH)
(Deutsches Elektronen Synchrotron)
1987-1988: Forschung am SLAC (USA)
Ab 1989: Professur Exp. Teilchenphysik KA
Exp. am CERN und auf ISS
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Energie des Universums
Nur 4% besteht aus
uns bekannte Materie
Rest besteht aus einer
Form die bisher nicht
im Labor hergestellt
werden konnte.
Dunkle Materie Suche
am LHC Beschleuniger
am CERN in Genf und im
Weltraum
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Vorlesungsinhalt - 1
Mechanik
1. Einige Grundlagen der klassischen Mechanik
Bewegungsgrößen, Newtonsche Axiome, Bezugsysteme
2. Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie und einige Folgerungen
Inertialsystem, Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation, Längenkontraktion, Massenzunahme,
relativistische Bewegungsgrößen, Äquivalenz Masse/Energie
3. Der harmonische Oszillator
freier harmonischer Oszillator, Überlagerung von Schwingungen, gedämpfter Oszillator,
Fourier-Integral und Lorentz-Kurve, erzwungene Schwingung / Resonanz
II.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
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Mechanische und elektromagnetische Wellen
Mathematische Beschreibung von Wellen
Verschiedene Arten von Wellen
Energietransport
Elektromagnetische Wellen
ebene Lichtwelle, Wellengleichung, Dispersionsrelation, Intensität
Wellenpakete
Gruppen-/Phasengeschwindigkeit
Kohärenz und Interferenz
stehende Wellen, Huygensches Prinzip
Reflexion und Brechung
Beugung
Spalt, Vielfachspalt, Gitter, Auflösungsvermögen, Gitterspektrometer, Hologramm
Polarisation
lineare/zirkulare Polarisation, Brewster-Winkel, Doppelbrechung
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Vorlesungsinhalt - 2
III. Geometrische Optik
1. Reflexion
2. Brechung und Totalreflexion
3. Abbildungen durch Linsen
Brennpunkt, Abbildungskonstruktion, Hauptebenen
4. Optische Instrumente
Auge, Lupe, Kamera, Mikroskop, Fernrohr
IV. Quantenoptik
1. Teicheneigenschaften elektromagnetischer Strahlung
photoelektrischer Effekt, Compton-Effekt, Paar-Erzeugung und –Vernichtung
Bremsstrahlung und Röntgenspektrum, Strahlung eines schwarzen Körpers,
Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen im Atom, Laser
2. Welleneigenschaften von Teilchen
de Broglie-Wellenlänge, Elektronenbeugung
3. Unschärfe-Relationen
4. Dualismus Welle-Teilchen / Die Wellenfunktion
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Vorlesungsinhalt - 3
V. Physik der Atomhülle / Grundlagen der Quantenmechanik
1. Das Atom: einige grundlegende Eigenschaften
2. Das optische Spektrum des H-Atoms
3. Der Franck-Hertz-Versuch
4. Das Bohrsche Atommodell
Postulate, Energie-Niveaus des H-Atoms, Unzulänglichkeiten
5. Die Schrödinger-Gleichung
freies Teilchen, stationäre und zeitabhängige Schrödingergleichung, Operatoren
6. Teilchen in Potentialtöpfen
Kastenpotential, parabolisches Potential/q.m. harmonischer Oszillator,
Tunneleffekt
7. Quantenmechanische Behandlung des H-Atoms
Schrödinger-Gleichung des H-Atoms, Wellenfunktionen, Quantenzahlen, Termschema
8. Bahndrehimpuls, Spin und magnetische Momente
quantenmechanische Drehimpulse, magnetische Quantenzahl, Spin,
Zeeman-Effekt, Spinresonanz
9. Pauli-Prinzip und Quanten-Statistik
Ausschlussprinzip, Periodensystem, Bosonen, Fermionen,
Verteilungsfunktionen
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Vorlesungsinhalt - 4
VI. Festkörperphysik
1. Kristallstruktur und chemische Bindung
2. Kristallstrukturanalyse
3. Elektronen im Festkörper
Bändermodell, elektrische Leitfähigkeit von
Metallen und Halbleitern
4. Thermische Eigenschaften von Festkörpern
Phononen, molare Wärmekapazität (Phononen/Elektronen),
Wärmeleitfähigkeit
VII. Kern- und Teilchenphysik
1. Aufbau des Atomkerns
2. Tröpfchenmodell des Atomkerns
3. Das Fermigasmodell/Schalenmodell
4. Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung
5. Radioaktiver Zerfall
6. Kernspaltung
7. Elementarteilchen und fundamentale Wechselwirkungen
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Newton (1643-1727)
Newton: um einen Körper zu veranlassen, seine gradlinige
gleichförmige Bewegung aufzugeben, muss eine Kraft wirken.
Eine Kraft führt zu einer Beschleunigung, die proportional zur
Kraft ist. Proportionalitätskonstante= „träge” Masse, d.h. F=ma
Bsp: Beschleunigung eines Autos hängt von seiner ‘trägen’ Masse ab.
F=ma gilt auch
für Gravitationskräfte
m=„schwere“ Masse
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Wissenschaftliches Gespräch
Beim Abschuss eines Pfeils lässt Affe sich aus Baum
fallen. Ist dies klug?
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Vorlesung 1:
Roter Faden:
1. Definitionen der mks-Einheiten
2. Definition eines Vektors
3. Bewegung eines Massenpunktes
• in einer Dimension
• in zwei Dimensionen
• in drei Dimensionen
Exp: Bücher fallen, Affe schiessen
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Physikalische Gröβen
• Eine physikalische Gröβe ist ein Attribut, dass
in einem Experiment gemessen wird oder in
einer Theorie ausgerechnet wird.
• Es besteht aus einem Symbol, Zahl und
Einheit, z. B. X=10[m]
• Typische Einheiten: m, kg, s, A, K, Candela
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Physikalische Gröβen
Griechisches Alphabet
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Prefixe
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Gröβenordnungen
m
m
m
m
• Die Potenz von 10 nennt man
die Gröβenordnung
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1. Mks-Einheiten
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1. Mks-Einheiten
1 Mol entspricht 6.1023 Teilchen
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1. Abgeleitete Gröβen
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1. Abgeleitete Gröβen
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2. Vektoren
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2. Vektoren
b
b
+
a
b
a
a
a-b
-b
c
a
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b
d
e=a+b+c+d
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2. Vektoren
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2. Vektoren
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3. Mechanik von Massenpunkten
Ein Massenpunkt ist sehr oft eine gute Näherung für
Fragestellungen, wenn Ausdehnung keine Rolle spielt,
wie z.B. bei Planetenbewegungen.
Ansonsten Ausdehnung berücksichtigen
durch Summe über viele Massenpunkte zu nehmen.
Kinematik: Beschreibung von Bewegungen durch
Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung als
Funktion der Zeit, d.h. x(t), v(t) und a(t).
Dynamik: Beschreibung von Bewegungen unter
Berücksichtigung der Ursachen der Bewegungen,
d.h. unter Berücksichtigung der Kräfte.
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3. Mechanik von Massenpunkten
Bewegung in einer Dimension:
Ort als Funktion der Zeit, x(t):
Geschwindigkeit: v(t)
Beschleunigung: a(t)
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Beispiel: Strassenbahn zwischen zwei Haltestellen
v
Konvention:
t
“Geschwindigkeit”=
Momentane Geschwindigkeit
“Beschleunigung”=
momentane Beschleunigung
a
t
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3. Mechanik von Massenpunkten
Spezialfall 1: a(t)=0:
x(t)
v(t)= x(t)
a(t)=v(t)=x(t)
a=konstant;
v=v0+at;
x=x0+v0t+1/2at2
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3. Mechanik von Massenpunkten
Spezialfall 2: a(t)=-g:
(fallender Stein)
x(t)
v(t)= x(t)
a(t)=v(t)=x(t)
a=konstant;
v=v0+at;
x=x0+v0t+1/2at2
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Wichtig: Bewegung in
x- und y-Ri. UNABHÄNGIG!
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3. Mechanik von Massenpunkten
Bewegung in zwei Dimensionen:
Wichtig: Bewegung in x,y,z-Ri.
UNABHÄNGIG!
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3. Mechanik von Massenpunkten
Beispiel: Vertikaler Fall ohne/mit
horizontaler Anfangsgeschwindigkeit:
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Wissenschaftliches Gespräch
Beim Abschuss eines Pfeils lässt Affe sich aus Baum
fallen. Ist dies klug?
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Antwort
des Pfeils
Annahme:
Pfeil
unabhängig von der Zeit
Affe wird immer getroffen.
Besser nicht gesprungen.
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Beispiele
Bewegung in drei Dimensionen:
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Zum Mitnehmen aus VL1:
Kinematik=Beschreibung einer Bewegung
durch Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung
in Abhängigkeit der Zeit:
x(t)
v(t)= x(t)
a(t)=v(t)=x(t)
a=konstant; v=v0+at; x=x0+v0t+1/2at2
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