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Physik PHB3/4 (Schwingungen, Wellen, Optik)
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PHYSIK PHB3/4 (3./4. Semester)
Schwingungen, Wellen, Optik
I.
Geometrische Optik, Strahlenoptik (PHB3)
1
Grundbegriffe und Grundlagen
Lichtstrahlen, Lichtbündel, Reflexion, Brechung, Dispersion, Totalreflexion,
Absorption, Fermatsches Prinzip
2 Optische Abbildungen
2.1 Din-Vorzeichenkonvention
2.2 Bildentstehung bei Spiegeln
Ebene Spiegel, sphärische Spiegel
2.3 Bildentstehung bei Linsen
Dünne Linsen, dicke Linsen, Abbildungsgleichungen, Hauptebenen, zweistufige
Systeme aus dünnen und dicken Linsen, Messung der Brennweite
3 Blenden im Strahlengang
4. Optische Instrumente
Auge und Lupe, Mikroskop und Fernrohr
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II. Schwingungen (PHB3)
1 Systeme mit einem Freiheitsgrad (N = 1)
1.1 Ungedämpfte freie Schwingungen
Allgemeine Eigenschaften, der harmonische Oszillator (Federpendel,
Torsionspendel, mathematisches und physisches Pendel, LC-Schwingkreis),
Energiebetrachtungen, Phasenraumdarstellung, weitere Beispiele zu harmonischen
Schwingungen (Molekülmodell, longitudinale und transversale Schwingungen von
Masse/Federsystemen)
1.2 Gedämpfte freie Schwingungen
Reibungskraft proportional v (viskose Reibung), Schwing-, Kriech- und aperiodischer
Grenzfall, Energiebetrachtungen),
Reibungskraft konstant (trockene Reibung)
1.3 Erzwungene Schwingungen
Schwingungs-DGL, Lösung (komplexe Schreibweise), Diskussion der Lösung im
Komplexen, Resonanz (Lage, Höhe, Breite, Güte, Phase),
Elektrischer Serien-Schwingkreis (RLC),
Energiebetrachtungen
1.4 Nichtlineare Schwingungen und Chaos
Allgemeine Beispiele zu nichtlinearen Systemen, Schwingungs-DGL des
Duffing Oszillators (z.B. Pohlsches Rad mit Unwucht) , Chaos
2. Systeme mit mehreren Freiheitsgraden
2.1 Überlagerung von Schwingungen
Superpositionsprinzip für lineare Systeme,
Überlagerung gleicher Raumrichtung (Schwebung, Modulation),
Amplitudenmodulation (AM), Phasen- bzw. Frequenzmodulation (FM),
Überlagerung senkrechter Raumrichtungen (Lissajousfiguren),
Fourieranalyse (Fourierreihen, Fourierintegrale)
2.2 Gekoppelte Schwingungen (N = 2)
Eigenschwingungen und Bedeutung der Eigenschwingungen,
longitudinale und transversale Eigenschwingungen, lineare Kette,
Schwingungen mit vielen Freiheitsgraden => Übergang zu Wellen
2.3 Wellengleichung
Wellen auf einer gespannten Saite, Phasengeschwindigkeit, Wellenzahl,
Superposition von Eigenschwingungen
(z.B. Anzupfen einer Saite), mehrdimensionale Eigenschwingungen,
stehende Wellen, Beispiele zu stehenden Wellen
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III. Wellen (PHB4)
1. Allgemeine Wellenlehre - mechanische Wellen
Grundbegriffe: Longitudinale und transversale Wellen, Polarisation,
Phasengeschwindigkeit, Gruppengeschwindigkeit, Dispersionsrelationen,
Beispiele für Dispersionsrelationen (Lineare Kette, Plasmaschwingungen,
lineare LC-Kette), Energietransport, Intensität,
Wellenwiderstand, Reflexion und Transmission
2. Akustik
Wellengleichung, Schallgeschwindigkeit, Schallfeldgrößen, Schallpegel
(physikalisch), Lautstärkepegel (physiologisch),
Schallerzeugung (elektroakustische Wandler), Ultraschall, Dopplereffekt
3. Elektromagnetische Wellen
Elektrostatik, Magnetostatik, Induktion (Wiederholung - Stoff 2. Semester)
Maxwellgleichungen, Lösung für das Vakuum (ebene elmag. Wellen), Intensität,
freie elektromagnetischen Wellen, Dipolstrahlung,
leitungsgeführte elektromagnetische Wellen, Lecherleitung,
Strahlungsdruck
4. Wellenoptik
4.1 Wechselwirkung von elektromag. Wellen (Licht) mit Materie)
Reflexion und Transmission an Metallen und Dielektrika,
Dispersionstheorie (Brechzahl, Absorption), Farbenlehre,
Das Huygenssche Prinzip (Brechung, Totalreflexion)
4.2 Polarisation
Definitionen (lineare, zirkulare und elliptische Polarisation),
Fresnelgleichungen, Brewsterwinkel, Erzeugung von polarisiertem Licht,
Doppelbrechung, Dichroismus, Pockelseffekt, Kerreffekt, optische Aktivität,
Anwendungen der Doppelbrechung (Retarderplättchen)
4.3 Interferenz
Kohärenz, Zweistrahl-Interferenz, Interferenz an dünnen Schichten,
Interferenzen gleicher Neigung, Interferenzen gleicher Dicke, dielektrische
Schichten, Interferometer (Michelson, Fabry, Perot), Fourier-Spektroskopie
4.4 Beugung
Einfachspalt, Doppelspalt, Gitter, Kreisblende, Bragg-Reflexion,
Gitter-Spektroskopie, Auflösungsvermögen optischer Instrumente
4.5 Welle-Teilchen Dualismus
Materiewellen (DeBroglie Beziehug)
4.6 Neuartige Techniken in der Optik
Konfokale Mikroskopie; Nahfeldmikroskopie, Diffraktive Optik, Fourieroptik