Experimentalphysik 1+2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik (mit Praktikum) (EP-12)15 ECTS
(englische Bezeichnung: Experimental Physics 1&2: Mechanics, Thermodynamics and Electrodynamics (with lab courses))
(Prüfungsordnungsmodul: Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)

Lehrveranstaltungen:

• Mechanik
  • Experimentalphysik 1 für Physikstudierende: Mechanik (WS 2020/2021)
    (Vorlesung, 5 SWS, Peter Hommelhoff, Di, Fr, 10:00 - 12:00, HG, HD, HE, HF, HH; Mi, 16:00 - 18:00, HG, HD, HE, HF, HH, HC; Mo, Di, Fr, (außer Fr 8.1.2021, Fr 15.1.2021, Fr 22.1.2021, Fr 29.1.2021, Fr 5.2.2021, Fr 12.2.2021); Di, 10:00 - 12:00, Raum n.V.; Der Mittwochstermin nur ca. jede zweite Woche. Genaue Termine werden in VL bekanntgegeben.)
  • Übungen zur Experimentalphysik 1 für Physikstudierende: Mechanik (WS 2020/2021)
    (Übung, 2 SWS, Peter Hommelhoff et al.)
• Wärmelehre und Elektrodynamik
  • Experimentalphysik 2 für Physikstudierende: Wärmelehre und Elektrodynamik (SS 2021)
    (Vorlesung, 5 SWS, Peter Hommelhoff, Mo, Mi, 10:00 - 12:00, HG, HH, HD, HF; jede 2. Woche Fr, 8:00 - 10:00, HG, (außer Fr 14.5.2021); jede 2. Woche Fr, 8:00 - 10:00, HH, HD, HF; jede 2. Woche Fr; VL vom 14.5. findet wegen Feiertag in der Woche am 7.5. statt. Wie schon im Wintersemester werden wir wieder viele Hörsäle zur Verfügung haben, damit Sie alle vor Ort die Vorlesung hören und die Experimente hinterher in HG ansehen können. Dies ist nach derzeitigem Stand der Dinge (25.2.) in Ausnahmefällen zulässig. Diese Vorlesung stellt eine Ausnahme dar. Sie als Zweitsemester sollen wieder die Möglichkeit haben, Experimente anzusehen und anzufassen und direkt Fragen stellen zu können. Wir werden die Vorlesung aber auch wieder live ins Internet übertragen und auch als Video im FAU-Portal verfügbar machen. Vor Ort werden wir uns selbstverständlich an die gültigen Infektionsschutzregeln halten.)
  • Übungen zur Experimentalphysik 2 für Physikstudierende: Wärmelehre und Elektrodynamik (SS 2021)
    (Übung, 2 SWS, Peter Hommelhoff, Di, 12:00 - 14:00, SRTL (307), TL 1.140, SR 00.103, 308 TL, SR 01.779, SR 02.779, HD, HC, SRLP 0.179, HE, HF, HB; Di, 14:00 - 16:00, SR 00.103, SR 01.779, SR 02.729, SR 01.332, SRTL (307), TL 1.140, 308 TL, HD, HC, SRLP 0.179, HG, HF, HB; Di, 16:00 - 18:00, HG, HD, HE, SR 00.103, SRTL (307), SRLP 0.179, TL 1.140)
• Praktikum
  • Physikalisches Praktikum zur Experimentalphysik 1+2 (SS 2021)
    (Praktikum, 4 SWS, Anwesenheitspflicht, Jürgen Hößl et al., Mo, Mi, 14:15 - 18:00, Praktikum Physik - Staudtstr. 7)

Inhalt:

Mechanik

• Einführendes

Gebiete der Physik, Längen- und Geschwindigkeitsskalen, Abgrenzung klassische/ Quanten-/ relativistische Physik; Physikalische Größen; Messungen und Messfehler

• Mechanik eines Massenpunktes

Bewegung auf Raumkurven, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehbewegungen, Längen- und Zeitmessung; Masse, Impuls, Impulserhaltung; Newtonsche Gesetze; Kraftfelder, Arbeit, Potential, Energie, Energiesatz, Leistung; Bewegungsgleichungen; Drehimpuls, Drehmoment

• Bewegte Bezugssysteme und spezielle Relativitätstheorie

Klassisch: Inertialsysteme und Galilei-Transformation; Beschleunigte Bezugssysteme, Scheinkräfte (insb. Zentrifugal, Coriolis); Spezielle Relativitätstheorie: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und ihre Konsequenzen; Lorentz-Transformation; relativistische Phänomene (insbesondere Zeitdilatation, Längenkontraktion, Zwillingsparadoxon); Vierervektoren, Lorentz-Skalarprodukt, relativistische Energie-Impuls-Beziehung

• Systeme von Massenpunkten und Stöße

Schwerpunkt, Schwerpunktbewegung, Erhaltungssätze; Stöße: Elastische/inelastische Stöße, Streuprozesse, relativistische Stöße; Gravitation und Planetenbewegungen, Keplersche Gesetze

• Dynamik starrer Körper

Darstellung von Volumen und Masse als Volumenintegrale; Rotationsenergie, Drehimpuls, Trägheitsmoment; Bewegung des starren Körpers (Kinematik, Gleichgewichtslage, Abrollen); Bewegungsgleichungen (Rotation um feste Achse, freier Kreisel: Nutation, Präzession, Stabilität von Drehachsen)

• Deformierbare feste und flüssige Materialien

Reibung zwischen festen Körpern; Elastische Deformationen (Hooke, Kontraktion, Scherung, Torsion, Biegung); Hydrostatik (Statischer Druck, Auftrieb); Flüssigkeitsgrenzflächen (Oberflächenspannung, Kapillarität); Strömungen (Reibungsfrei: Bernoulli; mit Reibung: Laminar (Hagen-Poiseuille), turbulent (Navier-Stokes); Aerodynamik, cw-Wert, aerodynamische Phänomene)

• Gase

Kompressibilität, barometrische Höhenformel; kinetische Gastheorie (Druck, Verbindung zu absoluter Temperatur, Stoßquerschnitt, freie Weglänge); Maxwell-Verteilung

• Schwingungen und Wellen

Schwingungen: Freier Oszillator, erzwungene Schwingungen, Resonanz, gekoppelte Schwingungen, Überlagerung von Schwingungen; Wellen: Beschreibung, Wellengleichung, Wellenphänomene (Reflexion, Brechung, Beugung, Überlagerung), stehende Wellen, bewegte Sender und Empfänger

Wärmelehre

• Temperatur und Wärmemenge

Wärmephänomene, Temperaturmessung; absolute Temperaturskala; innere Energie und spezifische Wärme; Schmelz- und Verdampfungswärme

• Wärmetransport

Konvektion, Wärmeleitung, Strahlung

• Hauptsätze der Thermodynamik

Zustandsgrößen; Zustandsänderungen und der erste Hauptsatz; Kreisprozesse, zweiter Hauptsatz; Entropie, reversible und irreversible Prozesse, dritter Hauptsatz

• Thermodynamik realer Flüssigkeiten und Gase

Van-der-Waals-Zustandsgleichung; Aggregatzustände und -umwandlungen, Phasendiagramme, kritischer und Tripelpunkt

Elektrodynamik

• Elektrostatik

Elektrische Ladung; Coulomb-Gesetz; elektrostatisches Feld (Feldstärke, Fluss, 1. Maxwell, Potenzial, Spannung, Multipolentwicklung); Materie in elektrischen Feldern: Leiter, Influenz und Flächenladungen, Kondensatoren, Dielektrika; Energie des E-Feldes

• Elektrischer Strom

Ladungstransport und elektrischer Widerstand (Strom, Stromdichte, Ohm, Kirchhoffsche Regeln, Auf-/Entladen von Kondensatoren); Leitungsmechanismen, T-Abhängigkeit von Widerständen (Metalle, Halbleiter, dotierte Halbleiter, Diode, Transistor, Isolatoren, Phänomen der Supraleitung); Stromerzeugung und Strommessung (Galvanisches Element, Spannungsreihe, Brennstoffzelle, Akku, Thermoelement, Peltier-Effekt, Innenwiderstand)

• Statische Magnetfelder

Magnetische Wirkungen; Magnetfelder stationärer Ströme (gerader Leiter, Spule); Ampèresches Gesetz; magnetischer Fluss, 2. Maxwell; Vektorpotenzial; Magnetfelder beliebiger Stromverteilungen, Biot-Savart, Ringstrom, Helmholtz-Spulen; Kräfte auf bewegte Ladungen im Magnetfeld (Lorentz-Kraft, Fadenstrahlrohr, e/m, Hall-Effekt, Definition des Ampère); Relativität von E- und B-Feldern

• Materie in Magnetfeldern

Magnetische Dipole (auch atomar); Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität, Para-, Dia- und Ferromagnetismus (Hysterese, Curie-Temperatur), Antiferro- und Ferrimagnete; Feldgleichungen in Materie, Felder an Grenzflächen, Elektromagnet

• Zeitlich veränderliche Felder

Faradaysches Induktionsgesetz; 3. Maxwell; Induktionsphänomene, Selbstinduktion; Energie des magnetischen Feldes; Verschiebungsstrom, 4. Maxwell; Wechselspannung und Wechselstrom (Wechselstromkreise, Generator, Elektromotor, Transformator)

• Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Schwingkreise; Hertzscher Dipol (offene Schwingkreise, Dipol-Strahlungsfeld, elektromagnetische Strahlungsquellen); Elektromagnetische Wellen im Vakuum (Wellengleichung, elektromagnetisches Frequenzspektrum); Polarisation; Energie- und Impulstransport, Poynting-Vektor; elektromagnetische Wellen in Resonatoren und Hohlleitern; elektromagnetische Wellen in Materie

Lernziele und Kompetenzen:

Die Studierenden

• erläutern und erklären die experimentellen Grundlagen und die quantitativ-mathematische Beschreibung mechanischer Vorgänge, der Wärmelehre und elektromagnetischen Phänomene gemäß den detaillierten Themen im Inhaltsverzeichnis

• wenden die physikalischen Gesetze und jeweiligen mathematischen Methoden auf konkrete Problemstellungen an

• führen Messungen mit Messgeräten typisch für Physiklabore durch

• werten Messungen aus, stellen Fehleranalysen auf, führen ein Protokoll und präsentieren die Ergebnisse

• arbeiten in kleinen Teams zusammen
  

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Physik (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2020w | NatFak | Physik (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Grundlagen- und Orientierungsprüfung (GOP) | Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Experimentalphysik: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik (Prüfungsnummer: 60604)

(englischer Titel: Experimental physics: Mechanics, thermodynamics and electrodynamics)

Prüfungsleistung, Klausur, Dauer (in Minuten): 120, benotet, 15 ECTS

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

weitere Erläuterungen:
Im Wintersemester wird eine 90 minütige Klausur als freiwillige Zwischenprüfung angeboten. Klausurnoten 4.0-2.7 ergeben einen Bonus von 0.3 oder 0.4, Klausurnoten 2.3-1.0 ergeben einen Bonus von 0.6 oder 0.7 für die Gesamtnote des Moduls.

Prüfungssprache: Deutsch

Erstablegung: SS 2021, 1. Wdh.: WS 2021/2022

1. Prüfer:

Peter Hommelhoff

Termin: 26.07.2021, 10:00 Uhr, Ort: HB, HC, HD, HE, HF, HG, HH (Staudtstraße 5, 91058 Erlangen)

Praktikum Experimentalphysik: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik (Prüfungsnummer: 60631)

Studienleistung, Praktikumsleistung, unbenotet, 15 ECTS

weitere Erläuterungen:
Durchführung und abschließende gemeinsame Dokumentation fünf verschiedener Versuche in Form einer Protokollsammlung (ca. 40 Seiten). Es besteht die Möglichkeit, die Dokumentation einzelner Versuche vorab zur Zwischenevaluation einzureichen.

Erstablegung: SS 2021, 1. Wdh.: WS 2021/2022

1. Prüfer:

Jürgen Hößl