Experimentalphysik 1+2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik (EP-12)15 ECTS
(englische Bezeichnung: Experimental Physics 1&2: Mechanics, Thermodynamics and Electrodynamics)
(Prüfungsordnungsmodul: Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)
Modulverantwortliche/r: Joachim von Zanthier, Dozenten der experimentellen Physik
Lehrende:
Joachim von Zanthier
Startsemester: |
WS 2022/2023 | Dauer: |
2 Semester | Turnus: |
jährlich (WS) |
Präsenzzeit: |
180 Std. | Eigenstudium: |
270 Std. | Sprache: |
Deutsch |
Lehrveranstaltungen:
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- Mechanik
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Experimentalphysik 1 für Physikstudierende: Mechanik (WS 2022/2023)
(Vorlesung, 5 SWS, Joachim von Zanthier, Di, Fr, 10:00 - 12:00, HG; Mi, 16:00 - 18:00, HG; Der Mittwochstermin nur ca. jede zweite Woche. Genaue Termine werden in VL bekanntgegeben.)
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Übungen zur Experimentalphysik 1 für Physikstudierende: Mechanik (WS 2022/2023)
(Übung, 2 SWS, Joachim von Zanthier et al.)
- Wärmelehre und Elektrodynamik
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Experimentalphysik 2 für Physikstudierende: Wärmelehre und Elektrodynamik (SS 2023)
(Vorlesung, 5 SWS, Janina Maultzsch, Mo, Mi, 10:00 - 12:00, HG; Fr, 8:00 - 10:00, HG)
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Übungen zur Experimentalphysik 2 für Physikstudierende: Wärmelehre und Elektrodynamik (SS 2023)
(Übung, 2 SWS, Janina Maultzsch, Di, 12:00 - 14:00, SR 00.732, SRTL (307), TL 1.140, SR 00.103, 308 TL, SR 01.779, SR 02.779; Di, 14:00 - 16:00, SR 00.103, SR 00.732, SR 01.779, SR 02.729, SR 01.332, SRTL (307), TL 1.140, 308 TL)
Inhalt:
Mechanik
Gebiete der Physik, Längen- und Geschwindigkeitsskalen, Abgrenzung klassische/ Quanten-/ relativistische Physik; Physikalische Größen; Messungen und Messfehler
Bewegung auf Raumkurven, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehbewegungen, Längen-
und Zeitmessung; Masse, Impuls, Impulserhaltung; Newtonsche Gesetze; Kraftfelder,
Arbeit, Potential, Energie, Energiesatz, Leistung; Bewegungsgleichungen; Drehimpuls,
Drehmoment
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
Schwerpunkt, Schwerpunktbewegung, Erhaltungssätze; Stöße: Elastische/inelastische
Stöße, Streuprozesse, relativistische Stöße; Gravitation und Planetenbewegungen,
Keplersche Gesetze
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)
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)
Kompressibilität, barometrische Höhenformel; kinetische Gastheorie (Druck, Verbindung
zu absoluter Temperatur, Stoßquerschnitt, freie Weglänge); Maxwell-Verteilung
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
Wärmephänomene, Temperaturmessung; absolute Temperaturskala; innere Energie und
spezifische Wärme; Schmelz- und Verdampfungswärme
Konvektion, Wärmeleitung, Strahlung
Zustandsgrößen; Zustandsänderungen und der erste Hauptsatz; Kreisprozesse, zweiter
Hauptsatz; Entropie, reversible und irreversible Prozesse, dritter Hauptsatz
Van-der-Waals-Zustandsgleichung; Aggregatzustände und -umwandlungen,
Phasendiagramme, kritischer und Tripelpunkt
Elektrodynamik
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
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)
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
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
Faradaysches Induktionsgesetz; 3. Maxwell; Induktionsphänomene, Selbstinduktion;
Energie des magnetischen Feldes; Verschiebungsstrom, 4. Maxwell; Wechselspannung
und Wechselstrom (Wechselstromkreise, Generator, Elektromotor, Transformator)
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
Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:
- Data Science (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2022s | Gesamtkonto | Anwendungsfächer | Physik | Experimentalphysik 1 + 2: Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik)
Dieses Modul ist daneben auch in den Studienfächern "Materialphysik (Bachelor of Science)", "Mathematik (Bachelor of Science)", "Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien)", "Physik (Bachelor of Science)", "Physik mit integriertem Doktorandenkolleg (Bachelor of Science)" verwendbar. Details
Studien-/Prüfungsleistungen: