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 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.)
  • Übungen zur Experimentalphysik 1 für Physikstudierende: Mechanik (WS 2022/2023)
    (Übung, 2 SWS, Joachim von Zanthier et al.)
• Wärmelehre und Elektrodynamik
  • 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)
  • 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)
• Praktikum
  • Physikalisches Praktikum zur Experimentalphysik 1+2 (SS 2023)
    (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 mit integriertem Doktorandenkolleg (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2020w | NatFak | Elitestudiengang Physik mit integriertem Doktorandenkolleg (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 2023, 1. Wdh.: WS 2023/2024

1. Prüfer:

Joachim von Zanthier

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 2023, 1. Wdh.: WS 2023/2024

1. Prüfer:

Jürgen Hößl