Theoretische Physik 2 für das Lehramt L3

(Sommersemester 2023)

Michael Faraday

\begin{equation*} \begin{split} &\nabla \times \vec{E}+\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}=0, \quad \vec{\nabla} \cdot \vec{B}=0,\\ &\vec{\nabla} \times \vec{B} - \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}=\mu_0 \vec{j}, \quad \vec{\nabla} \cdot \vec{E}=\frac{1}{\epsilon_0} \rho, \\ &\vec{f}=\rho \vec{E}+\vec{j} \times \vec{B}. \end{split} \end{equation*}

James Clerk Maxwell

Vorlesung

Hendrik van Hees
E-Mail: hees@itp.uni-frankfurt.de
Mo. 10:15-11:45h PHYS 02.120 (GEÄNDERT)
Do. 12:15-13:00h PHYS 02.114

Erste Vorlesung: Donnerstag, 13.04. 12:15h

Evaluation

Die Evaluation der Vorlesung und des Tutoriums findet am Di. 03.07. zwischen 10-12h online statt. Bitte nehmen Sie daran auch teil, wenn Sie nicht in der Vorlesung anwesend sein können. Sie finden alle nötigen Informationen im folgenden pdf.

Vorlesungsaufzeichnungen vom SS 2022

Vorlesungsaufzeichnung (OLAT)

Elearning-Portal (OLAT)

Hier ist der Link zum E-Learning-Portal OLAT. Bitte tragen Sie sich dort ein, damit Sie am Tutorium teilnehmen können. Dort werden auch die Aufgabenblätter und die dazugehörigen Musterlösungen zur Verfügung gestellt.

Lernzentrum

Thomas Weatherby
E-mail: weatherby@physik.uni-frankfurt.de
Do. 14:00-15:30h PHYS 02.222

Studienplan

1. Woche (10.-14.04.): Elektromagnetische Kraft, elektrostatisches Feld (Skript 1.1-1.2)
2. Woche (17.04.-21.04.): Flächen- und Volumenintegrale, Divergenz, Gaußsches Gesetz (1.3-1.4)
3. Woche (24.04.-28.04.): Das elektrostatische Potential, Wegintegrale, Rotation, Lemma von Poincare (Skript 1.5.1-1.5.6)
4. Woche (01.05.-05.05.): Energie des elektrostatischen Feldes, $\delta$-Distribution (Skript 1.5.7-1.6)
5. Woche (08.05.-12.05.): Elektrostatik in Gegenwart von Leitern, Kondensatoren (Skript 1.7)
6. Woche (15.05-19.05.): Magnetfeld, Faradaysches Induktionsgesetz, Maxwell-Gleichungen (Skript 2.1-2.5)
7. Woche (22.05-26.06.): Elektromagnetische Wellen im Vakuum, SI-Einheiten, elektromagnetische Potentiale (2.6+2.7, 2.11)
8. Woche (29.05-02.06.): Green-Funktion der Wellengleichung, Fourier-Integrale, Retardierte Potentiale (Skript 5.2.2, 5.6)
09. Woche (05.06.-09.06.): Dipolstrahlung (Skript 5.7)
10. Woche (12.06.-16.06.): Energie-, Impuls- und Drehimpulsdichte des elektromagnetisches Feldes (Skript 2.8-2.10)
11. Woche (19.06.-23.06.): Brechung und Reflexion von em. Wellen an Dielektrika (Fresnelsche Formeln)
12. Woche (26.06.-30.06.): Beugung I; Kirchhoffsche Beugungstheorie, Faunhoferbeugung, Einzelspalt, Doppelspalt, Gitter  (5.10.2-5.10.3)
13. Woche (03.07.-07.07.): Beugung II; Kirchhoffsche Beugungstheorie, Faunhoferbeugung, Einzelspalt, Doppelspalt, Gitter  (5.10.2-5.10.3)
14. Woche (10.07.-14.07.): Fourier-Darstellung; Anfangswertproblem der Maxwell-Gleichungen (Skript 5.2-5.3)

Manuskript

Das Manuskript ist bzgl. der Inhalte vollständig. Es kann sein, dass im Laufe des Semesters noch Änderungen vorgenommen werden.
Hier finden Sie immer die aktuelle Version:
Manuskript (Version vom 04.07.2023)

Übungen

Tutor: Justin Mohs
E-Mail: mohs@fias.uni-frankfurt.de
Mo. 09:15-10:45h PHYS __.101
Erste Übung: Mo. 17.04.

Blatt 1: Bewegung geladener Teilchen im homogenen elektrischen bzw. magnetischen Feld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 2: Beispiel zum Gaußschen Integralsatz; Volumen einer Halbkugel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 3: Visualisierung elektrostatischer Felder; Dipolfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 4: Homogen geladener Zylinder; Potentialwirbel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 5: Kondensatoren mit Dielektrikum; Review der Elektrostatik [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 6: Vektorpotential für quellenfreie Vektorfelder; Magnetfeld eines unendlich langen Drahtes [pdf]; Lösung [pdf]
Blatt 7: Elektrodynamische Potentiale in Lorenz-Eichung; Umrechnung von Lorenz- zu Coulomb-Eichung; Review Vektoranalysis [pdf]; Lösung [pdf]
Blatt 8: Retardierte Green-Funktion in 2D [pdf]; Lösung [pdf]
Blatt 9: Reflexion einer ebenen Welle an idealem Spiegel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10: Dipolnäherung für statisches Magnetfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 11: Energie-, Impuls- und Drehimpulsdichte einer ebenen Welle [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 12: Brechung an der planparallelen Platte [pdf]

Studienleistungen

Teilnahmenachweis und Übungen:

Die Übungsblätter zum Tutorium werden ebenfalls über OLAT bereitgestellt. Diese sollten in der jeweiligen Woche bearbeitet werden, und Sie sollten Ihre Lösungen zum jeweiligen Termin dort zur Korrektur einreichen. Der Teilnahmenachweis, der auch Bedingung für die Modul-Abschlussprüfung ist, kann erbracht werden durch aktive Teilnahme an den Übungen (maximal zweimaliges unbegründetes Fehlen) oder durch Abgabe der Übungen in OLAT und Erreichen von mindestens 50% der Punkte.

Mündliche Prüfung (Modulprüfung Physikalische Modelle I):

Es wird der gesamte Stoff des Moduls, also die Inhalte von Mathematische Methoden für das Lehramt L3, Theoretische Physik für das Lehramt L3 I (Mechanik) und II (Elektrodynamik)
Zulassungsvoraussetzung: Erwerb der Teilnahmenachweise für Mathematische Methoden, Theoretische Physik I und II

Prüfung (Modul "Physikalische Modelle 1")

Die mündlichen Prüfungen (Dauer ca. 30 Minuten) finden nach Vereinbarung statt. Kontaktieren Sie mich einfach per e-mail:

hees@itp.uni-frankfurt.de

  • Lichtbildausweis (Personalausweis, Reisepass oder Goethe-Card)

  • Alte Studienordnung: Prüfungsformular mit Schein über die erfolgreiche Teilnahme an den Vorlesungen und Übungen Theorie 1+2 (kann auch am Prüfungstermin ausgefüllt werden)

  • Falls Sie nach der "neuen Studienordnung" studieren, müssen Sie sich in diesem Sommersemester 2023 noch nicht beim neuen Anmeldesystem des Prüfungsamtes anmelden. Die Meldung erfolgt noch formlos durch mich via E-Mail ans Prüfungsamt.

  • Ab dem Wintersemester 2023/2024 müssen Sie sich vorher elektronisch beim neuen Anmeldesystem anmelden. Der Anmeldezeitraum in den Wintersemestern ist der 01.-31.01. und in den Sommersemestern der 01.-30.06. Falls Sie nicht wie geplant die og. Teilnahmenachweisbedingungen erreicht haben, entsteht Ihnen kein Nachteil. Die Prüfungsanmeldung gilt dann als zurückgezogen und wird nicht als Fehlversuch gewertet.

    • Prüfungsinhalte

    Theoretische Physik I (Kapitelangaben beziehen sich auf mein Manuskript)

    Kapitel 2

  • Newtonsche Postulate/Axiome (absoluter Raum und absolute Zeit, Trägheitsprinzip+Inertialsysteme, $\vec{F}=\dot{\vec{p}}$, "actio-reactio")
  • Dynamik für einzelnes Punktteilchen: Kräfte, konservative Kräfte + Energieerhaltungssatz, Zentralkräfte und Drehimpulserhaltungssatz
  • Harmonischer Oszillator (ungedämpft/gedämpft, frei und getrieben)
  • Zweikörper-Kepler-Problem (Newtonsche Gravitationswechselwirkung, Schwerpunktssatz, Energie- und Drehimpulserhaltung, drei Keplersche Gesetze für den Spezialfall einer "sehr schweren Sonne")
  • Beschleunigte Bezugssysteme (Coriolis- und Zentrifugalkraft; freier Fall auf der rotierenden Erde; Foucault-Pendel)

    • Kapitel 3

  • Hamiltonsches Prinzip der kleinsten Wirkung
  • Euler-Lagrange-Gleichungen
  • einfache Beispiele zum Lagrange-Formalismus (z.B. freier Fall/schiefer Wurf, Fadenpendel, harmonischer Oszilllator, Kepler-Problem)
  • Noether-Theorem, Symmetrien und Erhaltungssätze
  • Symmetrien der Galilei-Newton-Raumzeit und dazugehörige Erhaltungssätze für abgeschlossene Systeme (Energie, Impuls, Drehimpuls, Schwerpunktbewegung)

    • Theorie 2 (Kapitelangaben beziehen sich auf mein Skript)

    Kapitel 1:
  • Elektrostatisches Feld: Definition über Coulomb-Kraft zwischen Punktladungen), Coulomb-Gesetz, Gaußsches Gesetz in Integral- und Differentialform
  • Vektoranalysis: Integraldefinition von div und rot und "anschauliche Bedeutung" (Ströme durch Flächen bzw. "Wirbel"); grad, div und rot als Differentialoperatoren in kartesischen Koordinaten, Nabla-Symbol $\vec{\nabla}$
  • Kondensatoren und Kapazität
  • Dielektrika

    • Kapitel 2:

  • Vier Maxwell-Gleichungen und deren physikalische Bedeutung
  • Alte und neue Definition der Einheiten für die elektrische Ladung bzw. Stromstärke im SI-Einheiten-System (Coulomb und Ampere)
  • Ebene elektromagnetische Wellen, Lichtgeschwindigkeit, Transversalität
  • Energie-, Impuls- und Drehimpulsdichte des elektromagnetischen Feldes, Poynting-Vektor

    • Kapitel 5:

  • freie elektromagnetische Felder und Fourier-Transformation
  • retardierte Potentiale (Kausalität)
  • Dipolstrahlung
  • Beugung (vereinfachte Theorie a la Kirchhoff, Huygenssches Prinzip)
  • Fraunhoferbeugung an Einzel- und Doppelspalt, Beugungsgitter

    • Online-Material

    Lehrbücher zur Theoretischen (und auch Experimentellen) Elektrodynamik

    Im Folgenden finden Sie eine Auswahl von Links zu E-Books des Springer Verlags, die im Netz der GU frei zugänglich sind. Man kann auch außerhalb des Netzes der GU mittels VPN oder SOCKS-Proxy (z.B. via ssh) zugreifen. I.a. sind die Lehrbücher im pdf-Format vorhanden, manchmal auch im epub-Format. Erfahrungsgemäß sind wegen der Formeln nur die pdf-Versionen wirklich gut lesbar (sowohl online als auch ausgedruckt).

    Zum Selbersuchen von Physik-E-Books bei Springer:
    Springer Links oder im Katalog der Uni-Bibliothek Neues Suchportal der Uni-Bibliothek

    M. Bartelmann, et al., Theoretische Physik 2 - Elektrodynamik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2018).

    W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik 3, Elektrodynamik, Springer Verlag
    https://doi.org/10.1007/978-3-642-37905-5

    T. Fließbach, Elektrodynamik, Lehrbuch der Theoretischen Physik II, Springer Verlag
    https://doi.org/10.1007/978-3-8274-3036-6

    P. Schmüser, Theoretische Physik für das Lehramt 2, Elektrodynamik, Springer Verlag
    https://doi.org/10.1007/978-3-642-25395-9

    R. M. Dreizler, C. S. Lüdde, Theoretische Physik 2, Elektrodynamik und Spezielle Relativitättheorie, Springer Verlag
    https://doi.org/10.1007/b137829

    F. Scheck, Theoretische Physik 3, Klassische Feldtheorie: Von Elektrodynamik, nicht-Abelschen Eichtheorien und Gravitation, Springer Verlag
    https://doi.org/10.1007/978-3-662-53639-1

    P. Hertel, Theoretische Physik, Springer Verlag
    https://doi.org/10.1007/978-3-540-36645-4

    J. Honerkamp, H. Römer, Klassische theoretische Physik, Springer Verlag
    https://doi.org/10.1007/978-3-642-23262-6

    Vorlesungsmanuskripte

    H. van Hees, Skript zu "Mathematische Methoden für das Lehramt L3" [pdf]
    H. van Hees, Skript zu "Theoretische Physik 1 für das Lehramt L3" [pdf]

    Homepage von Prof. H.-J. Lüdde mit vielen Links zu Manuskripten, E-Learning-Material etc. zu den Vorlesungen Theoretische Physik für das Lehramt L3 I-III

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    Letzte Änderung: 04. Juli 2023