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Theoretische Physik 3 für das Lehramt L3

(Wintersemester 2024/2025)

Erwin Schrödinger

\begin{equation*} \begin{split} & \ii \hbar \partial_t \psi(t,\vec{r}) = \hat{H} \psi(t,\vec{r}), \\ & \Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{2}. \\ & E_0=m c^2 \end{split} \end{equation*}

Albert Einstein

Vorlesung

Hendrik van Hees

E-Mail: hees@itp.uni-frankfurt.de
Di: 12:15-13:45h PHYS 02.114
Mi: 12:15-13:00h PHYS 01.114
Erste Vorlesung: Di 15.10.

OLAT: Link
Bitte melden Sie sich im OLAT an, um Informationen via E-Mail zur Vorlesung zu erhalten und zur Teilnahme am Tutorium


Vorlesungsplan (vorläufig)

1. Woche (14.10.-18.10.): Versagen der klassischen Physik (Skript 2.3-2.7.1)
2. Woche (21.10.-25.10.): Operatoren für Observablen, Erwartungswerte, Eigenfunktionen und Eigenwerte (Skript 2.7.2-2.7.4)
3. Woche: (28.10.-01.11.): Selbstadjungierte Operatoren, Energieeigenfunktionen, Unschärferelation (Skript 2.7.5+3.5)
4. Woche: (04.11.-08.11.): Freies Teilchen und harmonischer Oszillator (Energieeigenfunktionen) (Skript 3.8+3.9)
5. Woche: (11.11.-15.11.): Diracscher Bra-Ket-Formalismus (Skript 3.7)
6. Woche: (18.11.-22.11.): Allgemeines Drehimpulseigenwertproblem (Skript 3.10)
7. Woche: (25.11.-29.11.): Bahndrehimpuls (Kugelflächenfunktionen) (Skript 3.11)
8. Woche: (02.12.-06.12.): Wasserstoffatom (Skript 3.13)
9. Woche: (09.12.-13.12.): Teilchen im Magnetfeld; Spin; Stern-Gerlach-Versuch; EPR und Bell (3.15-3.20)
10.Woche: (16.12.-20.12.): Spezielle Relativitätstheorie (Minkowski-Raum; kinematische Effekte) (Skript 4.1-4.3)

Weihnachtspause

11. Woche: (13.01.-17.01.): Speziell-relativistische Mechanik (Skript 4.4)
12. Woche: (20.01.-24.01.): Geladene Teilchen im em. Feld (Skript 4.7); Kovariante Elektrodynamik (Skript 4.8)
13. Woche: (27.01.-31.01.): Zerfall und Stöße von Teilchen; Masse-Energie-Äquivalenz (Skript 4.5+4.6)
14. Woche: (03.02.-07.02.): Ausblick auf das Standardmodell der Elementarteilchen (Präsentation)
15. Woche (10.02.-14.02.): Ausblick auf die Kosmologie (Präsentation)


Manuskript

Das Manuskript befindet sich noch in Arbeit. Hier finden Sie jedenfalls immer die aktuelle Version:
Manuskript (Version vom 09.12.2024).

Präsentation zum Standardmodell der Elementarteilchen und zur Kosmologie [pdf]

Reviews zu Prüfungsinhalten

Review und Prüfungsinhalte über Quantentheorie [pdf]
Review und Prüfungsinhalte Relativitätstheorie [pdf]


Übungen

Tutor: Reinhold Kaiser
E-Mail: kaiser@itp.uni-frankfurt.de

Mi 13:15-14:45h PHYS 01.114
Erster Termin: Mi 23.10.

Die Übungsblätter werden dienstags in OLAT hochgeladen (Abgabe bis zum darauffolgenden Montag 23:59h)

Blatt 01: Photoeffekt [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 02: Gaußsches Wellenpaket für ein freies Teilchen [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 03: Energieeigenwertproblem für den unendlich tiefen Potentialtopf [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 04: Cauchy-Schwarzsche Ungleichung; Operatoralgebra [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 05: Translations- und Drehoperator in der Ortsdarstellung [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 06: Bahndrehimpulseigenfunktionen (Kugelflächenfunktionen) zu $\ell=1$; keine Bahndrehimpulseigenfunktionen mit $\ell=1/2$ [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 07: Wasserstoffgrundzustand; Teilchen im Magnetfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 08: Geladenes Teilchen im Magnetfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 09: Messung einer Spinkomponente in beliebiger Richtung [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10: Geometrie im Minkowskiraum; Garagenparadoxon [pdf]


Studienleistungen

Zulassungsvoraussetzung: Erwerb der unbenoteten Scheine für Theoretische Physik III

Kriterien für den Erwerb des unbenoteten Scheines

Es werden in jeder Woche Übungsaufgaben bearbeitet. Die Übungsblätter werden jeweils dienstags hochgeladen und sind in dieser Woche (bis zum darauffolgenden Montag um 23:59h) und auf OLAT hochzuladen. Sie werden dann korrigiert, und Sie erhalten entsprechend Punkte.

Den Teilnahmnachweis erhalten Sie, indem Sie in Präsenz an den Übungen teilnehmen und nicht mehr als zweimal fehlen. Dabei ist natürlich eine "aktive Teilnahme" erwünscht.

Falls Sie aus zwingenden Terminkonflikten nicht an den Übungen teilnehmen können, erhalten Sie den Schein (Teilnahmenachweis) auch, wenn Sie am Ende des Semesters durch Abgabe der Aufgaben im OLAT mindestens die Hälfte der erreichbaren Gesamtpunktzahl gesammelt haben.

Ab dem WS 2023/2024 müssen Sie sich sowohl für den Teilnahmenachweis als auch für die Modulabschlussprüfung im elektronischen System unter Goethe-Campus anmelden [Link zur Prüfungsanmeldung]. Beachten Sie die Anmelde- und Rücktrittsfristen! Sollten Sie den Teilnahmenachweis am Ende des Semsters nicht erbracht haben, entsteht Ihnen durch die Anmeldung kein Nachteil!

Prüfungsinhalte (mündliche Prüfung)

Theoretische Physik III (Kapitelangaben beziehen sich auf mein Manuskript)

Kapitel 2 + 3

  • Zustände und Observablen (Welle-Teilchendualismus, Wellenfunktionen, Observablen und Operatoren, Wahrscheinlichkeitsinterpretation, Unschärferelation)
  • Hamilton-Operator und Dynamik
  • Operatoren für Ort, Impuls und Drehimpuls in der Wellenmechanik
  • Energieeigenwertprobleme (freies Teilchen, harmonischer Oszillator, Drehimpuls und Spin, Wasserstoffatom)
  • Kapitel 4

  • Einsteins Postulate zur Speziellen Relativitätstheorie
  • Lorentz-Transformation; Minkowski-Raum-Zeit-Diagramme
  • Kinematische Effekte (Relativität der Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation/Zwillingsparadoxon, Längenkontraktion)
  • Speziell relativistische Mechanik massiver Teilchen (Eigenzeit, Energie, Impuls)
  • Energie-Impuls-Bilanz beim Teilchenzerfall und Zweiteilchenstößen


  • Online-Material

    Online-Mathematik-Brückenkurs von der DPG

    Die Deutsche Physikalische Gesellschaft bietet einen kostenlosen Online-Mathematik-Brückenkurs an, mit dem man die Kenntnisse in Schulmathematik durch aktives Üben auffrischen kann: OMB+


    Lehrbücher zur Theoretischen Physik 3

    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 1 - Mechanik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2018).
    M. Bartelmann, et al., Theoretische Physik 2 - Elektrodynamik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2018).
    M. Bartelmann, et al., Theoretische Physik 3 - Quantenmechanik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2018).
    A. Einstein, Grundzüge der Relativitätstheorie, 7. Aufl., Springer, Berlin, Heidelberg (2009).
    A. Einstein, Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie, 24. Aufl., Springer, Berlin, Heidelberg (2009).

    J. J. Sakurai, S. Tuan, Modern Quantum Mechanics, Addison Wesley (1993)

    B. Schumacher, M. Westmoreland, Quantum Processes, Systems, and Information, Cambridge
    University Press, Cambridge, New York, Melbourne, Madrid, Cape Town, Singapore, Sao
    Paulo, Delhi, Dubai, Tokyo (2010)

    Lehbücher und populärwissenschaftliche Bücher über Grundlagen (Interpretationsprobleme) der Quantenmechanik

    D. Dürr, D. Lazarovici, Verständliche Quantenmechanik, Springer Spektrum, Berlin (2018)
    C. Friebe, et al., Philosophie der Quantenphysik: Zentrale Begriffe, Probleme, Positionen, 2. Aufl., Springer Spektrum, Berlin (2018)

    A. Zeilinger, Dance of the photons: from Einstein to quantum teleportation, Farrar, Straus and
    Giroux, New York (2010).

    P. Ball, Beyond weird, Bodley Head (2018)

    Schulbuch Physik (Oberstufe)

    J. Grehn, J. Krause, Metzler Physik, Sekundarstufe II, 4. Auflage, Schroedel (2007)

    Lehrbücher zur Mathematik

    S. Großmann, Mathematischer Einführungskurs für die Physik, 10. Aufl., Springer Verlag, Berlin, Heidelberg (2012)

    Didaktik-Lehrbuch (mit Kapiteln zu QM und SRT)

    H. Schecker et al, Schülervorstellungen und Physikunterricht, Springer Spektrum (2018)

    Vorlesungsmanuskripte

    H. van Hees, Skript zu "Mathematische Ergänzungen zur Theoretischen Physik 1" [pdf]

    W. Cassing, H. van Hees, Mathematische Methoden für Physiker [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: 17. Dezember 2024