\( \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \) \(\DeclareMathOperator{\sign}{sign} \) \(\newcommand{\pvec}[1]{\vec{#1}^{\,\prime}} \) \( \newcommand{\R}{\mathbb{R}} \) \( \newcommand{\ii}{\mathrm{i}} \) \( \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \)

Theoretische Physik 1 für das Lehramt L3

(Wintersemester 2020/2021)

Galileo Galilei

\begin{equation*} \begin{split} & m \frac{\dd^2 \vec{r}}{\dd t^2}=\vec{F}, \\ & \frac{\partial L}{\partial q_k}-\frac{\dd}{\dd t} \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_k}=0. \end{split} \end{equation*}

Isaac Newton

Evaluation

Die Evaluation der Veranstaltung erfolgt online im Zeitraum vom 01.02.2021, 00:00h bis 07.02.2021, 23:59h. Den Link und die Erklärung zum Verfahren (Datenschutz) finden Sie auf dem Infoblatt von studiumdigitale [pdf]

Vorlesung

Hendrik van Hees
E-Mail: hees@itp.uni-frankfurt.de

Erstes Zoom-Meeting: Montag, 02.11. 10:00h

Die Screencasts der Vorlesungen finden Sie im OLAT

Ergänzungen zur Vorlesung

Die Videos finden Sie im OLAT

Whiteboard vom Zoom-Meeting am 26.11. [pdf]
Zusatzvorlesung über Euler-Lagrange-Gleichungen und äquivalente Lagrange-Funktionen: Notizen aus dem Screencast: [pdf]
Zusatzvorlesung über Noether-Theorem für Zweiteilchensystem: Notizen aus dem Screencast: [pdf] (beachten Sie auch die Korrektur auf S. 4)

Zoom-Meeting am 18.02. (Mechanik-Review): Notizen aus dem Screencast: [pdf]

Zoom-Meeting

Donnerstags, 13:00h (s.t.)-14:00h

Aufgrund der Corona-Pandemie findet die Veranstaltung weitgehend digital statt. Sie finden alle Lerninhalte auf der E-Learning-Plattform OLAT:

https://olat-ce.server.uni-frankfurt.de/olat/auth/RepositoryEntry/9504522251

Anstelle einer Vorlesung gibt es in jeder Woche mindestens einen Screen-Cast, der ebenfalls über OLAT abgerufen werden kann. Außerdem gibt es ein Manuskript, das sie ebenfalls auf OLAT oder auch auf dieser Webseite herunterladen können.

Außerdem treffen wir uns einmal in der Woche via Zoom.

Link zum Zoom-Meeting

Präsenztermin

Montags, 12:00h-13:30h im Seminarraum PHYS __.102 (ab 09.11.) (ACHTUNG: geändert am 02.11.!)

Trotz der Corona-Pandemie können wir uns unter Beachtung der Hygienevorschriften einmal in der Woche auch persönlich treffen. Dieses Treffen soll zur allgemeinen Diskussion der Vorlesungsinhalte und der Übungen dienen.

Die Teilnahme ist selbstverständlich freiwillig.

Bitte füllen Sie zu jedem Termin die Unterweisungserklärung und das Kontaktformular aus: [pdf]

Update (04. November): Die Mund-Nasebedeckungen (Alltagsmasken etc.) sind auch während der gesamten Veranstaltung zu tragen. Der Dozent/Vortragende kann die Maske absetzen, sofern ein Mindestabstand von 4m eingehalten werden kann.

Manuskript

Das Manuskript im Wesentlichen fertiggestellt. Tippfehler u.ä. werden selbstverständlich korrigiert, sobald sie mir bekannt werden. Hier finden Sie jedenfalls immer die aktuelle Version:
Manuskript (Version vom 16.02.2021)

19.11.: Ausführlichere Rechnung zu Gl. (2.4.43) und Typo "effektive Masse" -> "reduzierte Masse".
21.11.: Typo in Gl. (2.5.16) korrigiert
24.11.: Typo in Gl. (2.7.6) korrigiert
03.12.: Typos in Gln. (2.7.36) und (2.7.37) korrigiert
08.12.: Im Screen-Cast entdeckte Typos korrigiert; Abschnitt über zeitlichen Ablauf der Planetenbewegung (Kepler-Gleichung S. 67ff) umformuliert
02.01.: Die komplizierte Herleitung der Kepler-Gleichung und des 3. Kepler-Gesetzes wurde durch eine wesentlich einfachere ersetzt (S. 67)
12.01.: Typos in Abschnitt 3.4 korrigiert
19.01.+23.01.: Typos in Abschnitt 3.5 korrigiert
02.02.: Typos in Abschnitten 4.2.1+4.2.2 korrigiert; Abb. auf S. 122 verbessert
09.02.: Typos in Abschnitten 4.3.1-4.3.3 korrigiert
16.02.: Typo in Formel (4.3.62) korrigiert

Ausführliche Herleitung der Kepler-Gleichung (handschriftlich) [pdf]

Übungen

Tutor: Hendrik van Hees

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. Solange eine "reale Teilnahme" an der Übung wegen der Covid-19-Pandemie nicht möglich ist, dienen grundsätzlich Ihre eingereichten Lösungen auch der Leistungskontrolle für den Modulschein, der Prüfungsvoraussetzung für die Modulabschlussprüfung ist. Sie können jedes Übungsblatt auch durch aktive (!) Teilnahme am Präsenztermin "bestehen". Als erfolgreich an der Übung teilgenommen gilt, wenn Sie mindestens 50% der Aufgabenpunkte erreicht haben.

Blatt 1 (Abgabe bis 13.11.): Freier Fall mit und ohne Luftwiderstand [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 2 (Abgabe bis 20.11.): Gravitationspotential, Federpendel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 3 (Abgabe bis 27.11.): Zwei durch Feder verbundene Massenpunkte; Gravitationswechselwirkung [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 4 (Abgabe bis 04.12.): Fadenpendel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 5 (Abgabe bis 11.12.): Satellit auf Kreisbahn um die Erde; Bewegung in allgemeinem Zentralpotential [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 6 (Abgabe bis 18.12.): Perle auf rotierender Stange [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 7 (Abgabe bis 15.01.): Zykloidenpendel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 8 (Abgabe bis 22.01.): Schiefe Ebene mit Lagrange-Formalismus; Kugelpendel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 9 (Abgabe bis 29.01.): Massenpunkt in rotierendem Rotationsparaboloid [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10 (Abgabe bis 05.02.): Molekül mit 3 Atomen (Eigenschwingungen) [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 11 (Abgabe bis 12.02.): Bewegung im 1/r2-Potential und Noether-Theorem [pdf]; Lösungen [pdf]
Zusatzblatt (Abgabe bis 26.02.): Bewegung eines Massenpunktes in einer schiefen Rinne; Federpendel [pdf]

Lernzentrum zur Theoretischen Physik 1 für L3

Tutor: Thomas Weatherby
E-Mail: weatherby@physik.uni-frankfurt.de
Di 10:00h-11:30 (via Zoom)

Studienleistungen

Mündliche Prüfung (Modulprüfung Physikalische Modelle I): Es wird der gesamte Stoff des Moduls, also die Inhalte von Theoretische Physik für das Lehramt L3 I (Mechanik) und II (Elektrodynamik)

Zulassungsvoraussetzung: Erwerb der unbenoteten Scheine für Theoretische Physik I und II

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)

    • 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+

    Basisgrößen der Mechanik (interaktive Übersicht über mechanische Größen und ihre Einheiten von Julius Schaaf)

    Lehrfilme

    Frames of Reference (Youtube) (Lehrfilm von der "Physics Study Group" von 1960 (englisch))

    Lehrbücher zur Theoretischen Physik

    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).

    Lehbücher zur Mathematik

    K. Hefft, Mathematischer Vorkurs zum Studium der Physik, 2. Aufl., Springer Spektrum Berlin (2018)

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

    Vorlesungsmanuskripte

    H. van Hees, Skript zu "Mathematische Methoden 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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    Datenschutzerklärung


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    Letzte Änderung: 19. Februar 2021