\( \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \)
\(\DeclareMathOperator{\sign}{sign} \)
\(\newcommand{\pvec}[1]{\vec{#1}^{\,\prime}} \) \(
\newcommand{\R}{\mathbb{R}} \) \( \newcommand{\ii}{\mathrm{i}} \) \(
\newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \)
Theoretische Physik 1 für das Lehramt L3
(Wintersemester 2022/2023)
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\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*}
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Evaluation
Die Evaluation zur Vorlesung und Übung findet am Mo.
30.01. online zwischen 10-12h (also zur Vorlesungszeit) statt.
Bitte nehmen Sie auch daran teil, wenn Sie diese Vorlesung nicht besuchen
können! Alle Information einschließlich dem Link/QR-Code finden Sie hier [pdf].
Vorlesung
Hendrik van Hees
E-Mail: hees@itp.uni-frankfurt.de
Mo 10:15-11:45h PHYS 01.114
Do 13:00-13:45h PHYS
02.120 (NEW!)
Erste Vorlesung: Mo
17.10.
Olat: Link
Bitte melden Sie sich im OLAT an, um Informationen via E-Mail zur
Vorlesung zu erhalten und zur Teilnahme am Tutorium
Screencast zur Vorlesung am 19.12.2022 (Hamilton-Formalismus,
Poisson-Klammern, Noether-Theorem) [GU-Mediasite]
Vorlesungsplan
(vorläufig)
1. Woche
(17.10.-21.10.): Kinematik (Vektorrechnung etc), Dynamik und
Newtonsche Axiome, freier Fall etc. (Skript 2.1-2.3)
2. Woche (24.10.-28.10.): Erhaltungssätze für abgeschlossene Systeme
(Skript 2.3+2.4)
3. Woche: (31.10.-04.11.): Newtonsches
Gravitationsgesetz und Kepler-Problem (Skript 2.8)
4. Woche: (07.11.-11.11.): Der
harmonische Oszillator (Skript 2.5-2.7)
5. Woche: (14.11.-18.11.): Beschleunigte Bezugssysteme (Skript 2.9)
6. Woche: (21.11.-25.11.): Variationsrechnung und
Euler-Lagrange-Gleichungen (Skript 3.1+3.2)
7. Woche: (28.11.-02.12.): Fundamentallemma der Variationsrechnung;
Hamiltonsches Prinzip (Skript 3.3+3.4)
8. Woche: (05.12.-09.12.): Noether-Theorem (Skript 3.5)
9. Woche (12.12.-16.12.): Beispiel
zum Noether-Theorem: Keplerproblem (Skript 3.6)
10. Woche (19.12.-23.12.): Hamiltonsche Formulierung der Mechanik und
Poisson-Klammern (Skript 3.7)
Weihnachtspause
11. Woche:
(09.01.-13.01.): Kinematik des starren Körpers (Skript 4.2)
12. Woche: (16.01.-20.01.): Volumenintegrale und Berechnung von
Trägheitsmomenten und -tensoren (Skript 4.2.3)
13. Woche: (23.01.-27.01.): Freier Kreisel (Skript 4.3.1-4.3.3)
14. Woche: (30.01.-03.02.): Schwerer symmetrischer Kreisel (Skript
4.3.4-4.3.5)
15. Woche: (06.02.-10.02.): Kreiselkompass (Skript 4.4)
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 19.12.2022)
Übungen
Tutorin: Hannah Montz
E-Mail:
hannah.montz@stud.uni-frankfurt.de
Mo 12:00-13:30h PHYS 01.114
Erster Termin: Mo
24.10.
Blatt 01: Freier Fall und schiefer Wurf mit und ohne Luftwiderstand [pdf];
Lösungen [pdf]
Blatt 02: Gravitationspotential; Feder [pdf];
Lösungen [pdf]
Blatt 03: Kreisbahn eines Satelliten; allgemeine Bewegung in
Zentralkraftfeldern [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 04: Fadenpendel; durch Feder verbundene Massenpunkte [pdf];
Lösungen [pdf]
Blatt 05: Ungedämpfter harmonischer Oszillator; Resonanzkatastrophe [pdf];
Lösungen [pdf]
Blatt 06: Perle auf rotierendem Stab [pdf];
Lösungen [pdf]
Blatt 07: Zykloidenpendel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 08: Schiefe Ebene; Kugelpendel [pdf];
Lösungen [pdf]
Blatt 09: Rollpendel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10: Dreiatomiges Molekül [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 11: Bewegung im $1/r^2$-Potential [pdf];
Lösungen [pdf]
Blatt 12: Trägheitstensor eines Zylinders, Winkelgeschwindigkeit und
Euler-Winkel beim Kreisel [pdf]; Lösungen [pdf]
Lernzentrum zur Theoretischen Physik 1 für L3
Tutor: Thomas Weatherby
E-Mail: weatherby@physik.uni-frankfurt.de
Di 10:00h-11:30 in PHYS 02.222 (Besprechungsraum der Didaktik der Physik)
Erster Termin:
Di 25.10.
Zoom-Link: uni-frankfurt.zoom.us/j/67124785287?pwd=TElFbHpOUEdBTWtubGllTWN6cjFzdz09
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
Kriterien für den Erwerb des unbenoteten Scheines
Es werden in jeder Woche Übungsaufgaben bearbeitet. Die Übungsblätter werden
jeweils Montags hochgeladen und sind in dieser Woche zu bearbeiten. Sie
können Ihre Lösungen im OLAT hochladen. Sie werden dann korrigiert, und Sie
erhalten entsprechend Punkte.
Sie können die Hälfte der Punkte von jedem Blatt (was für das "Bestehen"
dieser Aufgabe ausreichend ist) auch erwerben, indem Sie entweder in Präsenz
oder via Zoom an den Übungen teilnehmen. Dabei ist natürlich eine "aktive
Teilnahme" erwünscht.
Den Schein für die Vorlesung erhalten Sie, wenn Sie am Ende des Semesters
mindestens die Hälfte der erreichbaren Gesamtpunktzahl gesammelt haben.
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))
Verschiedene
Filme mit Demonstrationsexperimenten zur Mechanik, insbesondere zur
Bewegung starrer Körper/Kreisel finden sich im online-Begleitmaterial des
Experimentalphysiklehrbuchs von R.
W. Pohl (zugänglich im Netz der Goethe-Uni). Direkter Link zu den
Movies mit Demo-Experimenten [zip]
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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Letzte Änderung: 23. Januar 2023