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Theoretische Physik 1 für das Lehramt L3

(Wintersemester 2022/2023)

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 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