Theoretische Physik 2 für das Lehramt L3

(Sommersemester 2021)

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

Aktuelles


Ab dem 12.05. dürfen wir unser Präsenztreffen wieder durchführen!
Offizielle Erklärung der Goethe-Universität

Evaluation

Am Mo. 28.06. findet während des Präsenz-Meetings (von 10:00h-12:00h) die Evaluation der Vorlesung statt. Den Link zum online-Formular und weitere Informationen finden Sie hier [pdf]


Umfrage zum Lehramtsstudium der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und der Konferenz der Fachbereiche für Physik

Näheres finden Sie hier [pdf]. Link zur Umfrage: www.lehramtsumfrage.dpg-physik.de


Vorlesung

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

Erstes Zoom-Meeting: Montag, 12.04. 10:00h

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

OLAT

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


Ergänzungen zur Vorlesung

Die Videos finden Sie im OLAT.

Zoom-Meeting am 03.05.: Lösung Blatt 2, Aufg. 1 (Hannah Montz) [pdf];  Lösung Blatt 2, Aufg. 2 (Hendrik van Hees) [pdf]
Zoom-Meeting am 06.05.: "Tafelbild" zu Gaußschem und Stokesschem Integralsatz + Anwendungen [pdf]
Zoom-Meeting am 10.05.: "Tafelbild" zu Lösungen von Blatt 3 [pdf]
Zoom-Meeting am 27.05.: "Tafelbild" zu Lösungen von Blatt 5, Aufgabe 2 [pdf]
"Tafelbild" zum E-Dynamik-Review [pdf]


Präsenztermin

Bis auf weiteres aufgrund der Bundesnotbremse abgesagt!

Montags, 09:15h-10:45h im Physikhörsaal PHYS __.111 (erstes Treffen am 19.04.)

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 Besprechung der Übungen dienen.

Die Teilnahme ist selbstverständlich freiwillig.

Bitte füllen Sie zu jedem Termin die Unterweisungserklärung und das Kontaktformular aus: [pdf]
Sie können die Erklärung auch beim Meeting ausfüllen. Ich bringe immer genügend Formulare mit.


Zoom-Meeting

Donnerstags, 12:00h-13:00h
Link zum Zoom-Meeting


Lernzentrum (via Zoom)

Thomas Weatherby
Mi 10-12 (erstes Zoom-Meeting: 21.04.)
Zoom-Link


Aktuelles



Studienplan

1. Woche (12.-16.04.): Elektromagnetische Kraft, elektrostatisches Feld (Skript 1.1-1.2)
2. Woche (19.04.-23.04.): Flächen- und Volumenintegrale, Divergenz, Gaußsches Gesetz (1.3-1.4)
3. Woche (26.05.-30.04.): Das elektrostatische Potential, Wegintegrale, Rotation, Lemma von Poincare (Skript 1.5.1-1.5.6)
4. Woche (03.05.-07.05.): Energie des elektrostatischen Feldes, $\delta$-Distribution (Skript 1.5.7-1.6)
5. Woche (10.05.-14.05.): Elektrostatik in Gegenwart von Leitern, Kondensatoren (Skript 1.7)
6. Woche (17.05.-21.05.): Dielektrika, Polarisation (Skript 1.8)
7. Woche (24.05-28.05.): Magnetfeld, Faradaysches Induktionsgesetz, Maxwell-Gleichungen (Skript 2.1-2.5)
8. Woche (31.06-04.06.): Elektromagnetische Wellen im Vakuum, SI-Einheiten, elektromagnetische Potentiale (2.6+2.7, 2.11)
9. Woche (07.06-11.06.): Energie-, Impuls- und Drehimpulsdichte des elektromagnetisches Feldes (Skript 2.8-2.10)
10. Woche (14.06.-18.06.): Green-Funktion der Wellengleichung, Fourier-Integrale, Retardierte Potentiale (Skript 5.2.2, 5.6)
11. Woche (21.06.-25.07.): Dipolstrahlung (Skript 5.7)
12. Woche (28.06.-02.07.): Beugung I; Huygenssches Prinzip (Skript 5.10.1)
13. Woche (05.07.-09.07.): Beugung II; Kirchhoffsche Beugungstheorie, Faunhoferbeugung, Einzelspalt, Doppelspalt, Gitter  (5.10.2-5.10.3)
14. Woche (12.07.-16.07.): Ebene Wellen: Polarisationszustände (5.1)


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 08.06.2021)


Übungen

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

Blatt 1: Teilchen im homogenen elektrischen und magnetischen Feld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 2: Gaußscher Integralsatz; Volumen einer Halbkugel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 3: Elektrostatisches Potential eines homogen geladenen Zylinders; Potentialwirbel [pdf]; Lösungen[pdf]
Blatt 4: Visualisierung des elektromagnetischen Feldes, Dipolfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 5: Kondensatoren; elektrostatische Multipolentwicklung [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 6: Kondensatoren mit Dielektrikum; Review Elektrostatik [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 7: Vektorpotential für quellenfreies Vektorfeld; Magnetfeld eines unendlich langen Drahtes [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 8: Strahlungseichung und ebene Wellen; Umrechnung zwischen Lorenz- und Coulomb-Eichung [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 9: Review Vektoranalysis; Birkhoff-Theorem der Elektrodynamik [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10: Fourier-Transformationen; Retardierte Potentiale für harmonische Zeitabhängigkeit [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 11: Energie-, Impuls- und Drehimpulsdichte einer ebenen elektromagnetischen Welle [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 12: Huygenssches Prinzip und 2D-Wellen [pdf]; Lösungen [pdf]


Studienleistungen

Unbenoteter Schein 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. 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.

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 unbenoteten Scheine 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)
  • 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 auch beim Prüfungsamt (Lehramt) anmelden.

  • 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


    Data Privacy Statement


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    Datenschutzerklärung


    Die datenschutzkonforme Erklärung nach Art. 13 der Europäischen Datenschutzgrundverordnung (EU-DSGVO) finden Sie hier. Zur Geltendmachung dieser Rechte bzgl. dieser Webseite schicken Sie eine e-mail an hees@th.physik.uni-frankfurt.de.
    Letzte Änderung: 13.07.2021