Theoretische Physik 2 für das Lehramt L3

(Sommersemester 2024)

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

Vorlesung

Hendrik van Hees
E-Mail: hees@itp.uni-frankfurt.de
Di. 13:15-14:00h PHYS __.101
Do. 11:15-12:45h PHYS 02.114

Erste Vorlesung: Dienstag, 16.04. 13:15h

Vorlesungsaufzeichnungen vom SS 2022

Vorlesungsaufzeichnung (OLAT)

Evaluation

Die Evaluation von Vorlesung und Übung findet am Di. 02.07. während der Vorlesung online statt. Genauere Angaben mit dem Link finden Sie hier: [pdf]

Elearning-Portal (OLAT)

Hier ist der Link zum E-Learning-Portal OLAT. Bitte tragen Sie sich dort ein, damit Sie am Tutorium teilnehmen können. Dort werden auch die Aufgabenblätter und die dazugehörigen Musterlösungen zur Verfügung gestellt.

Lernzentrum

Thomas Weatherby
E-mail: weatherby@physik.uni-frankfurt.de
Do. 09:30-11:00h PHYS 02.222
Erstes Lernzentrum: 25.04.

Studienplan

1. Woche (15.04.-19.04.): Elektromagnetische Kraft, elektrostatisches Feld (Skript 1.1-1.2)
2. Woche (22.04.-26.04.): Flächen- und Volumenintegrale, Divergenz, Gaußsches Gesetz (1.3-1.4)
3. Woche (29.04.-03.05.): Das elektrostatische Potential, Wegintegrale, Rotation, Lemma von Poincare (Skript 1.5.1-1.5.6)
4. Woche (06.05.-10.05.): Energie des elektrostatischen Feldes, $\delta$-Distribution (Skript 1.5.7-1.6)
5. Woche (13.05.-17.05.): Elektrostatik in Gegenwart von Leitern, Kondensatoren (Skript 1.7)
6. Woche (20.05-24.05.): Magnetfeld, Faradaysches Induktionsgesetz, Maxwell-Gleichungen (Skript 2.1-2.5)
7. Woche (27.05-31.05.): Elektromagnetische Wellen im Vakuum, SI-Einheiten, elektromagnetische Potentiale (2.6+2.7, 2.11)
8. Woche (03.06-07.06.): Green-Funktion der Wellengleichung, Fourier-Integrale, Retardierte Potentiale (Skript 5.2.2, 5.6)
9. Woche (10.06.-14.06.): Dipolstrahlung (Skript 5.7)
10. Woche (17.06.-21.06.): Energie-, Impuls- und Drehimpulsdichte des elektromagnetisches Feldes (Skript 2.8-2.10)
11. Woche (24.06.-28.06.): Brechung und Reflexion von em. Wellen an Dielektrika (Fresnelsche Formeln)
12. Woche (01.07.-05.07.): Beugung I; Kirchhoffsche Beugungstheorie, Faunhoferbeugung, Einzelspalt, Doppelspalt, Gitter  (5.10.2-5.10.3)
13. Woche (08.07.-12.07.): Beugung II; Kirchhoffsche Beugungstheorie, Faunhoferbeugung, Einzelspalt, Doppelspalt, Gitter  (5.10.2-5.10.3)
14. Woche (15.07.-19.07.): Fourier-Darstellung; Anfangswertproblem der Maxwell-Gleichungen (Skript 5.2-5.3)

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 11.07.2024)

Übungen

Tutor: Martha Ege
E-Mail: martha.ege@icloud.com
Di. 14:15-15:45h PHYS 01.114
Erste Übung: Di. 23.04.

Blatt 01: Bewegung eines geladenen Teilchens im homogenen elektrischen und im homogenen magnetischen Feld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 02: Beispiel zum Gaußschen Integralsatz; Volumen einer Halbkugel auf drei Rechenewegen [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 03: Visualisierung elektrostatischer Felder; elektrisches Dipolfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 04: Homogen geladener Zylinder; Potentialwirbel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 05: Kondensator mit Dielektrikum; Elektrostatik-Review [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 06: Vektorpotential für ein quellenfreies Vektorfeld; Magnetfeld des unendlichen Drahtes [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 07: Vektorpotential für quellenfreie Vektorfelder; Umrechnung von Lorenz- zu Coulomb-Geichung; Review zur Vektoranalysis [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 08: Greenfunktion der Wellengleichung im 2D Raum [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 09: Reflexion einer ebenen Welle am idealen Spiegel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10: Dipolmoment einer stationären Stromverteilung (Magnetostatik) [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 11: Energie-, Impuls und Drehimpulsdichte einer ebenen em. Welle [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 12: Faltungssatz; Fourier-Darstellung em. Wellen [pdf]

Studienleistungen

Teilnahmenachweis 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. Der Teilnahmenachweis, der auch Bedingung für die Modul-Abschlussprüfung ist, kann erbracht werden durch aktive Teilnahme an den Übungen (maximal zweimaliges unbegründetes Fehlen) oder durch Abgabe der Übungen in OLAT und Erreichen von mindestens 50% der Punkte.

Prüfungsordnung 2018: 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) in einer mündlichen Prüfung abgefragt.
Zulassungsvoraussetzung: Erwerb der Teilnahmenachweise für Mathematische Methoden, Theoretische Physik I und II

Prüfungsordnung 2023: Es wird der gesamte Stoff des Moduls, also die Inhalte von Mathematische Methoden für das Lehramt L3 und Theoretische Physik 1 für das Lehramt L3 (Mechanik) in einer Klausur abgefragt.
Zulassungsvoraussetzung: Erwerb der Teilnahmenachweise für Mathematische Methoden, Theoretische Physik 1

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)

  • Alte Studienordnung: 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 in diesem Sommersemester 2023 noch nicht beim neuen Anmeldesystem des Prüfungsamtes anmelden. Die Meldung erfolgt noch formlos durch mich via E-Mail ans Prüfungsamt.

  • Ab dem Wintersemester 2023/2024 müssen Sie sich vorher elektronisch beim neuen Anmeldesystem anmelden. Der Anmeldezeitraum in den Wintersemestern ist der 01.-31.01. und in den Sommersemestern der 01.-30.06. Falls Sie nicht wie geplant die og. Teilnahmenachweisbedingungen erreicht haben, entsteht Ihnen kein Nachteil. Die Prüfungsanmeldung gilt dann als zurückgezogen und wird nicht als Fehlversuch gewertet.

    • 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


    The data privacy statement according to the General Data Protection Regulation (GDPR) (EU) can be found here (in German). For the enforcement of these rights regarding this website, send an e-mail to hees@itp.uni-frankfurt.de.

    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@itp.uni-frankfurt.de.
    Letzte Änderung: 01. Juli 2024