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

Theoretische Physik 3 für das Lehramt L3

(Wintersemester 2020/2021)

Erwin Schrödinger

\begin{equation*} \begin{split} & \ii \hbar \partial_t \psi(t,\vec{r}) = \hat{H} \psi(t,\vec{r}), \\ & \Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{2}. \\ & E_0=m c^2 \end{split} \end{equation*}

Albert Einstein


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

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

E-Learning Portal OLAT

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

Erstes Zoom-Meeting: Dienstag, 03.11. 10:00h


Die Screencasts der Vorlesungen finden Sie im OLAT


Reviews zu Prüfungsinhalten

Review und Prüfungsinhalte über Quantentheorie [pdf]
Review und Prüfungsinhalte Relativitätstheorie [pdf]


Präsenztermin

Donnerstags, 10:00h-11:30h im Seminarraum PHYS __.102 (ab 12.11.) (ACHTUNG geändert!)

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 befindet sich noch in Arbeit. Hier finden Sie jedenfalls immer die aktuelle Version:
Manuskript (Version vom 09.02.2021)


Übungen

Tutor: Max Bechmann
E-Mail: bechmann@itp.uni-frankfurt.de

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.) Gaußsches Wellenpaket für ein Schrödinger-Teilchen [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 2 (Abgabe bis 20.11.) Teilchen im unendlich tiefen Potentialtopf [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 3 (Abgabe bis 27.11.) Adjungieren von Operatoren, Orts-Impuls-Algebra [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 4 (Abgabe bis 04.12.) Teilchen im harmonischen Oszillator und konstanten elektromagnetischen Feld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 5 (Abgabe bis 11.12.) Bahndrehimpulseigenzustände zu $\ell=1$; Nichtexistenz von Bahndrehimpulseigenzuständen zu $\ell=1/2$ (Zusatzaufgabe) [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 6 (Abgabe bis 18.12.) Energieeigenwerte und -eigenzustände für starres Hantel-Molekül [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 7 (Abgabe bis 15.01.) Bohrscher Radius; Hamiltonoperator für Teilchen im Magnetfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 8 (Abgabe bis 22.01.) Geladenes Spin-1/2-Teilchen im homogenen Magnetfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 9 (Abgabe bis 29.01.) Hintereinanderausführung von Lorentz-Transformationen; Addition der Geschwindigkeiten [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10 (Abgabe bis 05.02.) Geometrie im Minkowskiraum; Garagenparadoxon [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 11 (Abgabe bis 12.02.) Teilchen im homogenen $\vec{E}$ bzw. $\vec{B}$-Feld; Comptonstreuung [pdf]; Lösungen [pdf]
Zusatzblatt (Abgabe bis 26.02.) Relativistisch bewegter Stab; Zwillingsparadoxon [pdf]


Offenes Lernzentrum zur Theoretischen Physik 3 für L3

Tutor: Thomas Weatherby
E-Mail: weatherby@physik.uni-frankfurt.de
Mi 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 3 für das Lehramt L3

Zulassungsvoraussetzung: Erwerb der unbenoteten Scheine für Theoretische Physik III


Prüfungsinhalte

Theoretische Physik III (Kapitelangaben beziehen sich auf mein Manuskript)

Kapitel 2 + 3

  • Zustände und Observablen (Welle-Teilchendualismus, Wellenfunktionen, Observablen und Operatoren, Wahrscheinlichkeitsinterpretation, Unschärferelation)
  • Hamilton-Operator und Dynamik
  • Operatoren für Ort, Impuls und Drehimpuls in der Wellenmechanik
  • Energieeigenwertprobleme (freies Teilchen, harmonischer Oszillator, Drehimpuls und Spin, Wasserstoffatom)
  • Kapitel 4

  • Einsteins Postulate zur Speziellen Relativitätstheorie
  • Lorentz-Transformation; Minkowski-Raum-Zeit-Diagramme
  • Kinematische Effekte (Relativität der Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation/Zwillingsparadoxon, Längenkontraktion)
  • Speziell relativistische Mechanik massiver Teilchen (Eigenzeit, Energie, Impuls)
  • Energie-Impuls-Bilanz beim Teilchenzerfall und Zweiteilchenstößen

  • 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 3

    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).
    M. Bartelmann, et al., Theoretische Physik 2 - Elektrodynamik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2018).
    M. Bartelmann, et al., Theoretische Physik 3 - Quantenmechanik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2018).
    A. Einstein, Grundzüge der Relativitätstheorie, 7. Aufl., Springer, Berlin, Heidelberg (2009).
    A. Einstein, Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie, 24. Aufl., Springer, Berlin, Heidelberg (2009).

    J. J. Sakurai, S. Tuan, Modern Quantum Mechanics, Addison Wesley (1993)

    B. Schumacher, M. Westmoreland, Quantum Processes, Systems, and Information, Cambridge
    University Press, Cambridge, New York, Melbourne, Madrid, Cape Town, Singapore, Sao
    Paulo, Delhi, Dubai, Tokyo (2010)

    Lehbücher und populärwissenschaftliche Bücher über Grundlagen (Interpretationsprobleme) der Quantenmechanik

    D. Dürr, D. Lazarovici, Verständliche Quantenmechanik, Springer Spektrum, Berlin (2018)
    C. Friebe, et al., Philosophie der Quantenphysik: Zentrale Begriffe, Probleme, Positionen, 2. Aufl., Springer Spektrum, Berlin (2018)

    A. Zeilinger, Dance of the photons: from Einstein to quantum teleportation, Farrar, Straus and
    Giroux, New York (2010).

    P. Ball, Beyond weird, Bodley Head (2018)

    Schulbuch Physik (Oberstufe)

    J. Grehn, J. Krause, Metzler Physik, Sekundarstufe II, 4. Auflage, Schroedel (2007)

    Lehrbücher zur Mathematik

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

    Didaktik-Lehrbuch (mit Kapiteln zu QM und SRT)

    H. Schecker et al, Schülervorstellungen und Physikunterricht, Springer Spektrum (2018)

    Vorlesungsmanuskripte

    H. van Hees, Skript zu "Mathematische Ergänzungen zur Theoretischen Physik 1" [pdf]

    W. Cassing, H. van Hees, Mathematische Methoden für Physiker [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: 19. Frebruar 2021