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Theoretische Physik 3 für das Lehramt L3

(Wintersemester 2022/2023)

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 zur Vorlesung und Übung findet am Do. 26.01. 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
Di: 10:15-11:00h PHYS __.101
Do: 10:15-11:45h PHYS 02.114
Erste Vorlesung: Di 18.10.

OLAT: Link
Bitte melden Sie sich im OLAT an, um Informationen via E-Mail zur Vorlesung zu erhalten und zur Teilnahme am Tutorium


Vorlesungsplan (vorläufig)

1. Woche (17.10.-21.10.): Versagen der klassischen Physik (Skript 2.3-2.7.1)
2. Woche (24.10.-28.10.): Operatoren für Observablen, Erwartungswerte, Eigenfunktionen und Eigenwerte (Skript 2.7.2-2.7.4)
3. Woche: (31.10.-04.11.): Selbstadjungierte Operatoren, Energieeigenfunktionen, Unschärferelation (Skript 2.7.5+3.3)
4. Woche: (07.11.-11.11.): Freies Teilchen und harmonischer Oszillator (Energieeigenfunktionen) (Skript 3.4+3.5)
5. Woche: (14.11.-18.11.): Bahndrehimpuls I; allgemeines Drehimpulseigenwertproblem (Skript 3.6+3.7)
6. Woche: (21.11.-25.11.): Bahndrehimpuls II (Kugelflächenfunktionen) (Skript 3.8)
7. Woche: (28.11.-02.12.): Wasserstoffatom (Skript 3.10)
8. Woche: (05.12.-09.12.): Teilchen im Magnetfeld; Spin; Stern-Gerlach-Versuch (Skript 3.11+3.12)
9. Woche: (12.12.-16.12.): Spezielle Relativitätstheorie (Minkowski-Raum; kinematische Effekte) (Skript 4.1-4.3)
10. Woche: (19.12.-23.12.): Speziell-relativistische Mechanik (Skript 4.4)

Weihnachtspause

11. Woche: (09.01.-13.01.): Geladene Teilchen im em. Feld (Skript 4.7)
12. Woche: (16.01.-20.01.): Zerfall und Stöße von Teilchen; Masse-Energie-Äquivalenz (Skript 4.5+4.6)
13. Woche: (23.01.-27.01.): Kovariante Elektrodynamik (Skript 4.8)
14. Woche: (30.01.-03.02.): Ausblick auf das Standardmodell der Elementarteilchen (Präsentation)
15. Woche (06.02.-10.02.): Ausblick auf die Kosmologie (Präsentation)

Manuskript

Das Manuskript befindet sich noch in Arbeit. Hier finden Sie jedenfalls immer die aktuelle Version:
Manuskript (Version vom 19.01.2023)

Präsentation zum Standardmodell der Elementarteilchen und zur Kosmologie [pdf]


Reviews zu Prüfungsinhalten

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


Übungen

Tutor: Jan Rais
E-Mail: rais@itp.uni-frankfurt.de
Do 08:30-10:00h __.101
Erster Termin: Do 27.10.

Blatt 01: Photoeffekt (Kondensatormethode) [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 02: Gaußsches Wellenpaket für freiees Teilchen [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 03: Unendlich hoher Potentialtopf [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 04: Cauchy-Schwarzsche Ungleichung, Dreiecksungleichung, Operatorrechenregeln [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 05: Harmonischer Oszillator im homogenen elektrischen Feld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 06: Translationen und Drehungen als unitäre Operatoren [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 07: Bahndrehimpuls zu $\ell=1$; Bahndrehimpuls zu $\ell=1/2$? [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 08: Grundzustand des Wasserstoffatoms; Teilchen im Magnetfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 09: Geladenes Teilchen mit Spin 1/2 im homogenen Magnetfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10: Geometrie im Minkowskiraum; Garagenparadoxon [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 11: Relativistische Bewegung eines geladenen Teilchens im homogenen $\vec{E}$- und im homogenen $\vec{B}$-Feld; Kinematik der Compton-Streuung [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 12: Gleichförmig bewegter Plattenkondensator; Feld einer gleichförmig bewegten Punktladung [pdf]; Lösungen [pdf]

 Offenes Lernzentrum zur Theoretischen Physik 3 für L3

Tutor: Thomas Weatherby
E-Mail: weatherby@physik.uni-frankfurt.de
Mi 10:00h-11:30 PHYS 02.222 (Besprechungsraum der Didaktik der Physik)
Erster Termin: TBA

Studienleistungen

Zulassungsvoraussetzung: Erwerb der unbenoteten Scheine für Theoretische Physik III

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 an den Übungen teilnehmen. Dabei ist natürlich eine "aktive Teilnahme" erwünscht. Jeder muß mindestens zwei-mal während des Semester eine Übungsaufgabe vorrechnen.

Den Schein für die Vorlesung erhalten Sie, wenn Sie am Ende des Semesters mindestens die Hälfte der erreichbaren Gesamtpunktzahl gesammelt haben.

Prüfungsinhalte (Klausur)

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+


    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: 09. Februar 2022