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Theoretische Physik 1 für das Lehramt L3

(Wintersemester 2024/2025)

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

Vorlesung

Hendrik van Hees
E-Mail: hees@itp.uni-frankfurt.de
Di 10:15-11:45h PHYS 02.114
Mi 09:15-10:00h PHYS 01.114
Erste Vorlesung: Di 15.10.

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 (14.10.-18.10.): Kinematik (Vektorrechnung etc), Dynamik und Newtonsche Axiome, freier Fall etc. (Skript 2.1-2.3)
2. Woche (21.10.-25.10.): Erhaltungssätze für abgeschlossene Systeme (Skript 2.3+2.4)
3. Woche: (28.10.-01.11.):
Newtonsches Gravitationsgesetz und Kepler-Problem (Skript 2.8)
4. Woche: (04.11.-08.11.):
Der harmonische Oszillator (Skript 2.5-2.7)
5. Woche: (11.11.-15.11.): Beschleunigte Bezugssysteme (Skript 2.9)
6. Woche: (18.11.-22.11.): Variationsrechnung und Euler-Lagrange-Gleichungen (Skript 3.1+3.2)
7. Woche: (25.11.-29.11.): Fundamentallemma der Variationsrechnung; Hamiltonsches Prinzip (Skript 3.3+3.4)
8. Woche: (02.12.-06.12.): Noether-Theorem (Skript 3.5)

9. Woche (09.12.-13.12.):
Hamiltonsche Formulierung der Mechanik (Skript 3.7)
10. Woche (16.12.-20.12.):
Kanonische Transformationen und Poisson-Klammern (Skript 3.8)

Weihnachtspause

11. Woche: (13.01.-17.01.): Beispiele zu kanonischen Transformationen (Skript 3.9)
12. Woche: (20.01.-24.01.):
Noether-Theorem in Hamiltonscher Formulierung (Skript 3.10)
13. Woche: (27.01.-31.01.): Teilchen in elektromagnetischen Feldern und Eichsymmetrie (Skript 4.2)
14. Woche: (03.02.-07.02.): ...
15. Woche: (10.02.-14.02.): ...


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 18.12.2024)


Übungen

Tutorin: Niels Saß
E-Mail: nsass@itp.uni-frankfurt.de
Di 12:15-13:45h PHYS 01.114
Erster Termin: Di 22.10.

Die Übungsblätter werden montags in OLAT hochgeladen (Abgabe bis zum darauffolgenden Sonntag 23:59h)

Blatt 01: Freier Fall und schiefer Wurf mit und ohne Luftwiderstand (Stokessche Reibung) [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 02: Gravitationspotential; Massenpunkt an Feder im Schwerefeld der Erde [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 03: Satellit auf Kreisbahn; Bewegung im allgemeinen Zentralkraftfeld [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 04: Fadenpendel; Zwei durch Feder verbundene Massenpunkte [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 05: Ungedämpfter getriebener harmonischer Oszillator [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 06: Perle auf rotierendem Stab [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 07: Bewegung auf der Brachystochrone [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 08: Schiefe Ebene und Kugelpendel im Lagrange-Formalismus [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 09: Rollpendel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10: Poissonklammeralgebra; Drehimpuls-Poisson-Klammern [pdf]

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 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.

Ab dem WS 2023/2024 müssen Sie sich sowohl für den Teilnahmenachweis als auch für die Modulabschlussprüfung im elektronischen System unter Goethe-Campus anmelden [Link zur Anmeldung]. Beachten Sie die Anmelde- und Rücktrittsfristen! Sollten Sie den Teilnahmenachweis am Ende des Semsters nicht erbracht haben, entsteht Ihnen durch die Anmeldung kein Nachteil!

Prüfungsinhalte

Theoretische Physik I

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)
  • Kurzer Review der Vorlesung [pdf]


    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: 16. Dezember 2024