Theoretische Physik 2 für das Lehramt L3

(Sommersemester 2022)

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
Mo. 12:15-13:45h PHYS __.101
Do. 12:15-13:00h PHYS 01.114

Erste Vorlesung: Montag, 11.04. 12:15h


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 10-12h PHYS 02.222 (Achtung: gegenüber Vorlesungsverzeichnis geändert!)


Aktuelles



Studienplan

1. Woche (11.-15.04.): Elektromagnetische Kraft, elektrostatisches Feld (Skript 1.1-1.2)
2. Woche (18.04.-22.04.): Flächen- und Volumenintegrale, Divergenz, Gaußsches Gesetz (1.3-1.4)
3. Woche (25.05.-29.04.): Das elektrostatische Potential, Wegintegrale, Rotation, Lemma von Poincare (Skript 1.5.1-1.5.6)
4. Woche (02.05.-06.05.): Energie des elektrostatischen Feldes, $\delta$-Distribution (Skript 1.5.7-1.6)
5. Woche (09.05.-13.05.): Elektrostatik in Gegenwart von Leitern, Kondensatoren (Skript 1.7)
6. Woche (16.05.-20.05.): Dielektrika, Polarisation (Skript 1.8)
7. Woche (23.05-27.05.): Magnetfeld, Faradaysches Induktionsgesetz, Maxwell-Gleichungen (Skript 2.1-2.5)
8. Woche (30.05-03.06.): Elektromagnetische Wellen im Vakuum, SI-Einheiten, elektromagnetische Potentiale (2.6+2.7, 2.11)
9. Woche (06.06-10.06.): Energie-, Impuls- und Drehimpulsdichte des elektromagnetisches Feldes (Skript 2.8-2.10)
10. Woche (13.06.-17.06.): Green-Funktion der Wellengleichung, Fourier-Integrale, Retardierte Potentiale (Skript 5.2.2, 5.6)
11. Woche (20.06.-24.07.): Dipolstrahlung (Skript 5.7)
12. Woche (27.06.-01.07.): Beugung I; Huygenssches Prinzip (Skript 5.10.1)
13. Woche (04.07.-08.07.): Beugung II; Kirchhoffsche Beugungstheorie, Faunhoferbeugung, Einzelspalt, Doppelspalt, Gitter  (5.10.2-5.10.3)
14. Woche (11.07.-15.07.): 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 20.05.2022)


Übungen

Tutor: Jan Rais
E-Mail: rais@th.physik.uni-frankfurt.de
Mo. 09:15-10:45h PHYS 01.114
Erste Übung: Mo. 25.04.

Blatt 01: Teilchen im homogenen elektrischen und magnetischen Feld; Beispiel zum Gaußschen Integralsatz [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 02: Homogen geladener Zylinder; Potentialwirbel [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 03: Visualisierung von electrostatischen Feldern und Potentialen; Dipolfeld in kartesischen, Kugel- und Zylinderkoordinaten [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 04: Kondensatoren und Kapazität; Elektrostatische Multipolentwicklung [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 05: Kondensatoren mit Dielektrikum; Review Elektrostatik [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 06: Vektorpotential für quellenfreies Vektorfeld; Magnetfeld um einen stromdurchflossenen unendlich langen zylindrischen Draht [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 07: Strahlungseichung, Eichtransformation von Lorenz- zur Coulombeichung; Review Vektoranalysis [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 08: Fourier-Transformation der retardierten Potentiale [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 09: Green-Funktion des d'Alembert-Operators in 2 räumlichen Dimensionen [pdf]; Lösungen [pdf]
Blatt 10: Magnetostatik: Rotierende homogen geladene Kugel [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


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    Letzte Änderung: 27. Juni 2022