Experimental Physics for Engineering

Einführung

• Physikalische Größen
• Physikalische Basiseinheiten (SI)
• Vektoren
• Koordinatensysteme
• Messgenauigkeit und Messfehler

Mechanik

• Charakteristische Größen einfacher Bewegungen:
• Ort, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kräfte
• Newtons Axiome
• Vektoren – Kinematik – Dynamik
• Gleichmäßige Beschleunigung
• Gleichförmige Rotationsbewegung
• Harmonische Schwingung
• Federkraft (Hookesches Gesetz)
• Gravitationskraft
• Trägheitskräfte
• Überlagerung von Kräften
• Arbeit
• Energie
• Impuls
• Kraftfelder
• Potentielle Energie
• Stoßgesetze

Hydrostatik und Hydrodynamik

• Druck
• Hydrostatisches Paradoxon
• Auftrieb
• Kompressibilität von Flüssigkeiten
• Oberflächenspannung und Grenzflächen
• Strömende Flüssigkeiten
• Ideale und reale Ströme
• Kontinuitätsgleichung, Bernoulli-Gleichung
• Laminare Strömung
• Viskosität und Reibung
• Hagen-Poiseuille-Gesetz
• Strömungswiderstand
• Reynolds-Zahl
• Wirbel
• Widerstandbeiwert

Schwingungen und Wellen

• Harmonische Schwingungen
• Überlagerung von Schwingungen
• Harmonische Schwingung mit Reibung
• Gedämpfte Schwingung
• Aperiodischer Grenzfall und Kriechfall
• Erzwungene Schwingungen
• Resonanzen ohne und mit Dämpfung
• Fourier-Analyse
• Wellen
• Wellengleichung
• Dopplereffekt
• Kopfwelle und Machzahl
• Stehende Wellen
• Huygens-Fresnel-Prinzip
• Akustik und Schallwellen
• Schalldruck

Elektrostatik

• Elektrische Ladungen
• Coulomb-Kraft
• Elektrische Feldstärke
• Elektrischer Fluss
• Gaußscher Satz
• Elektrische Multipolfelder
• Potential und Spannung
• Poisson- und Laplace-Gleichungen
• Kapazität
• Dielektrikum
• Influenzladung

Elektrodynamik

• Gleichströme
• Ohmsches Gesetz
• Magnetfelder
• Lorentz-Kraft und Halleffekt
• Induktion
• Lenzsche Regel
• Wechselströme
• Maxwell-Gleichungen
• Magnetismus und magnetische Materialien
• Dia-, Para- und Ferromagnetismus
• Hysteresis
• Schwingkreise
• Verschiebungsstrom
• Elektromagnetische Wellen
• Dipolstrahlung und lineare Antenne
• Trägerwellen und Funkübertragung
• Amplituden- und Frequenzmodulation

Optik

• Geometrische Optik
• Huygens-Fresnel-Prinzip
• Brechung und Totalreflexion
• Brechungsindex
• Spiegel
• Brechung an Kugelflächen
• Linsen und Prismen
• Bildkonstruktion
• Dispersion
• Linsenfehler
• Optische Instrumente
• Wellenoptik
• Interferenz des Lichtes
• Kohärenz
• Parallelplatten
• Spalt, Doppelspalt und Gitter
• Michelson Interferometer
• Gitterauflösung
• Polarisation
• Elektronenbeugung
• Röntgenbeugung
• Photozelle
• Photonenabsorption und Emission
• Franck-Hertz Versuch

Thermodynamik

• Temperatur, Druck, Volumen
• Avogadro-Gesetz
•  Wärmedefinition
• Ideales Gas
• Gesetz von Boyle-Mariotte
• Gesetz von Gay Lussac
• Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung idealer Gase
• Freiheitsgrade
• Spezifische Wärme
• Brownsche Molekularbewegung
• Zustandsänderungen
• 1. Hauptsatz der Thermodynamik
• Isotherme Zustandsänderung
• Adiabatische Zustandsänderung
• Isobare Zustandsänderung
• Isochore Zustandsänderung
• Wärmekraftmaschinen
• Carnot-Prozess
• Otto-Motor
• Reversible und irreversible Prozesse
• Entropie
• 2. Hauptsatz der Wärmelehre
• Wahrscheinlichkeit eines Zustandes
• Wahrscheinlichkeitsdefinition der Entropie
• Verteilungssatz von Boltzmann
• Wärmeleitung
• Wärmequellen und stationäre Temperaturverteilung
• Aggregatzustände
• Van der Waals Gleichung
• Phasen und Phasenkoexistenz

Fundamentale Struktur der Materie

• Absorption- und Emissionsspektroskopie
• Wasserstoffspektrum
• Bohr-Atommodell
• Planck’sches Strahlungsgesetz
• Materie-Welle- Dualismus
• Quantisierung
• Atomkern
• Rutherford-Streuung
• Nukleonen und Bindungsenergie des Atomkerns
• Tröpfchenmodell
• Kernpotential
• Eigenzustände im Kernpotential
• Radioaktive Zerfälle
• Substruktur der Nukleonen
• Elementare Bausteine: Leptonen, Quarks und Gluonen
• Fundamentale Wechselwirkungen
• Aufbau der Materie

Durch den Besuch der Vorlesung und die aktive Teilnahme an den Übungen werden die Studierenden einen breiten Überblick über die klassische Physik und einen ersten Einblick in die moderne Physik erhalten. Sie werden die Arbeitsweise von Physikern verstehen sowie die wesentlichen physikalischen Größen (Kräfte, Potentiale, Ströme, Entropie etc.)  und die wichtigsten physikalischen Gesetze und deren Bedeutung in Natur und Technik kennenlernen. Sie werden physikalische Prozesse sowohl qualitativ wie auch mathematisch-quantitativ beschreiben können. Dabei werden sie durch die Vorführung von Versuchen und Videos einen direkten Eindruck und ein anschauliches Bild von diesen Prozessen erhalten. Damit erarbeiten sie sich die wissenschaftlichen Grundlagen für viele Bereiche der modernen Ingenieurwissenschaften.

• Grundlagen der Differential- und Integral-Rechnung
• Grundlagen der Vektoralgebra
• Komplexe Zahlen

• Vorlesung mit Tablet-Computer und Beamer
• Videos und Folien
• Life-Vorführung von Experimenten
• PDF-Kopie der Vorlesung als Skript im Internet

• Demtröder: Experimentalphysik 1-4, Springer (ca. 2000S, 4 Bände, Grundauststattung für Physik-Studenten)
• Gerthsen: Physik, Springer, Hrsg. Dieter Meschede (ca. 1000S, 1 Band, mathematisch anspruchsvoller)
• Tipler, Mosca:Physik für Wissenschaftler und Ingenieure (ca. 1000S, 1 Band, amerikanischer Klassiker, also available in Englisch)
• Dobrinski, Krakau, Vogel: Physik für Ingenieure, Vieweg/Teubner (ca. 750S, weniger ausführlich)
• Thomsen: Physik für Ingenieure für Dummies, Wiley (ca. 500S, die Notausstattung, gute Einführung in die Mathematik)
• Halliday, Resnick, Walker: Fundamentals of Physics, Wiley (app. 1000p, less equations, a classical US textbook)

In a written exam in the form of a multiple-choice test the learning success is checked using comprehension questions and calculation problems.