Skript zur Vorlesung: Einführung in die Physik II
Prof. Dr. R. Matzdorf
Universität Kassel
SS 2008



Die nächste Klausur zur Experimentalphysik II findet am Dienstag, den 9. September 2008 von 10:00 Uhr bis 12:30 Uhr im Raum 298 und im Raum 100 statt. Eine Anmeldung zur Klausur ist nur für modularisierte Lehramtsstudenten erforderlich und kann nur online mit dem HISQIS-Programm erfolgen. Bei Problemen mit der Anmeldung fragen Sie im Prüfungssekretariat des AVZ. Diplom-Physik-, Diplom-Nano-, und Lehramtsstudenten nach der alten Prüfungordnung brauchen sich nicht anzumelden. Als Hilfsmittel bei der Klausur sind 4 Seiten DIN A4 handgeschriebene Formelsammlung und ein Taschenrechner erlaubt.

Hinweise zur Vorbereitung auf die Klausur können Sie den folgenden Links entnehmen.
Hinweise für Physik Diplom, Lehramt Gymnasium und Nanostrukturwissenschaften
Hinweise für Lehramt an Haupt- und Realschulen


Bitte füllen Sie diesen super-kurzen Fragebogen zu den e-learning Anteilen der Vorlesung bis zum 4.7.08 aus: Online-Fragebogen


Download der einzelnen Abschnitte zur Vorlesung:

Ladung - Feld.pdf
Strom.pdf
Magnetfelder - bewegte Ladungen
Elektrische Einheiten
Materie im Magnetfeld
zeitabhängige Felder - Maxwell-Gleichungen
Wechselstromkreise
Einschub: Mechanische Wellen und allgemeine Welleneigenschaften
Abstahlung vom Dipol - Elektromagnetische Wellen
Wellen in Materie
Geometrische Optik
Interferenz - Beugung
Optische Instrumente


Windows-Programme zur Vorlesung:

Coulombfelder:
Darstellung der Coulombfelder für bis zu 4 Ladungen: Coulombfelder.exe. Bedienung: Die Ladungen können im Bild verschoben werden, wenn Sie angeklickt werden und bei festgehaltenen Maustaste verschoben werden. Die Ladungsmenge und ihr Vorzeichen und die Größe der Kugeln kann mit den Schiebereglern eingestellt werden.Die "Punkt"-Ladungen werden durch geladenen Kugeln angenährt, deren Ladung auf der Oberfläche gleichmässig verteilt ist. Diese Annahme ist im Feld der anderen Ladungen als Näherung zu betrachten. Die Darstellung mit Feldlinien gibt die Richtung des Feldes richtig an, die Dichte der Feldlinien ist aber nicht quantitativ interpretierbar.

Elektrische Felder zwischen Metallelektroden:
Lösung der Laplace-Gleichung zur Berechnung von Potentialen, Feldern, Ladungsverteilungen und Feldenergie im Vakuum (bzw. in Luft) zwischen Anordnungen aus Metallelektroden: Laplace-Win.exe. Bedienung: Zeichnen Sie die Elektroden mit der Maus und linker Maustaste. Dazu vorher das entsprechende Potential der Elektrode oben links in das Eingabe-Feld eintragen. Mit der rechten Maustaste können geschlossenen Gebiete ausgefüllt werden. Drücken Sie dann Start und und öffnen Sie die Fenster, die Sie interessieren.

Elektrische Ströme in metallischen Leitern:
Berechnung von Potential, elektrischem Feld, Stromdichte und Wärmeleistung in metallischen Leitern: Strom.exe. Bedienung: Zeichnen Sie die Form des Leiters mit der Maus und linker Maustaste. Punkte können entweder auf festem Potential gehalten werden (entspricht einem Anschluss an eine Spannungsquelle) oder als Metall mit einer bestimmten Leitfähigkeit oder als Isolator deklariert werden. Geben Sie die Art der Punkte und die Parameter (Potential und Leitfähigkeit) vorher in die entsprechenden Eingabefelder ein und malen Sie dann mit der Maus die Punkte. Mit der rechten Maustaste können geschlossenen Gebiete ausgefüllt werden. Drücken Sie dann Start und stoppen Sie nach einer Weile. (Bei einigen speziellen Anordnungen dauert die Rechnung etwas länger). Öffnen Sie die Fenster, die Sie interessieren. Fenstergrößen können angepasst werden, die 3-D Darstellung des Potentials kann mit den Schiebereglern am Bildrand gedreht werden. Potential und Feld wird nur im Leiter angezeigt, obwohl beides im isolierenden Aussenraum auch ungleich Null ist.

Abstrahlung vom Dipol:
Lösung der Maxwellgleichungen in zwei Dimensionen für die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen von einem Dipol: Dipol.exe. Als Dipol wird eine oszilierende Gauss-förmige Stromdichteverteilung vorgegeben. Mit den Maxwellgleichungen wird für jeden Raumpunkt das elektrische Feld und das Magnetfeld berechnet. Aus der Divergenz des elektrischen Feldes wird die Ladungsverteilung berechnet. Die Felder werden in der x-y-Ebene dargestellt. Es kann zwischen einem Dipol mit Ausrichtung entlang der y-Achse und einem entlang der z-Achse gewählt werden. Zur Darstellung der Felder wird |E|² in blau und |B|² in gelb entsprechend ihrer Stärke eingefärbt (Lichtgeschwindigkeit=1). Sind beide Beiträge gleich groß, mischen sich die Farben zu weiss. In der Nähe des Dipols sind die Felder gegeneinander phasenverschoben (gelbe/blaue Bereiche) im Fernfeld dagegen sind die Felder in Phase (weiss). Die Randbedingung ist so gewählt, dass elektromagnetische Wellen reflektiert werden. Dadurch bilden sich in der Box stehende Wellen aus, bei denen E-Feld und B-Feld wieder gegeneinander phasenverschoben sind (gelbe/blaue Bereiche). Dies kann verhindert werden, indem eine Absorption eingeführt wird, die die abgestrahlte Welle wegdämpft. Es kann auch Stromdichte und Ladungsverteilung des Dipols selbst dargestellt werden (Stromdichte grün, positive Ladung rot, negative Ladung blau).

Elektromagnetische Welle, Polarisation:
Dreidimensionale Darstellung einer ebenen elektromagnetischen Welle mit Ausbreitung in x-Richtung. ElektromagnetischeWelle.exe. Das elektrische Feld (blau) und das Magnetfeld (gelb) werden als Kurve dargestellt. Es ist eine weitere Darstellung verfügbar, bei der die Richtung der Feldvektoren besser erkennbar ist. Es kann auch die Überlagerung von zwei linear polarisierten Wellen dargestellt werden. Durch Wahl von Polarisation, Phase und positiver/negativer Ausbreitungsrichtung der beiden Wellen ist es möglich linear, zirkular und elliptisch polarisierte Wellen sowie stehende Wellen darzustellen. Drehung im verschieden Achsen (Schieberegler links, rechts, unten), Zoom (Schieberegler oben) Beleuchtungsrichtung (weitere Schieberegler oben).

Reflexion und Brechung an einer Grenzfläche zwischen Dielektrika:
Dynamische Darstellung einer elektromagnetischen Welle, die schräg auf eine Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika mit unterschiedlichen Brechungsindizes n1 und n2 fällt. Brechung.exe. Die elektrische Feldstärke der Welle ist farblich dargestellt (grün positiv, blau negativ). Es kann zwischen parallel bzw. senkrecht zur Einfallesebene polarisierten Wellen gewählt werden. Einfallswinkel, Brechungsidizes und Wellenlänge sind einstellbar. Vor der Grenzfläche bildet sich ein Interferenzmuster aus einfallender und reflektierter Welle aus. Um die Teilwellen vor der Oberfläche besser erkennen zu können, können einzelne Teilwellen ausgeblendet werden. Zusätzlich kann der Strahlengang eingeblendet werden. Bei Totalreflexion ist das evanescente Feld erkennbar.



Programme zur Vorlesung (DOS) und Turbo Pascal Quellcodes:

Hinweise zur Bedienung der folgenden Programme gibt es hier: readme.txt
Folgende Datei (Grafiktreiber) wird von allen Dos-Programmen benötigt. Bitte auch einmal downloaden. Damit die Programme lauffähig sind, muss diese Datei im gleichen Ordner sein wie das Programm selbst. Egavga.bgi

Lösung der Laplacegleichung zur Berechnung von Potentialen, Feldern und Ladungsverteilungen in Anordnungen mit Metallelektroden: Laplace.exe Quellcode Laplace.pas.

Abstrahlung vom Dipol: lokale oszillierende Stromdichte im Zentrum der Bilder strahlt E-Feld und B-Feld ab. x-Richtung waagerecht auf dem Bildschirm, y-Richtung senkrecht, z-Richtung aus Bildschirm heraus. Im Programm Dipol-z zeigt die Stromdichte in z-Richtung, im Programm Dipol-y zeigt die Stromdichte in y-Richtung.
Dipol-z.exe Quellcode Dipol-z.pas.
Dipol-y.exe Quellcode Dipol-y.pas.

Programm zur Berechnung von zwei kohärenten bzw. inkohärenten Schallquellen. Das .wav File kann mit einem Standard-Mediaplayer abgespielt werden, um der Interferenz vor den beiden Lautsprechern des Computers zu lauschen: Koharenz.exe Quellcode Koharenz.pas.



Links für Zusatzinformationen zu einzelnen Themen:

SI-Einheiten, Fundamentalkonstanten:
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
National Institute of Standards and Technology
Zur Optik: Verschiede Konstruktionen von Augen in der Tierwelt
Eye Design Book