Prüfungstrainer Experimentalphysik: Physik verstehen und lernen für die mündliche Prüfung im Bachelor (Haupt- und Nebenfach)

451 Pages·2016·12.28 MB·German

by  Hans-Christoph Mertins

Hans-Christoph Mertins
Markus Gilbert
Prüfungstrainer
Experimentalphysik
Physik verstehen und lernen
für die mündliche Prüfung
im Bachelor (Haupt- und Nebenfach)
3. Auflage
Prüfungstrainer Experimentalphysik
(cid:2)
Hans-Christoph Mertins Markus Gilbert
Prüfungstrainer
Experimentalphysik
Physik verstehen und lernen für die
mündliche Prüfung im Bachelor (Haupt-
und Nebenfach)
3. Auflage
Hans-ChristophMertins
MarkusGilbert
FBPhysikalischeTechnik,FachhochschuleMünster
Steinfurt,Deutschland
ISBN978-3-662-49689-3 ISBN978-3-662-49690-9(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-49690-9
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Gebrauchsanweisung statt Vorwort
DieserPrüfungstraineristkeinweiteresklassischesPhysiklehrbuch,sondernsollwieein
Trainer gezielt auf die mündliche Prüfung im Vordiplom oder Bachelor in den Fächern
ExperimentalphysikundPhysikalischeTechnikvorbereiten.DerPrüfungstrainerübtmit
Ihnen nicht die Lösung von Rechenaufgaben, sondern er stellt im Frage-Antwort-Spiel
einetypischemündlichePrüfungnach.DerPrüfungstrainerkannallerdingsnichtzaubern,
d.h. das grundlegendeVerständnis der Experimentalphysik, wie es durch regelmäßigen
VorlesungsbesuchundBearbeitenvonÜbungenerworbenwurde,wirdvorausgesetzt.Ist
diesesvorhanden,soersetztderTrainerfürdiePrüfungsvorbereitungweitausschweifende
LehrbücherundermöglichtIhnen,sichaufdenrelevantenPrüfungsstoffzukonzentrieren.
Wiebereiteichmichvor?
Sie können die Vorbereitung auf die Prüfung effektiv beginnen, wenn Sie Ihren Prüfer
oder seine wissenschaftlichen Mitarbeiter einige Wochen vor der Prüfung fragen, ob es
spezielleThemenschwerpunktengibt.ZudemgibtesindenFachschaftenGedächtnispro-
tokollederPrüfungen,indenenStudierendedieabgefragtenThemenaufgelistethaben.Es
istdringendzuempfehlen,sichzuzweitodermaximalzudrittkontinuierlichübereinen
längerenZeitraumvorzubereiten.SomiterarbeitenSiesichdenStoffundlernenihnklar
zu formulieren, eine Fähigkeit, die Sie in der mündlichen Prüfung beherrschen müssen.
EineintensiveVorbereitungistzudemdaswirkungsvollsteMittelgegenPrüfungsangst.
WiesetzeichdenTrainerein?
Der Prüfungstrainer teilt den gesamten Prüfungsstoff in kompakte Arbeitspakete (Kapi-
tel)ein,dieaufeinanderaufbauen.BevorSiediejeweiligenPrüfungsfragenbeantworten,
arbeiten Sie zuerst den entsprechenden Theorieteil durch, der eine kompakte Zusam-
menfassungdesjeweiligenThemasgibt.FallsSiehierschonVerständnisschwierigkeiten
haben sollten, deutet das auf größereLücken in Ihrem Grundwissen hin. In diesem Fall
müssen Sie Ihre Lehrbücher heranziehen und diese Lücken schließen. Am Ende dieses
KapitelsfindenSiehierfürgeeigneteLiteraturhinweise.ImzweitenSchrittsolltenSiedie
PrüfungsfrageninderangegebenenReihenfolgebeantworten.Siebauenaufeinanderauf,
sowieestypischfüreinemündlichePrüfungist.DieAntwortensindmitderentsprechen-
den Bezeichnung im Anschluss an den Fragenteil aufgelistet. Die Nummerierung folgt
V
VI GebrauchsanweisungstattVorwort
dem folgenden Muster: Frage F4.2.9 ist Frage Nr. 9 zu Abschn. 4.2 und A4.2.9 ist die
zugehörigeAntwort. VielePrüfer überlassen Ihnenzu BeginnderPrüfungdieWahldes
Themas. Nutzen Sie unbedingt eine solche Möglichkeit. Wählen Sie hierzu ein mittel-
schweresThemaundbereitenSiesichaufeinenkleinenVortragvor,sodassSieeinender
TheorieteiledesPrüfungstrainersvortragenkönnen.
Wasmussichwissen?
Studierendeder Physik an Fachhochschulenmüssen die Prüfungsfragenzum Grundver-
ständnisundzurMesstechnikbeantwortenkönnen,StudierendeanUniversitätenzusätz-
lichdieVertiefungsfragen.StudierendemitPhysikalsNebenfachsolltendieFragenzum
Grundverständnisbeantwortenkönnen.DiewichtigstenFormelnsindimTheorieteilher-
ausgehoben,dieamhäufigstenabgefragtenFormelnerscheinennochmalsimPrüfungsteil
zumGrundverständnis.FormelnundRechnungenindenAntwortenzudenVertiefungs-
fragensollenIhnenzumbesserenVerständnisdienen.IndermündlichenPrüfungwerden
Rechnungennur sehr selten verlangt.Die Vertiefungsfragendes Trainersgehenoftüber
denüblicherweiseabgefragtenStoffhinaus.DamitwollendieAutorenauchspezielleThe-
menschwerpunkte einiger Prüfer mit abdecken. Sie sollten sich daher im Vorfeld über
die„Lieblingsthemen“IhresPrüfersinformieren.OftsinddieVertiefungsfragenmitden
Informationen des vorhergehenden Theorieteils allein nicht zu beantworten. Seien Sie
deshalb nicht frustriert, sondern betrachten Sie den Vertiefungsteil als Erweiterung des
Theorieteils.LiteraturzurVertiefungwirduntenangegeben.
FürdaserfolgreicheBestehenderPrüfungistdieBeherrschungbestimmterPrüfungs-
themen wichtig. Diese sind stichpunktartig unten angegeben. Von diesen sind die be-
deutungsvollsten Themen im Prüfungstrainer durch die Fragen zum Grundverständnis
abgedeckt. Da es sich um eine Prüfung in Experimentalphysik handelt, sind die wich-
tigstenMesstechnikeninAbschn.10.2nocheinmalstichpunktartigaufgelistet.
WährendderPrüfung
DiemeistenStudierendensindnachderPrüfungüberihrunerwartetesgutesAbschneiden
überrascht,d.h.siesindmeistbesser,alssiesichselbsteinschätzen.TrotzdemsolltenSie
ernsthaft und intensiv lernen. Erzählen sie mutig und ruhig was Sie wissen, prahlen Sie
aber nie mit Schlagworten der Physik, ohnediese erklären zu können.Reden Sie in der
Prüfungnichtnur,sondernzeichnen SieKurvenundskizzieren Sie Messaufbautenoder
schreiben SiedieFormeln auf.Ein Bild sagtmehrals tausend Worteundgibtvorallem
Ihnen Sicherheit. Prägen Sie sich daher die Abbildungen des Prüfungstrainers ein. Die
PrüfungistkeinVerhör,sondernehereinFachgesprächzwischenzweiMenschen,diean
Physikinteressiertsind.Siesolltenwissen,dasseinPrüferesimmergutmitIhnenmeint
undoftebensoaufgeregtistwieSie.
ZumSchlussmöchtenwirunsbeiFrauSandraHöhmfürdieMitarbeitandiesemBuch
bedanken. Für das kritische Lesen des Manuskripts und die vielen guten Anmerkungen
dankenwirdenProfessorenHansDenk,JoachimNellessen, JürgenChlebekundMartin
Poppe,ebensowiedenStudentenSebastianMüllerundRalfPohl.
GebrauchsanweisungstattVorwort VII
Literatur
ZurAneignungundAbsicherungdesGrundverständnissessindfolgendeBücherfüralle
Themenbereichegeeignet:
1. D.Halliday,R.Resnik,J,Walker,„Physik“,WileyVCHVerlagWeinheim,2003
2. P.A.Tipler,G.Mosca,„Physik“,Springer-VerlagBerlin,2015
3. D.Meschede,„GerthsenPhysik“,Springer-VerlagBerlin,2015
ZurVertiefungdesStoffssindfolgendeBücherhilfreich,wobeiderentsprechendeBand
zumjeweiligenThemaherangezogenwerdensollte:
1. W.Demtröder,„Experimentalphysik“,Bände1–4,Springer-VerlagBerlin,2010–2015
2. Bergmann,Schäfer,„LehrbuchderExperimentalphysik“,Band1–6,deGruyterBerlin
3. M.Poppe,„PrüfungstrainerElektrotechnik“,Springer-VerlagBerlin,2015
Prüfungsthemen
Folgende Themen sind für Studierende der Physik an Universitäten zum erfolgreichen
BestehenderPhysik-Vordiplomsprüfungwichtig.DieZahlderSternegibtihreBedeutung
an.
1.Mechanik
1.1 Kräfte(cid:2)(cid:2), Newton’sches Gesetz(cid:2)(cid:2), Beschleunigung(cid:2)(cid:2), Scheinkräfte(cid:2)(cid:2), schiefer
Wurf(cid:2)(cid:2), Bewegungsgleichung, Körper im Kraftfeld, Inertialsystem, Trajektorie,
schwere/trägeMasse,Reibung
1.2 Energieerhaltung(cid:2)(cid:2),konservativeKräfte(cid:2)(cid:2),Arbeit,Potenzial,Hooke’schesGesetz
1.3 Impuls- und Energieerhaltung(cid:2)(cid:2), Stöße(cid:2)(cid:2), ballistisches Pendel, Schwerpunktsbewe-
gung
1.4 Drehimpuls(cid:2)(cid:2), Drehmoment(cid:2)(cid:2), Fliehkräfte(cid:2), Kräftegleichgewicht(cid:2), Corioliskraft(cid:2),
Satellitenumlauf,Balkenwaage,Foucault’schesPendel,Drehachse
1.5 Trägheitsmoment(cid:2)(cid:2), Erhaltungssatz(cid:2)(cid:2), Steiner’scher Satz(cid:2)(cid:2), Kreisel(cid:2), Kepler’sche
Gesetze(cid:2)(cid:2), Hauptachsen(cid:2), Drehwaage, Messung von Trägheitsmomenten, Bewe-
gungsgleichungenderRotation,rollendesRad,RollenüberschrägeEbene,Looping
1.6 Elastizitätsmodul(cid:2), barometrische Höhenformel(cid:2), laminare Strömung(cid:2), Bernoulli-
Gleichung,Tragfläche,Auftrieb
1.7 Spezielle Relativitätstheorie, Raum-Zeit, Minkowski-Diagramme, Zeitdilatation,
Längenkontraktion,Energie-Masse-Äquivalenz,Lorentz-Transformation
2.Schwingungen&Wellen
2.1 Harmonischer Oszillator(cid:2)(cid:2), Kräfte und Differentialgleichungen(cid:2)(cid:2), Resonanz(cid:2)(cid:2),
Dämpfungsfälle(cid:2)(cid:2),gekoppelteOszillatoren(cid:2), Pendel(cid:2), Energiebilanz(cid:2), Drehschwin-
gung
VIII GebrauchsanweisungstattVorwort
2.2 Wellengleichung und Lösung(cid:2)(cid:2), stehendeWellen(cid:2), Phasen- und Gruppengeschwin-
digkeit,Fouriertransformation
2.3 Schallgeschwindigkeit,Schwebung,Doppler-Effekt
3.Thermodynamik
3.1 TemperaturundinnereEnergie(cid:2)(cid:2), kinetischeGastheorie(cid:2)(cid:2), Freiheitsgrade(cid:2), Gleich-
verteilungssatz(cid:2), Boltzmann-Verteilung(cid:2)(cid:2), pV-Diagramme(cid:2)(cid:2), Längenausdehnung(cid:2),
Thermometer,Messung,Diffusion,freieWeglänge
3.2 Erster Hauptsatz(cid:2)(cid:2), Adiabaten(cid:2), C , C(cid:2), Adiabatenexponent, spezifische Wärme(cid:2),
p V
Kalorimeter
3.3 Carnot-Prozess(cid:2)(cid:2), Wirkungsgrad(cid:2)(cid:2), Entropie(cid:2)(cid:2), Statistik und Thermodynamik(cid:2),
Stirling-Motor(cid:2), Zweiter Hauptsatz, reversible und irreversible Prozesse, Kälte-
maschinen, Otto-Motor, Wärmepumpe, Enthalpie, Gay-Lussac’sches Gesetz, freie
Expansion,Kreisprozesse
3.4 realesGas(cid:2)(cid:2),Van-der-Waals-GleichungundIsotherme(cid:2),Aggregatzustände,Phasen-
übergänge,Schmelzwärme,Tripelpunkt,Dampfdruck,Joule-Thomson-Effekt,Clau-
sius-Clapeyron-Gleichung
4.Elektrizität&Magnetismus
4.1 E-Feldlinien(cid:2)(cid:2),E-Feldmessung(cid:2),Äquipotenziallinien(cid:2),Spannung(cid:2),Gauß’scherSatz
undAnwendung(cid:2)(cid:2),Influenz,Ladungsmessung
4.2 Kondensator(cid:2)(cid:2), Polarisation(cid:2)(cid:2), Dielektrikum(cid:2), D-Feld(cid:2), elektrischer Dipoliminho-
mogenenE-Feld(cid:2),Milikan-Versuch,Energiedichte
4.3 Definition des Stroms, Ohm’sches Gesetz(cid:2), Driftgeschwindigkeit, Schaltungen,
Kirchhoff’scheRegeln
4.4 Lorentz-Kraft(cid:2)(cid:2),Magnetfeld(cid:2)(cid:2),magnetischerDipol(cid:2),Hall-Sonde(cid:2),Magnetfeldmes-
sung(cid:2),LadungsbewegunginB-Feld,Massenspektrometer
4.5 Erzeugung von B-Feldern(cid:2)(cid:2), B-Feld von Leitern(cid:2)(cid:2), Spule(cid:2)(cid:2), H/B-Felder, Ampe-
re’scher Durchflutungssatz(cid:2), Drehspulmessinstrument(cid:2), Strom- u. Spannungsmes-
sung
4.6 Induktionsgesetz(cid:2)(cid:2),Selbstinduktion(cid:2),Ringfeld,Induktivität,Lenz’scheRegel
4.7 Schwingkreis herleiten(cid:2)(cid:2), LR- und RC-Kreis an/ausschalten(cid:2)(cid:2), Trafo(cid:2), Dynamo(cid:2),
Wirkleistung,Blindleistung,Hoch/Tiefpass
4.8 Dia-, Para- und Ferromagnetismus(cid:2), Hysteresekurve(cid:2), Suszeptibilität, Ummagneti-
sierungsenergie
4.9 Maxwell-Gleichungen(cid:2)(cid:2), Hertz’scher Dipol undAbstrahlung(cid:2)(cid:2), elektromagnetische
Wellen(cid:2)(cid:2),Poynting-Vektor(cid:2),Wellenleiter,TEM-Moden,Lichtgeschwindigkeit,elek-
tromagnetischesSpektrum
GebrauchsanweisungstattVorwort IX
5.Optik
5.1 Dispersion(cid:2)(cid:2),Mikroskop(cid:2)(cid:2),Teleskop(cid:2)(cid:2),Brechung/Reflexion(cid:2),Linsenfehler(cid:2),Total-
reflexion,Linsengleichung,Vergrößerung,reelleundvirtuelleBilder,Hohlspiegel
5.2 LinearePolarisation(cid:2)(cid:2),Brewster-Winkel(cid:2)(cid:2),zirkularePolarisation,Polarisationsfilter,
Doppelbrechung
5.3 Beugung und Huygens’sches Prinzip(cid:2)(cid:2), Kohärenz(cid:2)(cid:2), Doppelspalt(cid:2)(cid:2), Gitter und
Spektrometer(cid:2)(cid:2), Auflösungsvermögen(cid:2)(cid:2), Rayleigh-Kriterien, Vielstrahlinterferenz,
Fraunhofer/Fresnell-Beugung,InterferenzandünnenSchichten,BeugunganKanten
6.Quantenmechanik
6.1 schwarzer Strahler und Planck’sches Gesetz(cid:2)(cid:2), Wien’sches Verschiebungsgesetz(cid:2),
Photoeffekt(cid:2)(cid:2),Compton-Effekt(cid:2)(cid:2),WirkungsquantumundMessungvonh
6.2 Schrödinger-Gleichung(cid:2)(cid:2), De-Broglie-Wellen(cid:2)(cid:2), Unschärfe(cid:2)(cid:2), Wahrscheinlichkeits-
dichte(cid:2)(cid:2),Welle-Teilchen-Dualismus,Wellenpakete(cid:2)
6.3 Harmonischer Oszillator(cid:2)(cid:2), Potenzialtopf(cid:2)(cid:2), Potenzialwall, Nullpunktsenergie(cid:2)(cid:2),
TunneleffektundAnwendungen(cid:2)(cid:2),Korrespondenzprinzip
7.Atomphysik
7.1 Bohr’sche Postulate(cid:2)(cid:2), Termschema(cid:2)(cid:2), H-Spektrum(cid:2)(cid:2), Messung von Spektren(cid:2),
Franck-Hertz-Versuch(cid:2)(cid:2), Radialwellen(cid:2), Orbitale, Ein-Elektronensysteme, Gasent-
ladungslampen
7.2 Quantenzahlen(cid:2)(cid:2), Stern-Gerlach-Versuch(cid:2), Zeemann-Effekt und Feinstruktur(cid:2),
Lambshift(cid:2), Spin, magnetisches Moment, Pauli-Prinzip, Periodensystem(cid:2), Mole-
külspektren, Einstein-de-Haas-Effekt, Hund’sche Regel, Entartung, Auswahlregel,
L-S/j-j-Kopplung
7.3 Röntgenspektrum(cid:2)(cid:2),Röntgenröhre,Bragg-Streuung,Synchrotronstrahlung
7.4 Laser
8.Festkörperphysik
8.1 Bragg-Streuung(cid:2),Gitterebenen,reziprokesGitter,Drehkristallmethode,fcc-undbcc-
Gitter,Kristallbindungen,Hybridisierung
8.2 Bänderschema(cid:2),Elektronengas,Fermi-Verteilung(cid:2),Bosonen(cid:2),elektrischeLeitungs-
mechanismen
8.3 pn-Übergang,Diode,LED,Solarzelle,Transistorverstärker
8.4 Phononen,Einstein-undDebye-Modell,Raman-undBrillouinstreuung
8.5 Supraleitung,Meißner-Ochsenfeld-Effekt,Hochtemperatursupraleiter
X GebrauchsanweisungstattVorwort
9.Kernphysik
9.1 Bindungskurve(cid:2), Fusion(cid:2), Massendefekt(cid:2), Kernschalenmodell, Rutherford’sches
Atommodell,Paarbildung,Nukleonen,Kernkräfte
9.2 Zerfallsgesetz,14C-Methode,˛-,ˇ-(cid:2)(cid:2) und(cid:2)-Zerfälle,Neutrino,Bilanzen,Aktivität,
Zerfallsreihe,Spektren,Reichweite,Elementarteilchen,Quarks
9.3 Kernspaltung(cid:2)(cid:2),Geiger-Müller-Zähler,Nebelkammer,Kernreaktor
10.Messtechnik
10.1 Messfehler,Mittelwert
10.1 ÜbersichtderMesstechniken