Experimentalphysik 3 (Optik und Quantenphysik)
Experimental Physics 3 (Optics and Quantum Physics)

1. Elektromagnetische Wellen
1.1 Fouriertransformationen
1.2 Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten
1.3 Die Dispersion von Licht

2. Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen
2.1 Das Huygenssche Prinzip
2.2 Transmission und Reflexion
2.3 Reflexion absorbierender Medien
2.4 Streuung von Licht

3. Geometrische Optik
3.1 Das Fermatsche Prinzip
3.2 Das Prisma
3.3 Die optische Abbildung
3.3.1 Kugelspiegel
3.3.2 Brechende Kugelflächen
3.3.3 Dünne Linsen
3.3.4 Dicke Linsen
3.3.5 Optische Instrumente (Das Auge, Fotoapparat, Mikroskop, Teleskope)
3.3.6 Abbildungsfehler
3.3.7 Adaptive Optik

4. Welleneigenschaften des Lichts
4.1 Fresnel- Kirchhoffsche Beugung
4.1.1 Beugung am Spalt
4.1.2 Beugung und Interferenz am Doppelspalt
4.1.3 Beugung und Interferenz am Gitter
4.1.4 Beugung an Kristallen
4.2. Kohärenz
4.2.1 Interferometer
4.2.2 Interferenz an dünnen Schichten
4.2.3 Optische Vergütung von Oberflächen
4.2.4 Das Fabry-Perot Interferometer
4.3 Das Auflösungsvermögen optischer Instrumente
4.4 Über die Abbesche Theorie der Bildentstehung, Fourieroptik
4.5 Holographie
4.6 Polarisation
4.6.1 Lineare Polarisation
4.6.2 Zirkulare Polarisation
4.6.3 Doppelbrechung
4.7 Einführung in die nichtlineare Optik

5. Quantenphänomene
5.1 Der Photoeffekt
5.2 Der Comptoneffekt
5.3 Bremsstrahlung
5.4 Röntgenstrahlung
5.5 Paarerzeugung
5.6 Über den Drehimpuls von Photonen
5.7 Strahlungsgesetze
5.7.1 Der schwarze Strahler
5.7.2 Die kosmische Hintergrundstrahlung
5.8 Der Laser
5.9 Materiewellen
5.9.1 Wellenpakete
5.9.2 Wahrscheinlichkeitsinterpretation

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage, die Gesetze der geometrischen Optik anzuwenden sowie die Funktionsweise und Limitationen einfacher optischer Instrumente zu verstehen. Desweiteren sind sie in der Lage, die Phänomene der Beugung und Interferenz zu verstehen und die daraus resultierende Anwendung von komplexen Instrumenten und Methoden, wie z.B. in der Holographie zu kennen. Die Studierenden können den Übergang von der klassischen Physik zur Quantenphysik beschreiben und diese Konzepte zur Lösung von Problemstellungen anwenden.

PH0001, PH0002, MA9201, MA9202, MA9203

für Studierende des Bachelorstudiengangs Naturwissenschaftliche Bildung Mathematik / Physik: PH0001, PH0002, MA9935, MA9936

In der Vorlesung „Experimentalphysik“ werden die Inhalte im Vortrag und durch anschauliche Beispiele und begleitende Demonstrationsexperimente sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert.

Jeweils passend zu den Vorlesungsinhalten bietet das „Offene Tutorium“ die Gelegenheit zum Selbst- und Gruppenrechnen im Großgruppenformat. Betreut durch mehrere Tutoren werden gemeinsam jene Aspekte des Stoffes wiederholt, die zum Lösen von konkreten Aufgaben gebraucht werden; Lösungsideen, -wege und -strategien werden vorgestellt und gemeinsam erprobt.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die Vorlesung in englischer Sprache ist ein freiwilliges  Zusatzangebot. In kompakter Form werden einige Themen der wesentlich umfangreicheren deutschsprachigen  Pflichtvorlesung abgehandelt. Es bieten sich also eine etwas anderer Perspektive auf einzelne Stoffelemente und ein intensiver erster Kontakt mit Fachenglisch.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Tafelanschrieb bzw. Präsentation,
Demonstrationsexperimente (Erklärungen zum Download),
Beispielvideos (z.T. zum Download),
Vorlesungsmitschrift zum Download,
Übungsaufgaben (Fallbeispiele) und Lösungen zum Download

W. Zinth, H.J. Körner; Experimentalphysik III, Oldenbourg-Verlag
W. Demtröder: Experimentalphysik 2 & 3, Springer-Verlag, 3. Auflage
E. Hecht, A. Zajac; Optics, Addison-Wesley Verlag
H. Haken, H.C. Wolf: Atom- und Quantenphysik, Springer Verlag, 8. Auflage

Es findet eine schriftliche Klausur von 90 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Konstruieren Sie den Strahlengang in einem Galilei Fernrohr und berechnen Sie dessen vertikale Vergrößerung bei gegebenen Linsenradien.
• Im reflektierten Licht einer Seifenblase beobachtet man maximal gelbes Licht unter einem Winkel von 45°. Bestimmen Sie die Dicke der Seifenblase.
• Das Lichtquant (0,003 nm) wird an einem ruhenden Elektron unter einem Winkel von 90° elastisch gestreut. Wie groß ist die de-Broglie-Wellenlänge des Rückstoß-Elektrons?

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

Auf die Note einer bestandenen Modulprüfung in der Prüfungsperiode direkt im Anschluss an die Vorlesung (nicht auf die Wiederholungsprüfung) wird ein Bonus (eine Zwischennotenstufe "0,3" besser) gewährt (4,3 wird nicht auf 4,0 aufgewertet), wenn die/der Studierende die Mid-Term-Leistung bestanden hat, diese besteht aus

• dem Bestehen der freiwilligen Zwischenklausur während des Semesters
• sinnvollem Vorbereiten von mindestens 50% der Hausaufgaben zum Vorrechnen in der Übung