Experimentalphysik 1
Experimental Physics 1

Dieses Modul vermittelt den Studierenden die wichtigsten und grundlegendsten Prinzipien und Konzepte der Experimentalphysik mit besonderer Hinsicht auf die Nützlichkeit für das Chemiestudium. Die Themen im ersten größeren Mechanikteil umfassen Messen und Maße, Skalare und Vektoren, Newtonsche Axiome, Translationsbewegungen, Bewegungsgleichung, Energie und Impuls, Erhaltungssätze, Stoßprozesse, Drehbewegungen, Drehimpuls und Bezugssysteme. Danach folgt ein Abschnitt zu Schwingungen und Wellen, dessen Inhalt auf den Themen Harmonischer Oszillator, die freie, gedämpfte und erzwungene Schwingung, die Wellengleichung and Wellenfortpflanzung, Überlagerungs- und Interferenzeffekte, Doppler-Effekt, Energie- und Energiedichte einer Welle basiert. Zum Abschluß wird noch die Mechanik der Kontinua vermittelt. Wichtige Begriffe hierbei sind Druck, Kompressibilität, Viskosität, und ein grundlegendes Verständnis von Strömungen.

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul sollen die Studierenden die vermittelten Konzepte und Begriffe verstanden haben und fähig sein auf angemessen einfache vom Prinzip her bekannte Situationen anzuwenden. 

Im Detail sind die Studierenden nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul in der Lage

• Maße selbstverständlich anzuwenden
• die Newtonschen Axiome anzuwenden durch Aufstellung und Lösung von Bewegungsgleichungen für mechanische Probleme
• verschiedene Bezugssysteme (und damit Drehbewegungen und den Drehimpuls) zu verstehen
• Energie- und Impulserhaltung zu wissen und in der Lösung einfacher mechanischer Probleme anzuwenden
• verschiedene Schwingungsgleichungen und deren Lösungen zu wissen, sowie das Lösungsverfahren auf einfache mechanische Systeme anzuwenden
• Ihr Wissen der klassischen Mechanik auf die Mechanik der Kontinua (Fluidmechanik) zu übertragen (anzuwenden) und damit zu erweitern
• mit ihrem Smartphone einfache mechanische Versuche durchzuführen und diese auszuwerten

Abiturkenntnisse in Mathematik:

• Geometrie
• Vektorrechnung
• Differentialrechnung
• Integralrechnung

Vorlesung (inklusive Demonstrationsversuchen) kombiniert mit Übungsblättern und Tutorien. Die Inhalte der Vorlesung werden im Vortrag und Präsentationen vermittelt und durch Demonstrationsversuche veranschaulicht. Begleitend sollen die Studierenden ein Lehrbuch durcharbeiten, welches zur weiteren Vertiefung auch durch weitere Literatur ergänzt werden kann. Durch Lösen der Aufgaben in der Übung werden die Inhalte der Vorlesung praktisch vermittelt. Als Übungsaufgaben werden auch Experimente mit dem Smartphone durchgeführt, die den Studierenden die physikalischen Gesetze im Alltag näherbringen.

Die in der Vorlesung verwendeten Medien setzen sich aus Präsentationen, Demonstrationsexperimenten, Videos und Tafelaufschrieben zusammen, um den Studierenden Kenntnisse der Physik zu vermitteln. Die Übung dient der Anwendung und Vertiefung der erlernten Kenntnisse der Experimentalphysik. Die Bearbeitung in den Übungen erfordert ein Studium der Literatur von Seiten der Studierenden und födert eine inhaltlichen Auseinandersetzung mit den Themen.

Die Versuche mit dem Smartphone werden durch die App Phyphox unterstützt.

• ’Physik’, Paul A. Tipler
• ’Physik für Ingenieure’; Hering, Martin & M. Stohrer (Springer)
• 'Gerthsen Physik’; Dieter Meschede (Hrsg.) (Springer-Lehrbuch)
• ’Experimentalphysik’, Demtröder (Springer, mehrbändig)
• ’Physik–Bachelor Ed.’, Haliday, Resnick, Walker (Wiley-CH)
• ’Physik’; Giancoli (Pearson)
• ’Kurzes Lehrbuch der Physik’; Herbert A. Stuart & Gerhard Klages (Springer-Lehrbuch)

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:

• Berechnen Sie den Drehimpuls eines Körpers mit bekanntem Trägheitsmoment um eine gegebene Achse.
• Wenden Sie die Energie- und Impulserhaltung auf ein gegebenes mechanisches Problem an (zum Beispiel beim Stoß).
• Lösen Sie die Bewegungsgleichung des schiefen Wurfs.
• Berechnen Sie Amplitude und Periode eines Federpendels bei gegebener Anfangsgeschwindigkeit und Masse.
• Wenden Sie die Newton'schen Axiome auf ein gegebenes mechanisches Problem an.
• Zeigen Sie, dass die gegebene Gleichung die Bewegungsgleichung für das gegebene mechanische Problem darstellt.

Während der Prüfung sind folgende Hilfsmittel zugelassen:

• doppelseitig handgeschriebenes Formelblatt
• nicht programmierbarer Taschenrechner

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.