Andreas von Manteuffel

WS24/25: Theoretische Physik Ia - Mechanik

Kurs-Webseite

Theoretische Physik Ia: Mechanik

Prof. Dr. Andreas von Manteuffel

Wintersemester 2024/2025

Kontakt

Dozent der Vorlesung und Zentralübung ist

• Prof. Dr. Andreas von Manteuffel
  Büro PHY 4.1.07, manteuffel@ur.de, https://homepages.uni-regensburg.de/~voa58795

Ich stehen gerne für Ihre Fragen zur Verfügung, z.B. im Anschluss an die Veranstaltungen. Sie können gerne ohne Voranmeldung versuchen, mich im Büro anzutreffen. Alternativ senden Sie bitte eine E-Mail mit Terminvorschlägen, um ein Treffen zu vereinbaren.

Die Übungen werden geleitet von

• Dr. Konstantin Asteriadis
• Julian Parrino

Termine

• Mo, 8:15-9:45, Hörsaal H33
• Mi, 12:15-13:45, Hörsaal H34

• Fr, 12:15-13:45, Hörsaal H34

• wöchentlicher Termin und Ort je nach Gruppe, 90 Minuten, erster Termin in der Woche vom 21.10.2024
• Anmeldung bis Do, 17.10.2024, über Exa/SPUR, feste Einteilung erfolgt anschliessend

• Fr, 22.11.2024, 12:15, H34
• Fr, 20.12.2024, 12:15, H34

• Fr, 14.2.2025 (vorläufig), Anmeldung bis Fr, 7.2.2025, über Flexnow

Voraussetzungen

Es werden keine Module vorausgesetzt. Falls Sie keine dedizierte Mathematik-Vorlesungen besuchen, empfehle ich Ihnen, parallel zu diesem Kurs an der Veranstaltung Mathematische Methoden teilzunehmen.

Kurswebseite und Forum

Wir verwenden die eLearning-Platform GRIPS als zentrale Webseite für diesen Kurs, bitte schauen Sie regelmässig herein. Hier finden Sie die wöchentlichen Übungsblätter, und können Ihre Lösungen einreichen. Bitte nutzen Sie auch gerne die Foren auf dieser Webseite, um sich über Kursinhalte auszutauschen. Bitte missbrauchen Sie diese oder andere Foren nicht: das Posten kompletter Lösungen zu Übungsaufgaben ist nicht akzeptabel, da dies verhindert, dass andere die nötige Übung erhalten, um ihre Lernziele zu erreichen.

Motivation und Lernziele

Die klassische Mechanik bildet das Fundament der Theoretischen Physik. Die grundlegende Idee der theoretischen Physik ist es, aus einfachen, allgemeinen Grundsätzen eine Vielzahl beobachtbarer Phänomene vorherzusagen. Die verwendete Sprache ist dabei die Mathematik.

Dieser Kurs behandelt die Formulierungen der Mechanik durch Newton, Lagrange und Hamilton, Symmetrien und Erhaltungsgrößen, Zentralkraftprobleme, starre Körper, gekoppelte Oszillatoren, nichtlineare Dynamik, und spezielle Relativitätstheorie. Viele der diskutierten Konzepte sind auch wichtig für andere Gebiete der Physik, wie die Quantenmechanik, die Elektrodynamik und die Quantenfeldtheorie.

Am Ende des Kurses sollen Sie mit den Grundlagen der analytischen Mechanik vertraut sein, wichtige Konsequenzen ableiten können, und mit Hilfe Ihrer Kenntnisse in der Lage sein, eine Vielzahl physikalischer Probleme zu lösen, sowohl analytisch als auch numerisch. Um dies zu erreichen, sollen Sie eine Reihe fortgeschrittener mathematischer Methoden beherrschen und einführende numerische Programmierkenntnisse haben.

Kursmaterialien

Es gibt eine grosse Anzahl sehr guter deutschsprachiger und englischsprachiger Lehrbücher und Skripte zur Theoretischen Mechanik. Auf der Kurs-Webseite finden Sie eine Auswahl und weitere Details. Bitte stellen Sie sicher, dass Sie bequemen Zugang zu mindestens einem Lehrbuch in Papierform oder eBook-Format haben. Ebenso empfehlen wir mindestens einen Text zu mathematischen Methoden.

Für die numerischen Probleme benötigen Sie einen Computer mit einer Programmierumgebung, um Python-Code zu editieren, ihn auszuführen, und damit Grafiken zu erstellen. Weitere Informationen zu einer bequemen Cloud-basierten Lösung und Hilfe bei den ersten Schritten werden im Laufe der ersten Woche in der Veranstaltung und auf der Kurs-Webseite bereitgestellt. Es ist nicht unbedingt nötig, aber bei manchen Treffen empfehlenswert, einen Laptop-Computer zur Verfügung zu haben.

Kursaktivitäten

Vorlesung

Wir treffen uns regelmässig zur Vorlesung. Die Vorlesung dient vorrangig der Präsentation neuer Konzepte. Dabei schreibe ich meist an die Tafel. Sie sind verantwortlich, sich Notizen zum behandelten Stoff zu machen; insbesondere wird kein Skript bereitgestellt. Bitte machen Sie es sich zur Angewohnheit, während der Vorlesung Fragen zu stellen und sich an Diskussionen zu beteiligen.

Zentralübung

In der Zentralübung werden Konzepte der Vorlesung vertieft, mathematische Methoden wiederholt und ergänzt, Hilfestellung zur Programmierung in Python gegeben, und Übungsaufgaben diskutiert.

Übungen

Es gibt wöchentliche analytische und numerische Übungsaufgaben, die Sie zu Hause bearbeiten. Das Blatt zum Stoff der Woche wird jeweils Freitags ausgegeben, und Sie müssen Ihre Lösung bis zum darauffolgenden Samstag als PDF-Dokument in gut leserlicher Qualität auf der GRIPS-Kurswebseite hochladen, damit wir sie bewerten können. Ihre Python-Computerprogramme zur Lösung numerischer Probleme stellen Sie wie oben beschrieben über ein per Internet zugängliches (git-)Repository bereit. Bei den Übungsgruppentreffen präsentieren und diskutieren Sie Ihre Lösungen. Um zur Prüfung zugelassen zu werden, müssen Sie die Übungsblätter rechtzeitig einreichen und jeweils mindestens 50% der erreichbaren Punkte erreichen. Um besondere Umstände abzudecken, werden die zwei Blätter mit der niedrigsten Punktsumme ignoriert. Beim ersten Übungsgruppentreffen finden Präsenzübungen statt, das erste reguläre Übungsblatt, das Sie zu Hause bearbeiten sollen ist Blatt 1.

Wir empfehlen, dass Sie sich zu einem regelmässigen Termin mit Ihren Mitstudierenden treffen, um Übungsaufgaben und andere Fragen zu diskutieren. Zusätzlich steht Ihnen noch ein Forum auf der GRIPS-Kurswebseite zur Diskussion zur Verfügung. Bitte beginnen Sie jedoch jeweils die Bearbeitung einer Aufgabe zunächst alleine, und schreiben Sie am Ende unabhängig Ihre Lösung auf. Bitte kopieren Sie insbesondere nicht einen anderen Aufschrieb, sondern formulieren Sie selbst die Lösung aus, um sicherzustellen, dass Sie das Material verstanden haben. Es wird generell erwartet, dass Sie bereit sind, Ihre Lösungen zu präsentieren.

Wir wollen auch in den Übungsgruppen eine Kultur des Dialogs entwickeln und fordern Sie explizit auf, sich mit Fragen zu beteiligen. Zögern Sie nicht, auch einfache Fragen zu stellen oder schlicht um eine wiederholte oder alternative Erklärung zu bitten, falls etwas unklar ist. Selbst wenn die eigentliche Lösung klar erscheint, können Sie sich oft noch um eine bessere Einordnung des Besprochenen bemühen, den Gültigkeitsbereich der besprochenen Methoden besser verstehen, neue Anwendungen antizipieren etc. Dies hilft Ihnen und anderen ein tieferes Verständnis der Themen zu entwickeln und akademische Kommunikation zu trainieren.

Neben den von uns gestellten Aufgaben sind Sie aufgefordert, sich zu mindestens 3 Übungsblättern eine eigene Aufgabe zu überlegen, zu lösen und zusammen mit den anderen Lösungen einzureichen. Die Aufgabe soll dabei thematisch zum aktuellen Übungsblatt passen, aber nicht bloss eine minimale Variation der gestellten Aufgaben sein. Stellen Sie sich vor, Sie wären Lehrer und müssten eine Examensaufgabe stellen. Der Umfang und die Schwierigkeit sollte sich an den gestellten Aufgaben orientieren. Sie werden mindestens einmal die Chance bekommen, Ihre Aufgabe zu präsentieren.

Um zur Klausur zugelassen zu werden müssen Sie folgende Studienleistungen erbringen:

• Sie haben bei 10 der 12 Übungsblättern Aufgaben schriftlich gelöst, fristgerecht eingereicht, jeweils mindestens 50% der für das Blatt erreichbaren Punkte erzielt, und waren in der darauffolgenden Übungsstunde anwesend und bereit, Ihre Lösungen zu präsentieren.
• Sie haben zu 2 Übungsblättern jeweils eine neue Aufgabe entwickelt, gelöst und fristgerecht eingereicht.
• Sie haben bei mindestens 5 Übungsgruppentreffen eine Frage gestellt.

Lesen

Wir empfehlen, begleitende Lehrbücher zu lesen, um die Vorlesungen und Übungen vor- und nachzubereiten. Falls Sie gut vorbereitet zu unseren Treffen kommen, können Sie besser dem Material folgen und sich an Diskussionen beteiligen. Eine Kurzbeschreibung der jeweiligen Vorlesungsthemen sind etwas in voraus auf der GRIPS-Kurswebseite zu finden.

Tests

Wir sehen zwei schriftliche Tests während des Semesters vor. Das vorrangige Ziel dieser Tests ist es, Ihren kontinuierlichen Lernerfolg sicherzustellen. Die Teilnahme an diesen Tests ist freiwillig; ich empfehle Ihnen jedoch dringend, sie mitzuschreiben. Bitte wenden Sie sich an mich oder die Übungsgruppenleiter, falls Sie Probleme haben, den Anschluss an den unterrichteten Stoff zu behalten. Viele unterrichtete Konzepte bauen aufeinander auf. Je früher Sie auf Defizite reagieren, um so besser stehen nicht nur die Chancen auf das Bestehen der Klausur, sondern auch auf eine sinnvolle und freudvolle Teilnahme an unserem Kurs.

Prüfung

Die Prüfungsleistung für den Kurs besteht aus einer benotete Klausur, die am Ende des Semesters stattfindet. Um zu dieser schriftlichen Prüfung zugelassen zu werden, müssen Sie regelmässig, aktiv und erfolgreich an den Übungen teilgenommen haben. Die genauen Kriterien sind oben bei der Beschreibung der Übungsgruppen genannt. Sie müssen sich bis eine Woche vor der Klausur über Flexnow anmelden.

In der Klausur lösen Sie neue, fortgeschrittene Probleme, die sich auf Themen der Vorlesung, der Übungen, und ihrer Vertiefung in der Zentralübung beziehen. Diese Probleme können mit den Konzepten und Techniken des Kurses gelöst werden, allerdings muss es sich nicht unbedingt um einfache Variationen eines speziellen zuvor besprochenen Problems handeln. Bei der Klausur sind keine Hilfsmittel zugelassen, es wird jedoch ein Formelblatt mit wichtigen Formeln bereitgestellt.

Akademische Integrität

Ehrlichkeit, Originalität, Eigenständigkeit und Nachvollziehbarkeit sind zentrale Werte guter wissenschaftlicher Arbeit, und wir praktizieren diese auch in unserem Kurs. Bitte markieren Sie in ihren Lösungen und Präsentationen die Verwendung externer Quellen und Hilfsmittel als solche.

Wir möchten Sie ermutigen, Hausaufgaben mit Ihren Kommilitonen zu diskutieren, um Ihr Verständnis der Kursinhalte zu entwickeln. Das einfache Bereitstellen von Lösungen ohne Erklärung stellt hingegen keine Diskussion dar und hilft dem anderen nicht, die Klausur zu bestehen. Es wird von Ihnen erwartet, dass Sie Ihre Lösungen verstehen und erklären können; das Einreichen von Lösungen, die Sie nicht verstehen, wird als Verletzung der akademischen Ehrlichkeit gewertet.