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Mechanik. Michael Schulz
Читать онлайн.Название Mechanik
Год выпуска 0
isbn 9783527828616
Автор произведения Michael Schulz
Жанр Физика
Издательство John Wiley & Sons Limited
In der Neuauflage des Mechanikbandes haben wir das Kap. 9 mit der Einführung in die spezielle relativistische Mechanik hinzugefügt. Jedes Kapitel wird eingeleitet mit einem Überblick über den in ihm behandelten Stoff. Am Ende der Kapitel sind jetzt Kontrollfragen eingebaut. Außerdem werden hier Aufgaben gestellt, zu denen mehr oder weniger ausführliche Lösungsvorschläge in entsprechenden Abschnitten des Anhangs gegeben sind.
Numerische Experimente und interaktive Demonstrationen sind wichtige Werkzeuge in der Theoretischen Physik um präzise Aussagen zu machen und abstrakte Konzepte zu illustrieren. Wir erweitern nun das Angebot von Onlinematerial (De-tails am Ende des Vorwortes), das in der ersten Ausgabe mit MAPLE entwickelt wurde mit der populären Open-Source-Software Python. Nachdem man eine frei verfügbare Python-Distribution installiert hat, kann man die interaktiven jupyter-notebooks ausführen, die thematisch den Buchkapiteln zugeordnet sind.
Die Erweiterung der Zahl der Autoren hat sich auf die Bearbeitung des Projekts sowohl inhaltlich als auch formal sehr positiv ausgewirkt.
Wir möchten an dieser Stelle Herrn Dipl.-Phys. Christoph Warns für seinen Einsatz bei der Anfertigung dieses Bandes herzlich danken. Herr Warns hat technisch und inhaltlich die Fertigstellung des Bandes sehr unterstützt und auch selbstständig zur Formulierung von Kap. 9 beigetragen. Auch durch Diskussionen früherer Versionen mit Herrn Dr. Thomas Hartmann und Frau Dipl.-Phys. Dipl.-Math. Annetraud Scheuing hat das Manuskript an Qualität gewonnen. Einer Reihe von Studierenden sei für die Mitteilung von Fehlern in früheren Versionen des Manuskriptes gedankt. Herrn Dr. Martin Preuß und Frau Daniela Bez danken wir für die gute Zusammenarbeit und das Verständnis für die Corona-bedingte zeitliche Verzögerung bei der Fertigstellung des Manuskriptes. Last but not least dankt Peter Reineker Herrn Prof. Dr. Fedor Jelezko für die Möglichkeit, als Seniorprofessor im Institut für Quantenoptik der Universität Ulm zu arbeiten.
Ulm, Halle, Darmstadt Peter Reineker, Michael Schulz,
Juli 2020 Beatrix M. Schulz, Reinhold Walser
Zusatzmaterial: der Zugang erfordert 1) ein Benutzerkonto bei github.com, 2) folgen Sie dem Link https://archive.org/services/purl/theoretische_physik_dhu, 3) nach Anmeldung bei gitlab suchen Sie das öffentliche Projekt „Zusatzmaterial der Lehrbuchreihe Theoretische Physik“ wo die Materialien hinterlegt sind.
Vorwort der Vorauflage
Die Theoretische Physik hat sich im letzten Jahrhundert zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Ausbildung junger Studierender in der Physik entwickelt. An dieser Situation wird sich auch nichts mit den an den meisten deutschen Universitäten inzwischen eingeführten oder kurz vor der Eröffnung stehenden Bachelor- und Masterstudiengängen ändern. Es ist für die Studierenden nicht immer einfach, sich systematisch Kenntnisse über das theoretische Grundwissen so anzueignen, dass ein zusammenhängender Komplex an Ideen, Konzepten und Methoden entsteht, der im späteren Berufsleben in den verschiedensten Ausprägungen angewendet werden kann.
An der Universität Ulm besteht schon seit Langem ein fünfsemestriger Theoriekurs, bestehend aus den Kursen Theoretische Mechanik, Elektrodynamik, Quantenmechanik (1 und 2) und Statistische Physik und Thermodynamik. Auf der Grundlage dieses Vorlesungsangebotes ist eine fünfbändige Lehrbuchreihe Theoretische Physik entstanden, die mit dem hier vorliegenden Band Theoretische Mechanik beginnt und das theoretische Basiswissen vermitteln will.
Diese Reihe wendet sich zuerst an alle Studierenden der Physik, gleich ob sie sich auf Experimentalphysik, Theoretische Physik, Computerphysik oder für das Lehramt spezialisieren wollen. In zweiter Linie richtet sich die Lehrbuchserie an Wissenschaftler, Lehrer und Studenten anderer Naturwissenschaften und der Mathematik. Mit dem Ziel, das theoretische Basiswissen zu vermitteln, enthält die Lehrbuchreihe natürlich nicht alle Teilgebiete der Theoretischen Physik. So werden Bestandteile von Spezialisierungskursen für Theoretische Physiker, z. B. Hydrodynamik, Allgemeine Relativitätstheorie, Quantenchromodynamik, Theorie der schwachen Wechselwirkung oder Stringtheorie, nicht behandelt. Hier verweisen wir auf entsprechende Monographien, die praktisch zu jedem dieser Teilgebiete der Theoretischen Physik erhältlich sind.
Um der Entwicklung in Bachelor- und Masterstudiengängen gerecht zu werden, sind Themen und Kapitel, die eher zusätzlich für die Masterausbildung vorgesehen sind, mit einem Stern gekennzeichnet. Natürlich wird die Auswahl von Universität zu Universität schwanken und diese Einteilung soll als Empfehlung angesehen werden, die sich mit der Realisierung der Studiengänge weiterentwickeln wird. Auf den Aufbau der einzelnen Bände des Lehrbuchs wird in der Einleitung des jeweiligen Bandes eingegangen.
Jedes Lehrbuch enthält Aufgaben zur Überprüfung des erworbenen Wissens. Mit arabischen Ziffern sind solche Aufgaben gekennzeichnet, deren Lösung auf klassische Weise, also mit Papier und Bleistift gefunden werden soll. Demgegenüber sind Aufgaben mit römischen Ziffern für die Behandlung unter Verwendung eines computeralgebraischen Programmpaketes vorgesehen. Die Begleit-CD, die jedem Buch dieser Serie beiliegt, enthält Lösungsempfehlungen in MAPLE. Zum Verständnis der Lösungen benötigt man nur geringe Vorkenntnisse in dieser Programmiersprache. Es ist geplant ein Forum einzurichten, unter dem besonders schöne oder technisch interessante Lösungswege von den Lesern zur elektronischen Publikation eingereicht werden können.
Wir möchten an dieser Stelle Herrn Thomas Pletl für viele Kommentare zur ersten Version des Manuskriptes und Herrn Reiner Steib für die Beratung und Hilfe bei der Lösung von LATEX-Problemen herzlich danken. Auch Rückmeldung unserer Studierenden halfen bei der Überarbeitung der verschiedenen Versionen des Manuskriptes. Dem WILEY-VCH Verlag danken wir für vielfältige Beratung und Unterstützung.
Ulm, Halle, Januar 2006 Peter Reineker, Michael Schulz, Beatrix M. Schulz
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Einleitung
1.1 Experimentelle und Theoretische Physik
Der Kurs Theoretische Physik beginnt an den meisten deutschen Universitäten im dritten Studiensemester. Zu diesem Zeitpunkt ist für die Studierenden die Theoretische Physik jedoch kein Neuland mehr. In den vorausgehenden, vorwiegend experimentell orientierten Kursen wurden häufig experimentelle Resultate quantitativ ausgewertet und mathematisch beschrieben. Auch im Grundpraktikum müssen sich die Studierenden um eine theoretische Beschreibung ihrer Versuche bemühen. Diese beiden Beispiele zeigen, dass die Theoretische Physik kein abstraktes, von der reinen Mathematik dominiertes Teilgebiet der Physik ist, welches isoliert von den anderen physikalischen und naturwissenschaftlichen Disziplinen existiert. Vielmehr wird man vielfältige Verbindungen zwischen der Theoretischen und der Experimentellen Physik finden.
Man kann sich daher die berechtigte Frage stellen, weshalb eine mehrsemestrige Vorlesung Theoretische Physik überhaupt angeboten wird, wenn Experimentelle und Theoretische Physik offensichtlich so eng verflochten sind. Tatsächlich gibt es Bemühungen – weitverbreitet in den USA, aber auch an einzelnen Universitäten in Deutschland – Experimentelle und Theoretische Physik einheitlich in integrierten Kursen darzustellen. An den meisten Universitäten in Deutschland wird aber ein gesonderter Kurs Theoretische Physik angeboten. Neben verschiedenen historischen Gründen spielt hierbei ein didaktisches Prinzip die entscheidende Rolle: Es gelingt im Rahmen eines geschlossenen Kurses Theoretische Physik viel einfacher grundlegende und übergreifende Konzepte zu vermitteln. Dadurch entsteht gewissermaßen ein roter Faden, der sich durch das gesamte Gebäude der Theoriekurse zieht.
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