Physik 2 - Cheatsheet

Elektromagnetische Wellen und Licht

Definition:

Elektromagnetische Wellen: Transversale Wellen, bestehend aus elektrischen und magnetischen Feldern. Licht: Sichtbarer Teil des elektromagnetischen Spektrums.

Details:

• Wellengleichung: \[ c = \lambda \cdot f \]
• c: Lichtgeschwindigkeit (3 x 10^8 m/s)
• \( \lambda \): Wellenlänge
• f: Frequenz
• Photonenenergie: \[ E = h \cdot f \]
• h: Plancksches Wirkungsquantum (6.626 x 10^-34 Js)
• Lichtbrechung: n = c / v
• Spektrum: Radio, Mikrowellen, IR, Sichtbar (400-700 nm), UV, Röntgen, Gamma

Beugung und Interferenz von Licht

Definition:

Beugung = Ablenkung von Licht an Hindernissen/Öffnungen; Interferenz = Überlagerung von Wellen (konstruktiv/destruktiv)

Details:

• Beugung: Lichtwellen biegen an Kanten um, erzeugen Beugungsmuster
• Interferenz: Addition von Wellen, Maxima und Minima
• Beugungsgitter: viele enge Spalten, Interferenzmuster durch Gittergleichung: \(d \sin(\theta) = m \lambda\)
• Phasendifferenz: \(\Delta \phi = \frac{2\pi \Delta s}{\lambda}\)
• Youngsches Doppelspaltexperiment: Interferenzstreifen abhängig von Spaltabstand und Lichtwellenlänge

Erster und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Definition:

Beschreiben die grundlegenden Gesetze der Energieerhaltung und Entropie in thermodynamischen Systemen.

Details:

• Erster Hauptsatz: Energieerhaltung - die Änderung der inneren Energie \(\text{d}U\) eines Systems ist gleich der zugeführten Wärmemenge \(\text{d}Q\) minus der Arbeit \(\text{d}W\), die das System verrichtet: \[ \text{d}U = \text{d}Q - \text{d}W \]
• Zweiter Hauptsatz: Entropieprinzip - die Entropie \(S\) eines abgeschlossenen Systems nimmt niemals ab: \[ \text{d}S \geq 0 \]

Quantenmechanische Phänomene und Unschärferelation

Definition:

Phänomene der Quantenmechanik beziehen sich auf Verhaltensweisen von Teilchen auf mikroskopischer Ebene. Die Unschärferelation beschreibt die begrenzte Genauigkeit, mit der bestimmte Paare von physikalischen Größen gleichzeitig bekannt sein können (z.B. Position und Impuls).

Details:

• Heisenbergsche Unschärferelation: \[ \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \]
• Teilchen-Welle-Dualismus: Teilchen verhalten sich gleichzeitig wie Wellen und Teilchen.
• Tunneleffekt: Teilchen können Energiebarrieren überwinden, die sie klassisch nicht passieren könnten.
• Superposition: Ein System kann sich in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden.
• Quantensprünge: Elektronen wechseln zwischen diskreten Energiezuständen innerhalb eines Atoms.

Relativitätstheorie: Zeitdilatation und Längenkontraktion

Definition:

Zeitdilatation: Zeit vergeht langsamer für Objekte in Bewegung relativ zu einem ruhenden Beobachter. Längenkontraktion: Objekte in Bewegung erscheinen verkürzt entlang der Bewegungsrichtung relativ zu einem ruhenden Beobachter.

Details:

• Zeitdilatation: \( t' = \frac{t}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} \)
• Längenkontraktion: \( L' = L \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}} \)
• \( t \): Eigenzeit
• \( t' \): dilatierte Zeit
• \( L \): Ruhlänge
• \( L' \): kontrahierte Länge
• \( v \): Geschwindigkeit des bewegten Objekts
• \( c \): Lichtgeschwindigkeit

Festkörperphysik: Halbleiter und Transistoren

Definition:

Halbleiter sind Materialien, die elektrische Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren aufweisen. Transistoren sind elektronische Bauelemente, die als Schalter oder Verstärker verwendet werden und in Halbleitern implementiert sind.

Details:

• Leitfähigkeit: skalierbar durch Dotierung (n-Typ, p-Typ)
• Bandlücke: Energieunterschied zwischen Valenzband und Leitungsband, typisch 0,1 bis 3 eV
• p-n-Übergang: entscheidend für Dioden und Transistoren
• Transistorarten: Bipolartransistoren (BJT), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET)
• Funktionsweise BJT: Basisstrom steuert Kollektor-Emitter-Strom
• Funktionsweise MOSFET: Spannung an Gate steuert Stromfluss zwischen Drain und Source
• Formeln: Leitfähigkeit \( \sigma = q n \mu \), Stromgleichungen für Transistoren (z.B., BJT: \( I_C = \beta I_B \))

Experimentelle Techniken: Aufbau und Analyse von Stromkreisen

Definition:

Aufbau und Analyse von Stromkreisen. Verstehen der Funktionalität und der Wechselwirkung der Bauteile.

Details:

• Reihenschaltung: Gesamtwiderstand: \( R_{ges} = R_1 + R_2 + \cdots + R_n \)
• Parallelschaltung: Gesamtwiderstand: \( \frac{1}{R_{ges}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \cdots + \frac{1}{R_n} \)
• Ohmsches Gesetz: \( U = I \times R \)
• Knotenregel: Summe der Ströme an einem Knotenpunkt ist 0.
• Maschenregel: Summe der Spannungen in einer geschlossenen Schleife ist 0.
• Messinstrumente: Voltmeter (Spannung), Amperemeter (Strom), Multimeter (mehrere Größen).