Theoretische Physik 1 - Mechanik (Lösung zu den Übungsaufgaben)

Hinweis: Natürlich alles ohne Gewähr. Wenn jemand Fehler findet, bitte melden! Bessere Lösungswege einfach als 2.Möglichkeit hinzufügen.

Mathematische Grundlagen

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Tensoren

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Levi-Civita als Determinante

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Identität XYZ

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1. Möglichkeit

 

 

Für ein rechtsdrehendes, orthonormales Koordinatensystem mit den Einheitsvektoren , folgt: Mit:  


 

 

Wir haben   und  . Wenn   ein rechtsdrehendes Koordinatensystem bilden, folgt:

 

 

 


2. Möglichkeit

Für j=k oder l=m verschwindet das Kreuzprodukt. Für j≠k und l≠m gilt: Das doppelte Kreuzprodukt verschwindet, wenn nicht j=l oder k=m


Spatprodukt

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Aufgabenstellung: Zeige:  

Lösung:

 

da   folgt:

  bzw.  

Durch Vertauschen der Indizes folgt:

 

bzw.

 

Graßmann-Identität

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Da wir unsere Freunde so nennen dürfen wie wir wollen, vertauschen wir die Indizes i und j damit der nächste Schritt "offensichtlich" ist:

 


Wir benutzen die in Übungsaufgabe 1 bewiesene Identität  , dazu verwenden wir   aus der Definition des Levi-Civita-Symbols:

 

Und ziehen das Minus vor den Summen zu den Deltas in die Klammer und lösen die Kronecker-Deltas zu Einheitsvektoren auf:

 

Dann lösen wir die Summe auf:

 

Lagrange-Identität

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Da gilt, dass

(AxB) C = A (BxC)

ist

(AxB),(CxD)= AB(CxD) = A(B x (CxD))


Bereits bewiesen wurde, dass

(B x (CxD)) = (BD)C-(BC)D


Somit erhält man:

A(B x (CxD)) = A ((BD)C-(BC)D)=(AC)(BD)-(AD)(BC)

q.e.d.

Differentialoperatoren

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div rot A = 0

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Hinweis:
Ich glaube ich habe möglicherweise im ersten Lösungsweg einen Denkfehler:
Wenn ich die Indizes i und j vertausche, müsste ich sie ggf. auch in der 
Ausgangsgleichung, mit der ich sie vergleiche, tauschen.


Zeige:  

1. Lösung:

 

Nach dem Satz von Schwarz kann man bei zweifach stetig differenzierbaren Funktionen die Differentialoperatoren vertauschen:

 

Mit einer ungeraden Permutation des Levi-Civita-Symbols   folgt:

 

Da ich meine Indize so nennen kann wie ich will, vertausche ich alle i und j:

 

Jetzt haben wir:

 

Daraus folgt:

 


Alternative Lösung:

Mit der in Übungsaufgabe 1.2 gezeigten Identität:

 

Nach dem Satz von Schwarz folgt   und dadurch:

 

rot grad B = 0

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Zeige:  

Lösung:(in Arbeit - mit Sicherheit noch falsch ;-) )

 

 

div grad B = 0

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Zeige:  

Lösung:


Bewegungen

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Fallendes Seil

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Elektron im E-Feld

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Aufgabenstellung:
Ein Elektron (Elementarladung e, Masse m) bewege sich in einem homogenen, ged?ämpft oszillierenden
elektrischen Feld,   mit   

a.) Berechne die Bahnkurve   in Abhängigkeit der Anfangsbedingung   und  

b.) Bestimme die Anfangsbedingungen   und  , für die   für alle   beschränkt bleiben.

Lösung:

Die Bewegungsgleichung ist:

Definitionsgemäß ist die Kraft auf eine Ladung q im elektrischen Feld:  

also:  , wobei q = -e, da es sich um ein einzelnes Elektron handelt.

Es gilt:  

Durch Einsetzen ergibt sich:

 

 


  ergibt sich durch zweifaches Integrieren von  :

 

 

 


 

 

 

 

2. Schritt