Inhaltsverzeichnis Vorwort

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1 Inhaltsverzeichnis Vorwort IX 1.1 Das Wesen der Wissenschaft Modelle, Theorien und Gesetze Messungen und Messfehler; signifikante Stellen Einheiten, Standards und das Internationale Einheitensystem Größenordnung: Schnelle Abschätzung Einheiten und Einheitentest 11 Zusammenfassung 12 Verständnisfragen Bezugssystem und Weg Mittlere oder Durchschnittsgeschwindigkeit Momentangeschwindigkeit Beschleunigung Bewegung bei konstanter Beschleunigung Problemlösungen Der freie Fall 25 Zusammenfassung 29 Verständnisfragen Vektoren und Skalare Vektoraddition - Grafische Methoden Wurfbewegung Lösung von Aufgaben mit Wurf bewegungen Gleichförmige Kreisbewegung Relativgeschwindigkeit 46 Zusammenfassung 47 Verständnisfragen Kraft 50 Das erste Newton'sche Axiom 51 Masse 52 Das zweite Newton'sche Axiom 53 Das dritte Newton'sche Axiom 56 Gewicht-Die Gravitationskraft 58 Das Lösen von Aufgaben mit den Newton'schen Axiomen: Kräfteparallelogramme 60 Problemlösung - Allgemeine Herangehensweise 60 Anwendungen der Newton'schen Axiome - Reibung 62 Dynamik der gleichförmigen Kreisbewegung 67 Erhöhte und nicht erhöhte Straßenkurven 71 Zusammenfassung 73 Verständnisfragen 74 Das Newton'sche Gravitationsgesetz Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche - Geophysikalische Anwendungen 83 Satelliten und Schwerelosigkeit" 84 Die Kepler'schen Gesetze und das Newton'sche Gravitationsgesetz 87 Fundamentale Wechselwirkungen 91 Schwere Masse - Träge Masse - Äquivalenzprinzip 92 Zusammenfassung 93 Verständnisfragen Durch eine konstante Kraft verrichtete Arbeit 96 Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 6.2 Arbeit und kinetische Energie Potentielle Energie Mechanische Energie und ihre Erhaltung Anwendungen des Energieerhaltungssatzes der Mechanik Der Energieerhaltungssatz Leistung 117 Zusammenfassung 120 Verständnisfragen Impuls und seine Beziehung zur Kraft Impulserhaltung Stöße und Kraftstoß Energie- und Impulserhaltung bei Stößen Elastische Stöße in einer Raumrichtung Inelastische Stöße Massenmittelpunkt 138 Zusammenfassung 140 Verständnisfragen 140 Zusammenfassung 184 Verständnisfragen Eigenschaften von Wellen Wellenarten Energietransport in Wellen Mathematische Beschreibung der Welienausbreitung Das Superpositionsprinzip Reflexion und Transmission Interferenz Stehende Wellen; Resonanz Klangqualität und Geräusche Brechung Beugung Doppler-Effekt Anwendungen: Sonar, Ultraschall und Ultraschall-Abbildung 219 Zusammenfassung 221 Verständnisfragen Winkelgrößen Bewegungsgleichungen für gleichförmig beschleunigte Drehbewegungen Rollbewegung (ohne Gleiten) Vektorielle Beschaffenheit von Winkelgrößen Drehmoment Drehdynamik; Drehmoment und Trägheitsmoment Drehimpuls und Drehimpulserhaltung Kinetische Energie der Drehbewegung Rotierende Bezugssysteme; Trägheitskräfte Die Coriolis-Kraft 161 Zusammenfassung 163 Verständnisfragen Schwingungen einer Feder Harmonische Schwingung Energie in einem harmonischen Oszillator Zusammenhang zwischen harmonischer Schwingung und gleichförmiger Kreisbewegung Das Fadenpendel Gedämpfte harmonische Schwingung Erzwungene Schwingungen und Resonanz Die Atomtheorie der Materie Thermisches Gleichgewicht und der nullte Hauptsatz der Wärmelehre Die Gasgesetze und die absolute Temperatur Das ideale Gasgesetz Problemlösung mit dem idealen Gasgesetz Ideales Gasgesetz und Avogadro-Konstante 234 Zusammenfassung 235 Verständnisfragen Das ideale Gasgesetz und die molekulare Interpretation der Temperatur Molekulare Geschwindigkeitsverteilung Mittlere freie Weglänge Wärme und innere Energie Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Anwendungen des ersten Hauptsatzes; Arbeitsberechnung Wärmekapazität für Gase und die Gleichverteilung der Energie Adiabatische Expansion eines Gases Zusammenfassung 260 Verständnisfragen 261 IV

3 13.1 Der zweite Hauptsatz 15.1 der Thermodynamik-Einführung Wärmekraftmaschinen Reversible und irreversible Prozesse; der Carnot-Prozess Kältemaschinen, Klimaanlagen 15.5 und Wärmepumpen Entropie Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Aus Ordnung wird Unordnung Energieverfügbarkeit; Wärmetod Statistische Interpretation der Entropie und des zweiten Hauptsatzes Thermodynamische Temperaturskala; absoluter Nullpunkt und der dritte 16.1 Hauptsatz der Thermodynamik Zusammenfassung ß - 3 Verständnisfragen Statische Elektrizität; elektrische Ladung und ihre Erhaltung Elektrische Ladung im Atom Isolatoren und metallische Leiter Influenz; das Elektrometer Das Coulomb'sche Gesetz Das elektrische Feld Feldlinien Elektrische Felder und metallische Leiter Bewegung einer Punktladung in einem elektrischen Feld Das Gauß'sche Gesetz Das elektrische Potential Beziehung zwischen elektrischem 17.1 Potential und elektrischem Feld Das elektrische Potential 17.3 einer Punktladung Äquipotentialflächen Die elektrostatische potentielle Energie 17.5 und das Elektronenvolt Die Kathodenstrahlröhre: Fernseher, 17.6 Computerbildschirm 17.7 und Oszilloskop Elektrische Dipole Zusammenfassung 325 Verständnisfragen 326 Kondensatoren 330 Bestimmung der Kapazität 331 Kondensatoren in Reihenund Parallelschaltungen 333 Speicherung elektrischer Energie 336 Dielektrika 337 Molekulare Beschreibung von Dielektrika 340 Schaltkreise mit Widerstand und Kondensator (RC-Schaltkreise) Zusammenfassung 349 Verständnisfragen 350 Magnete und Magnetfelder 354 Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder 357 Die Kraft auf einen elektrischen Strom im Magnetfeld; Definition von B 358 Die Kraft auf eine bewegte elektrische Ladung in einem Magnetfeld: die Lorentz-Kraft 360 Das auf eine Leiterschleife wirkende Drehmoment 364 Anwendungen: Elektromotoren und Lautsprecher 366 Das Elektron: Entdeckung und Eigenschaften 367 Der Hall-Effekt 370 Massenspektrometer 371 Zusammenfassung 372 Verständnisfragen 372 Das Magnetfeld eines geraden Leiters Die Kraft zwischen zwei parallelen Drähten 377 Das Ampère'sche Gesetz 379 Das Magnetfeld einer Spule und eines Toroids 381 Magnetische Materialien - Ferromagnetismus 383 Elektromagnete und Spulen 385 Magnetfelder in magnetischen Materialien; Hysterese 386 Paramagnetismus und Diamagnetismus. 388 Zusammenfassung 390 Verständnisfragen 390

4 Die Induktionsspannung 392 Das Faraday'sche Induktionsgesetz und die Lenz'sche Regel 393 Induktion einer Spannung in einem bewegten Leiter 398 Elektrische Generatoren 400 Gegenspannung und Gegendrehmoment; Wirbelströme 402 Transformatoren und Stromübertragung 405 Ein sich ändernder magnetischer Fluss erzeugt ein elektrisches Feld 409 Anwendungen des Induktionsgesetzes: Tonsysteme, Datenspeicher und Seismografen 411 Zusammenfassung 413 Verständnisfragen 413 Gegeninduktivität 416 Selbstinduktivität 418 Energiespeicherung im Magnetfeld Ein- und Ausschaltvorgang einer Spule Elektrischer Schwingkreis 423 Gedämpfter elektrischer Schwingkreis Ungedämpfte Schwingung, Rückkopplung 427 Zusammenfassung 428 Verständnisfragen 429 Einleitung: Wechselstromkreise 432 Widerstand im Wechselstromkreis 432 Induktionsspule im Wechselstromkreis Kondensator im Wechselstromkreis LRC-Wechselstromkreise in Reihenschaltung 438 Resonanz im Wechselstromkreis 441 Drehstrom 442 Zusammenfassung 444 Verständnisfragen Das Gauß'sche Gesetz für den Magnetismus Die Maxwell'schen Gleichungen Erzeugung elektromagnetischer Wellen Licht als elektromagnetische Welle und das elektromagnetische Spektrum Radio und Fernsehen 457 Zusammenfassung 460 Verständnisfragen Lichtgeschwindigkeit und Brechungsindex Huygens-Prinzip und Beugung Sichtbares Spektrum und Dispersion Huygens-Prinzip und Brechungsgesetz Interferenz - Das Young'sche Doppelspaltexperiment Kohärenz Die Intensität im Interferenzmuster des Doppelspalts Interferenz in dünnen Schichten Das Michelson-Interferometer 483 Zusammenfassung 484 Verständnisfragen Beugung am Einfachspalt Intensität im Beugungsmuster des Einfachspalts Beugung am Doppelspalt Beschränkung der Auflösung; kreisförmige Öffnungen Auflösung von Teleskopen und Mikroskopen Auflösungsvermögen des menschlichen Auges und sinnvolle Vergrößerung Beugungsgitter Spektrometer und Spektroskopie Linienbreite und Auflösungsvermögen eines Beugungsgitters Röntgenstrahlen und Röntgenbeugung Polarisation Die Streuung des Lichts an der Atmosphäre 514 Zusammenfassung 515 Verständnisfragen Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld - eine allgemeine Form für 24.1 das Ampère'sche Gesetz Galilei-Newton'sches Relativitätsprinzip. 518 Das Michelson-Morley-Experiment 522 VI

5 24.3 Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie Gleichzeitigkeit Zeitdilatation und das Zwillingsparadoxon Längenkontraktion Die vierdimensionale Raumzeit Relativistischer Impuls und relativistische Masse Grenzgeschwindigkeit Energie und Masse; E = mc Doppier-Verschiebung des Lichts Die Auswirkungen der speziellen Relativitätstheorie 546 Zusammenfassung 547 Verständnisfragen Die Planck'sche Quantenhypothese Photonentheorie des Lichts und der fotoelektrische Effekt Photonen und der Compton-Effekt Photonenwechselwirkungen; Paarerzeugung Welle-Teilchen-Dualismus; das Komplementaritätsprinzip Die Wellennatur der Materie Elektronenmikroskope Frühe Atommodelle Atomspektren: Schlüssel zur Struktur des Atoms Das Bohr'sche Atommodell Die Anwendung der De-Broglie'schen Hypothese auf Atome 577 Zusammenfassung 579 Verständnisfragen Endlicher Potentialtopf Tunneln durch eine Potentialbarriere Zusammenfassung 608 Verständnisfragen Quantenmechanische Sicht auf Atome Das Wasserstoffatom: Schrödinger-GIeichung und Quantenzahlen 613 Die Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms 617 Komplexe Atome, das Pauli-Prinzip Das Periodensystem der Elemente 622 Röntgenspektren und Ordnungszahl Fluoreszenz und Phosphoreszenz 626 Laser 627 Zusammenfassung 630 Verständnisfragen 631 Struktur und Eigenschaften des Atomkerns 634 Bindungsenergie und Kernkräfte 637 Radioaktivität 639 Alphazerfall 640 Betazerfall 642 Gammazerfall 644 Erhaltung der Nukleonenzahl und weitere Erhaltungssätze 645 Halbwertszeit und Zerfallsrate 645 Zerfallsreihen 648 Die Radiokarbonmethode 650 Strahlungsmessung 651 Zusammenfassung 652 Verständnisfragen Die Quantenmechanik: Eine neue Theorie Die Wellenfunktion und ihre Interpretation; das Doppelspaltexperiment Die Heisenberg'sche Unschärferelation Philosophische Konsequenzen; Wahrscheinlichkeit und Determinismus Die Schrödinger-GIeichung in einer Dimension Freie Teilchen; Ebene Wellen und Wellenpakete Teilchen in einem unendlich tiefen Potentialtopf Kernreaktionen und Transmutation von Elementen 656 Kernspaltung; Kernreaktoren 657 Fusion 663 Durchgang der Strahlung durch Materie; Strahlungsschäden 667 Strahlungsmessung - Dosimetrie 669 Strahlentherapie 672 Indikatoren 672 VII

6 29.8 Bildgebung durch Tomografie 673 Zusammenfassung 676 Verständnisfragen 677 A Mathematische Formeln 680 B Ableitungen und Integrale 680 C Ausgewählte Isotope 681 D Physikalische Größen: Verwendete Symbole und ihre Einheiten 684 E Index 689 VIII