Professor Dr. rer. nat. Frank Thuselt. Physik. Vogel Buchverlag

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1 Professor Dr. rer. nat. Frank Thuselt Physik Vogel Buchverlag

2 Vorwort 5 Einleitung 13 1 Physikalisches Messen SI-Einheiten und ihre Dimension Maßangaben und Größengleichungen SI-Basisgrößen Länge Zeit Masse Stoffmenge Weitere SI-Basisgrößen Abgeleitete Größen Bedeutung des Einheitensystems für die Praxis Auswertung von Messungen Physik als messende Wissenschaft Darstellung von Messergebnissen Fehlerabschätzungen 38 Zusammenfassung 41 Kontrollfragen 43 2 Kinematik Gleichförmige und ungleichförmige Bewegung Geradlinige gleichförmige Bewegung Geradlinige ungleichförmige Bewegung Physikalische Differentiale Exemplarischer Messvorgang zur beschleunigten Bewegung Gleichmäßig beschleunigte Bewegung Zusammensetzen von Geschwindigkeit und Beschleunigung Geschwindigkeit und Beschleunigung als vektorielle Größen Bezugssysteme Der Wurf Kreisbewegung Allgemeines Gleichförmige Kreisbewegung Gleichmäßig beschleunigte Kreisbewegung Gegenüberstellung von geradliniger Bewegung 67 und Kreisbewegung Vektordarstellung der Winkelgeschwindigkeit Schwingungen 70 Zusammenfassung 74 Kontrollfragen 78

3 3 Mechanik: Impuls, Kraft und Energie Impuls Erhaltung des Impulses Kraft NEWTONsche Grundgesetze der Mechanik Zusammenhang von Kraft und Beschleunigung Trägheitsgesetz Gegenwirkungsprinzip Spezielle Kräfte Kraft im Schwerefeld - Gravitation Elektrische Kraft im Feld einer Punktladung Elektrische Kraft im homogenen elektrischen Feld Elastische Federkräfte Kräfte am Fadenpendel Weitere Beispiele harmonischer Vorgänge Reibungskräfte Radialkräfte Kräfte im rotierenden Bezugssystem Energie Die mechanische Arbeit Kinetische Energie Potentielle Energie Energiesatz Stoßprozesse Elastischer gerader Stoß Unelastischer gerader Stoß Leistung Weitere Beispiele für potentielle Energien Mechanik starrer Körper - Drehbewegungen Freiheitsgrade des starren Körpers Schwerpunkt Kräfte am starren Körper Drehimpuls Bewegung um eine Achse - Drehmoment Gleichgewicht am starren Körper Trägheitsmomente Satz von STEINER Arbeit, Energie und Leistung beim starren Körper Beispiele und Anwendungen 154 Zusammenfassung 161 Kontrollfragen Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Ruhende Flüssigkeiten und Gase Druck Schweredruck in Flüssigkeiten Auftrieb und Schwimmen Das BoYLEsche Gesetz 180

4 4.1.5 Barometrische Höhenformel Rotierende Flüssigkeiten Strömende Flüssigkeiten und Gase Allgemeines zu Strömungsvorgängen Kontinuitätsgleichung Laminare Strömung in einem Rohr BERNOULUsche Gleichung Wirbel in Flüssigkeiten und Gasen 192 Zusammenfassung 194 Kontrollfragen 196 Schwingungen Schwingungen in der Ebene Überlagerungen von Schwingungen und FouRiER-Entwicklung Schwebungen Energiebilanz bei Schwingungen Einschub: Rechnen mit komplexen Zahlen Gedämpfte Schwingungen Lösung der Schwingungsgleichung Elektrischer Schwingkreis Erzwungene Schwingungen Vorläufige Abschätzungen und Diskussion der Lösung Gesamtverhalten im eingeschwungenen Zustand 219 Zusammenfassung 226 Kontrollfragen 228 Elektrotechnik Der elektrische Gleichstromkreis Elektrischer Strom und elektrische Spannung Ladung als Ursache des elektrischen Stroms Zusammenhang zwischen Spannung und Strom - das OHMsche Gesetz Arbeit und Leistung des elektrischen Gleichstroms KiRCHHOFFsche Gesetze Anwendungen der KiRCHHOFFschen Gesetze Elektrostatik Die elektrische Ladung CouLOMBsches Gesetz Das elektrische Feld Elektrisches Potential und elektrische Spannung Elektrische Ladungen auf Leitern Spannung und Feldstärke im homogenen Feld Der Kondensator Ladung und Spannung am Plattenkondensator Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren Kapazitäten von Kondensatoren unterschiedlicher Geometrien, Energieinhalt eines Kondensators 272

5 6.4 Die elektrische Flussdichte Elektrisches Feld im Dielektrikum Elektrische Feldenergie Berechnung des Verschiebungsfeldes Magnetfeld elektrischer Ströme Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Das Durchflutungsgesetz Kraftwirkung im Magnetfeld Materie im Magnetfeld Der magnetische Kreis Die elektromagnetische Induktion Das FARADAYsche Induktionsgesetz Gegenseitige Induktion zweier Stromkreise und Selbstinduktion Energieinhalt einer Spule und magnetische Feldenergie Generatoren und Motoren Ein- und Ausschalten einer Spule und eines Kondensators Die MAXWELLschen Gleichungen Wechselströme Periodische Ströme und Spannungen Widerstand, Spule und Kondensator im Wechselstromkreis 312 Zusammenfassung 317 Kontrollfragen 329 Geometrische Optik Natur des Lichts Reflexion Brechung Optische Abbildungen Brechung an einer Kugelfläche Abbildungen mit Linsen Linsensysteme und dicke Linsen Blenden Optische Geräte Abbildung durch das menschliche Auge Abbildung durch die Lupe Kamera und Projektionsgerät Abbildung durch das Fernrohr Abbildung durch das Mikroskop Hohl- und Wölbspiegel Energietransport durch Licht 357 Zusammenfassung 359 Kontrollfragen 365 Wellen Eindimensionale Wellen Begriffe 367

6 8.1.2 Elektromagnetische Wellen Einige Eigenschaften von Schallwellen Mathematische Beschreibung von Wellen - Wellengleichung Energie- und Impulsdichte von Wellen Die Maßeinheit Dezibel - Das menschliche Hören Kugelwellen und Zylinderwellen DOPPLER-Effekt Überlagerung von Wellen (Interferenz) Übersicht Stehende Wellen Allgemeine Bedingung für Zweistrahl-Interferenz Interferenzen in großem Abstand von den Quellen Weitere Beispiele für Interferenzen von Licht Brechung und Reflexion von Wellen HuYGENSsches Prinzip Reflexionsgesetz Brechungsgesetz 402 Zusammenfassung 404 Kontrollfragen 407 Wärmelehre Temperatur Masse und Stoffmenge Wärmemenge und Wärmekapazität Die Wärmemenge als extensive physikalische Größe Phasenübergänge : Wärmetransport Arten des Wärmetransports Wärmeleitung Wärmeübergang Nichtstationärer Wärmetransport Wärmestrahlung Thermische Ausdehnung von Festkörpern Längenausdehnung fester Körper Volumenausdehnung von Flüssigkeiten und Gasen Zustandsgieichung idealer Gase Die Hauptsätze der Wärmelehre Der erste Hauptsatz Der zweite Hauptsatz und die Entropie Der dritte Hauptsatz Zustandsänderungen idealer Gase Ausdehnungsarbeit Wärmediagramme Isobare Zustandsänderungen Isochore Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Adiabatische Zustandsänderung 455

7 9.9 Kreisprozesse Irreversible Prozesse Irreversible Prozesse und die Entropie Exergie und Anergie Reale Gase 468 Zusammenfassung 471 Kontrollfragen Aufbau der Substanzen aus Atomen Atome und die kleinsten Teilchen der Materie Vielfalt der Elementarteilchen PAUU-Prinzip Photonen Absorption und Emission von Licht Laser Elektronen Der Atomkern Das BoHRsche Atommodell Aufbau der Atome und Periodensystem Kristallstrukturen der Festkörper BRAVAis-Gitter und Elementarzellen Atomabstände, Packungsdichten und Konzentrationen Chemische Bindung Bindungsarten Bänder in Festkörpern Molekulares Bild der Gase Druck idealer Gase Die innere Energie idealer Gase Verteilung der Geschwindigkeiten und Energien Mikroskopische Definition der Entropie Anwendungen auf Festkörper." 523 Zusammenfassung 524 Kontrollfragen 529 Anhang 531 Verwendete Formelzeichen und ihre Bedeutung 531 Verwendete Einheitenzeichen '. 538 Physikalische Konstanten und Zahlenwerte 540 Einige mathematische Formeln 541 Periodensystem der Elemente 544 Farbbilder zu den Kapiteln 7 bis Literaturverzeichnis 549 Quellenverzeichnis der Bilder 551 Stichwortverzeichnis 553