Bogdan Povh Elisabeth Soergel. Anschauliche Physik. für Naturwissenschaftler. 2. überarbeitete und ergänzte Au age

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1 Anschauliche Physik

2 Bogdan Povh Elisabeth Soergel Anschauliche Physik für Naturwissenschaftler 2. überarbeitete und ergänzte Au age

3 Bogdan Povh Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg, Deutschland Elisabeth Soergel Universität Bonn, Physikalisches Institut Bonn, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011, 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

4 Vorwort zur 2. Auflage It is good to have an end to journey toward, but it is the journey that matters in the end. Ursula K. Le Guin Das vorliegende Buch ist eine Erweiterung und Überarbeitung der ersten, aber umfassenden Einführung in die Physik und richtet sich an Naturwissenschaftler mit Nebenfach Physik, sowie Lehrer an Gymnasien und Fachschulen. Behandelt werden die klassischen Gebiete der Physik wie Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik, bis hin einerseits zu den Vorgängen im atomaren und nuklearen Bereich und andererseits zum physikalischen Modell des Universums. Physik hilft uns, die vor uns ablaufenden Vorgänge in der materiellen Welt qualitativ und quantitativ zu verstehen. Dafür wird die Sprache der Mathematik eingesetzt, die dem Nichtfachmann selten zur Verfügung steht. Folgerichtig wird in diesem Buch der formal mathematische Apparat stark zurückgenommen. Er beschränkt sich auf diejenigen Formeln, die man in der Alltagspraxis wirklich braucht, um etwas konkret auszurechnen bzw. die eminent wichtigen physikalischen Größenordnungen richtig abzuschätzen. Als erstes möchten wir uns bei Wolf Beiglböck bedanken für den Vorschlag, dieses Lehrbuch basierend auf Abbildungen zu gestalten und dadurch eine anschauliche Darstellung zu erreichen. Auch der Titel des Buches stammt von ihm. Der Abschnitt Elektrizität in der Biologie wurde in Zusammenarbeit mit Heinz Horner (Heidelberg) verfasst, Bindungscocktails entstand mit der Hilfe von Samo Fišinger (Ljubljana) und Energietransport mit Dušan Povh (Nürnberg). Für die sprachliche Durchsicht des Textes bedanken wir uns bei Claudia Ries. Dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg danken wir für die infrastrukturelle Unterstützung. Schließlich sei den Lesern der ersten Auflage, die diverse Fehler gefunden und uns mitgeteilt haben, gedankt. Heidelberg, im April 2013 Bogdan Povh und Elisabeth Soergel V

5 Inhaltsverzeichnis 1 Hors d Oeuvre Wissenschaftliche Revolution Physik im 20. Jahrhundert Struktur der Materie Die fundamentalen Wechselwirkungen Einheiten Messfehler Kinematik Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung Addition zweier Geschwindigkeiten Kreisbewegung Dynamik Masse, Impuls und Impulserhaltung Kraft Proton im elektrischen Feld Schwere Masse Drehimpuls und Drehimpulserhaltung Schwerpunkt Drehmoment Bewegungsgleichung der Rotation Energie und Arbeit Mechanik und Sport Stabhochsprung Peitscheneffekt im Sport VII

6 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Stoß, Oszillator und Kreisel Elastischer und inelastischer Stoß Elastischer Frontalstoß Billard-Karambolage Inelastischer Stoß Federpendel, Harmonischer Oszillator Potential des Harmonischen Oszillators Quantenmechanischer Harmonischer Oszillator Klassischer Kreisel Quantenmechanischer Kreisel Gravitation Sonne Erde Mond Erde auf einer Kreisbahn Ortsgebundener Satellit Mondanziehung Gezeiten Erde als Kreisel Sonnensystem Milchstraße Schwarzes Loch in der Mitte der Milchstraße Determinismus und Deterministisches Chaos Entstehung des Sonnensystems Das Licht hat auch eine Masse: E D mc Schwarzschildradius und Ereignishorizont Flüssigkeit und Gas Druck als Folge der Erdanziehung Wasserdruck Barometrische Höhenformel Archimedisches Prinzip Strömung nach Bernoulli und Venturi Blutkreislauf Physik des Fliegens Wind-Druck-Abhängigkeit Kohäsion und Adhäsion Kinetische Theorie der Wärme Ideales Gas Reales Gas Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Spezifische Molwärme von Gasen

7 Inhaltsverzeichnis IX Spezifische Molwärme bei konstantem Volumen c V Spezifische Molwärme bei konstantem Druck c p Spezifische Molwärmen kristalliner Substanzen Spezifische Molwärme von Flüssigkeiten Phasenübergänge Wärmemaschinen Wärmepumpe Diffusion und Osmose Wärmetransport Wärmeleitung Konvektion Strahlung Entropie Abgeschlossene Systeme Zeitrichtung Offene Systeme Selbstorganisation Mechanische Wellen Eindimensionale, longitudinale und transversale Wellen Phasengeschwindigkeit Energie und Impuls der Welle Reflexion, Transmission und Absorption Stehende Wellen Wasserwellen Interferenz und Beugung der Wasserwellen Schall Schallwellen im Gas Dopplereffekt Schockwellen Ultraschall Infraschall Elektromagnetische Wechselwirkung Elementarladung Das magnetische Feld und das magnetische Moment des Elektrons Elektrische Spannung und elektrischer Strom Elektrischer Strom in Metallen Strom in Lösungen Batterie

8 X Inhaltsverzeichnis Widerstand Kondensator Elektrizität in der Biologie Elektrische Eigenschaften der Zellmembran Magnetfeld und magnetische Induktion Spule Transformator Elektromagnetischer Schwingkreis Stromgenerator Elektromotor Maxwellgleichungen Energietransport Elektromagnetische Wellen Lichtgeschwindigkeit Relativitätstheorie Es gibt keinen absoluten Raum Es gibt keine absolute Zeit Längenkontraktion Äquivalenz von Masse und Energie Experimentelle Bestätigung von Dilatation und Kontraktion Strahlungsquellen Atomspektren Laser Röntgenstrahlung Bremsstrahlung Charakteristische Röntgenstrahlung Röntgenspektroskopie Wärmestrahlung Optik Reflexion und Brechung Regenbogen Sonnenuntergang Totalreflexion Geometrische Optik Linse Auge Lupe und Mikroskop Spiegelteleskop Das Sehen...232

9 Inhaltsverzeichnis XI 13 Quantenmechanik Die wesentlichen Begriffe Photon Photoeffekt Comptonstreuung Ist das Photon ein Teilchen oder eine Welle? Elektron Das Elektron ist ein Teilchen Das Elektron ist eine Welle Elektronenmikroskop Heisenbergsche Unschärferelation Das virtuelle Photon Wellenfunktion Unendliches Kastenpotential Harmonisches Potential Endliches Kastenpotential Tunneln durch eine Potentialbarriere Strahlungsübergänge Elektronen sind Fermionen, Photonen sind Bosonen Atome Wasserstoffatom Die vier Quantenzahlen des Wasserstoffatoms Periodensystem der Elemente Moleküle Starke chemische Bindung Kovalente Bindung Metallische Bindung Ionische Bindung Geometrie der Moleküle Mikrowelle Wasserstoffbrückenbindung Van-der-Waals-Bindung Bindungscocktails Graphit Faltung Kondensierte Materie Kovalente Kristalle Ionische Kristalle Piezoelektrizität Eis

10 XII Inhaltsverzeichnis 16.4 Van-der-Waals-Kristalle Metalle Quarks, Nukleonen und Kerne Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Zerfall Quarkspektroskopie Kernbindungsenergie Stabile Isotope Fusionsreaktor Sonne Elementsynthese Spaltung Radioaktivität Geothermale Energiequellen Das Alter des Sonnensystems Umweltradioaktivität Expandierendes Universum Kosmische Rotverschiebung und Expansion Das Big-Bang/Urknall-Modell Mathematisches Werkzeug A.1 Differentialrechnung A.1.1 Ableitung von s nach t A.1.2 Ableitung von e t A.1.3 Ableitung von sin.! t / und cos.! t / A.2 Integral, unbestimmtes und bestimmtes A.3 Vektorrechnung A.4 Komplexe Zahlen Weiterführende Literatur Sachverzeichnis...337

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