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2 Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Die Informationen in diesem Buch werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autoren können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler sind Verlag und Herausgeber dankbar. Es konnten nicht alle Rechteinhaber von Abbildungen ermittelt werden. Sollte dem Verlag gegenüber der Nachweis der Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das branchenübliche Honorar nachträglich gezahlt. Authorized translation from the English language edition, entitled PHYSICS FOR SCIENTISTS AND ENGINEERS WITH MODERN PHYSICS, 3rd Edition, by GIANCOLI, DOUGLAS C., published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright 2000 by Douglas C. Giancoli. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electonic or mechanical, including photocopying, recording or by any information sotrage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. GERMAN language edition published by PEARSON EDUCATION DEUTSCHLAND GMBH, Copyright Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Die gewerbliche Nutzung der in diesem Produkt gezeigten Modelle und Arbeiten ist nicht zulässig. Fast alle Hardware- und Softwarebezeichnungen und weitere Stichworte und sonstige Angaben, die in diesem Buch verwendet werden, sind als eingetragene Marken geschützt. Da es nicht möglich ist, in allen Fällen zeitnah zu ermitteln, ob ein Markenschutz besteht, wird das Symbol in diesem Buch nicht verwendet ISBN: Pearson Schule ein Imprint der Pearson Education Deutschland GmbH, Martin-Kollar-Straße 10 12, D München/Germany Alle Rechte vorbehalten Übersetzung: Dipl.-Phys. Micaela Krieger-Hauwede, Leipzig (Kapitel 37 45); Dr. Karen Lippert, Leipzig (Kapitel 22 36); Dipl.-Übers. Ulrike Pahlkötter, Hilter (Kapitel 2 14); Dipl.-Phys. Detlef Scholz, München (Kapitel 1, 15 21) Fachlektorat Schulbuch: Christian Koch; Jan Mandler; Michael Sach Lektorat: Birger Peil, bpeil@pearson.de; Korrektorat: Carsten Heinisch, Kaiserslautern Einbandgestaltung: adesso 21, Thomas Arlt, München Einbandfoto: Masterfile/Brad Wrobleski Herstellung: Philipp Burkart, pburkart@pearson.de Satz: le-tex publishing services GmbH, Leipzig Druck: Firmengruppe APPL, aprinta druck, Wemding Printed in Germany

3 Vorwort IX 1 Einführung, Messungen, Abschätzungen 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 Zusammenfassung Verständnisfragen Beschreibung von Bewegungen Kinematik in einer Raumrichtung 2.1 Bezugssystem und Weg Mittlere oder Durchschnittsgeschwindigkeit Momentangeschwindigkeit Beschleunigung Bewegung bei konstanter Beschleunigung Problemlösungen Der freie Fall Zusammenfassung Verständnisfragen Kinematik in zwei Raumrichtungen; Vektoren 3.1 Vektoren und Skalare Vektoraddition Grafische Methoden Wurfbewegung Lösung von Aufgaben mit Wurfbewegungen Gleichförmige Kreisbewegung Relativgeschwindigkeit Zusammenfassung Verständnisfragen Dynamik: Die Newton schen Axiome 4.1 Kraft Das erste Newton sche Axiom Masse Das zweite Newton sche Axiom Das dritte Newton sche Axiom Gewicht Die Gravitationskraft Das Lösen von Aufgaben mit den Newton schen Axiomen: Kräfteparallelogramme Problemlösung Allgemeine Herangehensweise Anwendungen der Newton schen Axiome Reibung Dynamik der gleichförmigen Kreisbewegung Erhöhte und nicht erhöhte Straßenkurven 71 Zusammenfassung Verständnisfragen Gravitation und das Newton sche Gravitationsgesetz 5.1 Das Newton sche Gravitationsgesetz Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche Geophysikalische Anwendungen Satelliten und Schwerelosigkeit Die Kepler schen Gesetze und das Newton sche Gravitationsgesetz Fundamentale Wechselwirkungen Schwere Masse Träge Masse Äquivalenzprinzip Zusammenfassung Verständnisfragen Arbeit und Energie, Energieerhaltung 6.1 Durch eine konstante Kraft verrichtete Arbeit... 96

4 6.2 Arbeit und kinetische Energie Potentielle Energie Mechanische Energie und ihre Erhaltung Anwendungen des Energieerhaltungssatzes der Mechanik Der Energieerhaltungssatz Leistung Zusammenfassung Verständnisfragen Impuls und Stöße 7.1 Impuls und seine Beziehung zur Kraft Impulserhaltung Stöße und Kraftstoß Energie- und Impulserhaltung bei Stößen Elastische Stöße in einer Raumrichtung Inelastische Stöße Massenmittelpunkt Zusammenfassung Verständnisfragen Drehbewegung um eine feste Achse 8.1 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 Zusammenfassung Verständnisfragen Schwingungen 9.1 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 Zusammenfassung Verständnisfragen Wellen und Wellenausbreitung 10.1 Eigenschaften von Wellen Wellenarten Energietransport in Wellen Mathematische Beschreibung der Wellenausbreitung Das Superpositionsprinzip Reflexion und Transmission Interferenz Stehende Wellen; Resonanz Klangqualität und Geräusche Brechung Beugung Doppler-Effekt Anwendungen: Sonar, Ultraschall und Ultraschall-Abbildung Zusammenfassung Verständnisfragen Temperatur, Wärmeausdehnung und ideales Gasgesetz 11.1 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 Zusammenfassung Verständnisfragen Kinetische Gastheorie und der erste Hauptsatz 12.1 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 Verständnisfragen IV

5 13 Der zweite Hauptsatz 13.1 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Einführung Wärmekraftmaschinen Reversible und irreversible Prozesse; der Carnot-Prozess Kältemaschinen, Klimaanlagen 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 Hauptsatz der Thermodynamik Zusammenfassung Verständnisfragen Elektrische Ladung und elektrisches Feld 14.1 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 Potential und elektrischem Feld Das elektrische Potential einer Punktladung Äquipotentialflächen Die elektrostatische potentielle Energie und das Elektronenvolt Die Kathodenstrahlröhre: Fernseher, Computerbildschirm und Oszilloskop Elektrische Dipole Zusammenfassung Verständnisfragen Kapazität, Dielektrika und elektrische Energiespeicher 15.1 Kondensatoren Bestimmung der Kapazität Kondensatoren in Reihenund Parallelschaltungen Speicherung elektrischer Energie Dielektrika Molekulare Beschreibung von Dielektrika Schaltkreise mit Widerstand und Kondensator (RC-Schaltkreise) Zusammenfassung Verständnisfragen Magnetismus 16.1 Magnete und Magnetfelder Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder Die Kraft auf einen elektrischen Strom im Magnetfeld; Definition von B Die Kraft auf eine bewegte elektrische Ladung in einem Magnetfeld: die Lorentz-Kraft Das auf eine Leiterschleife wirkende Drehmoment Anwendungen: Elektromotoren und Lautsprecher Das Elektron: Entdeckung und Eigenschaften Der Hall-Effekt Massenspektrometer Zusammenfassung Verständnisfragen Erzeugung von Magnetfeldern 17.1 Das Magnetfeld eines geraden Leiters Die Kraft zwischen zwei parallelen Drähten Das Ampère sche Gesetz Das Magnetfeld einer Spule und eines Toroids Magnetische Materialien Ferromagnetismus Elektromagnete und Spulen Magnetfelder in magnetischen Materialien; Hysterese Paramagnetismus und Diamagnetismus. 388 Zusammenfassung Verständnisfragen V

6 18 Elektromagnetische Induktion und das Faraday sche Gesetz 18.1 Die Induktionsspannung Das Faraday sche Induktionsgesetz und die Lenz sche Regel Induktion einer Spannung in einem bewegten Leiter Elektrische Generatoren Gegenspannung und Gegendrehmoment; Wirbelströme Transformatoren und Stromübertragung Ein sich ändernder magnetischer Fluss erzeugt ein elektrisches Feld Anwendungen des Induktionsgesetzes: Tonsysteme, Datenspeicher und Seismografen Zusammenfassung Verständnisfragen Induktivität und elektromagnetische Schwingungen 19.1 Gegeninduktivität Selbstinduktivität Energiespeicherung im Magnetfeld Ein- und Ausschaltvorgang einer Spule Elektrischer Schwingkreis Gedämpfter elektrischer Schwingkreis Ungedämpfte Schwingung, Rückkopplung 427 Zusammenfassung Verständnisfragen Wechselstromkreise 20.1 Einleitung: Wechselstromkreise Widerstand im Wechselstromkreis Induktionsspule im Wechselstromkreis Kondensator im Wechselstromkreis LRC-Wechselstromkreise in Reihenschaltung Resonanz im Wechselstromkreis Drehstrom Zusammenfassung Verständnisfragen Die Maxwell schen Gleichungen und elektromagnetische Wellen 21.1 Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld eine allgemeine Form für das Ampère sche Gesetz 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 Zusammenfassung Verständnisfragen Die Wellennatur des Lichts; Interferenz 22.1 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 Zusammenfassung Verständnisfragen Beugung und Polarisation 23.1 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 Verständnisfragen Spezielle Relativitätstheorie 24.1 Galilei-Newton sches Relativitätsprinzip Das Michelson-Morley-Experiment VI

7 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 Doppler-Verschiebung des Lichts Die Auswirkungen der speziellen Relativitätstheorie Zusammenfassung Verständnisfragen Frühe Quantentheorie und Atommodelle 25.1 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 Zusammenfassung Verständnisfragen Quantenmechanik 26.1 Die Quantenmechanik: Eine neue Theorie Die Wellenfunktion und ihre Interpretation; das Doppelspaltexperiment Die Heisenberg sche Unschärferelation Philosophische Konsequenzen; Wahrscheinlichkeit und Determinismus Die Schrödinger-Gleichung in einer Dimension Freie Teilchen; Ebene Wellen und Wellenpakete Teilchen in einem unendlich tiefen Potentialtopf Endlicher Potentialtopf Tunneln durch eine Potentialbarriere Zusammenfassung Verständnisfragen Quantenmechanik von Atomen 27.1 Quantenmechanische Sicht auf Atome Das Wasserstoffatom: Schrödinger-Gleichung und Quantenzahlen Die Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms Komplexe Atome, das Pauli-Prinzip Das Periodensystem der Elemente Röntgenspektren und Ordnungszahl Fluoreszenz und Phosphoreszenz Laser Zusammenfassung Verständnisfragen Kernphysik und Radioaktivität 28.1 Struktur und Eigenschaften des Atomkerns Bindungsenergie und Kernkräfte Radioaktivität Alphazerfall Betazerfall Gammazerfall Erhaltung der Nukleonenzahl und weitere Erhaltungssätze Halbwertszeit und Zerfallsrate Zerfallsreihen Die Radiokarbonmethode Strahlungsmessung Zusammenfassung Verständnisfragen Kernenergie; Auswirkungen und Anwendungsmöglichkeiten der Strahlung 29.1 Kernreaktionen und Transmutation von Elementen Kernspaltung; Kernreaktoren Fusion Durchgang der Strahlung durch Materie; Strahlungsschäden Strahlungsmessung Dosimetrie Strahlentherapie Indikatoren VII

8 29.8 Bildgebung durch Tomografie Zusammenfassung Verständnisfragen Anhang A Mathematische Formeln B Ableitungen und Integrale C Ausgewählte Isotope D Physikalische Größen: Verwendete Symbole und ihre Einheiten 684 E Index VIII

9 Copyright Daten, Texte, Design und Grafiken dieses ebooks, sowie die eventuell angebotenen ebook-zusatzdaten sind urheberrechtlich geschützt. Dieses ebook stellen wir lediglich als persönliche Einzelplatz-Lizenz zur Verfügung! Jede andere Verwendung dieses ebooks oder zugehöriger Materialien und Informationen, einschliesslich der Reproduktion, der Weitergabe, des Weitervertriebs, der Platzierung im Internet, in Intranets, in Extranets, der Veränderung, des Weiterverkaufs und der Veröffentlichung bedarf der schriftlichen Genehmigung des Verlags. Insbesondere ist die Entfernung oder Änderung des vom Verlag vergebenen Passwortschutzes ausdrücklich untersagt! Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an: Zusatzdaten Möglicherweise liegt dem gedruckten Buch eine CD-ROM mit Zusatzdaten bei. Die Zurverfügungstellung dieser Daten auf unseren Websites ist eine freiwillige Leistung des Verlags. Der Rechtsweg ist ausgeschlossen. Hinweis Dieses und viele weitere ebooks können Sie rund um die Uhr und legal auf unserer Website herunterladen