Die Autoren. Teil I Physikalische Größen und Messungen 1 Physikalische Größen und Messungen 3

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1 Kurzinhalt Die Autoren XXXV Teil I Physikalische Größen und Messungen 1 Physikalische Größen und Messungen 3 Teil II Mechanik 2 Mechanik von Massepunkten 27 3 Die Newton'schen Axiome 77 4 Weitere Anwendungen der Newton'schen Axiome Energie und Arbeit Der Impuls Teilchensysteme Drehbewegungen Mechanik deformierbarer Körper Fluide 371 Teil III Schwingungen und Wellen 11 Schwingungen Wellen 455 Teil IV Thermodynamik 13 Temperatur und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik Die kinetische Gastheorie Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik Wärmeübertragung 631 Teil V Elektrizität und Magnetismus 18 Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen Das elektrische Potenzial Die Kapazität Elektrischer Strom - Gleichstromkreise Das Magnetfeld Quellen des Magnetfelds Die magnetische Induktion Wechselstromkreise Die Maxwell'schen Gleichungen - Elektromagnetische Wellen 979

2 XXII Kurzinhalt Teil VI Optik 28 Eigenschaften des Lichts Geometrische Optik Interferenz und Beugung 1085 Teil VII Einsteins Relativitätstheorien 31 Die Relativitätstheorien 1121 Teil VIII Quantenmechanik 32 Einführung in die Quantenphysik Anwendungen der Schrödinger-Gleichung 1183 Teil IX Atome und Moleküle 34 Atome Moleküle 1251 Teil X Festkörperphysik 36 Festkörper Elektrische Eigenschaften von Festkörpern 1287 Teil XI Kern- und Teilchenphysik 38 Kernphysik *Teilchenphysik 1349 Teil XII Anhänge 40 Tabellen Mathematische Grundlagen 1391 Sachverzeichnis 1421

3 Inhaltsverzeichnis Die Autoren XXXV Teil I Physikalische Größen und Messungen 1 Physikalische Größen und Messungen Vom Wesen der Physik Maßeinheiten Dimensionen physikalischer Größen Signiiikante Stellen und Größenordnungen Messgenauigkeit und Messfehler 14 Zusammenfassung 20 Aufgaben 22 Teil II Mechanik 2 Mechanik von Massepunkten Verschiebung Geschwindigkeit Beschleunigung Gleichförmig beschleunigte Bewegung in einer Dimension Gleichförmig beschleunigte Bewegung in mehreren Dimensionen 54 Zusammenfassung 67 Aufgaben 69 3 Die Newton'schen Axiome Das erste Newton'sche Axiom: Das Trägheitsgesetz Kraft und Masse Das zweite Newton'sche Axiom Gravitationskraft und Gewicht Kräftediagramme und ihre Anwendung Das dritte Newton'sche Axiom Kräfte bei der Kreisbewegung 95 Zusammenfassung 103 Aufgaben 105

4 XXIV Inhaltsverzeichnis 4 Weitere Anwendungen der Newton'schen Axiome Reibung Widerstandskräfte ' Trägheits-oder Scheinkräfte Die Gravitationskraft und die Kepler'schen Gesetze Das Gravitationsfeld 140 Zusammenfassung 149 Aufgaben Energie und Arbeit Arbeit Leistung Kinetische Energie Potenzielle Energie Energieerhaltung 183 Zusammenfassung 201 Aufgaben Der Impuls Impulserhaltung Stoßarten Kraftstoß und zeitliches Mittel der Kraft Inelastische Stöße Elastische Stöße 231 Zusammenfassung 237 Aufgaben Teilchensysteme Mehrkörperprobleme Der Massenmittelpunkt Massenmittelpunktsbewegung und Impulserhaltung Massenmittelpunktsarbeit und Energieerhaltung *Stöße im Schwerpunktsystem Systeme mit veränderlicher Masse und Strahlantrieb 268 Zusammenfassung 274 Aufgaben 276

5 Inhaltsverzeichnis XXV 8 Drehbewegungen " Kinematik der Drehbewegung: Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung Die kinetische Energie der Drehbewegung Berechnung von Trägheitsmomenten Das Drehmoment Gleichgewicht und Stabilität Der Drehimpuls Die Drehimpulserhaltung Rollende Köiper Der Kreisel 333 Zusammenfassung 340 Aufgaben Mechanik deformierbarer Körper Spannung und Dehnung Kompression Scherung Zusammenhang zwischen E, K, G und [i Elastische Energie und Hysterese Biegung 359 Zusammenfassung 366 Aufgaben Fluide Dichte Druck in einem Fluid Auftrieb und archimedisches Prinzip Molekulare Phänomene Bewegte Fluide ohne Reibung Bewegte Fluide mit Reibung *Turbulenz 398 Zusammenfassung 402 Aufgaben 405 Teil in Schwingungen und Wellen 11 Schwingungen 11.1 Harmonische Schwingungen 11.2 Energie des harmonischen Oszillators

6 XXVI Inhaltsverzeichnis 11.3 Beispiele für schwingende Systeme. * Gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen und Resonanz 440 Zusammenfassung 447 Aufgaben Wellen Einfache Wellenbewegungen Periodische Wellen, harmonische Wellen Eneigietransport und Intensität Der Doppler-Effekt Wellenausbreitung an Hindernissen Überlagerung von Wellen Stehende Wellen ""Harmonische Zerlegung und Wellenpakete 505 Zusammenfassung 513 Aufgaben 518 Teil IV Thermodynamik 13 Temperatur und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik Temperatur und der Nullte Hauptsatz Temperaturmessgeräte und Temperaturskalen Thermische Ausdehnung 535 Zusammenfassung 542 Aufgaben Die kinetische Gastheorie Die Zustandsgieichung für das ideale Gas Druck und Teilchengeschwindigkeit Der Gleichverteilungssatt Die mittlere freie Weglänge *Die Van-der-Waals-Gleichung und Flüssigkeits-Dampf-Isothermen 558 Zusammenfassung 562 Aufgaben 563

7 Inhaltsverzeichnis XXVII 15 Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekapazität und spezifische Wärmekapazität Phasenübergänge und latente Wärme Phasendiagramme Joules Experiment und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Die innere Energie eines idealen Gases Volumenarbeit und das p- K-Diagramm eines Gases Wärmekapazitäten von Festkörpern Wärmekapazitäten von Gasen Die reversible adiabatische Expansion eines Gases 588 Zusammenfassung Aufgaben Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekraftmaschinen und der Zweite Hauptsatz Kältemaschinen und der Zweite Hauptsatz Der Camot'sche Kreisprozess *Wärmepumpen Irreversibilität, Unordnung und Entropie Entropie und die Verfügbarkeit der Energie Entropie und Wahrscheinlichkeit *Der Dritte Hauptsatz 623 Zusammenfassung 625 Aufgaben Wärmeübertragung Wärmeübertragungsarten Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung 638 Zusammenfassung 644 Aufgaben 646 Teil V Elektrizität und Magnetismus 18 Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen Die elektrische Ladung Leiter und Nichtleiter Das Coulomb'sche Gesetz Das elektrische Feld Elektrische Feldlinien Wirkung von elektrischen Feldern auf Ladungen 672 Zusammenfassung 680 Aufgaben 682

8 XXVIII Inhaltsverzeichnis 19 Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen Das Konzept der Ladungsdichte Berechnung von E mit dem Coulomb'schen Gesetz Das Gauß'sche Gesetz Berechnung von E mit dem Gauß'schen Gesetz Diskontinuität von E Ladung und Feld auf Leiteroberflächen *Die Äquivalenz des Gauß'schen und des Coulomb'schen Gesetzes 714 Zusammenfassung 717 Aufgaben Das elektrische Potenzial Die Potenzialdifferenz Das Potenzial eines Punktladungssystems Die Berechnung des elektrischen Felds aus dem Potenzial Die Berechnung des elektrischen Potenzials </> kontinuierlicher Ladungsverteilungen Äquipotenzialflächen Die elektrische Energie 749 Zusammenfassung 754 Aufgaben Die Kapazität Die Kapazität Speicherung elektrischer Energie Kondensatoren, Batterien und elektrische Stromkreise Dielektrika Molekulare Betrachtung von Dielektrika 785 Zusammenfassung 791 Aufgaben Elektrischer Strom - Gleichstromkreise Elektrischer Strom und die Bewegung von Ladungsträgern Widerstand und Ohm'sches Gesetz Energetische Betrachtung elektrischer Stromkreise Zusammenschaltung von Widerständen Die KirchhofT'schen Regeln /?C-Stromkreise 829 Zusammenfassung 836 Aufgaben 838

9 Inhaltsverzeichnis XXIX Das Magnetfeld Die magnetische Kraft Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld Das auf Leiterschleifen und Magnete ausgeübte Drehmoment *Der Hall-Effekt 863 Zusammenfassung 868 Aufgaben 870 Quellen des Magnetfelds Das Magnetfeld bewegter Punktladungen Das Magnetfeld von Strömen: Das Biot-Savart'sche Gesetz Der Gauß'sche Satz für Magnetfelder Das Ampere'sche Gesetz Magnetismus in Materie 894 Zusammenfassung 905 Aufgaben 907 Die magnetische Induktion Der magnetische Fluss Induktionsspannung und Faraday'sches Gesetz Die Lenz'sche Regel Induktion durch Bewegung Wirbelströme Induktivität Die Energie des Magnetfelds /{/.-Stromkreise 933 Zusammenfassung 939 Aufgaben 941 Wechselstromkreise Wechselspannung an einem Ohm'schen Widerstand Wechselstromkreise Der Transformator LC-und RLC-Stromkreise ohne Wechselspannungsquelle *Zeigerdiagramme *Erzwungene Schwingungen in/flc-stromkreisen 961 Zusammenfassung 971 Aufgaben 973

10 XXX Inhaltsverzeichnis 27 Die Maxwell'schen Gleichungen - Elektromagnetische Wellen Der Maxwell'sche Verschiebungsstrom Die Maxwell'schen Gleichungen Die Wellengleichung für elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Strahlung 988 Zusammenfassung 999 Aufgaben ' Teil VI Optik 28 Eigenschaften des Lichts Die Lichtgeschwindigkeit Die Ausbreitung des Lichts Reflexion und Brechung *Herleitung des Reflexions- und des Brechungsgesetzes Polarisation Lichtspektren 1029 Zusammenfassung 1035 Aufgaben Geometrische Optik Spiegel Linsen Abbildungsfehler Optischeinstrumente 1067 Zusammenfassung 1078 Aufgaben Interferenz und Beugung Phasendifferenz und Kohärenz Interferenz an dünnen Schichten Interferenzmuster beim Doppelspalt Beugungsgitter Fraunhofer'sche und Fresnel'sche Beugung Beugungsmuster beim Einzelspalt * Vektoraddition harmonischer Wellen Beugung und Auflösung 1106 Zusammenfassung 1112 Aufgaben 1114

11 Inhaltsverzeichnis XXXI Teil VII Einsteins Relativitätstheorien 31 Die Relativitätstheorien Das Newton'sche Relativitätsprinzip Die Einstein'schen Postulate Die Lorentz-Transformation Uhrensynchronisation und Gleichzeitigkeit Die Geschwindigkeitstransformation *Der relativistische Impuls *Die relativistische Energie *Minkowski-Diagramme *Die allgemeine Relativitätstheorie 1149 Zusammenfassung 1154 Aufgaben 1156 Teil VIII Quantenmechanik 32 Einführung in die Quantenphysik Wellen und Teilchen Licht als Teilchen: Photonen Teilchen als Materiewellen Die Schrödinger-Gleichung Der Welle-Teilchen-Dualismus *Erwartungswerte und klassischer Grenzfall 1173 Zusammenfassung 1179 Aufgaben Anwendungen der Schrödinger-Gleichung Ein Teilchen im Kasten mit unendlich hohem Potenzial Ein Teilchen im Kasten mit endlich hohem Potenzial Der harmonische Oszillator Reflexion und Transmission von Elektronenwellen an Potenzialbarrieren *Die Schrödinger-Gleichung in drei Dimensionen Die Schrödinger-Gleichung für zwei identische Teilchen 1200 Zusammenfassung 1205 Aufgaben 1207

12 XXXII Inhaltsverzeichnis Teil IX Atome und Moleküle 34 Atome Das Atom und die Atomspektren Das Bohr'sche Modell des Wasserstoffatoms Quantentheorie der Atome Quantentheorie des Wasserstoffatoms *Spin-Bahn-Kopplung und Feinstruktur Das Periodensystem der Elemente Spektren im sichtbaren und im Röntgenbereich Laser 1237 Zusammenfassung 1244 Aufgaben Moleküle Die chemische Bindung *Mehratomige Moleküle *Energieniveaus und Spektren zweiatomiger Moleküle *Freiheitsgrade und der Gleichverteilungssatz 1266 Zusammenfassung 1270 Aufgaben 1272 Teil X Festkörperphysik 36 Festkörper Die Struktur von Festkörpern Kristallgitter Streuung an periodischen Strukturen 1282 Zusammenfassung 1285 Aufgaben Elektrische Eigenschaften von Festkörpern Eine mikroskopische Betrachtung der elektrischen Leitfähigkeit Freie Elektronen im Festkörper Die Quantentheorie der elektrischen Leitfähigkeit Das Bändermodell der Festkörper Halbleiter *Halbleiterübergangsschichten und Bauelemente *Supraleitung *Die Fermi-Dirac-Verteilung 1308 Zusammenfassung 1312 Aufgaben 1315

13 Inhaltsverzeichnis XXXIII Teil XI Kern- und Teilchenphysik 38 Kernphysik Eigenschaften der Kerne Radioaktivität Kernreaktionen Kernspaltung und Kernfusion Dosimetrie 1339 Zusammenfassung 1343 Aufgaben *Teilchenphysik *Hadronen und Leptonen * Spin und Antiteilchen *Erhaltungssätze *Quarks *Feldquanten *Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung *Das Standardmodell *Moderne Teilchenbeschleuniger und Detektoren 1363 Zusammenfassung 1374 Aufgaben 1376 Teil XII Anhänge 40 Tabellen Einheiten, Symbole und Umrechnungsfaktoren Wichtige physikalische Größen und Konstanten Die chemischen Elemente Mathematische Grundlagen Signifikante Stellen Gleichungen Direkte und umgekehrte Proportionalität Lineare Gleichungen Quadratische Gleichungen und Zerlegung in Linearfaktoren Potenzen und Logarithmen Geometrie Trigonometrie und Vektoren Die Binomialentwicklung Komplexe Zahlen Differenzialrechnung Integralrechnung 1417 Sachverzeichnis 1421

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