David Halliday Robert Resnick Jearl Walker University of Pittsburgh Rensselaer Polytechnic Institute Cleveland State University

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1 Physik David Halliday Robert Resnick Jearl Walker University of Pittsburgh Rensselaer Polytechnic Institute Cleveland State University Herausgeber der deutschen Übersetzung Stephan W. Koch Universität Marburg WILEY- VCH WILEY-VCH GmbH & Co. KGaA

2 ffin baltsver z e i c h n i s 1 Messung und Maßeinheiten 1-1 Dinge messen 1-2 Das internationale Einheitensystem Sl 1-3 Einheiten umwandeln 1-4 Länge 1-5 Zeit 1-6 Masse Zusammenfassung Aufgaben Geradlinige Bewegung Bewegung Ort und Verschiebung Durchschnittsgeschwindigkeit Momentangeschwindigkeit 18» 2-5 Beschleunigung Gleichmäßig beschleunigte Bewegung: Ein Sonderfall ' Ein weiterer Zugang zur gleichmäßig beschleunigten Bewegung 27» 2-8 DerfreieFall * 27^ Zusammenfassung 31 Fragen 32 Aufgaben 33 Vektoren 3-1 Vektoren und Skalare Geometrische Addition von Vektoren Komponenten von Vektoren Einheitsvektoren Vektoren komponentenweise addieren Vektoren und physikalische Gesetze Multiplikation von Vektoren 51.Zusammenfassung 55 Fragen 56 Aufgaben 57 Bewegung in zwei und drei Dimensionen ( 4-1 Bewegung in zwei oder drei Dimensionen 4-2 Ort und Verschiebung Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit 4-4 Durchschnittsbeschleunigung und Momentanbeschleunigung 4-5 Wurfbewegungen 4-6 Analyse der Wurfbewegung 4-7 Die gleichförmige Kreisbewegung 4-8 Relativbewegung in einer Dimension Relativbewegung in zwei Dimensionen. Zusammenfassung ragen Aufgaben 77 Kraft und Bewegung - I Wodurch wird Beschleunigung verursacht? Das erste newtonsche Gesetz Kraft Masse Das zweite newtonsche Gesetz Einige besondere Kräfte Das dritte newtonsche Gesetz Anwendung der newtonschen Gesetze Zusammenfassung....' 118 Fragen 119 Aufgaben 121

3 VIII Inhaltsverzeichnis Kraft und Bewegung - II 6-1 Reibung Eigenschaften der Reibung Strömungswiderstand und Endgeschwindigkeit Gleichförmige Kreisbewegung 137 Zusammenfassung 143 Fragen 144 Aufgaben Das zweite newtonsche Axiom für ein Teilchensystem Der Impuls eines Teilchens Der Impuls eines Teilchensystems Die Impulserhaltung Systeme mit veränderlicher Masse: Eine Rakete Äußere Kräfte und Änderungen der inneren Energie 236 Zusammenfassung 239 Fragen 240 Aufgaben 241 Kinetische Energie und Arbeit 7-1 Energie Arbeit Arbeit und kinetische Energie Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit Von einer Federkraft verrichtete Arbeit Von einer allgemeinen veränderlichen Kraft verrichtete Arbeit Leistung 170 Zusammenfassung 173 Fragen 174 Aufgaben 176 Potenzielle Energie und Energieerhaltung 8-1 Potenzielle Energie Wegunabhängigkeit von konservativen, Kräften ' Berechnung der potenziellen Energie Der Energieerhaltungssatz der Mechanik Grafische Darstellung der potenziellen Energie Von einer äußeren Kraft an einem System verrichtete Arbeit Energieerhaltung 200 Zusammenfassung 204 Fragen 205 Aufgaben 207 Stoßprozesse 10-1 Was ist ein Stoß? Kraftstoß und Impuls Impuls und kinetische Energie bei Stoßprozessen Inelastische, eindimensionale Stöße Elastische, eindimensionale Stöße Zweidimensionale Stöße 261 Zusammenfassung 263 Fragen 264 Aufgaben 266 Die Rotation 11-1 Translation und Rotation Rotationsvariable Sind Winkelgrößen Vektoren? Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung Beziehungen zwischen den Variablen für lineare Bewegung und Rotation Die kinetische Energie der Rotation Berechnung des Trägheitsmoments Das Drehmoment Das zweite newtonsche Axiom für die Rotation Arbeit und kinetische Energie der Rotation 293 Zusammenfassung 298 Fragen 299 Aufgaben 301 Systeme von Teilchen 9-1 Ein besonderer Punkt 9-2 Der Schwerpunkt Rollen, Drehmoment und Drehimpuls 12-1 Rollen Die kinetische Energie der 218 Rollbewegung 312

4 Inhaltsverzeichnis IX 12-3 Kräfte bei der Rollbewegung 12-4 Ein Jo-Jo 12-5 Eine erweiterte Definition des Drehmoments 12-6 Der Drehimpuls 12-7 Das zweite newtonsche Axiom in Winkelschreibweise 12-8 Der Drehimpuls eines Teilchensystems Der Drehimpuls eines rotierenden starren Körpers Die Erhaltung des Drehimpulses Zusammenfassung Fragen Aufgaben Gleichgewicht und Elastizität 13-1 Gleichgewicht 13-2 Bedingungen für das Gleichgewicht Das Gravitationszentrum 13-4 Beispiele für statische Gleichgewichte 13-5 Unterbestimmte Strukturen 13-6 Elastizität Zusammenfassung Fragen Aufgaben Gravitation 14-1 Die Gravitationskraft in unserem Kosmos Das newtonsche Gravitationsgesetz 14-3 Gravitation und das Superpositionsprinzip 14-4 Die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche 14-5 Die Gravitation innerhalb der Erde 14-6 Die potenzielle Energie der Gravitation Planeten und Satelliten: Die keplerschen Gesetze 14-8 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie Einstein und die Gravitation Zusammenfassung Fragen Aufgaben 7 Fluide 15-1 Fluide in unserer Umgebung Was ist ein Fluid? Schwingungen Harmonische Schwingungen Das Kraftgesetz der harmonischen 344 Schwingung' Die Energie der harmonischen Schwingung Das Torsionspendel Pendel Harmonische Schwingungen und die 357 gleichförmige Kreisbewegung Gedämpfte harmonische 362 Schwingungen Erzwungene Schwingungen und Resonanz 451 Zusammenfassung Fragen! 455 Aufgaben Dichte und Druck Ruhende Fluide Druckmessung " Das pasca(sche Prinzip Das archimedische Prinzip Ideale Fluide in Bewegung Die Kontinuitätsgleichung Die Bernoulli-Gleichung 418 Zusammenfassung 422 Fragen 423 Aufgaben 424 Schwingungen Wellen " Wellen und Teilchen Wellenarten Transversale und longitudinale Wellen Wellenlänge und Frequenz v Die Geschwindigkeit einer fortlaufenden Welle Die Wellengeschwindigkeit für ein gespanntes Seil Energie und Leistung einer fortlaufenden Seilwelle Das Superpositionsprinzip für Wellen Die Interferenz von Wellen Darstellung einer Welle durch einen Vektor Stehende Wellen Stehende Wellen und Resonanz 485 Zusammenfassung Fragen Aufgaben 490

5 r Wellen - II Inhaltsverzeichnis 18-1 Schallwellen Die Schallgeschwindigkeit Ausbreitung von Schallwellen Interferenz Schallintensität und Schallpegel Musikalische Töne Schwebungen Der Doppler-Effekt Überschallgeschwindigkeiten und Schockwellen 517 Zusammenfassung 518 Fragen 519 Aufgaben Die Verteilungsfunktion der Molekülgeschwindigkeiten Die molaren spezifischen Wärmen idealer Gase Thermodynamische Freiheitsgrade und molare spezifische Wärmen Die Quantenmechanik macht sich bemerkbar Adiabatische Ausdehnung eines idealen Gases 585 Zusammenfassung 589 Fragen 590 Aufgaben 592. Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 19-1 Thermodynamik Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik, Temperaturmessung Die Celsius-und die Fahrenheit-Skalen Wärmeausdehnung Temperatur und Wärme Die Wärmeaufnahme bei Festkörpern und Flüssigkeiten Wärme und Arbeit: Eine ausführlichere Betrachtung Der erste Hauptsatz der Thermodynamik _.\ Einige Beispiele für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik Möglichkeiten der Wärmeübertragung Zusammenfassung :<. 552 Fragen 554 Aufgaben _ Gerichtete Prozesse Entropieänderungen Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Die Entropie in Aktion: Maschinen Die Entropie in Aktion: Kältemaschinen Die Wirkungsgrade realer Maschinen Eine statistische Interpretation der Entropie 612 Zusammenfassung 616 Fragen 618 Aufgaben 619 Elektrische Ladung 22-1 Elektromagnetismus Elektrische Ladung Leiter und Isolatoren Das coulombsche Gesetz Die elektrische Ladung st quantisiert Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgröße 637 Zusammenfassung 638 Fragen 638 Aufgaben 640 Die kinetische Gastheorie 20-1 Gase unter einem neuen Blickwinkel Die Avogadro-Zahl IdealeGase.'., Druck, Temperatur und mittlere Geschwindigkeit Die kinetische Translationsenergie Die mittlere freie Weglänge 572 Elektrische Felder 23-1 Ladungen und Kräfte - genauer betrachtet Das elektrische Feld Elektrische Feldlinien 645

6 Inhaltsverzeichnis [XI 23-4 Das elektrische Feld einer Punktladung Das Feld eines elektrischen Dipols Das elektrische Feld einer linearen Ladungsverteilung Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe.: Verhalten einer Punktladung in einem elektrischen Feld Verhalten eines Dipols in einem elektrischen Feld 659 Zusammenfassung 662 Fragen 663 Aufgaben 664 Der gaußsche Satz 24-1 Das coulombsche Gesetz in neuem Licht Fluss Fluss eines elektrischen Felds Der gaußsche Satz Gaußscher Satz und coulombsches Gesetz Eigenschaften eines geladenen,.' isolierten Leiters Anwendung des gaußschen Satzes: Zylindersymmetrie Anwendung des gaußschen Satzes: Ebene Symmetrie Anwendung des gaußschen Satzes: Kugelsymmetrie 686 Zusammenfassung 688 Fragen 688' Aufgaben 689 Elektrisches Potenzial. ' 25-1 Elektrische potenzielle Energie Elektrisches Potenzial Äquipotenzialf lachen Berechnung des Potenzials aus dem Feld Potenzial einer Punktladung Potenzial einer Gruppe von Punktladungen Potenzial eines elektrischen Dipols Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung Berechnung des elektrischen Felds aus dem elektrischen Potenzial Elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen Potenzial eines geladenen, isolierten leitenden Körpers 713 Zusammenfassung 715 Fragen 716 Aufgaben 717 Kapazität 26-1 Kondensatoren und ihre Anwendungen Kapazität Berechnung der Kapazität Parallelschaltungen und Reihenschaltungen von Kondensatoren In einem elektrischen Feld gespeicherte Energie Kondensator mit Dielektrikum Dielektrika - auf atomarem Niveau betrachtet Dielektrika und gaußscher Satz 741 Zusammenfassung 745 Fragen 746 Aufgaben 747 Elektrischer Strom und Widerstand 27-1 Ladung in Bewegung: Elektrische Ströme Elektrischer Strom Stromdichte Widerstand und spezifischer ^ Widerstand Ohmsches Gesetz Das ohmsche Gesetz - mikroskopisch betrachtet Elektrische Leistung in Stromkreisen Halbleiter Supraleiter 769 Zusammenfassung 770 Fragen 771 Aufgaben 772 Stromkreise 28-1 Pumpen" von Ladung 28-2 Arbeit, Energie und Spannung

7 XII Inhaltsverzeichnis 28-3 Berechnung des Stroms in einem unverzweigten Stromkreis Weitere unverzweigte Stromkreise Potenzialdifferenzen Verzweigte Stromkreise Amperemeter und Voltmeter RC-Kreise 795 Zusammenfassung 799 Fragen 800 Aufgaben Induzierte elektrische Felder Induktivität Selbstinduktion RL-Glieder, Energiespeicherung im Magnetfeld Die Energiedichte eines Magnetfelds Gegeninduktion 890 Zusammenfassung 893 Fragen 894 Aufgaben 896 Magnetfelder 29-1 Das Magnetfeld Definition von B Gekreuzte Felder: Die Entdeckung des Elektrons Gekreuzte Felder: Der Hall-Effekt Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn Zyklotron und Synchrotron Magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht Drehmoment auf eine stromdurchflossene Drahtschleife Magnetisches Dipolmoment 829 Zusammenfassung 831 Fragen ' Aufgaben 833 Magnetismus und Materie: Die maxwellschen Gleichungen 32-1 Magnete Der gaußsche Satz für Magnetfelder Der Erdmagnetismus Der Magnetismus von Elektronen Magnetische Materialien Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Induzierte magnetische Felder Der Verschiebungsstrom Die maxwellschen Gleichungen 922 Zusammenfassung 923 Fragen 924 Aufgaben 925 Magnetfelder aufgrund von Strömen 30-1 Das Magnetfeld eines Stroms Die Kraft zwischen parallelen Strömen Das amperesche Gesetz Zylinder-und Ringspulen Eine stromführende Spule als magnetischer Dipol 854 Zusammenfassung 856 Fragen 857 Aufgaben 858 Induktion und Induktivität 31-1 Zwei symmetrische Situationen Zwei Experimente Das faradaysche Induktionsgesetz Die lenzsche Regel Induktion und Energietransfer 873 Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom 33-1 Neue Physik - alte Mathematik LC-Schwingungen: Eine qualitative Diskussion Die Analogie: Elektrischer und rfiechanischer Schwingkreis LC-Schwingungen: Eine quantitative Diskussion Gedämpfte Schwingungen in einem RLC-Kreis Wechselstrom Erzwungene Schwingungen Drei einfache Stromkreise Der in Reihe geschaltete RLC-Kreis Die Leistung in Wechselstromkreisen Transformatoren 955 Zusammenfassung 959 Fragen 960 Aufgaben 961

8 Inhaltsverzeichnis XIII Elektromagnetische Wellen 34-1 Maxwells Regenbogen Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen: Qualitative Betrachtung Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen: Quantitative Betrachtung Energietransport und Poynting-Vektor Der Strahlungsdruck Polarisation Reflexion und Brechung Innere Totalreflexion Polarisation durch Reflexion 991 Zusammenfassung 992 Fragen 993 Aufgaben Beugung am Einzelspalt: Lokalisierung der Minima Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt - qualitative Betrachtung Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt - quantitative Betrachtung Beugung an einer kreisrunden Öffnung Beugung am Doppelspalt Beugungsgitter Beugungsgitter: Dispersion und Auflösungsvermögen Röntgenbeugung 1084 Zusammenfassung 1086 Fragen 1087 Aufgaben 1088 Relativitätstheorie Abbildungen 35-1 Zwei Arten von Bildern EbeneSpiegel Kugelspiegel Abbildungen an Kugelspiegeln Sphärische brechende Flächen Dünne Linsen Optische Instrumente Drei Herleitungen 1021 Zusammenfassung 1023 Fragen 1024 Aufgaben 1026 Interferenz 36-1 Interferenz Licht als Welle Beugung Der Doppelspaltversuch von Young Kohärenz Intensitäten bei der Interferenz am Doppelspalt Interferenz an dünnen Schichten Das Michelson-Interferometer 1052 Zusammenfassung 1053 Fragen 1054 Aufgaben 1055 Beugung 37-1 Beugung und die Wellentheorie des Lichts Womit beschäftigt sich die Relativitätstheorie? Die Postulate Messung von Ereignissen Die Relativität der Gleichzeitigkeit Die Relativität der Zeit Die Relativität der Länge Die Lorentz-Transformation Einige Folgen aus den Lorentz-Gleichungen Die Relativität der Geschwindigkeiten Der Doppler-Effekt für Lichtwellen Der relativistische Impuls Die relativistische Energie 1119 Zusammenfassung 1125 Fragen 1126 Aufgaben 1127 Photonen und Materiefelder 39-1 Eine neue Welt Das Photon: Teilchen des Lichts Der photoelektrische Effekt Photonen haben einen Impuls Licht als Wahrscheinlichkeitswelle Elektronen und Materiewellen Die Schrödinger-Gleichung Die heisenbergsche Unschärferelation Der Tunneleffekt 1152 Zusammenfassung 1155 Fragen 1155 Aufgaben 1157

9 XIV Inhaltsverzeichnis Mehr über Materiewellen 40-1 Der Aufbau der Atome Wellen auf einem Seil und - Materiewellen Die Energie eines Elektrons in einer Elektronenfalle Die Wellenfunktionen eines Elektrons in einem Kastenpotenzial Ein Elektron in einem endlichen Kastenpotenzial Weitere Elektronenfallen Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen Das Wasserstoffatom 1180 Zusammenfassung 1189 Fragen 1190 Aufgaben 1191 Atome 41-1 Unser atomares Weltbild Einige Eigenschaften von Atomen Der Spin des Elektrons Drehimpulse und magnetische Dipolmomente Das Stern-Gerlach-Experiment Kernspinresonanz Das Pauli-Prinzip Mehrere Elektronen in kastenförmigen Potenzialtöpfen Der Aufbau des Periodensystems Röntgenstrahlen und die Ordnungszahl der Elemente Laser und Laserlicht Die Funktionsweise eines Lasers 1217 Zusammenfassung 1221 Fragen 1222 Aufgaben Halbleiter Dotierte Halbleiter Derpn-Übergang Der Halbleiter-Gleichrichter Die Lumineszenzdiode (LED) Der Transistor 1248 Zusammenfassung 1250 Fragen 1251 Aufgaben 1252 Kernphysik 43-1 Die Entdeckung des Atomkerns Einige Eigenschaften von Atomkernen Radioaktiver Zerfall Der Alpha-Zerfall Der Beta-Zerfall Radiometrische Zeitmessung Maße für Strahlungsdosen Kernmodelle 1278 Zusammenfassung 1281 Fragen 1282 Aufgaben 1283 Kernenergie 44-1 Das Atom und sein Kern Kernspaltung: Der grundlegende Prozess Ein Modell der Kernspaltung Der Kernreaktor Ein natürlicher Kernreaktor Thermonukleare Fusion: Der grundlegende Prozess Thermonukleare Fusion in der Sonne _ und anderen Sternen Kontrollierte thermonukleare Fusion Zusammenfassung 1312 Fragen 1313 Aufgaben 1314 Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern 42-1 Festkörper Die elektrischen Eigenschaften von Festkörpern Die Energieniveaus in einem kristallinen Festkörper Nichtleiter Metalle 1233 Quarks, Leptonen und der Urknall 45-1 Die Physik am Rande der Erkenntnisse Teilchen, Teilchen und nochmals Teilchen Ein typischer Teilchenprozess Leptonen 1327

10 Inhaltsverzeichnis XV 45-5 Hadronen Noch ein Erhaltungssatz Der Achtfache Weg Das Quark-Modell Die fundamentalen Kräfte und die Vermittlerteilchen Der Teil und das Ganze Das Universum dehnt sich aus Die kosmische Hintergrundstrahlung Dunkle Materie Der Urknall Ein Rückblick 1343 Zusammenfassung 1343 Fragen 1344 Aufgaben 1345 A Das Internationale Einheitensystem (Sl) 1352 B Wichtige physikalische Fundamentalkonstanten 1354 C Astronomische Daten 1355 D Umrechnungsfaktoren 1356 E Mathematische Formeln 1358 F Eigenschaften der Elemente 1361 G Periodensystem der Elemente 1364 H Lösungen zu Kontrollfragen, Fragen und Aufgaben mit ungerader Nummer 1365 I Index 1375 J Bildquellenverzeichnis 1386 Begleitmaterial 1389

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