William E. Dibble. Anschauliche Physik. Für Studierende der Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften und Medizin sowie zum Selbststudium

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1 Jae R. Ballif William E. Dibble Anschauliche Physik Für Studierende der Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften und Medizin sowie zum Selbststudium Ins Deutsche übertragen von Martin Lambeck 2., durchgesehene und verbesserte Auflage Walter de Grupter 1987

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort des Übersetzers... Naturkonstanten Kapitel Das erste Bewegungsgesetz und das spezielle Relativitätsprinzip... Größen und Messungen... Die Einheit und der Standard der Länge... Die Einheit und der Standard der Zeitdauer... Zählen und Messen: Das Diskrete und das Stetige... Abgeleitete Größen... Geschwindigkeitsbetrag und Geschwindigkeit... Das erste Bewegungsgesetz... Formulierung des ersten Bewegungsgesetzes... Reibung... Beispiele zum ersten Bewegungsgesetz... Galileis Beweisführung... Das spezielle Relativitätsprinzip... Bezugssysteme... Das spezielle Relativitätsprinzip... Die Bewegung der Erde... Weitere Symmetrieprinzipien... Symmetrie... Die Symmetrie der Lage... Die Symmetrie der Richtung... Die Symmetrie der Zeit... Die Symmetrie der Zeitumkehr... Die Spiegelsymmetrie... Die neue Astronomie... Der Konflikt mit der Theologie... Der Konflikt mit der Autorität... Die Umrechnung von Einheiten... Gleichförmige Bewegung... Relativ bewegung... Aufgaben Kapitel Das zweite Bewegungsgesetz... Beschleunigung... Masse... Ein Standard und die Einheit der Masse... Die Messung der Masse... Die Erhaltung der Masse... Kraft... Das zweite Bewegungsgesetz... V XIV

3 VIII Inhaltsverzeichnis Vektoren Vektoren und Skalare Entfernung und Verschiebung (Weg) Die Addition von Vektoren Die resultierende Kraft und das zweite Bewegungsgesetz Weitere Vektoroperationen Vektorkomponenten Das zweite Bewegungsgesetz Aufgaben mit Vektoroperationen Aufgaben Kapitel Das dritte Bewegungsgesetz Wechselwirkungen Das dritte Bewegungsgesetz Impuls Die Erhaltung des Impulses Die Impulserhaltung und die Bewegungsgesetze Berechnung des Impulses Erhaltung des Impulses Aufgaben Kapitel Gravitationswechselwirkung Das Gravitationsgesetz Die Gravitationskonstante G Das Gewicht Gibt es zwei Arten der Masse oder nur eine? Das Gravitationsgesetz und das..weltsystem" Die gleichförmige Kreisbewegung Das Planetenmodell Künstliche Satelliten und Gewichtslosigkeit Das Newtonsche Modell Rotation Drehimpuls Spin und Bahndrehimpuls Drehmoment Beispiele für die Erhaltung des Drehimpulses Pseudovektoren und Spiegelungen Die Philosophie der experimentellen Wissenschaft Die Wirkung der Newtonschen Synthese Newtons..Regeln zur Erforschung der Natur" Newton Aufgaben

4 Inhaltsverzeichnis 5. Kapitel Weitere Anwendungen der Bewegungs- und Kraftgesetze... Kräfte auf Objekte... Die für die Bewegung verantwortliche resultierende Kraft... Gleichgewicht... Das Paradoxon vom Elch und dem Baumstamm... Kräfte in Flüssigkeiten... Flüssigkeiten in Ruhe... Der Druck in bewegten Flüssigkeiten... Die Beziehung zwischen dem Weg. der Geschwindigkeit und der Zeit für bewegte Objekte... Bewegung bei fehlender Kraft... Geradlinige Bewegung unter dem Einfluß einer konstanten Kraft.... Wurfbewegung unter konstanter Kraft... Bewegung unter dem Einfluß veränderlicher Kräfte... Ermittlung der resultierenden Kraft... Drücke und Kräfte in Flüssigkeiten... Konstante Beschleunigung... Aufgaben mit Bahnberechnungen... Aufgaben Kapitel Die Erhaltung der Energie... Die Erhaltung der Energie... Die potentielle Energie im Schwerefeld... Kinetische Energie... Die Einheit der Energie... Die Gesamtenergie... Ableitung der Energieformen und der Erhaltung... Die innere Energie... Umwandlungen der Energie... Der Wärmefluß... Arbeit... Arbeit von Kräften. die nicht in der Richtung der Bewegung wirken... Leistung... Anwendungen... Bindungsenergie... Das Perpetuum mobile... Einfache Maschinen - der Hebel... Aufgaben Kapitel Die Ordnung und Unordnung der Moleküle... Die kinetische Theorie der Materie... Moleküle und Atome... Festkörper. Flüssigkeiten und Gase... IX

5 X Inhaltsverzeichnis Die Beschreibung der Gase durch das Bild bewegter Moleküle... Verdampfen und Schmelzen... Beweise für die kinetische Theorie... Das Gesetz der Entropiezunahme... Zeitlich umkehrbare Prozesse... Zeitlich nicht umkehrbare Prozesse... Entropie als Unordnung... Entropie als Wahrscheinlichkeit... Das Perpetuum mobile zweiter Art... Die freie Energie und der Wärmetod... Entropie als Mangel an Information... Definition der Entropie-Änderungen durch Wärme und Temperatur... Der Carnot-Prozeß und die Definition der Temperatur... Fragen und Aufgaben Kapitel Elektrische Ladungen und Felder... Elektrizität... Die elektrische Ladung... Zwei Elementarteilchen... Die Erhaltung der Ladung... Die Einheit der Ladung... Das Gesetz der elektrischen Kraft für ruhende Ladungen... Elektrische Ströme... Der Begriff des Feldes... Gravitationsfelder... Das elektrische Feld... Die potentielle elektrische Energie... Das Ohmsche Gesetz und die elektrische Arbeit... Illustration einiger Wirkungen der elektrischen Kräfte und Felder... Das Elektroskop... Die Ladung des Elektrons... Die elektrischen Verhältnisse in Leitern... Der Van de Graaff Generator... Magnetische Kräfte und Felder... Das magnetische Feld in der Umgebung von Magneten und Strömen... Die magnetische Kraft auf bewegte Ladungen... Anwendungen der magnetischen Kräfte... Richtungen und Größen der magnetischen Kräfte und Felder... Induzierte elektrische Ströme... Das Induktionsgesetz... Der elektrische Generator... Die Richtung der induzierten Ströme... Die elektromagnetische Wechselwirkung Kapitel Wellen... Beschreibung der Wellen... Eigenschaften der Weilen... Arten von Wellen... Wellen - Erscheinungen

6 Inhaltsverzeichnis XI Schallwellen Die Natur des Schalls Interferenz von Schallwellen Der Doppler-Effekt Licht als Welle Die Lichtgeschwindigkeit Interferenz und Beugung des Lichtes Das Auflösungsvermögen des Mikroskops Polarisation Licht als elektromagnetische Welle Elektromagnetische Wellen Die Energie in einer elektromagnetischen Welle Der Äther Fragen und Aufgaben Kapitel Moderne Relativität... Einsteins spezielle Relativitätstheorie... Der Äther und das Feld... Die zwei Postulate Einsteins... Einige Konsequenzen der beiden Einsteinschen Postulate... Weitere Folgen der Einsteinschen speziellen Relativitätstheorie... Die allgemeine Relativitätstheorie... Das allgemeine Prinzip der Relativität... Das Äquivalenzprinzip... Der gekrümmte Raum... Einsteins allgemeine Relativitätstheorie... Experimentelle Beweise für die allgemeine Relativitätstheorie... Das Machsche Prinzip... Aufgaben Kapitel Quantenphysik Lichtteiichen Die Plancksche Konstante Der Photoelektrische Effekt Der Compton-Effekt Wellen des Feldes als Teilchen: Photonen Materiewellen Das Bohrsche Atommodell De Broglie Wellen Das Materie-Feld Die Bedeutung der Quantenphysik Der unbeobachtete Zustand Die Kopenhagener Deutung der Quantenphysik Die Unschärferelation Die Unschärferelation und die Energie Die Information und die Plancksche Konstante

7 XI1 Inhaltsverzeichnis Die Nullpunktsenergie eines Oszillators Das gefangene Elektron Eine Veranschaulichung der Unschärferelation Messungen in der Quantenphysik und die Symmetrie der Zeitumkehr Die philosophische Haltung der modernen Physik Der Laser: Eine Anwendung der Quantenphysik Aufgaben Kapitel Die Kernkräfte Radioaktivität Wahrscheinlichkeit Die Entdeckung des Kerns Teilchendetektoren Die Kernstruktur Die starke Wechselwirkung Nukleare Bindungsenergien Die Freisetzung der Kernenergie Kernspaltung: die Atombombe Kernspaltung: der Kernreaktor Fusion (Verschmelzung) Antimaterie Die Entdeckung der Antimaterie Die Vernichtung von Materie (Annihilation) Teilchen-Antiteilchen Symmetrie Die schwache Wechselwirkung Das Neutrino Die Elektronen- und Myonen-Familienzahlen Verletzung der Spiegelsymmetrie und der Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie Weitere Behandlung der starken Wechselwirkung Erhalt 1: ng der Baryo nen-fam ilienzahl Alpha-Emission Anwendungen: Radioaktive Zeitbestimmung Datierung durch Spaltspuren Radiokohlenstoff-Dat ierung Aufgaben Kapitel Das moderne Weltbild der Physik Der Mikrokosmos Die Elementarteilchen Elementare Wechselwirkungen Naturkonstanten SIC Physik: Tabus Das Raum-Zeit Kontinuum

8 Inhaltsverzeichnis Leben. Geist. Information; Chemie... Atome kombinieren zu Molekülen: Chemie... Struktur: DNA und RNA... Mutation... Gedächtnis... Der Makrokosmos... Teilchen im Raum... Objekte im Raum... Die Philosophie und Methodologie der Wissenschaft Kapitel Anhang... Einheitensysteme... Einige mathematische Begriffe... Signifikante Zahlen... Die wissenschaftliche Schreibweise der Zahlen... Die Proportionalität... Der Satz des Pythagoras... Ähnliche Dreiecke... Die mathematische Ableitung der Formeln der speziellen Relativitätstheorie... Die Lorentz-Transformation... Die Transformation der Geschwindigkeiten... Die Formel für die Zunahme der Masse mit der Geschwindigkeit... Die relativistische Energie... Das Raum-Zeit-Kontinuum... Die Hoffnung der Pythagoräer... Ein Paradoxon des Zeno... Die Momentangeschwindigkeit : Die Differentialrechnung... Die Integralrechnung... Fragen im Zusammenhang mit dem Kontinuum... Die gegenwärtige Ansicht über das Kontinuum... Zusammenstellung der zitierten deutschen Literatur... Hinweise auf weiterfuhrende Literatur... Register... XI