Physik für Hochschulanfänger

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1 Physik für Hochschulanfänger Von Prof. Dr. phil. nat. Horst Wegener Universität Erlangen-Nürnberg 3., durchgesehene Auflage Mit zahlreichen Abbildungen und Tabellen B.G.Teubner Stuttgart 1991

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort Zur Einführung: Materie und Symmetrien 1 Materie Antimaterie Materie Erzeugung und Vernichtung von Teilchenpaaren Antimaterie 5 Symmetriebetrachtungen Das Spiegel-Klapp-Theorem Raumspiegelung, Zeitumkehr, Ladungskonjugation Die Verletzung der P-Invarianz Das TCP-Theorem Sind die Naturgesetze CP-invariant? 14 II Mechanik, auch relativistische 16 3 Bewegung von Massenpunkten Orts- und Zeitangaben Drei Bewegungsbeispiele Geschwindigkeit und Beschleunigung 22 4 Einfügung über Vektorrechnung Vektoraddition ; Vektormultiplikation Einheitsvektoren Der Ortsvektor Kreisbewegung 34

3 VI INHALTSVERZEICHNIS 5 Bewegte Koordinatensysteme und Lichtgeschwindigkeit Inertialsysteme Ereigniskoordinaten Die Lichtgeschwindigkeit c Das Michelson-Morley-Experiment Das Experiment von Sadeh Lichtgeschwindigkeit und Relativitätsprinzip 47 6 Lorentztransformation Ableitung der Transformationsformeln Diskussion der Lorentztransformation 52 7 Das Grundgesetz der Mechanik Massenmessung Kraftmessung Kraft gleich Masse mal Beschleunigung Der reibungsfreie Wurf Wechselwirkungen 62 8 Methoden zur Integration der Bewegungsgleichung Das Federpendel Analytische Integration der Schwingungsgleichung Numerische Integration der Schwingungsgleichung Numerische Integration einer komplizierten Bewegungsgleichung Der Energieerhaltungssatz der Mechanik Arbeit Konservative Kräfte und Energieerhaltung Anwendungen des Energieerhaltungssatzes Der Impulserhaltungssatz Impulserhaltung als Folge von actio = reactio Anwendungen des Impulserhaltungssatzes Der Drehimpulserhaltungssatz Drehimpuls eines Massenpunktes und Drehmoment Drehimpuls von N Massenpunkten und Drehimpulserhaltung Drehbewegung starrer Körper 97

4 INHALTSVERZEICHNIS VII 11.4 Drehschemelversuche Kreisel Rotationsenergie Drehimpuls von Elementarteilchen (Spin) Relativistische Mechanik Newtonsche Mechanik als Grenzfall v/c < Impulserhaltung und relativistische Massenformel Energieerhaltung und Energie-Masse-Äquivalenz Lorentztransformation für Impuls und Energie Verknüpfung von Impuls- und Energieerhaltung. N Anwendungen der relativistischen Mechanik Elektrische und magnetische Größen Elektronenkanone und Grenzgeschwindigkeit Ablenkung bewegter Teilchen durch ein Magnetfeld Blasenkammeruntersuchungen Gravitation Das Newtonsche Gravitationsgesetz und die Keplerschen Gesetze Gravitationskonstante und Masse von Himmelskörpern Himmelsmechanik und Entwicklung des Universums Ableitung der Keplerschen Gesetze Beschleunigte Koordinatensysteme Der Einsteinsche Fahrstuhl Die Drehscheibe als Beispiel eines rotierenden Koordinatensystems Eigenschaften fester, flüssiger und gasförmiger Körper Aggregatzustände Dichte, Druck und Auftrieb Elastizität von Festkörpern Oberflächenspannung von Flüssigkeiten Zwei Beispiele zur Oberflächenspannung Innere Reibung in Flüssigkeiten und Gasen Drei Beispiele zur inneren Reibung 168 \

5 VIII INHALTSVERZEICHNIS, 17 Strömungen in Flüssigkeiten und Gasen Laminare und turbulente Strömungen Die Bernoulli-Gleichung Anwendungen der Bernoulli-Gleichung 176 III Thermodynamik und statistische Mechanik Temperatur, Wärme, Zustandsgieichung Temperaturmessung Wärmemenge und spezifische Wärme Zustandsgieichungen ' Der erste Hauptsatz der Wärmelehre Erster Hauptsatz und innere Energie U Adiabatische Zustandsänderungen Ein quantitativer Test Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre Der Carnotsche Kreisprozeß Reversible und irreversible Vorgänge Zweiter Hauptsatz und Temperatur Die Dampfdruckkurve Die Clausius-Clapeyron-Gleichung Phasendiagramme Kinetische Gastheorie Die Poissonsche Gleichung Das ideale Gasgesetz und die Boltzmannkonstante k Der Boltzmannfaktor e- E l kt Der Energiegleichverteilungssatz Die Maxwell-Verteilung 226 IV Elektromagnetismus Teilchen und Felder im Raum-Zeit-Kontinuum Massenpunkte und starre Körper 229

6 INHALTSVERZEICHNIS IX 22.2 Felder Ladungen, Ströme, Felder Elektrostatische und elektromagnetische Meßgeräte Ladung Stromstärke Ladungsdichte p und Stromdichte j Elektrische und magnetische Feldstärke Die Maxwellschen Gleichungen Zirkulation und Fluß von Vektorfeldern Die Aussagen der Maxwellschen Gleichungen.....N Elektrostatik Bestimmung elektrostatischer Felder Energie in elektrischen Feldern Leiter im elektrischen Feld Ohmsches Gesetz und Joulesche Wärme Stromlose Elektrostatik Der Faradaybecher Spannung Stromquellen Kondensatoren Magnetostatik Das 5-Feld um stromdurchflossenen geraden Draht Das ß-Feld einer langen Stromspule Das.B-Feld eines Stabmagneten Das magnetische Moment Magnetostatik und Elektrostatik Stromkreise und Leitungsmechanismen Das Ohmsche Gesetz Die Kirchhoffschen Regeln Einfache Schaltungen Leitungsmechanismen und Elementarladung 299

7 X INHALTSVERZEICHNIS 28.5 Elektrolytische Leitung Metallische Leitung Elektronische Halbleiter Das Faradaysche Induktionsgesetz Drahtschleife und Induktionsspannung Beispiele für Induktionsvorgänge Selbstinduktion und Energie im Magnetfeld Induktionsgesetz und Lorentzkraft Wechselstrom und Schwingungen, auch mechanische Komplexe Zahlen Wechselstrom : Wechselstromkreise Elektrische und mechanische Schwängungen Freie Schwingungen Erzwungene Schwingungen Elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Feldscheiben Linear polarisierte Wellen Zirkular polarisierte Wellen Der Hertzsche Dipol Experimente mit Hertzschen Wellen Materie im elektromagnetischen Feld Polarisation und Magnetisierung Suszeptibilitäten und Brechungsindex Supraleitung und Meißner-Ochsenfeld-Effekt 374 V Wellenoptik und Photonen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Das Huygenssche Prinzip Spaltbeugung Gitterbeugung Braggsche Reflexion 395

8 INHALTSVERZEICHNIS xi 33.5 Brechung und Totalreflexion Dispersion Dopplereffekt Polarisiertes Licht Linear polarisiertes Licht Zirkular und elliptisch polarisiertes Licht Doppelbrechung und optische Aktivität Polarisation und Drehimpuls Photonen Impuls elektromagnetischer Wellen und Strahlungsdrück Photoeffekt ' Photoneneigenschaften Comptoneffekt Hohlraumstrahlung 428 VI Atome und Atomkerne Materiewellen und Atomphysik Elektronenbeugung Die Wellenmechanik der Atomelektronen Der Franck-Hertz-Versuch Atomspektren Atomaufbau und Pauliprinzip Atomkern und Radioaktivität Kernkräfte Kernenergieniveaus Gammaspektroskopie Radioaktivität Betazerfall und Betaspektroskopie Positronen und Vernichtungsstrahlung Supernova 1987A und Neutrinos Rutherfordstreuung und Kernradien 462

9 XII INHALTSVERZEICHNIS VII Zum Ausklang: Elementarteilchen Jahre Elementarteilchenphysik Von den ehernen Urpartikeln zur Paarerzeugung Leptonen, Hadronen und Feldquanten Hadronen aus Quarks und Antiquarks Bottomoniumzustände und Quarkkräfte 483 Anhang: Maßeinheiten im Systeme International (SI) 488 Index 491

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