Harry Pfeifer, Herbert Schmiedel, Ralf Stannarius. Kompaktkurs Physik. mit virtuellen Experimenten und Übungsaufgaben. Teubner

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1 Harry Pfeifer, Herbert Schmiedel, Ralf Stannarius Kompaktkurs Physik mit virtuellen Experimenten und Übungsaufgaben Teubner B.G.Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

2 Inhaltsverzeichnis 1 Physikalische Größen und ihre Messung Physikalische Größen Das SI (Systeme International d'unites) Messfehler 4 2 Mechanik der Massenpunkte Eindimensionale Bewegungen Mehrdimensionale Bewegungen Der schiefe Wurf Die Kreisbewegung Kraft und Masse Die drei Newton'schen Axiome Schwere und träge Masse Das Pendel Impuls und Energie Der Impulssatz Der Energiesatz Raketenbewegung Der unelastische und der elastische Stoß Reibung Reibung auf einer Unterlage Reibung in einem Medium Gravitation Das Newton'sche Gravitationsgesetz Die Kepler-Gesetze Die kosmischen Geschwindigkeiten, die Gezeiten Trägheitskräfte 37 3 Mechanik der starren Körper Ruhende starre Körper Drehbewegungen.^ Punktmassen Starre Körper Der Kreisel 49 4 Mechanik der deformierbaren Körper Ruhende Fluide (Flüssigkeiten und Gase) Der Schweredruck inkompressibler Fluide (Flüssigkeiten) Der Schweredruck idealer Gase Oberflächen- und Grenzflächenspannung Oberflächenspannung 59

3 Inhaltsverzeichnis IX Grenzflächenspannung Strömungen Strömungen reibungsfreier Fluide Strömungen realer Fluide Deformation von Festkörpern 73 5 Schwingungen und Wellen Schwingungen Freie Schwingungen des linearen Oszillators Erzwungene Schwingungen des linearen Oszillators Überlagerung von Schwingungen Wellen Wellenausbreitung Stehende Wellen Der Doppler-Effekt Schallwellen (Akustik) Größen des Schallfeldes Die Lautstärke 95 6 Die Zustandsgieichung idealer Gase Ableitung der Zustandsgieichung, das Gleichverteilungsgesetz Spezialfälle der Zustandsgieichung, Wärmeausdehnung Die Boltzmann-Verteilung Wärmekapazitäten Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Der Carnot-Zyklus Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Die Entropie Definition und Eigenschaften der Entropie Die Entropie des idealen Gases Entropie und Wahrscheinlichkeit Entropie und Zeitumkehr Thermodynamische Potentiale und der dritte Hauptsatz der Thermodynamik Thermodynamische Potentiale Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik 134

4 X Inhaltsverzeichnis 12 Wärmeleitung und Diffusion Die Wärmeleitungsgleichungen Die Diffusionsgleichungen Wärmeleitung und Selbstdiffusion in Gasen Dämpfe und reale Gase Die Van-der-Waals-Gleichung, Virialentwicklung Der Joule-Thomson-Effekt Hygrometrie Koexistenz und Übergänge bei Aggregatzuständen Flüssigkeit und Dampf Festkörper und Flüssigkeit Festkörper, Flüssigkeit und Dampf Lösungen, osmotischer Druck Elektrische Gleichfelder (Elektrostatik) Elektrische Ladungen Elektrische Feldstärke, elektrisches Potential, elektrische Spannung Leiter im elektrischen Feld Kapazität, Energiedichte des elektrischen Feldes Elektrischer Dipol Dielektrika Elektrische Gleichströme Grundbegriffe, Ohm'sches Gesetz, Kirchhoff'sehe Regeln Anwendungen Elektrische Leistung Magnetfelder Das Biot-Savart-Gesetz und die Berechnung von Magnetfeldern.T Messung von Magnetfeldern, das magnetische Erdfeld Induktion Das Induktionsgesetz Die Lorentz-Kraft Selbstinduktion Magnetostatik Mechanismen der Elektrizitätsleitung Metalle Existenz und Beweglichkeit freier Elektronen in Metallen Abhängigkeit des Widerstands von äußeren Parametern 230

5 Inhaltsverzeichnis XI 19.2 Elektrolyte Grundlagen, die Faraday-Gesetze Die Leitfähigkeit von Elektrolyten Galvani-Zellen Freie Elektronen Gase Gasentladungen Plasma Elektrische Wechselströme und elektromagnetische Wellen Elektrische Wechselströme Grundlagen Elektrische Schwingkreise Nichtlineare Theorie elektrischer Schwingungen Der Transformator Elektromagnetische Wellen Die Maxwell-Gleichungen Die Entstehung elektromagnetischer Wellen Das elektromagnetische Spektrum, die Lichtgeschwindigkeit Die spezielle Relativitätstheorie Geometrische Optik Reflexion und Brechung Reflexion Brechung Atomistische Deutung der Dispersion Optische Instrumente Wellenoptik Kohärenz Interferenz Interferenz inkohärenter Strahlungsquellen Zwei- und dreidimensionale Gitter ^.1 Optische Gitter (zweidimensionale Gitter) Kristallgitter (dreidimensionale Gitter) Der Spalt Auflösungsvermögen optischer Geräte Spektrales Auflösungsvermögen Räumliches Auflösungsvermögen Das Huygens-Prinzip Holografie 366

6 XII Inhaltsverzeichnis 23 Polarisation des Lichtes Die Fresnel-Formeln Natürliche Doppelbrechung Zirkular und elliptisch polarisiertes Licht Künstliche Doppelbrechung Optische Aktivität Drehung der Polarisationsebene Nichtreziproke Bauelemente Klassische Interpretation der Verdet-Konstante und des Zeeman-Effektes Absorption und Streuung Absorption Streuung an isolierten Teilchen Streuung in kondensierter Materie Wärmestrahlung Grundbegriffe, Photometrie Strahlungsformeln Pyrometrie / Farben Welle-Teilchen-Dualismus Das Photon Eigenschaften des Photons Anwendungen Materiewellen Quantenmechanik Axiome der Quantenmechanik Kräftefreie Teilchen Teilchen im Kasten Der Tunneleffekt Atome, Moleküle und Festkörper >as Wasserstoffatom Die Schrödinger-Gleichung Diskussion der Lösungen Das Bohr'sche Atommodell und das Korrespondenzprinzip Der Drehimpuls der Elektronenbahnbewegung Der Eigendrehimpuls des Elektrons und der Atomkerne Atombau und Atomspektren Das Pauli-Verbot und der Bau der Atome Atomspektren Moleküle.. 480

7 Inhaltsverzeichnis XIII Heteropolare und homöopolare Bindung Molekülspektren Festkörper Das Bändermodell Boltzmann-, Böse- und Fermi-Statistik Elektronen und Defektelektronen Elektrizitätsleitung durch Grenzflächen Transistoren Der Atomkern Kernstruktur Radioaktivität Der a-zerfall Die /3-Zerfälle Die 7-Strahlung Strahlendosimetrie Kernreaktionen Kernspaltung Kernfusion Elementarteilchen Entdeckung neuer Teilchen Eigenschaften und Klassifikation der Elementarteilchen Übungsaufgaben und Lösungen (auf CD-ROM) Applets (auf CD-ROM und im Internet) Verweise ins Internet 579 A Anhang 580 A.l Konstanten der Experimentalphysik 580 A.2 Abgeleitete Einheiten des SI mit besonderen Namen 582 A.3 Definition von Einheiten, die nicht zum SI gehören 583 A.4 Periodisches System der Elemente 587 A.5 Elektronenkonfiguration der neutralen Atome im Grundzustand A.6 Einige mathematische Formeln 593 A.6.1 Vektoralgebra 593 A.6.2 Vektoranalysis 594 A.6.3 Bestimmte Integrale 595 A.6.4 Reihen und Ta3'lorentwicklungen 596 A.6.5 Winkelfunktionen 597 A.7 Literatur 598

8 XIV Inhaltsverzeichnis Sach- und Namenverzeichnis 601 Näherungswerte für physikalische Konstanten und Energieumrechungen 637