Inhaltsverzeichnis Mechanik Schwingungen und Wellen Thermodynamik

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1 1-15 Mechanik Schwingungen und Wellen Thermodynamik Elektrostatik und Elektrodynamik Optik Jenseits der klassischen Physik 1 Messung und Maßeinheiten 1-1 Dinge messen Das internationale Einheitensystem SI Einheiten umwandeln Länge Zeit Masse... 9 Zusammenfassung Geradlinige Bewegung 2-1 Bewegung Ort und Verschiebung Durchschnittsgeschwindigkeit Momentangeschwindigkeit Beschleunigung Gleichmäßig beschleunigte Bewegung: Ein Sonderfall Ein weiterer Zugang zur gleichmäßig beschleunigten Bewegung Der freie Fall Zusammenfassung Vektoren 3-1 Vektoren und Skalare Geometrische Addition von Vektoren Komponenten von Vektoren Einheitsvektoren Vektoren komponentenweise addieren Vektoren und physikalische Gesetze Multiplikation von Vektoren Felder Partielle Ableitungen Der Gradient Die Divergenz Die Rotation Zweite Ableitungen Komplexe Zahlen und Funktionen Zusammenfassung Bewegung in zwei und drei Dimensionen 4-1 Bewegung in zwei oder drei Dimensionen Ort und Verschiebung Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit Durchschnittsbeschleunigung und Momentanbeschleunigung Wurfbewegungen Analyse der Wurfbewegung Die gleichförmige Kreisbewegung Relativbewegung in einer Dimension Relativbewegung in zwei Dimensionen Zusammenfassung Die Newtonschen Gesetze der Mechanik 5-1 Wodurch wird Beschleunigung verursacht? Das erste Newtonsche Gesetz Kraft Masse Das zweite Newtonsche Gesetz Einige besondere Kräfte... 92

2 X 5-7 Das dritte Newtonsche Gesetz Anwendung der Newtonschen Gesetze Zusammenfassung Kraft und Bewegung 6-1 Reibung Eigenschaften der Reibung Strömungswiderstand und Endgeschwindigkeit Gleichförmige Kreisbewegung Zusammenfassung 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 Zusammenfassung 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 An einem System verrichtete Arbeit Energieerhaltung Zusammenfassung Systeme von Teilchen 9-1 Ein besonderer Punkt Der Schwerpunkt 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 Zusammenfassung Stoßprozesse 10-1 Was ist ein Stoß? Kraftstoß und Impuls Impuls und kinetische Energie bei Stoßprozessen Inelastische eindimensionale Stöße Elastische eindimensionale Stöße Zweidimensionale Stöße Zusammenfassung 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 Zusammenfassung Rollen, Drehmoment und Drehimpuls 12-1 Rollen Die kinetische Energie der Rollbewegung Kräfte bei der Rollbewegung Ein Jo-Jo Eine erweiterte Definition des Drehmoments Der Drehimpuls

3 12-7 Das zweite Newtonsche Axiom in Winkelschreibweise Der Drehimpuls eines Teilchensystems Der Drehimpuls eines rotierenden starren Körpers Die Erhaltung des Drehimpulses Zusammenfassung Gleichgewicht und Elastizität 13-1 Gleichgewicht Bedingungen für das Gleichgewicht Das Gravitationszentrum Beispiele für statische Gleichgewichte Unterbestimmte Strukturen Elastizität Zusammenfassung Gravitation 14-1 Die Gravitationskraft in unserem Kosmos Das Newtonsche Gravitationsgesetz Gravitation und das Superpositionsprinzip Die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche Die Gravitation innerhalb der Erde Die potenzielle Energie der Gravitation Planeten und Satelliten: Die Keplerschen Gesetze Satelliten: Umlaufbahnen und Energie Zusammenfassung Fluide 15-1 Was ist ein Fluid? Dichte Druck Ruhende Fluide Druckmessung Das Pascalsche Prinzip Das Archimedische Prinzip Ideale Fluide in Bewegung Die Kontinuitätsgleichung Die Bernoulli-Gleichung Zusammenfassung Schwingungen XI 16-1 Schwingungen Harmonische Schwingungen Das Kraftgesetz der harmonischen Schwingung Die Energie der harmonischen Schwingung Das Torsionspendel Pendel Harmonische Schwingungen und die gleichförmige Kreisbewegung Gedämpfte harmonische Schwingungen Erzwungene Schwingungen und Resonanz Das Foucaultsche Pendel Zusammenfassung Wellen 17-1 Wellen und Teilchen Wellenarten Transversale und longitudinale Wellen Wellenlänge und Frequenz 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 Zusammenfassung Schallwellen 18-1 Schallwellen Die Schallgeschwindigkeit Ausbreitung von Schallwellen Interferenz Schallintensität und Schallpegel Musikalische Töne Schwebungen Der Doppler-Effekt

4 XII 18-9 Überschallgeschwindigkeiten und Schockwellen Zusammenfassung Elektrische Ladung 19 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 Zusammenfassung Die kinetische Gastheorie 20-1 Gase unter einem neuen Blickwinkel Die Avogadro-Zahl Ideale Gase Druck, Temperatur und mittlere Geschwindigkeit Die kinetische Translationsenergie Die mittlere freie Weglänge Die Verteilungsfunktion der Molekülgeschwindigkeiten Die molaren spezifischen Wärmen idealer Gase Zusammenfassung Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 21-1 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 Zusammenfassung Elektromagnetismus Elektrische Ladung Leiter und Isolatoren Das Coulombsche Gesetz Zusammenfassung Elektrische Felder 23-1 Ladungen und Kräfte - genauer betrachtet Das elektrische Feld Elektrische Feldlinien 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 Zusammenfassung 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 Zusammenfassung Elektrisches Potenzial 25-1 Elektrische potenzielle Energie Elektrisches Potenzial Äquipotenzialflächen Berechnung des Potenzials aus dem Feld Potenzial einer Punktladung

5 25-6 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 Zusammenfassung Kapazität 26-1 Kondensatoren und ihre Anwendungen Kapazität Berechnung der Kapazität Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren Zusammenfassung 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 Zusammenfassung Stromkreise 28-1 Pumpen von Ladung Arbeit, Energie und Spannung Der einfache Stromkreis Widerstände im einfachen Stromkreis Potenzialdifferenzen Verzweigte Stromkreise Amperemeter und Voltmeter Stromkreise mit Kondensator Zusammenfassung Magnetfelder XIII 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 Zusammenfassung Magnetfelder aufgrund von Strömen 30-1 Das Magnetfeld eines Stroms Die Kraft zwischen parallelen Strömen Das Ampèresche Gesetz Zusammenfassung Induktion und Induktivität 31-1 Zwei symmetrische Situationen Zwei Experimente Das Faradaysche Induktionsgesetz Die Lenzsche Regel Induktion und Energietransfer Induzierte elektrische Felder Induktivität Selbstinduktion Zusammenfassung Magnetismus und Materie 32-1 Magnete Der Gaußsche Satz für Magnetfelder Der Erdmagnetismus Der Magnetismus von Elektronen

6 XIV 32-5 Magnetische Materialien Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Induzierte magnetische Felder Der Verschiebungsstrom Zusammenfassung Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom 33-1 Neue Physik - alte Mathematik LC-Schwingungen: Eine qualitative Diskussion Die Analogie: Elektrischer und mechanischer 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 Zusammenfassung Die Maxwell-Gleichungen 34-1 Maxwells Regenbogen Die Maxwell-Gleichungen Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen Energietransport und Poynting-Vektor Der Strahlungsdruck Polarisation Reflexion und Brechung Innere Totalreflexion Polarisation durch Reflexion Zusammenfassung Abbildungen 35-1 Zwei Arten von Bildern Ebene Spiegel Kugelspiegel Abbildungen an Kugelspiegeln Sphärische brechende Flächen Zusammenfassung 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 Zusammenfassung Beugung 37-1 Beugung und die Wellentheorie des Lichts 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 Zusammenfassung Relativitätstheorie 38-1 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 Zusammenfassung

7 39 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 Das Plancksche Strahlungsgesetz Zusammenfassung Mehr über Materiewellen 40-1 Der Aufbau der Atome Wellen auf einem Seil und Materiewellen Die eindimensionale Elektronenfalle Das Elektron im Kastenpotenzial Das Elektron im endlichen Kastenpotenzial Realisierung von Elektronenfallen Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen Das Bohrsche Modell des Wasserstoffatoms Zusammenfassung Atome und Radioaktivität 41-1 Einige Eigenschaften von Atomen Der Spin des Elektrons Drehimpulse und magnetische Dipolmomente XV 41-4 Das Stern-Gerlach-Experiment Kernspinresonanz Die Entdeckung des Atomkerns Einige Eigenschaften von Atomkernen Radioaktiver Zerfall Radiometrische Zeitmessung Maße für Strahlungsdosen Zusammenfassung Metalle, Halbleiter und Isolatoren 42-1 Festkörper Die elektrischen Eigenschaften von Festkörpern Die Energieniveaus in einem kristallinen Festkörper Nichtleiter Metalle Halbleiter Dotierte Halbleiter Der pn-übergang Der Halbleiter-Gleichrichter Anwendungen des pn-übergangs Der Transistor Zusammenfassung Anhang A Das Internationale Einheitensystem (SI) B Astronomische Daten C Umrechnungsfaktoren D Mathematische Formeln E Eigenschaften der Elemente F Ergebnisse der Kontrollfragen G Bildquellenverzeichnis H Index

8

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