Physik - Der Studienbegleiter

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1 Physik - Der Studienbegleiter Alle Grundlagen im Überblick: Für Physiker, Ingenieure und Naturwissenschaftler Bearbeitet von Lowry A. Kirkby, Verena Muckhoff, Anna-Lena Noll, Max Riediger, Benedikt Ziebarth 1. Auflage Taschenbuch. xix, 451 S. Paperback ISBN Format (B x L): 21 x 27,9 cm Weitere Fachgebiete > Physik, Astronomie > Physik Allgemein schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 Inhaltsverzeichnis Teil I Newton sche Mechanik und spezielle Relativitätstheorie Einleitung Geradlinige Bewegung NewtonsBewegungsgesetze NewtonserstesundzweitesGesetz NewtonsdrittesGesetz KraftundImpuls Kraftstoß Impulserhaltung KraftundEnergie ArbeitdurcheineKraft Leistung MechanischeEnergie KinetischeEnergie(KE) PotentielleEnergie(PE) Energieerhaltung Dissipation KonservativeKräfte Praktische Anwendungen der geradlinigen Bewegung Zweikörperstöße ElastischeundinelastischeStöße ElastischeStößeinzweiDimensionen Bewegungsgleichungen KonstanteKraftundGeschosse ProblememitvariablenMassen SchwingendeSysteme HarmonischeSchwingung GedämpfteharmonischeSchwingung Erzwungene Oszillationen Gekoppelte Oszillatoren Drehbewegung Drehbewegung PolareundaxialeVektoren Winkelgeschwindigkeit DrehmomentundDrehimpuls ArbeitundLeistung RotationeinesstarrenKörpers DerMassenschwerpunkt Trägheitsmoment Bewegungsgleichung... 49

3 XIV Inhaltsverzeichnis 4 Gravitation und Umlaufbahnen Bewegungsgleichungen Polarkoordinaten Zentralkräfte GravitationskraftundEnergie Planetenbahnen DieKepler schengesetze EnergieeinesumkreisendenKörpers GebundeneundungebundeneUmlaufbahnen Zweikörperdynamiken Bezugssysteme DasSchwerpunktsystem Abstandsvektor Zweikörperdynamiken TransformationzwischenBezugssystemen WirkungeinerexternenKraft Einführung in die spezielle Relativitätstheorie AxiomederspeziellenRelativitätstheorie ZeitdilatationundLängenkontraktion Lorentztransformation VerwendungderLorentztransformation DerinvarianteAbstand Zeitdilatation RelativistischerDopplereffekt Längenkontraktion TransformationderGeschwindigkeiten RelativistischeEnergieundImpuls ÄquivalenzvonMasseundEnergie Lorentztransformationen für E und p ineinerdimension InvarianzderRuhemassenenergie DasSchwerpunktsystem Photonen-undComptonstreuung Teil II Elektrodynamik Einleitung Elektrostatik ElektrischeLadung DasCoulomb schegesetz DaselektrischeFeld Divergenz und Rotation von E DasGauß schegesetz Die Rotation von E DaselektrischePotential DieelektrischeEnergieeinesSystems EnergieundelektrischesPotential EnergieundelektrischesFeld ElektrischeDipole ElektrischesFeldundPotential DipolineinemexternenelektrischenFeld Kondensatoren Kapazität EnergieeinesKondensators Leiter

4 Inhaltsverzeichnis XV 8 Magnetostatik ElektrischeStröme Magnetfelder MagnetischeKräfte DasLorentzkraftgesetz DurchmagnetischeKräfteverrichteteArbeit Divergenz und Rotation von B Die Divergenz von B DasAmpère schegesetz DasmagnetischeVektorpotential MagnetischeDipole MagnetfeldundPotential EinDipolineinemexternenMagnetfeld Einführung in die Theorie der Stromkreise GesetzederElektrizitätslehre DieKontinuitätsgleichung WiderstandundOhm schesgesetz DieKirchhoff schenregeln KapazitätundInduktivität Einschwingverhalten RC-SchwingkreisinReihenschaltung RL-SchwingkreisinReihenschaltung RLC-KreisinReihenschaltung Wechselstromkreise KomplexeScheinwiderstände ElektronischeFilter Verlustleistung SerienresonanzundQ-Wert Elektromagnetische Induktion DasFaraday scheinduktionsgesetz SpulenundInduktivität Eigeninduktivität Gegeninduktivität PotentielleEnergieeinerSpule MagnetischeEnergiedichte DerVerschiebungsstrom Abschließend:DieMaxwellgleichungen Elektromagnetische Felder in Materie ElektrischeFelderinMaterie Polarisation FreieundgebundeneLadungen DieelektrischeFlussdichte DieinDielektrikagespeicherteelektrischeEnergie KondensatorenundDielektrika MagnetfelderinMaterie Magnetisierung FreieundgebundeneStröme DiemagnetischeFeldstärke Magnetische Energie, die in Materie gespeichert ist DieMaxwellgleichungeninMaterie Randbedingungen

5 XVI Inhaltsverzeichnis 12 Elektromagnetische Wellen ElektromagnetischeWellenimfreienRaum DieWellengleichungen Welleneigenschaften EnergieundImpuls ElektromagnetischeEnergiedichte DerPoyntingvektor Elektromagnetische Wellen in nichtleitender Materie DieMaxwellgleichungen DieWellengleichungen GeschwindigkeitundBrechungsindex Wellenwiderstand EnergiedichteundPoyntingvektor ReflexionundTransmissionaneinerGrenze Reflexions-undBrechungsgesetze DieFresnelformeln DerBrewsterwinkel Teil III Wellen und Optik Einleitung Wellenbewegung Wellenarten DieWellengleichung HarmonischeWellen ÜberlagerungvonWellen InterferenzfortschreitenderWellen StehendeWellen Schwebungen DerDopplereffekt Geometrische Optik Fermat schesprinzip ReflexionundBrechung Reflexions-undBrechungsgesetz Totalreflexion StrahlengängeundAbbildungen ReelleundvirtuelleBilder AbbildungsgleichungfürdünneLinsen AbbildungsgleichungdessphärischenSpiegels Linsenschleiferformel Vergrößerung OptischeInstrumentezurAbbildung Wellenoptik Huygens schesprinzip PhasordarstellungeinerWelle Interferenz DasYoung schedoppelspaltexperiment Beugung Fraunhoferbeugung Einzelspalt RundeAperturen DasBeugungsgitter

6 Inhaltsverzeichnis XVII Teil IV Quantenphysik Überblick Hintergründe der Quantenmechanik PhotonenundMateriewellen Welle-Teilchen-Dualismus PostulatederQuantenmechanik PostulatderWellenfunktion PostulatdesOperators PostulatderMessung PostulatderZeitentwicklung Die Schrödingergleichung SeparationderSchrödingergleichung EindimensionalePotentialtöpfe DasunendlicheKastenpotential DasendlicheKastenpotential Der harmonische Oszillator DiedreidimensionaleSchrödingergleichung UnendlicherdreidimensionalerPotentialkasten Quantenzustände, Operatoren und Messungen ÜberblicklineareAlgebra DieDiracnotation Hermite scheoperatoren Superpositionszustände DerIdentitätsoperator Kommutatoren Messungen Erhaltungsgrößen DieErhaltungsgleichung Wahrscheinlichkeitserhaltung VerträglichkeitvonOperatoren DieUnschärferelation Sphärische Systeme DiesphärischeSchrödingergleichung Bahndrehimpuls Kommutatorbeziehungen Drehimpulseigenwerte NormierteElektronenorbitale Spin DasStern-Gerlach-Experiment Paulimatrizen EigenwertgleichungdesSpins Spin-1/2-Eigenzustände Gesamtdrehimpuls Einführung zum Wasserstoffatom RadialeWellenfunktionen EnergieniveausdesWasserstoffatoms GrundzustanddesWasserstoffs EinführungindieFeinstrukturdesWasserstoffs ZeitunabhängigeStörungstheorie RelativistischekinetischeEnergie Spin-Bahn-Kopplung

7 XVIII Inhaltsverzeichnis Teil V Physik der Wärme Einleitung Kinetische Theorie des idealen Gases IdealeGase DieBoltzmann-Verteilung DieMaxwell-Boltzmann-Verteilung Geschwindigkeitsverteilungen RichtungsfreieGeschwindigkeitsverteilung EigenschaftenvonGasen Teilchenenergien Wärmekapazität Druck Teilchenstrom MittlererfreierWeg ErreichendesGleichgewichts Chemisches Gleichgewicht: Teilchentransport Mechanisches Gleichgewicht: Transport von Impuls ThermischesGleichgewicht:Wärmetransport Klassische Thermodynamik ThermodynamischeSysteme DieHauptsätzederThermodynamik DernullteHauptsatz DerersteHauptsatz DerzweiteHauptsatz DerdritteHauptsatz ThermodynamischePotentiale InnereEnergie F, H,undG DieMaxwellrelationen DaschemischePotential Reale Gase und Phasenübergang ZustandsgleichungvonRealenGasen DieVan-der-Waals-Gleichung DieBoyle schetemperatur DieZwei-Phasen-Region Isotherme Kompressibilität Phasenübergang BedingungenfürPhasengleichgewichte Maxwellkonstruktion Phasendiagramme Clausius-Clapeyron-Gleichung IrreversibleExpansionvonGasen Joule-Expansion Joule-Thomson-Expansion Statistische Mechanik StatistischeEnsembles DiePostulatederstatistischenMechanik ZuständeundEnergieniveaus MikrozuständeundMakrozustände Eigenschaften von Ω Zustandsdichte Herleitung im k-raum TransformationzurEnergiedarstellung

8 Inhaltsverzeichnis XIX 24.4 KlassischeStatistik DieBoltzmann-Verteilung DieVerteilungderTeilchendichte Zustandssumme und thermodynamische Eigenschaften ÜbereinstimmungmitderkinetischenTheorie NichtunterscheidbareTeilchen Austauschsymmetrie BosonenundFermionen Quantenstatistik GroßkanonischeZustandssumme Besetzungsfunktion von Quantensystemen DieklassischeNäherung Schwarzkörperstrahlung Anhang A Identitäten und Potenzreihen A.1 TrigonometrischeIdentitäten A.2 Potenzreihenentwicklung B Koordinatensysteme C Vektoren und Vektoranalysis C.1 IdentitätenvonVektoren C.2 AbleitungenvonVektoren D Einheiten D.1 Newton schemechanikundspeziellerelativitätstheorie D.2 Elektromagnetismus D.3 WellenundOptik D.4 Quantenphysik D.5 Wärmephysik E Naturkonstanten Sachverzeichnis