Physik. für Wissenschaftler und Ingenieure

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1 Physik für Wissenschaftler und Ingenieure von Paul A. Tipler, Gene Mosca, Michael Basler, Renate Dohmen, Carsten Heinisch, Anna Schleitzer, Michael Zillgitt 1. Auflage Physik Tipler / Mosca / Basler / et al. schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Physik, Chemie für Ingenieure Spektrum Akademischer Verlag 2009 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN

2 Inhalt 1 Messung und Vektoren Vom Wesen der Physik Maßeinheiten Dimensionen physikalischer Größen Signifikante Stellen und Größenordnungen Messgenauigkeit und Messfehler Vektoren Allgemeine Eigenschaften von Vektoren 16 Teil 1: Mechanik 2 Eindimensionale Bewegung Verschiebung, Geschwindigkeit und Geschwindigkeitsbetrag Beschleunigung Gleichförmig beschleunigte Bewegung Integration 57 3 Bewegung in zwei und drei Dimensionen Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung Erster Spezialfall: Der schräge Wurf Zweiter Spezialfall: Die Kreisbewegung 88 4 Die Newton schen Axiome Das erste Newton sche Axiom: Das Trägheitsgesetz Kraft und Masse Das zweite Newton sche Axiom Gravitationskraft und Gewicht Kontaktkräfte: Festkörper, Federn, Seile und Taue Kräftediagramme und ihre Anwendung Das dritte Newton sche Axiom Aufgabenstellungen mit zwei und mehr Körpern Weitere Anwendungen der Newton schen Axiome Reibung Widerstandskräfte Krummlinige Bewegung Numerische Integration: Das Euler-Verfahren Trägheits- oder Scheinkräfte Der Massenmittelpunkt Arbeit und kinetische Energie Die von einer konstanten Kraft verrichtete Arbeit Die von einer ortsabhängigen Kraft bei geradliniger Bewegung verrichtete Arbeit Das Skalarprodukt Gesamtarbeit und kinetische Energie bei krummliniger Bewegung Massenmittelpunktsarbeit Energieerhaltung Potenzielle Energie Die Erhaltung der mechanischen Energie Der Energieerhaltungssatz Masse und Energie Quantisierung der Energie Der Impuls Impulserhaltung Kinetische Energie eines Teilchensystems Stöße Stöße im Schwerpunktsystem Systeme mit veränderlicher Masse und Strahlantrieb 303

3 2 > > > INHALT 9 Drehbewegungen Kinematik der Drehbewegung: Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung Die kinetische Energie der Drehbewegung Berechnung von Trägheitsmomenten Das zweite Newton sche Axiom für Drehbewegungen: Der Drehimpuls Anwendungen des zweiten Newton schen Axioms Rollende Körper Der Drehimpuls Die Vektornatur der Rotation Drehmoment und Drehimpuls Die Drehimpulserhaltung Die Quantisierung des Drehimpulses 392 R Die spezielle Relativitätstheorie 403 R.1 Das Relativitätsprinzip und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit 404 R.2 Bewegte Stäbe 406 R.3 Bewegte Uhren 407 R.4 Noch einmal bewegte Stäbe 411 R.5 Weit voneinander entfernte Uhren und Gleichzeitigkeit 412 R.6 Relativistischer Impuls, Masse und Energie Gravitation Die Kepler schen Gesetze Das Newton sche Gravitationsgesetz Die potenzielle Energie der Gravitation Das Gravitationsfeld Berechnung des Gravitationsfelds einer Kugelschale durch Integration Statisches Gleichgewicht und Elastizität Gleichgewichtsbedingungen Der Schwerpunkt Einige Beispiele für statisches Gleichgewicht Statisches Gleichgewicht im beschleunigten Bezugssystem Stabilität des Gleichgewichts Unbestimmbare Probleme Spannung und Dehnung Fluide Dichte Druck in einem Fluid Auftrieb und archimedisches Prinzip Bewegte Fluide 512 Teil 2: Schwingungen und Wellen 14 Schwingungen Harmonische Schwingungen Energie des harmonischen Oszillators Einige schwingende Systeme Gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen und Resonanz Ausbreitung von Wellen Einfache Wellenbewegungen Periodische Wellen, harmonische Wellen Wellen in drei Dimensionen Wellenausbreitung an Hindernissen Der Doppler-Effekt 609

4 INHALT < < < 3 16 Überlagerung und stehende Wellen Überlagerung von Wellen Stehende Wellen *Weitere Themen 651 Teil 3: Thermodynamik 17 Temperatur und die kinetische Gastheorie Thermisches Gleichgewicht und Temperatur Gasthermometer und die absolute Temperatur Die Zustandsgleichung für das ideale Gas Die kinetische Gastheorie Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekapazität und spezifische Wärmekapazität Phasenübergänge und latente Wärme Joules Experiment und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Die innere Energie eines idealen Gases Volumenarbeit und das P-V -Diagramm eines Gases Wärmekapazitäten von Gasen Wärmekapazitäten von Festkörpern Das Versagen des Gleichverteilungssatzes Die reversible adiabatische Expansion eines Gases Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekraftmaschinen und der Zweite Hauptsatz Kältemaschinen und der Zweite Hauptsatz Der Carnot sche Kreisprozess *Wärmepumpen Irreversibilität, Unordnung und Entropie Entropie und die Verfügbarkeit der Energie Entropie und Wahrscheinlichkeit *Der Dritte Hauptsatz Thermische Eigenschaften und Vorgänge Thermische Ausdehnung Die Van-der-Waals-Gleichung und Flüssigkeits-Dampf-Isothermen Phasendiagramme Wärmeübertragung 787 Teil 4: Elektrizität und Magnetismus 21 Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen Die elektrische Ladung Leiter und Nichtleiter Das Coulomb sche Gesetz Das elektrische Feld Elektrische Feldlinien Wirkung von elektrischen Feldern auf Ladungen Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen Das Konzept der Ladungsdichte Berechnung von E mit dem Coulomb schen Gesetz Das Gauß sche Gesetz Berechnung von E mit dem Gauß schen Gesetz Diskontinuität von E n Ladung und Feld auf Leiteroberflächen *Die Äquivalenz des Gauß schen und des Coulomb schen Gesetzes 879

5 4 > > > INHALT 23 Das elektrische Potenzial Die Potenzialdifferenz Das Potenzial eines Punktladungssystems Die Berechnung des elektrischen Felds aus dem Potenzial Die Berechnung des elektrischen Potenzials φ kontinuierlicher Ladungsverteilungen Äquipotenzialflächen Die elektrische Energie Die Kapazität Die Kapazität Speicherung elektrischer Energie Kondensatoren, Batterien und elektrische Stromkreise Dielektrika Molekulare Betrachtung von Dielektrika Elektrischer Strom Gleichstromkreise Elektrischer Strom und die Bewegung von Ladungsträgern Widerstand und Ohm sches Gesetz Energetische Betrachtung elektrischer Stromkreise Zusammenschaltung von Widerständen Die Kirchhoff schen Regeln RC-Stromkreise Das Magnetfeld Die magnetische Kraft Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld Das auf Leiterschleifen und Magnete ausgeübte Drehmoment Der Hall-Effekt Quellen des Magnetfelds Das Magnetfeld bewegter Punktladungen Das Magnetfeld von Strömen: Das Biot-Savart sche Gesetz Der Gauß sche Satz für Magnetfelder Das Ampère sche Gesetz Magnetismus in Materie Die magnetische Induktion Der magnetische Fluss Induktionsspannung und Faraday sches Gesetz Die Lenz sche Regel Induktion durch Bewegung Wirbelströme Induktivität Die Energie des Magnetfelds *RL-Stromkreise *Magnetische Eigenschaften von Supraleitern Wechselstromkreise Wechselspannung an einem Ohm schen Widerstand Wechselstromkreise *Der Transformator *LC- und RLC-Stromkreise ohne Wechselspannungsquelle *Zeigerdiagramme *Erzwungene Schwingungen in RLC-Stromkreisen Die Maxwell schen Gleichungen Elektromagnetische Wellen Der Maxwell sche Verschiebungsstrom Die Maxwell schen Gleichungen Die Wellengleichung für elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Strahlung 1187

6 INHALT < < < 5 Teil 5: Licht 31 Eigenschaften des Lichts Die Lichtgeschwindigkeit Die Ausbreitung des Lichts Reflexion und Brechung Polarisation Herleitung des Reflexionsund des Brechungsgesetzes Welle-Teilchen-Dualismus Lichtspektren *Lichtquellen Optische Abbildungen Spiegel Linsen *Abbildungsfehler *Optische Instrumente Interferenz und Beugung Phasendifferenz und Kohärenz Interferenz an dünnen Schichten Interferenzmuster beim Doppelspalt Beugungsmuster beim Einzelspalt *Vektoraddition harmonischer Wellen Fraunhofer sche und Fresnel sche Beugung Beugung und Auflösung *Beugungsgitter 1325 Teil 6: Moderne Physik: Quantenmechanik, Relativitätstheorie und die Struktur der Materie 34 Welle-Teilchen-Dualismus und Quantenphysik Wellen und Teilchen Licht: Von Newton zu Maxwell Die Teilchennatur des Lichts: Photonen Energiequantisierung in Atomen Elektronen und Materiewellen Die Interpretation der Wellenfunktion Der Welle-Teilchen-Dualismus Ein Teilchen im Kasten Erwartungswerte Energiequantisierung in anderen Systemen Anwendungen der Schrödinger-Gleichung Die Schrödinger-Gleichung Ein Teilchen im Kasten mit endlich hohem Potenzial Der harmonische Oszillator Reflexion und Transmission von Elektronenwellen an Potenzialbarrieren Die Schrödinger-Gleichung in drei Dimensionen Die Schrödinger-Gleichung für zwei identische Teilchen Atome Das Atom und die Atomspektren Das Bohr sche Modell des Wasserstoffatoms Quantentheorie der Atome Quantentheorie des Wasserstoffatoms Spin-Bahn-Kopplung und Feinstruktur Das Periodensystem der Elemente Spektren im sichtbaren und im Röntgenbereich Moleküle Die chemische Bindung *Mehratomige Moleküle Energieniveaus und Spektren zweiatomiger Moleküle 1434

7 6 > > > INHALT 38 Festkörper Die Struktur von Festkörpern Eine mikroskopische Betrachtung der elektrischen Leitfähigkeit Freie Elektronen im Festkörper Die Quantentheorie der elektrischen Leitfähigkeit Das Bändermodell der Festkörper Halbleiter Halbleiterübergangsschichten und Bauelemente Supraleitung Die Fermi-Dirac-Verteilung Relativitätstheorie Das Newton sche Relativitätsprinzip Die Einstein schen Postulate Die Lorentz-Transformation Uhrensynchronisation und Gleichzeitigkeit Die Geschwindigkeitstransformation Der relativistische Impuls Die relativistische Energie Die allgemeine Relativitätstheorie Kernphysik Eigenschaften der Kerne Radioaktivität Kernreaktionen Kernspaltung und Kernfusion Elementarteilchen und die Entstehung des Universums Hadronen und Leptonen Spin und Antiteilchen Erhaltungssätze Quarks Feldquanten Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung Das Standardmodell Die Entwicklung des Universums 1565 M Mathematische Grundlagen 1582 M.1 Signifikante Stellen 1582 M.2 Gleichungen 1584 M.3 Direkte und umgekehrte Proportionalität 1585 M.4 Lineare Gleichungen 1586 M.5 Quadratische Gleichungen und Zerlegung in Linearfaktoren 1588 M.6 Potenzen und Logarithmen 1590 M.7 Geometrie 1593 M.8 Trigonometrie und Vektoren 1594 M.9 Die Binomialentwicklung 1601 M.10 Komplexe Zahlen 1602 M.11 Differenzialrechnung 1604 M.12 Integralrechnung 1610

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