Paul A. Tipler. Herausgeber der deutschen Ausgabe : Dieter Gerlich und Götz Jerke

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1 Paul A. Tipler ph k Aus dem Amerikanischen übersetzt von Michael Baumgartner, Denny Fliegner, Andreas Jedynak, Birgit Marter, Matthias Marx, Thomas Meigen, Wolfgang Paul und Michael Zillgitt Herausgeber der deutschen Ausgabe : Dieter Gerlich und Götz Jerke

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3 1 Einheitensysteme Physikalische Größen und Einheiten Meßgenauigkeit und Meßfehler Die Dimension einer physikalischen Größe Rechnen mit physikalischen Größen 6 Zusammenfassung 9 Essay: Hans Christian von Baeyer, Fermis Lösung 10 Aufgaben 1 3 Teil 1 Mechani k 2 Bewegung in einer Dimension Durchschnittsgeschwindigkeit Momentangeschwindigkeit Beschleunigung Integration Bewegung mit konstanter Beschleunigung 3 1 Zusammenfassung 3 7 Aufgaben Bewegung in zwei und drei Dimensionen Verschiebungsvektor und Vektoraddition Vektoraddition in Komponentenschreibweise Einheitsvektoren und Multiplikation von Vektore n mit Skalaren Der Geschwindigkeitsvektor Der Beschleunigungsvektor Relativgeschwindigkeit Wurfbewegungen Kreisbewegung 6 1 Zusammenfassung 6 4 Aufgaben 66 4 Die Newtonschen Axiome Das erste Newtonsche Axiom : das Trägheitsgesetz Kraft, Masse und das zweite Newtonsche Axiom 74

4 4.3 Die Gewichtskraft Das dritte Newtonsche Axiom Kräfte in der Natur Anwendungen zur Lösung von Bewegungsproblemen 86 Zusammenfassung 9 3 Aufgaben Die Newtonschen Axiome II : Anwendungen Reibung Strömungswiderstand Bewegungsprobleme im Fall von mehrere n miteinander verbundenen Körpern Scheinkräfte Numerische Methoden 11 8 Zusammenfassung 12 1 Aufgaben Arbeit und Energie Arbeit und kinetische Energie : Bewegung in einer Dimension bei konstanter Kraft Arbeit bei veränderlicher Kraft Arbeit und Energie in drei Dimensionen Die potentielle Energie Potentielle Energie und Gleichgewicht in einer Dimension Die Erhaltung der mechanischen Energie Der verallgemeinerte Energiesatz der Mechanik Energieerhaltung Leistung 16 5 Zusammenfassung 16 7 Aufgaben Teilchensysteme und Impulserhaltung Der Massenmittelpunkt Bewegung des Massenmittelpunkts Impulserhaltung Das Massenmittelpunktsystem als Bezugssystem Kinetische Energie eines Systems von Teilchen Stöße in einer Dimension Stöße in drei Dimensionen Kraftstoß und zeitliches Mittel einer Kraft Raketenantrieb 21 0 Zusammenfassung 21 3 Essay : Ralph A. Llewellyn, Die Entdeckung des Neutrinos 21 6 Aufgaben Drehbewegungen Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung Drehmoment und Trägheitsmoment Die kinetische Energie der Drehbewegung Berechnung von Trägheitsmomenten Der Drehimpuls Rollende Körper Der Vektorcharakter der Drehgrößen und das Kreuzprodukt Statistisches und dynamisches Ungleichgewicht Kreiselbewegungen 26 3 Zusammenfassung 26 5 Aufgaben 267

5 9 Statisches Gleichgewicht des starren Körpers Gleichgewichtsbedingungen Der Schwerpunkt Einige Beispiele für statisches Gleichgewicht Kräftepaare Stabilität des Gleichgewichtes 28 8 Zusammenfassung 29 1 Aufgaben Gravitation Die Keplerschen Gesetze Das Newtonsche Gravitationsgesetz Messung der Gravitationskonstanten Schwere und träge Masse Verlassen von gebundenen Bahnen um die Erde Potentielle Energie, Gesamtenergie und Umlaufbahnen Das Gravitationsfeld einer Kugelschale und einer Vollkugel 32 1 Zusammenfassung 327 Essay : A.P. French, Isaac Newton ( ) 329 Aufgaben Mechanik deformierbarer Körper Dichte Spannung und Dehnung Druck in einer Flüssigkeit Auftrieb und Archimedisches Prinzip Oberflächenspannung und Kapillarität Fluiddynamik und Bernoulli-Gleichung Viskose Strömung 362 Zusammenfassung 36 5 Essay : Robert G. Hunt, Die Aerodynamik des Radfahrens 36 8 Aufgaben 37 1 Teil 2 Schwingungen und Welle n 12 Schwingungen Harmonische Schwingungen Harmonische Schwingung und Kreisbewegung Energiebilanz bei harmonischen Schwingungen Massen an senkrecht aufgehängten Federn Pendel Bewegungen in der Nähe von Gleichgewichtspunkten Gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingung und Resonanz 406 Zusammenfassung 409 Essay : James S. Walker, Chaos - eine ordentliche Unordnung 41 1 Aufgaben Mechanische Wellen Wellenberge Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen Harmonische Wellen Energieübertragung durch Wellen Superposition und Interferenz harmonischer Wellen 435

6 13.6 Stehende Wellen Überlagerung stehender Wellen Wellengleichung 448 Zusammenfassung 1 Aufgaben Akustik Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen Harmonische Schallwellen Wellen in drei Dimensionen : Intensität Interferenz : Schwebungen Stehende Schallwellen Harmonische Analyse und Synthese Wellenpakete und Dispersion Reflexion, Brechung und Beugung Der Doppler-Effekt 487 Zusammenfassung 493 Essay : Jack L. Flinner, Seismische Wellen 497 Aufgaben 502 Teil3 Thermodynami k 15 Temperatur Temperaturskalen Gasthermometer und die absolute Temperatur Thermische Ausdehnung Die Zustandsgleichung für ideale Gase Die molekulare Deutung der Temperatur : die kinetische Gastheorie Die Van-der-Waals-Gleichung Phasendiagramme 530 Zusammenfassung 53 3 Aufgaben Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekapazität und spezifische Wähne Phasenübergänge und latente Wärme Wärmeübertragung Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Die innere Energie eines idealen Gases Volumenarbeit und das P-V-Diagramm eines Gases Wärmekapazitäten und der Gleichverteilungssatz Adiabatische Zustandsänderung 568 Zusammenfassung 57 1 Essay : Jerrold H. Krenz, Der Energiehaushalt der Erde und die globale Erwärmung 575 Aufgaben Die Verfügbarkeit der Energie Wärmekraftmaschinen und der Zweite Hauptsatz Kältemaschinen und der Zweite Hauptsatz Die Gleichwertigkeit der Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes Der Carnot-Wirkungsgrad Wärmepumpen 597

7 17.6 Entropie und Unordnung Entropie und Wahrscheinlichkeit Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 607 Zusammenfassung 60 8 Aufgaben 610 Teil 4 Elektrizität und Magnetismu s 18 Das elektrische Feld I : Diskrete Ladungsverteilungen Elektrische Ladung Leiter, Nichtleiter und Influenz Das Coulombsche Gesetz Das elektrische Feld Elektrische Feldlinien Bewegungen von Punktladungen in elektrischen Feldern Elektrische Dipole in elektrischen Feldern 636 Zusammenfassung 638 Aufgaben Das elektrische Feld II : Kontinuierliche Ladungsverteilungen Berechnung des elektrischen Feldes mit Hilf e des Coulombschen Gesetzes Das Gaußsche Gesetz Berechnung des elektrischen Feldes mit Hilfe des Gaußschen Gesetzes Ladung und Feld auf den Oberflächen vo n leitenden Gegenständen Mathematische Herleitung des Gaußschen Gesetzes 674 Zusammenfassung 67 5 Aufgaben Das elektrische Potential Elektrisches Potential und Potentialdifferenz Das Potential eines Systems von Punktladungen Elektrostatische potentielle Energie Berechnung des elektrischen Potentials kontinuierlicher Ladungsverteilungen Elektrisches Feld und Potential Äquipotentialflächen, Ladungsfluß und dielektrischer Durchschlag 704 Zusammenfassung 71 0 Essay : Richard Zallen, Elektrostatik und Xerographie 71 3 Aufgaben Kapazität, Dielektrika und elektrostatische Energie Der Plattenkondensator Der Zylinderkondensator Dielektrika Die Speicherung elektrischer Energie Zusammenschaltung von Kondensatoren 733 Zusammenfassung 73 9 Aufgaben Elektrischer Strom Strom und die Bewegung von Ladungen Widerstand und Ohmsches Gesetz 751

8 22.3 Die Energie des elektrischen Stroms Zusammenschaltung von Widerständen Ein mikroskopisches Modell der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen 765 Zusammenfassung 769 Essay : Elizabeth Pflegl Nickles, Reizleitung in Nervenzellen 77 2 Aufgaben Gleichstromkreise Die Kirchhoffschen Regeln RC-Kreise Amperemeter, Voltmeter und Ohmmeter 79 8 Zusammenfassung 80 1 Aufgaben Das Magnetfeld Die magnetische Kraftwirkung Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld Das auf Leiterschleifen und Magnete ausgeübte Drehmoment Der Hall-Effekt 83 1 Zusammenfassung 83 5 Aufgaben Die Quellen des magnetischen Feldes Das magnetische Feld einer bewegten Punktladung Das magnetische Feld von Strömen : Das Gesetz von Bio t und Savart Die Definition des Ampere Das Amperesche Gesetz 86 0 Zusammenfassung 86 6 Aufgaben Magnetische Induktion Der magnetische Fluß Induktionsspannung und Faradaysches Gesetz Die Lenzsche Regel Induktionsspannung durch Bewegung Wirbelströme Generatoren und Motoren Induktivität LR-Kreise Die Energie des Magnetfelds 89 8 Zusammenfassung 90 0 Essay : Syun-Ichi Akasofu, Das Polarlicht 903 Aufgaben Magnetismus in Materie Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität Atomare magnetische Momente Paramagnetismus Ferromagnetismus Diamagnetismus 928 Zusammenfassung 93 0 Aufgaben 933

9 Licht Die Lichtgeschwindigkeit Die Ausbreitung des Lichts : das Huygenssche Prinzip Reflexion Brechung Das Fermatsche Prinzip Polarisation 1044 Zusammenfassung Essay : Robert Greenler, Jenseits des (sichtbaren) Regenbogens Aufgaben Geometrische Optik Ebene Spiegel Sphärische Spiegel Durch Brechung erzeugte Bilder Dünne Linsen Abbildungsfehler Zusammenfassung Aufgaben Optische Instrumente Das Auge Die Lupe Die Kamera Das Mikroskop Das Teleskop 1099 Zusammenfassung 1104 Aufgaben 1106

10 33 Interferenz und Beugung Phasendifferenz und Kohärenz Interferenz an dünnen Schichten Das Michelson-Interferometer Das Interferenzmuster an einem Doppelspalt Vektoraddition von harmonischen Wellen Interferenzmuster bei drei oder mehr äquidistanten Quellen Beugungsmuster an einem Einzelspalt Interferenz- und Beugungsmuster beim Doppelspalt Fraunhofersche und Fresnelsche Beugungsmuster Beugung und Auflösung Beugungsgitter Zusammenfassung Aufgaben Teil 6 Moderne Physik 34 Relativitätstheorie Das Newtonsche Relativitätsprinzip Das Michelson-Morley-Experiment Die Einsteinschen Postulate Die Lorentz-Transformation Uhrensynchronisation und Gleichzeitigkeit Der Doppler-Effekt Das Zwillingsparadoxon Die Geschwindigkeitstransformation Relativistischer Impuls Relativistische Energie und Masse-Energie-Äquivalenz Allgemeine Relativitätstheorie Zusammenfassung Aufgaben Ursprünge der Quantentheorie Strahlung des schwarzen Körpers und Plancksche s Wirkungsquantum Der photoelektrische Effekt Röntgenstrahlung Compton-Streuung Energiequantisierung in Atomen und Bohrsches Atommodell Welleneigenschaften des Elektrons und Quantenmechanik 1212 Zusammenfassung Aufgaben Quantenmechanik Wellenfunktionen von Teilchen Wellenpakete Die Unschärferelation Der Welle-Teilchen-Dualismus Die Schrödinger-Gleichung Das Teilchen im Kastenpotential Das Teilchen in einem Potentialtopf mit endlich hohe n Wänden Erwartungswerte Der quantenmechanische harmonische Oszillator 1246

11 36.10 Reflexion und Transmission an einem Potentialwall Die Schrödinger-Gleichung in drei Dimensionen Die Schrödinger-Gleichung für zwei identische Teilchen 1255 Zusammenfassung Aufgaben 1260 Atome Das Wasserstoffatom Die Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms Magnetische Momente und der Elektrönenspin Der Stern-Gerlach-Versuch Die Addition der Drehimpulse und die Spin-Bahn-Kopplung Das Periodensystem Spektren im sichtbaren und im Röntgen-Bereich Absorption, Streuung und stimulierte Emission Der Laser 1293 Zusammenfassung Essay: D.J. Wineland, Atomfallen und Laserkühlung 1300 Aufgaben Moleküle Die chemische Bindung Mehratomige Moleküle Energieniveaus und Spektren zweiatomiger Moleküle 1322 Zusammenfassung 1330 Aufgaben Festkörper Die Struktur von Festkörpern Das klassische Konzept des Elektronengases und sein e Grenzen Das Fermi-Elektronengas Die Quantentheorie der elektrischen Leitung Das Bändermodell der Festkörper Dotierte Halbleiter Halbleiterübergangsschichten und ihre Anwendungen Supraleitung 1367 Zusammenfassung Essay : Samuel J. Williamson, SQUIDs Essay : Ellen D. Williams, Raster-Tunnel-Mikroskopie Aufgaben Kernphysik Eigenschaften der Kerne Kernspinresonanz Radioaktivität Kernreaktionen Kernspaltung, Kernfusion und Kernreaktionen Wechselwirkung von Teilchen mit Materie 1413 Zusammenfassung Aufgaben Elementarteilchen Hadronen und Leptonen Spin und Antiteilchen Erhaltungssätze 1431

12 41.4 Das Quark-Modell Feldquanten Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung Das Standardmodell Große Vereinheitlichte Theorien Zusammenfassung Aufgaben Astrophysik und Kosmologie Unser Stern, die Sonne Die Sterne Die Entwicklung der Sterne Kataklysmische Ereignisse Endzustände der Sterne Galaxien Gravitation und Kosmologie Kosmogenesis 1474 Zusammenfassung Aufgaben Weiterführende Literatur Namen- und Sachverzeichnis 1485