David Mills (Hrsg.) in Zusammenarbeit mit Charles Adler, Edward Whittaker, George Zober, Patricia Zober. Arbeitsbuch zu Tipler/Mosca.

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1 David Mills (Hrsg.) in Zusammenarbeit mit Charles Adler, Edward Whittaker, George Zober, Patricia Zober Arbeitsbuch zu Tipler/Mosca Physik Für Wissenschaftler und Ingenieure Zweite deutsche Auflage herausgegeben von Michael Zillgitt Aus dem Amerikanischen übersetzt von Michael Zillgitt und Michael Basler ELSEVIER SPEKTRUM AKADEMISCHER VERLAG Spektrum kjxakademischer VERLAG

2 1 Teil I 2 Gleichförmig beschleunigte Bewegung und freier Fall Integration der Bewegungsgleichungen 3 Bewegung in zwei und drei Dimensionen Vektoren, Vektoraddition und Koordinatensysteme Geschwindigkeits- und.beschleunigungsvektoren Der schräge Wurf 4 5 Einheitensysteme Maßeinheiten Dimensionen physikalischer Größen Exponentialschreibweise und signifikante Stellen Mechanik Eindimensionale Bewegung Tempo, Verschiebung und Geschwindigkeit Beschleunigung Die Newton'schen Axiome Das erste und das zweite Newton'sche Axiom: Masse, Trägheit und Kraft Masse und Gewicht Kräftediagramme: Statisches Gleichgewicht Anwendungen der Newton'schen Axiome Reibung- Krummlinige Bewegung Energieerhaltung Die Erhaltung der mechanischen Enerqie Energieerhaltung Masse und Energie 8 9 Konzepte der Zentripetalkraft Widerstandskräfte Arbeit und Energie Arbeit und kinetische Energie Arbeit durch eine ortsabhängige Kraft Das Skalarprodukt Potenzielle Energie Teilchensysteme und die Erhaltung des linearen Impulses Bestimmung des--" Massenmittelpunkts Bestimmung des Massenmittelpunkts durch Integration Bewegung des Massenmittelpunkts Impulserhaltung Kinetische Energie eines Teilchensystems Kraftstoß und zeitliches Mittel einer Kraft Schwerpunktsystem Systeme mit kontinuierlich veränderlicher Masse: Strahlantrieb Drehbewegungen Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung

3 X Drehmoment, Trägheitsmoment und das zweite Newton'sche Axiom für Drehbewegungen 111 Berechnung von Trägheitsmomenten 111 Kinetische Energie der Rotation 112 Rollen, Fallmaschinen und herabhängende Teile Die Drehimpulserhaltung 129 Der Vektorcharakter der Rotation 130 Drehmoment und Drehimpuls 1 30 Drehimpulserhaltung 1 31 Quantisierung des Drehimpulses 131 R Die spezielle Relativitätstheorie 140 Längenkontraktion und Zeitdilatation 140 Die Relativität der Gleichzeitigkeit 140 Relativistische Energie und relativistischer Impuls Gravitation 146 Die Kepler'schen Gesetze 147 Das Newton'sche Gravitationsgesetz 147 Potenzielle Energie der Gravitation 147 Das Gravitationsfeld 148 Das Gravitationsfeld sphärischer Körper Statisches Gleichgewicht und Elastizität 158 Gleichgewichtsbedingungen 158» Der Schwerpunkt 159 Einige Beispiele für statisches Gleichgewicht 159 Leitern 160 Spannung und Dehnung Fluide 171 Dichte 172 Druck 172 Auftrieb 172 Strömung viskoser Flüssigkeiten 173 Teil II Schwingungen und Wellen Schwingungen 183 Harmonische Schwingungen 183 Energie eines harmonischen Oszillators 184 Erzwungene Schwingungen und Resonanz Ausbreitung von Wellen 202 Die Wellengleichung 203 Wellen in drei Dimensionen, Intensität 203 Der Doppler-Effekt Überlagerung und stehende Wellen 215 Überlagerung und Interferenz 215 Stehende Wellen 216 Teil III Thermodynamik Temperatur und die kinetische Gastheorie Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekapazität, spezifische Wärme, latente Wärme Kalorimetrie Erster Hauptsatz der Thermodynamik Arbeit und das P-\/-Diagramm eines Gases 235

4 XI Wärmekapazitäten von Gasen und der Gleichverteilungssatz Reversible adiabatische Expansion eines Gases 19 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen Der Zweite Hauptsatz Carnot-Maschinen Wärmepumpen Entropieänderungen Entropie und entwertete Energie 20 Thermische Eigenschaften und Vorgänge Wärmeausdehnung Van-der-Waals-Gleichung, Flüssigkeits-Dampf-Isothermen und Phasendiagramme Wärmeleitung _ Wärmestrahlung Teil IV Elektrizität und Magnetismus Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen 267 Elektrische Ladung 268 Coulomb'sches Gesetz 268 Elektrisches Feld 268 Bewegung von Punktladungen in elektrischen Feldern 269 c 22 Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen 280 Berechnung von f aus dem Coulomb'schen Gesetz 280 Gauß'sches Gesetz 281 Kugelsymmetrie 281 Zylindersymmetrie 281 Ladung und Feld an Leiteroberflächen 23 Das elektrische Potenzial Potenzialdifferenz Das Potenzial eines Punktladungssystems Berechnung des elektrischen Felds aus dem Potenzial Berechnung des Potenzials 0 kontinuierlicher Ladungsverteilungen 24 Elektrostatische Energie und Kapazität Die elektrische Energie Kapazität Die Speicherung elektrischer Energie Dielektrika Elektrischer Strom - Gleichstromkreise 324 Elektrischer Strom und die Bewegung von Ladungsträgern 325 Widerstand und Ohm'sches Gesetz 325 Temperaturabhängigkeit des Widerstands 325 Energie in elektrischen Stromkreisen 326 Zusammenschaltungen von Widerständen 326 Kirchhoff'sche Regeln 326 Strom- und Spannungsmessgeräte 327 flc-strom kreise Das Magnetfeld 343 Die magnetische Kraft 343 Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld 344

5 XII Das auf Leiterschleifen und Magnete ausgeübte Drehmoment 344 Der Hall-Effekt Quellen des Magnetfelds Das Magnetfeld sich bewegender Punktladungen Das Magnetfeld von Strömen: das Biot-Savart'sche Gesetz Das Magnetfeld einer Leitefschleife Das Ampere'sche Gesetz Magnetische Momente von Atomen 28 Die magnetische Induktion Der magnetische Fluss Induktionsspannung und Faraday'sches Gesetz Induktion durch Bewegung Induktivität Die Energie des Magnetfelds «/.-Stromkreise 29 Wechselstromkreise Wechselstromgeneratoren LC- und /?/.C-Stromkreise ohne Wechselspannungsquelle «/.-Stromkreise mit Wechselspannungsquelle Filter und Gleichrichter /.C-Stromkreise mit Wechselspannungsquelle RLC-Stromkreise mit Wechselspannungsquelle Der Transformator 30 Die Maxwell'schen Gleichungen - Elektromagnetische Wellen Der Maxwell'sche Verschiebungsstrom Maxwell'sche Gleichungen und elektromagnetisches Spektrum Die Wellengleichung für elektromagnetische Wellen TeilV Licht 31 Eigenschaften des Lichts Die Lichtgeschwindigkeit Reflexion und Brechung Polarisation 32 Optische Instrumente Ebene Spiegel Sphärische Spiegel Dünne Linsen Abbildungsfehler Das Auge Die Lupe Das Mikroskop Das Teleskop 33 Interferenz und Beugung Phasendifferenz und Kohärenz Interferenz an dünnen Schichten Newton'sche Ringe Interferenzmuster beim Doppelspalt Beugungsmuster beim Einzelspalt Vektoraddition harmonischer Wellen Beugung und Auflösung Beugungsgitter Teil VI Moderne Physik: Quantenmechanik, Relativitätstheorie und die Struktur der Materie 34 Welle-Teilchen-Dualismus und Quantenphysik

6 XIII Die Teilchennatur des Lichts: Photonen Elektronen und Materiewellen Welle-Teilchen-Dualismus Ein Teilchen im Kasten Berechnung von Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und Erwartungswerten 35 Anwendungen der Schrödinger-Gleichung Die Schrödinger-Gleichung Der harmonische Oszillator Reflexion und Transmission von Elektronenwellen: Barrierendurchdringung Die Schrödinger-Gleichung in drei Dimensionen Die Schrödinger-Gleichung für zwei identische Teilchen 36 Atome Das Bohr'sche Modell des Wasserstoffatoms Quantentheorie des Wasserstoffatoms Spin-Bahn-Kopplung und Feinstruktur Das Periodensystem der Elemente Optische Spektren und Röntgenspektren 37 Moleküle Chemische Bindung Energieniveaus und Spektren zweiatomiger Moleküle 38 Festkörper Die Struktur von Festkörpern 443 A C 1 jk r- i A C T /ro 4 J O 458 T-OO AA.A Eine mikroskopische Betrachtung der elektrischen Leitfähigkeit Das Fermi-Elektronengas Die Quantentheorie der elektrischen Leitfähigkeit Das Bändermodell der Festkörper Halbleiter Halbleiterübergänge und Bauelemente Die BCS-Theorie Die Fermi-Dirac-Verteilung 39 Relativitätstheorie Zeitdilatation und Längenkontraktion Die Lorentz-Transformation, Uhrensynchronisation und Gleichzeitigkeit Die Geschwindigkeitstransformation Relativistischer Impuls und relativistische Energie Die allgemeine Relativitätstheorie 40 Kernphysik Eigenschaften der Kerne Radioaktivität Kernreaktionen Kernspaltung und Kernfusion 41 Elementarteilchen und die Entstehung des Universums Spin und Antiteilchen Die Erhaltungssätze Quarks Die Entwicklung des Universums