Inhaltsverzeichnis. 3-6 Vektoren und physikalische Gesetze Multiplikation von Vektoren... Zusammenfassung... Fragen... Aufgaben...

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Messung und Maßeinheiten 1-1 Dinge messen Das internationale Einheitensystem SI Einheiten umwandeln Länge Zeit Masse... 2 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... 3 Vektoren 3-1 Vektoren und Skalare Geometrische Addition von Vektoren Komponenten von Vektoren Einheitsvektoren Vektoren komponentenweise addieren Vektoren und physikalische Gesetze Multiplikation von Vektoren... 4 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... 5 Kraft und Bewegung -I 5-1 Wodurch wird Beschleunigung verursacht? Das erste newtonsche Gesetz Kraft Masse Das zweite newtonsche Gesetz Einige besondere Kräfte Das dritte newtonsche Gesetz Anwendung der newtonschen Gesetze...

2 VIII Inhaltsverzeichnis 6 Kraft und Bewegung -II 6-1 Reibung Eigenschaften der Reibung Strömungswiderstand und Endgeschwindigkeit Gleichförmige Kreisbewegung... 7 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... 8 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 8-6 Von einer äußeren Kraft an einem System verrichtete Arbeit Energieerhaltung... 9 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 Stoßprozesse 10-1 Was ist ein Stoß? Kraftstoß und Impuls Impuls und kinetische Energie bei Stoßprozessen Inelastische, eindimensionale Stöße Elastische, eindimensionale Stöße Zweidimensionale Stöße 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 Rollen, Drehmoment und Drehimpuls 12-1 Rollen Die kinetische Energie der Rollbewegung Kräfte bei der Rollbewegung Ein Jo-Jo...

3 Inhaltsverzeichnis IX 12-5 Eine erweiterte Definition des Drehmoments Der Drehimpuls Das zweite newtonsche Axiom in Winkelschreibweise Der Drehimpuls eines Teilchensystems Der Drehimpuls eines starren, um eine feste Achse rotierenden Körpers Die Erhaltung des Drehimpulses Gleichgewicht und Elastizität 13-1 Gleichgewicht Bedingungen für das Gleichgewicht Das Gravitationszentrum Beispiele für statische Gleichgewichte Unterbestimmte Strukturen Elastizität Gravitation 14-1 Die Gravitationskraft in unserem Kosmos Das newtonsche Gravitationsgesetz Gravitation und das Superpositionsprinzip Die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche 14-5 Die Gravitation innerhalb der Erde Die potenzielle Energie der Gravitation Planeten und Satelliten: Die keplerschen Gesetze Satelliten: Umlaufbahnen und Energie Einstein und die Gravitation Fluide 15-1 Fluide in unserer Umgebung Was ist ein Fluid? Dichte und Druck Ruhende Fluide Druckmessung Das pascalsche Prinzip Das archimedische Prinzip Schwingungen 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 Wellen -I 17-1 Wellen und Teilchen Wellenarten Transversale und longitudinale Wellen Wellenlänge und Frequenz Die Geschwindigkeit einer propagierenden Welle Die Wellengeschwindigkeit für ein gespanntes Seil Energie und Leistung einer propagierenden Seilwelle Das Superpositionsprinzip für Wellen Die Interferenz von Wellen Darstellung einer Welle durch einen ebenen Vektor Stehende Wellen Stehende Wellen und Resonanz Wellen -II 18-1 Schallwellen Die Schallgeschwindigkeit...

4 X Inhaltsverzeichnis 18-3 Propagierende Schallwellen Interferenz Schallintensität und Schallpegel Musikalische Töne Schwebungen Der Doppler-Effekt Überschallgeschwindigkeiten und Schockwellen 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 Möglichkeiten der Wärmeübertragung 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 20-9 Thermodynamische Freiheitsgrade und molare spezifische Wärmen Die Quantenmechanik macht sich bemerkbar Die adiabatische Ausdehnung eines idealen Gases 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. 22 Elektrische Ladung 22-1 Elektromagnetismus Elektrische Ladung Leiter und Isolatoren Das coulombsche Gesetz Die elektrische Ladung ist quantisiert Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgröße 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 23-8 Verhalten einer Punktladung in einem elektrischen Feld Verhalten eines Dipols in einem elektrischen Feld...

5 Inhaltsverzeichnis XI 24 Der gaußsche Satz 24-1 Das coulombsche Gesetz in neuem Licht Fluss Fluss eines elektrischen Feldes Der gaußsche Satz Gaußscher Satz und coulombsches Gesetz Eigenschaften eines geladenen, isolierten Leiters Anwendung des gaußschen Satzes: Zylindersymmetrie Anwendung des gaußschen Satzes: Ebene Symmetrie Anwendung des gaußschen Satzes: Kugelsymmetrie Elektrisches Potenzial 25-1 Elektrische potenzielle Energie Elektrisches Potenzial Äquipotenzialflächen Berechnung des Potenzials aus dem Feld Potenzial einer Punktladung Potenzial einer Gruppe von Punktladungen Potenzial eines elektrischen Dipols Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung Berechnung des elektrischen Feldes aus dem elektrischen Potenzial Elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen Potenzial eines geladenen, isolierten leitenden Körpers Kapazität 26-1 Kondensatoren und ihre Anwendungen Kapazität Berechnung der Kapazität Parallelschaltungen und Reihenschaltungen von Kondensatoren In einem elektrischen Feld gespeicherte Energie Kondensator mit Dielektrikum Dielektrika - auf atomarem Niveau betrachtet 26-8 Dielektrika und gaußscher Satz 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 Stromkreise 28-1 Pumpen von Ladung Arbeit, Energie und Spannung Berechnung des Stromes in einem unverzweigten Stromkreis Weitere unverzweigte Stromkreise Potenzialdifferenzen Verzweigte Stromkreise Ampéremeter und Voltmeter RC-Kreise Magnetfelder 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...

6 XII Inhaltsverzeichnis 29-7 Magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht Drehmoment auf eine stromdurchflossene Drahtschleife Magnetisches Dipolmoment Magnetfelder aufgrund von Strömen 30-1 Das Magnetfeld eines Stromes Die Kraft zwischen parallelen Strömen Das ampèresche Gesetz Zylinder- und Ringspulen Eine stromführende Spule als magnetischer Dipol Induktion und Induktivität 31-1 Zwei symmetrische Situationen Zwei Experimente Das faradaysche Induktionsgesetz Die lenzsche Regel Induktion und Energietransfer Induzierte elektrische Felder Induktivität Selbstinduktion RL-Glieder Energiespeicherung im Magnetfeld Die Energiedichte eines Magnetfeldes Gegeninduktion Magnetismus und Materie: Die maxwellschen Gleichungen 32-1 Magnete Der gaußsche Satz für Magnetfelder Der Erdmagnetismus Der Magnetismus von Elektronen Magnetische Materialien Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Induzierte magnetische Felder Der Verschiebungsstrom Die maxwellschen Gleichungen Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom 33-1 Neue Physik - alte Mathematik LC-Schwingungen - eine qualitative Diskussion Die Analogie zwischen elektrischem und mechanischem Schwingkreis LC-Schwingungen - eine quantitative Diskussion Gedämpfte Schwingungen in einem RLC-Kreis 33-6 Wechselstrom Erzwungene Schwingungen Drei einfache Stromkreise Der in Reihe geschaltete RLC-Kreis Die Leistung in Wechselstromkreisen Transformatoren Elektromagnetische Wellen 34-1 Maxwells Regenbogen Die Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen: Qualitative Betrachtung Die Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen: Quantitative Betrachtung Energietransport und Poynting-Vektor Der Strahlungsdruck Polarisation Reflexion und Brechung Innere Totalreflexion Polarisation durch Reflexion...

7 Inhaltsverzeichnis XIII 35 Abbildungen 35-1 Zwei Arten von Bildern Ebene Spiegel Kugelspiegel Abbildungen an Kugelspiegeln Sphärische brechende Flächen Dünne Linsen Optische Instrumente Drei Herleitungen 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 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 Relativitätstheorie 38-1 Womit beschäftigt sich die Relativitätstheorie? 38-2 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 Die Relativität der Geschwindigkeiten Der Doppler-Effekt für Lichtwellen Der relativistische Impuls Die relativistische Energie Photonen und Materiefelder 39-1 Eine neue Welt Das Photon - das Teilchen des Lichts Der photoelektrische Effekt Photonen haben einen Impuls Licht als Wahrscheinlichkeitswelle Elektronen und Materiewellen Die Schrödinger-Gleichung Die heisenbergsche Unschärferelation Der Tunnel-Effekt Mehr zu Materiewellen 40-1 Der Aufbau der Atome Wellen auf einem Seil und Materiewellen Die Energie eines Elektrons in einer Elektronenfalle Die Wellenfunktionen eines Elektrons in einem Kastenpotenzial Ein Elektron in einem endlichen Kastenpotenzial Weitere Elektronenfallen Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen Das Wasserstoffatom...

8 XIV Inhaltsverzeichnis 41 Atome 41-1 Unser atomares Weltbild Einige Eigenschaften von Atomen Der Spin des Elektrons Drehimpulse und magnetische Dipolmomente 41-5 Das Stern-Gerlach-Experiment Kernspin-Resonanz Das Pauli-Prinzip Mehrere Elektronen in kastenförmigen Potenzialtöpfen Der Aufbau des Periodensystems Röntgenstrahlen und die Ordnungszahl der Elemente Laser und Laserlicht Die Funktionsweise eines Lasers Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern 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 Die Lumineszenzdiode (LED) Der Transistor Kernphysik 43-1 Die Entdeckung des Atomkerns Einige Eigenschaften von Atomkernen Radioaktiver Zerfall Der Alpha-Zerfall Der Beta-Zerfall Radiometrische Zeitmessung Maße für Strahlungsdosen Kernmodelle Kernenergie 44-1 Das Atom und sein Kern Kernspaltung: der grundlegende Prozess Ein Modell der Kernspaltung Der Kernreaktor Ein natürlicher Kernreaktor Thermonukleare Fusion: der grundlegende Prozess Thermonukleare Fusion in der Sonne und anderen Sternen Kontrollierte thermonukleare Fusion Quarks, Leptonen und der Big Bang 45-1 Die Physik am Rande der Erkenntnisse Teilchen, Teilchen und nochmals Teilchen Ein typischer Teilchenprozess Leptonen Hadronen Noch ein Erhaltungssatz Der Achtfache Weg Das Quark Modell Die fundamentalen Kräfte und die Vermittlerteilchen Der Teil und das Ganze Das Universum dehnt sich aus Die kosmische Hintergrundstrahlung Dunkle Materie Der Big Bang Ein Rückblick...