Physik. Bachelor-Edition

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1 WILEY-VCH GmbH & Co. KGaA Physik Bachelor-Edition David Halliday Robert Resnick Jearl Walker University of Pittsburgh Rensselaer Polytechnic Institute Cleveland State University Herausgeber der deutschen Übersetzung Stephan W. Koch Universität Marburg B10ENTENNIAL WWILEY 2007 B10ENTENNIAL

2 verzeichnis Messung und Maßeinheiten 1-1 Dinge messen 1-2 Das internationale Einheitensystem SI 1-3 Einheiten umwandeln 1-4 Länge 1-5 Zeit 1-6 Masse 2 Geradlinige Bewegung 2-1 Bewegung 2-2 Ort und Verschiebung 2-3 Durchschnittsgeschwindigkeit 2-4 Momentangeschwindigkeit 2-5 Beschleunigung 2-6 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung: Ein Sonderfall 2-7 Ein weiterer Zugang zur gleichmäßig beschleunigten Bewegung 2-8 Der freie Fall Vektoren 3-1 Vektoren und Skalare 3-2 Geometrische Addition von Vektoren 3-3 Komponenten von Vektoren 3-4 Einheitsvektoren 3-5 Vektoren komponentenweise addieren 3-6 Vektoren und physikalische Gesetze 3-7 Multiplikation von Vektoren Bewegung in zwei und drei Dimensionen Bewegung in zwei oder drei 2 Dimensionen Ort und Verschiebung Durchschnittsgeschwindigkeit und 6 Momentangeschwindigkeit Durchschnittsbeschleunigung und 10 Momentanbeschleunigung Wurfbewegungen Analyse der Wurfbewegung Die gleichförmige Kreisbewegung Relativbewegung in einer Dimension Relativbewegung in zwei Dimensionen Sf 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 Kraft und Bewegung II Reibung Eigenschaften der Reibung 101

3 6-3 Strömungswiderstand und Endgeschwindigkeit 6-4 Gleichförmige Kreisbewegung Kinetische Energie und Arbeit 7-1 Energie 7-2 Arbeit 7-3 Arbeit und kinetische Energie 7-4 Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit 7-5 Von einer Federkraft verrichtete Arbeit 7-6 Von einer allgemeinen veränderlichen Kraft verrichtete Arbeit 7-7 Leistung 8 9 Systeme von Teilchen 9-1 Ein besonderer Punkt 9-2 Der Schwerpunkt 9-3 Das zweite newtonsche Axiom für ein Teilchensystem 9-4 Der Impuls eines Teilchens 9-5 Der Impuls eines Teilchensystems 9-6 Die Impulserhaltung 9-7 Systeme mit veränderlicher Masse: Eine Rakete 9-8 Äußere Kräfte und Änderungen der inneren Energie Inhaltsverzeichnis 1 I IX 1 all 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 Translation und Rotation Rotationsvariable Sind Winkelgrößen Vektoren? Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung Beziehungen zwischen den Variablen für Potenzielle Energie und Energieerhaltung lineare Bewegung und Rotation Die kinetische Energie der Rotation Potenzielle Energie Berechnung des Trägheitsmoments Wegunabhängigkeit von konservativen Kräften Das Drehmoment Berechnung der potenziellen Energie 8-4 Der Energieerhaltungssatz der Mechanik 8-5 Grafische Darstellung der potenziellen Energie 8-6 Von einer äußeren Kraft an einem System verrichtete Arbeit Das zweite newtonsche Axiom für die Rotation Arbeit und kinetische Energie der Rotation Energieerhaltung Rollen, Drehmoment und Drehimpuls 12-1 Rollen 12-2 Die kinetische Energie der Rollbewegung 12-3 Kräfte bei der Rollbewegung 12-4 Ein Jo-Jo 12-5 Eine erweiterte Definition des Drehmoments 12-6 Der Drehimpuls 12-7 Das zweite newtonsche Axiom in Winkelschreibweise 12-8 Der Drehimpuls eines Teilchensys Der Drehimpuls eines rotierenden starren Körpers Die Erhaltung des Drehimpulses tems

4 XI Inhaltsverzeichnis Gleichgewicht und Elastizität 13-1 Gleichgewicht 13-2 Bedingungen für das Gleichgewicht 13-3 Das Gravitationszentrum 13-4 Beispiele für statische Gleichgewichte 13-5 Unterbestimmte Strukturen 13-6 Elastizität 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 Gravitation 14-1 Die Gravitationskraft in unserem Kosmos 14-2 Das newtonsche Gravitationsgesetz 14-3 Gravitation und das Superpositionsprinzip 14-4 Die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche 14-5 Die Gravitation innerhalb der Erde 14-6 Die potenzielle Energie der Gravitation 14-7 Planeten und Satelliten: Die keplerschen Gesetze 14-8 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie 14-9 Einstein und die Gravitation Fluide 15-1 Fluide in unserer Umgebung 15-2 Was ist ein Fluid? 15-3 Dichte und Druck 15-4 Ruhende Fluide 15-5 Druckmessung 15-6 Das pascalsche Prinzip 15-7 Das archimedische Prinzip 15-8 Ideale Fluide in Bewegung 15-9 Die Kontinuitätsgleichung Die Bernoulli-Gleichung Schwingungen 16-1 Schwingungen 16-2 Harmonische Schwingungen 284 Wellen I Wellen und Teilchen Wellenarten Transversale und longitudinale Wellen Wellenlänge und Frequenz Die Geschwindigkeit einer 293 fortlaufenden Welle Die Wellengeschwindigkeit für ein gespanntes Seil Energie und Leistung einer fortlaufenden Seilwelle Das Superpositionsprinzip für Wellen Die Interferenz von Wellen Darstellung einer Welle durch einen Vektor Stehende Wellen Stehende Wellen und Resonanz Wellen II 18-1 Schallwellen Die Schallgeschwindigkeit Ausbreitung von Schallwellen Interferenz Schallintensität und Schallpegel Musikalische Töne Schwebungen Der Doppler-Effekt Überschallgeschwindigkeiten und 332 Schockwellen

5 Inhaltsverzeichnis I 1XI 11M Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz der Elektrische Ladung Thermodynamik 22-1 Elektromagnetismus Thermodynamik 19-2 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 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 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Elektrische Ladung Leiter und Isolatoren Das coulombsche Gesetz 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 Verhalten einer Punktladung in einem elektrischen Feld Verhalten eines Dipols in einem elektrischen Feld Der gaußsche Satz 24-1 Das coulombsche Gesetz in neuem Licht Fluss Fluss eines elektrischen Felds Der gaußsche Satz Gaußscher Satz und coulombsches Gesetz Eigenschaften eines geladenen, isolierten Leiters 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 Elektrisches Potenzial 25-1 Elektrische potenzielle Energie Elektrisches Potenzial Äquipotenzialflächen Berechnung des Potenzials aus dem Feld Potenzial einer Punktladung 531

6 XIII Inhaltsverzeichnis 25-6 Potenzial einer Gruppe von Punktladungen 25-7 Potenzial eines elektrischen Dipols 25-8 Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung 25-9 Berechnung des elektrischen Felds aus dem elektrischen Potenzial Elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen Potenzial eines geladenen, isolierten leitenden Körpers 311 Kapazität 26-1 Kondensatoren und ihre Anwendungen 26-2 Kapazität 26-3 Berechnung der Kapazität 26-4 Parallelschaltungen und Reihenschaltungen von Kondensatoren 28-6 Verzweigte Stromkreise Amperemeter 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 Magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht Drehmoment auf eine 546 stromdurchflossene Drahtschleife Magnetisches Dipolmoment Magnetfelder aufgrund von Strömen Elektrischer Strom und Widerstand 27-1 Ladung in Bewegung: Elektrische Ströme 27-2 Elektrischer Strom 27-3 Stromdichte 27-4 Widerstand und spezifischer Widerstand 27-5 Ohmsches Gesetz 27-6 Das ohmsche Gesetz mikroskopisch betrachtet 27-7 Elektrische Leistung in Stromkreisen 27-8 Halbleiter 27-9 Supraleiter Das Magnetfeld eines Stroms Die Kraft zwischen parallelen Strömen Das amperesche Gesetz I Induktion und Induktivität 31-1 Zwei symmetrische Situationen Zwei Experimente Das faradaysche Induktionsgesetz Die lenzsche Regel Induktion und Energietransfer Induzierte elektrische Felder Induktivität Selbstinduktion Stromkreise 28-1 Pumpen" von Ladung 28-2 Arbeit, Energie und Spannung 28-3 Berechnung des Stroms in einem unverzweigten Stromkreis 28-4 Weitere unverzweigte Stromkreise 28-5 Potenzialdifferenzen Magnetismus und Materie: Die maxwellschen Gleichungen Magnete Der gaußsche Satz für Magnetfelder Der Erdmagnetismus 665

7 Inhaltsverzeichnis 1 I XIII 32-4 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 33-2 LC-Schwingungen: Eine qualitative Diskussion 33-3 Die Analogie: Elektrischer und mechanischer Schwingkreis 33-4 LC-Schwingungen: Eine quantitative Diskussion 33-5 Gedämpfte Schwingungen in einem RLC-Kreis 33-6 Wechselstrom 33-7 Erzwungene Schwingungen Elektromagnetische Wellen 34-1 Maxwells Regenbogen Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen: Qualitative Betrachtung 34-3 Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen: Quantitative Betrachtung Energietransport und Poynting-Vektor Der Strahlungsdruck Polarisation Reflexion und Brechung Innere Totalreflexion 34-9 Polarisation durch Reflexion Abbildungen Zwei Arten von Bildern Ebene Spiegel Kugelspiegel Abbildungen an Kugelspiegeln Sphärische brechende Flächen Interferenz 36-1 Interferenz 36-2 Licht als Welle 36-3 Beugung 36-4 Der Doppelspaltversuch von Young 36-5 Kohärenz 36-6 Intensitäten bei der Interferenz am Doppelspalt 36-7 Interferenz an dünnen Schichten 36-8 Das Michelson-Interferometer Beugung Beugung und die Wellentheorie des Lichts Beugung am Einzelspalt: Lokalisierung 695 der Minima Intensitäten bei der Beugung am 697 Einzelspalt qualitative Betrachtung 37-4 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt quantitative Betrachtung 37-5 Beugung an einer kreisrunden Öffnung 37-6 Beugung am Doppelspalt 37-7 Beugungsgitter 37-8 Beugungsgitter: 701 Dispersion und Auflösungsvermögen 37-9 Röntgenbeugung Relativitätstheorie Womit beschäftigt sich die Relativitätstheorie? 38-2 Die Postulate 38-3 Messung von Ereignissen 38-4 Die Relativität der Gleichzeitigkeit 38-5 Die Relativität der Zeit 38-6 Die Relativität der Länge 38-7 Die Lorentz-Transformation 38-8 Einige Folgen aus den Lorentz-Gleichungen

8 XIV Inhaltsverzeichnis Photonen und Materiefelder 39-1 Eine neue Welt Das Photon: Teilchen des Lichts Der photoelektrische Effekt Photonen haben einen Impuls Licht als Wahrscheinlichkeitswelle Elektronen und Materiewellen Die Schrödinger-Gleichung Die heisenbergsche Unschärferelation Der Tunneleffekt MIM Mehr über Materiewellen 41-4 Drehimpulse und magnetische Dipolmomente Das Stern-Gerlach-Experiment Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern 42-1 Festkörper Die elektrischen Eigenschaften von Festkörpern Die Energieniveaus in einem kristallinen Festkörper Nichtleiter Metalle Halbleiter Der Aufbau der Atome 40-2 Wellen auf einem Seil und Materiewellen 40-3 Die Energie eines Elektrons in einer Elektronenfalle 40-4 Die Wellenfunktionen eines Elektrons in einem Kastenpotenzial 40-5 Ein Elektron in einem endlichen Kastenpotenzial 40-6 Weitere Elektronenfallen 40-7 Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen 40-8 Das Wasserstoffatom 411 Atome 41-1 Unser atomares Weltbild 41-2 Einige Eigenschaften von Atomen 41-3 Der Spin des Elektrons 836 Kernphysik Die Entdeckung des Atomkerns Einige Eigenschaften von Atomkernen Radioaktiver Zerfall Der Alpha-Zerfall Der Beta-Zerfall Radiometrische Zeitmessung ig 852 A Das Internationale Einheitensystem (SI) B Wichtige physikalische Fundamentalkonstanten 906 C Astronomische Daten 907 D Umrechnungsfaktoren 908 E Mathematische Formeln 910 F Eigenschaften der Elemente 913 G Periodensystem der Elemente H Bildquellenverzeichnis I Index Begleitmaterial 929