Inhaltsverzeichnis. 1 Messung und Maßeinheiten

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1 1--15 Mechanik Schwingungen und Wellen Thermodynamik Elektrostatik und Elektrodynamik Optik Jenseits der klassischen Physik 1 Messung und Maßeinheiten 1-1 Dinge messen Das internationale Einheitensystem SI Einheiten umwandeln Länge Zeit Masse... 9 Zusammenfassung... 9 Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben Vektoren 3-1 Vektoren und Skalare Geometrische Addition von Vektoren Komponenten von Vektoren Einheitsvektoren Vektoren komponentenweise addieren Vektoren und physikalische Gesetze Multiplikation von Vektoren Felder Partielle Ableitungen Der Gradient Die Divergenz Die Rotation Zweite Ableitungen Komplexe Zahlen und Funktionen Zusammenfassung Fragen Aufgaben Bewegung in zwei und drei Dimensionen 4-1 Bewegung in zwei oder drei Dimensionen Ort und Verschiebung Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit Durchschnittsbeschleunigung und Momentanbeschleunigung... 74

2 X 4-5 Wurfbewegungen Analyse der Wurfbewegung Die gleichförmige Kreisbewegung Relativbewegung in einer Dimension Relativbewegung in zwei Dimensionen Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben Kraft und Bewegung -- II 6-1 Reibung Eigenschaften der Reibung Strömungswiderstand und Endgeschwindigkeit Gleichförmige Kreisbewegung Scheinkräfte Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Von einer äußeren Kraft an einem System verrichtete Arbeit Energieerhaltung Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben Stoßprozesse 10-1 Was ist ein Stoß? Kraftstoß und Impuls Impuls und kinetische Energie bei Stoßprozessen Inelastische, eindimensionale Stöße Elastische, eindimensionale Stöße Zweidimensionale Stöße Zusammenfassung Fragen Aufgaben

3 11 Die Rotation ausgedehnter Körper 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben Rollen, Drehmoment und Drehimpuls 12-1 Rollen Die kinetische Energie der Rollbewegung Kräfte bei der Rollbewegung Ein Jo-Jo Eine erweiterte Definition des Drehmoments Der Drehimpuls Das zweite Newtonsche Axiom in Winkelschreibweise Der Drehimpuls eines Teilchensystems Der Drehimpuls eines rotierenden starren Körpers Die Erhaltung des Drehimpulses Zusammenfassung Fragen Aufgaben XI Fragen Aufgaben Gravitation 14-1 Die Gravitationskraft in unserem Kosmos Das Newtonsche Gravitationsgesetz Gravitation und das Superpositionsprinzip Die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche Die Gravitation innerhalb der Erde Die potenzielle Energie der Gravitation Planeten und Satelliten: Die Keplerschen Gesetze Satelliten: Umlaufbahnen und Energie Einstein und die Gravitation Zusammenfassung Fragen Aufgaben Fluide 15-1 Fluide in unserer Umgebung Was ist ein Fluid? Dichte und Druck Ruhende Fluide Druckmessung Das pascalsche Prinzip Das Archimedische Prinzip Ideale Fluide in Bewegung Die Kontinuitätsgleichung Die Bernoulli-Gleichung Zusammenfassung Fragen Aufgaben Gleichgewicht und Elastizität 13-1 Gleichgewicht Bedingungen für das Gleichgewicht Das Gravitationszentrum Beispiele für statische Gleichgewichte Unterbestimmte Strukturen Elastizität Zusammenfassung Schwingungen 16-1 Schwingungen Harmonische Schwingungen Das Kraftgesetz der harmonischen Schwingung Die Energie der harmonischen Schwingung Das Torsionspendel

4 XII 16-6 Pendel Harmonische Schwingungen und die gleichförmige Kreisbewegung Gedämpfte harmonische Schwingungen Erzwungene Schwingungen und Resonanz Das Foucaultsche Pendel Zusammenfassung Fragen Aufgaben Wellen -- I 17-1 Wellen und Teilchen Wellenarten Transversale und longitudinale Wellen Wellenlänge und Frequenz Die Geschwindigkeit einer 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben Wellen -- II 18-1 Schallwellen Die Schallgeschwindigkeit Ausbreitung von Schallwellen Interferenz Schallintensität und Schallpegel Musikalische Töne Schwebungen Der Doppler-Effekt Überschallgeschwindigkeiten und Schockwellen Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Thermodynamische Freiheitsgrade und molare spezifische Wärmen Die Quantenmechanik macht sich bemerkbar Adiabatische Ausdehnung eines idealen Gases Reale Gase Zusammenfassung Fragen Aufgaben Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 21-1 Gerichtete Prozesse Entropieänderungen Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 629

5 XIII 21-4 Die Entropie in Aktion: Maschinen Die Entropie in Aktion: Kältemaschinen Die Wirkungsgrade realer Maschinen Eine statistische Interpretation der Entropie Zusammenfassung Fragen Aufgaben Elektrische Ladung 22-1 Elektromagnetismus Elektrische Ladung Leiter und Isolatoren Das Coulombsche Gesetz Die elektrische Ladung ist quantisiert Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgröße Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Anwendung des Gaußschen Satzes: Zylindersymmetrie Anwendung des Gaußschen Satzes: Ebene Symmetrie Anwendung des Gaußschen Satzes: Kugelsymmetrie Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Felds aus dem elektrischen Potenzial Elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen Potenzial eines geladenen, isolierten leitenden Körpers Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Dielektrika und Gaußscher Satz

6 XIV Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben Stromkreise 28-1 Pumpen von Ladung Arbeit, Energie und Spannung Berechnung des Stroms in einem unverzweigten Stromkreis Weitere unverzweigte Stromkreise Potenzialdifferenzen Verzweigte Stromkreise Amperemeter und Voltmeter RC-Kreise Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 stromdurchflossene Drahtschleife Magnetisches Dipolmoment Zusammenfassung Fragen Aufgaben Magnetfelder aufgrund von Strömen 30-1 Das Magnetfeld eines Stroms Die Kraft zwischen parallelen Strömen Das Amperesche Gesetz Zylinder- und Ringspulen Eine stromführende Spule als magnetischer Dipol Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Magnetfelds Gegeninduktion Zusammenfassung Fragen Aufgaben Magnetismus und Materie 32-1 Magnete Der Gaußsche Satz für Magnetfelder Der Erdmagnetismus Der Magnetismus von Elektronen Magnetische Materialien Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Induzierte magnetische Felder

7 XV Der Verschiebungsstrom Zusammenfassung Fragen Aufgaben Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom 33-1 Neue Physik -- alte Mathematik LC-Schwingungen: Eine qualitative Diskussion Die Analogie: Elektrischer und mechanischer Schwingkreis LC-Schwingungen: Eine quantitative Diskussion Gedämpfte Schwingungen in einem RLC-Kreis Wechselstrom Erzwungene Schwingungen Drei einfache Stromkreise Der in Reihe geschaltete RLC-Kreis Die Leistung in Wechselstromkreisen Transformatoren Zusammenfassung Fragen Aufgaben Maxwell-Gleichungen und elektromagnetische Wellen 34-1 Maxwells Regenbogen Die Maxwellgleichungen Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen Energietransport und Poynting-Vektor Der Strahlungsdruck Polarisation Reflexion und Brechung Innere Totalreflexion Polarisation durch Reflexion Zusammenfassung Fragen Aufgaben Abbildungen 35-1 Zwei Arten von Bildern Ebene Spiegel Kugelspiegel Abbildungen an Kugelspiegeln Sphärische brechende Flächen Dünne Linsen Optische Instrumente Drei Herleitungen Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben Relativitätstheorie 38-1 Womit beschäftigt sich die Relativitätstheorie? Die Postulate

8 XVI 38-3 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Das Plancksche Strahlungsgesetz Zusammenfassung Fragen Aufgaben Mehr über 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 Bohrsche Modell des Wasserstoffatoms Zusammenfassung Fragen Aufgaben Atome 41-1 Unser atomares Weltbild Einige Eigenschaften von Atomen Der Spin des Elektrons Drehimpulse und magnetische Dipolmomente Das Stern-Gerlach-Experiment Kernspinresonanz 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Anwendungen des pn-übergangs Der Transistor Zusammenfassung Fragen Aufgaben Kernphysik 43-1 Die Entdeckung des Atomkerns Einige Eigenschaften von Atomkernen Radioaktiver Zerfall Der Alpha-Zerfall Der Beta-Zerfall Radiometrische Zeitmessung Maße für Strahlungsdosen

9 XVII 43-8 Kernmodelle Zusammenfassung Fragen Aufgaben 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 Zusammenfassung Fragen Aufgaben Quarks, Leptonen und der Urknall 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 Urknall Ein Rückblick Zusammenfassung Fragen Aufgaben Anhang A Das Internationale Einheitensystem (SI) B Astronomische Daten C Umrechnungsfaktoren D Mathematische Formeln E Eigenschaften der Elemente F Ergebnisse der Kontrollfragen, Fragen und Aufgaben G Index H Bildquellenverzeichnis