Zweite deutsche Auflage herausgegeben von Dietrich Pelte

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1 Paul A. Tipler Gene Mosca F-Or Wissensc - i r n Zweite deutsche Auflage herausgegeben von Dietrich Pelte Aus dem Amerikanischen ubersetzt von Michael Basler, Renate Marianne Dohmen, Carsten Heinisch, Walter Kuhn, Anna Schleitzer and Michael Zillgitt ELSEVIER SPEKTRUM AKADEMISCHER VERLAG ru~ m S.\hADEMISCHER \'ERWG

2 1 Einheitensysteme 1 23 Das elektrische Potenzial Elektrostatische Energie and Kapazitat Elektrischer Strom - Gleichstromkreise Das Magnetfeld Eindimensionale Bewegung Quellen des Magnetfelds Bewegung in zwei and drei Dimensionen Die magnetische Induktion Die Newton'schen Axiome Wechselstromkreise Anwendungen der Newton'schen Axiome Die Maxwell'schen Gleichungen - Elektromagnetische 6 Arbeit and Energie Wellen Energieerhaltung Teilchensysteme and die Erhaltung des linearen Impulses Drehbewegungen Eigenschaften des Lichts Die Drehimpulserhaltung Optische Abbildungen 1033 R Die spezielle Relativitatstheorie Interferenz and Beugung Gravitation Statisches Gleichgewicht and Elastizitat Fluide ~. 1 I UI I I IN / L, I"l. I V I lla L.) l. I I LlJ I Il %-A I I ld 34 Welle-Teilchen-Dualismus and Quantenphysik Schwingungen Anwendungen der Schr6dinger-Gleichung Ausbreitung von Wellen Atome Oberlagerung and stehende Wellen MolekOle Festk6rper Relativitatstheorie Kernphysik Temperatur and die kinetische Gastheorie Elementarteilchen and die Entstehung des Universums Warme and der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik Thermische Eigenschaften and Vorgange 617 A 1344 B 1347 C Das elektrische Feld I : Diskrete D 1352 Ladungsverteilungen 641 Abbildungsnachweis Das elektrische Feld II : Kontinuierliche Index 1363 Ladungsverteilungen 673

3 son if i il is lift 1.1 Physikalische Gr6Ben and MaBeinheiten Dimensionen physikalischer Gr68en Die Exponentialschreibweise Messgenauigkeit and Messfehler Signifikante Stellen and Gr68enordnungen Verschiebung, Geschwindigkeit and Tempo Beschleunigung Gleichformig beschleunigte Bewegung Integration Aufgabenstellungen mit zwei and mehr K6rpern Reibung 106,vton'schen 5.2 Krummlinige Bewegung Tragheits- oder Scheinkrafte Widerstandskrafte' Numerische Integration : Das Euler- Verfahren Arbeit and kinetische Energie Das Skalarprodukt Arbeit and Energie in drei Dimensionen Potenzielle Energie Der Verschiebungsvektor Allgemeine Eigenschaften von Vektoren Die Erhaltung der mechanischen Energie Ort, Geschwindigkeit and Beschleunigung Der Energieerhaltungssatz Erster Spezialfall : Der schrage Wurf Masse and Energie Zweiter Spezialfall : Die Kreisbewegung Quantisierung der Energie Das erste Newton'sche Axiom : Das Tragheitsgesetz Kraft, Masse and das zweite Newton'sche Axiom Die Gewichtskraft Die Naturkrafte Der Massenmittelpunkt Bestimmung des Massenmittelpunkts durch Integration Bewegung des Massenmittelpunkts Impulserhaltung Kraftediagramme and ihre Anwendung Kinetische Energie eines Systems von 4.6 Das dritte Newton'sche Axiom 94 Teilchen 218

4 INHALT 8.6 St6Be Das Newton'sche Gravitationsgesetz Das Massenmittelpunktsystem als 11.3 Die potenzielle Energie der Gravitation 344 Bezugssystem Das Gravitationsfeld Systeme mit veranderlicher Masse : Strahlantrieb Berechnung des Gravitationsfelds einer Kugelschale durch Integration Kinematik der Drehbewegung : Winkelgeschwindigkeit and Winkelbeschleunigung Die kinetische Energie der Drehbewegung Berechnung von Tragheitsmomenten Das zweite Newton'sche Axiom fur Drehbewegungen : Der Drehimpuls Anwendungen des zweiten Newton'schen Axioms Rollende K6rper Gleichgewichtsbedingungen Der Schwerpunkt Einige Beispiele fur statisches Gleichgewicht Kraftepaare Statisches Gleichgewicht in beschleunigten Bezugssystemen Stabilitat des Gleichgewichts Unbestimmbare Probleme Spannung and Dehnung Die Vektornatur der Rotation Drehmoment and Drehimpuls Die Drehimpulserhaltung Die Quantisierung des Drehimpulses Dichte Druck in einem Fluid Auftrieb and archimedisches Prinzip Bewegte Fluide 405 R.1 Das Relativitatsprinzip and die Konstanz der il 2 : Schwingungen and Wellen Lichtgeschwindigkeit 318 R.2 Bewegte Stabe 319 R.3 Bewegte Uhren Harmonische Schwingung 424 R.4 Noch einmal Bewegte Stabe Energie des harmonischen Oszillators 432 R.5 Weit voneinander entfernte Uhren and 14.3 Einige schwingende Systeme 435 Gleichzeitigkeit Gedampfte Schwingungen 446 R.6 Anwendung der Gesetzmal3igkeiten der 14.5 Erzwungene Schwingungen and speziellen Relativitatstheorie 326 Resonanz 451 R.7 Relativistischer Impuls, Masse and Energie Einfache Wellenbewegungen Periodische Wellen, harmonische 11.1 Die Kepler'schen Gesetze 334 Wellen 471

5 INHALT XVII 15.3 Wellen in drei Dimensionen 477 r lweite Hat pts tz der 15.4 Wellenausbreitung an Hindernissen Der Doppler-Effekt Uberlagerung von Wellen Stehende Wellen Uberlagerung von stehenden Wellen Harmonische Analyse and Synthese Wellenpakete and Dispersion 522 I eii D : 1 7 To rnnorati it i inrl rlin L 17.1 Thermisches Gleichgewicht and Temperatur Celsius- and Fahrenheit-Skala Gasthermometer and die absolute Temperatur Die Zustandsgleichung fur das ideale Gas Die kinetische Gastheorie Warmekraftmaschinen and der Zweite Hauptsatz Kaltemaschinen and der Zweite Hauptsatz Die Gleichwertigkeit der Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes Der Carnot'sche Kreisprozess Warmepumpen Irreversibilitat and Unordnung Entropie Entropie and die Verfiigbarkeit der Energie Entropie and Wahrscheinlichkeit Der Dritte Hauptsatz Thermische Ausdehnung Die Van-der-Waals-Gleichung and Flussigkeits-Dampf-Isothermen Phasendiagramme Warmeubertragung Warmekapazitat and spezifische Warmekapazitat Phaseniibergange and latente Warme Elektrische Ladung Joules Experiment and der Erste Hauptsatz 21.2 Leiter and Nichtleiter 644 der Thermodynamik Die innere Energie eines idealen Gases Das Coulomb'sche Gesetz Das elektrische Feld Volumenarbeit and das P-V- Diagramm eines Gases Elektrische Feldlinien Warmekapazitaten von Gasen Bewegung von Punktladungen in elektrischen Feldern Warmekapazitaten von Festk6rpern Elektrische Dipole in elektrischen 18.8 Das Versagen des Feldern 665 Gleichverteilungssatzes Die reversible adiabatische Kompression eines Gases 576

6 XVIII ~ INHALT 22.1 Berechnung von E mit dem Coulomb'schen Gesetz Die Kirchhoff'schen Regeln RC-Stromkreise Das GauB'sche Gesetz Berechnung von E mit dem Gaul3'schen 26.1 Die magnetische Kraft 824 Gesetz Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld Diskontinuitat von E Ladung and Feld auf Leiteroberflachen Das auf Leiterschleifen and Magnete ausgeubte Drehmoment Ableitung des GauB'schen Gesetzes aus dem 26.4 Der Hall-Effekt 844 Coulomb'schen Gesetz Die Potenzialdifferenz Das Potenzial eines Punktladungssystems Das Magnetfeld von Stromen : Das Biot- Savart'sche Gesetz Die Berechnung des elektrischen Felds aus 27.3 Der GauB'sche Satz fur Magnetfelder 869 dem Potenzial Die Berechnung des elektrischen Potenzials 27.4 Das Ampere'sche Gesetz 870 kontinuierlicher Ladungsverteilungen Magnetismus in Materie Aquipotenzialflachen Das Magnetfeld bewegter Punktladungen Elektrostatische Eneri 28.1 Der magnetische Fluss Induktionsspannung and Faraday'sches 24.1 Die elektrische Energie 746 Gesetz Die Kapazitat Die Lenz'sche Regel Speicherung elektrischer Energie Induktion durch Bewegung Kondensatoren, Batterien and elektrische 28.5 Wirbelstr6me 911 Stromkreise Induktivitat Dielektrika Die Energie des Magnetfelds Molekulare Betrachtung von 28.8 RL-Stromkreise 916 Dielektrika Magnetische Eigenschaften von Supraleitern 921 LJ CICKLI IJU 1121 C.IPirhctrnr nkrei Elektrischer Strom and die Bewegung von Ladungstragern Wechselstromgeneratoren Widerstand and Ohm'sches Gesetz Wechselspannung an einem Ohm'schen Widerstand Energetische Betrachtung elektrischer Stromkreise Wechselstromkreise Zusammenschaltung von Widerstanden Zeigerdiagramme 940

7 29.5 LC- and RLC-Stromkreise ohne 33.6 Fraunhofer'sche and Fresnel'sche Wechselspannungsquelle 941 Beugung Erzwungene Schwingungen in RLC Beugung and Auflosung 1100 Stromkreisen Beugungsgitter Der Transformator Die Maxwell'schen Gleichungen Der Maxwell'sche Verschiebungsstrom Die Maxwell'schen Gleichungen Elektromagnetische Wellen Die Wellengleichung fur elektromagnetische Wellen Welle-Teilchen-Dualismus Lichtspektren Lichtquellen Die Lichtgeschwindigkeit Die Ausbreitung des Lichts Reflexion and Brechung Polarisation Ableitung des Reflexions- and des Brechungsgesetzes (211 o : ;VIUUe1IIe rrlynirc : Quar1LertrT1echanik, Relativitatstheorie and die Struktur der Materie 34.1 Licht 1116 eilchen-dualismus and 34.2 Die Teilchennatur des Lichts : Photonen Energiequantisierung in Atomen Elektronen and Materiewellen Die Interpretation der Wellenfunktion Der Welle-Teilchen-Dualismus Ein Teilchen im Kasten Erwartungswerte Energiequantisierung in anderen Systemen Die Schrodinger-Gleichung Ein Teilchen im Kasten mit endlich hohem Potenzial Der harmonische Oszillator Spiegel Reflexion and Transmission von 32.2 Linsen 1046 Elektronenwellen an Potenzialbarrieren Abbildungsfehler Die Schrodinger-Gleichung in drei Dimensionen Optische Instrumente Die Schrodinger-Gleichung fur zwei identische Teilchen Phasendifferenz and Koharenz Interferenz an diinnen Schichten Das Atom and die Atomspektren Interferenzmuster beim Doppelspalt Das Bohr'sche Modell des 33.4 Beugungsmuster beim Einzelspalt 1087 Wasserstoffatoms Vektoraddition harmonischer Wellen Quantentheorie der Atome 1171

8 36.4 Quantentheorie des Wasserstoffatoms Radioaktivitat Spin-Bahn-Kopplung and Feinstruktur Kernreaktionen Das Periodensystem der Elemente Kernspaltung and Kernfusion Spektren im sichtbaren and im Rontgenbereich Hadronen and Leptonen Die chemische Bindung Spin and Antiteilchen Mehratomige Molekule Erhaltungssatze Energieniveaus and Spektren zweiatomiger 41.4 Quarks 1332 Molekule Feldquanten Die Struktur von Festkorpern Eine mikroskopische Betrachtung der elektrischen Leitfahigkeit Das Fermi-Elektronengas Die Quantentheorie der elektrischen Leitfahigkeit Das Bandermodell der Festkorper Halbleiter Halbleiteriibergangsschichten and Bauelemente Supraleitung Die Fermi-Dirac-Verteilung Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung Das Standardmodell Die Entwicklung des Universums bbildungsnachweis 1359 idex Das Newton'sche Relativitatsprinzip Die Einstein'schen Postulate Die Lorentz-Transformation Uhrensynchronisation and Gleichzeitigkeit Die Geschwindigkeitstransformation Der relativistische Impuls Die relativistische Energie Die allgemeine Relativitatstheorie Eigenschaften der Kerne 1294