PHYSIK. für Bachelors. Johannes Ryhach. Fachbuchverlag Leipzig i im Carl Hanser Verlag. 2., aktualisierte Auflage

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1 L Johannes Ryhach PHYSIK für Bachelors 2., aktualisierte Auflage Mit 301 Abbildungen, 92 durchgerechneten Beispielen, 176 Testfragen mit Antworten sowie 93 Übungsaufgaben mit kommentierten Musterlösungen Fachbuchverlag Leipzig i im Carl Hanser Verlag

2 7 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis 1 EINSTIEG 1.1 Motivation Physikalische Größen Maßsystem und Standards Größenordnungen Messgenauigkeit Vektoren und Koordinaten 18 Zusammenfassung: Einstieg 20 Testfragen und Übungsaufgaben 20 2 MECHANIK 2.1 Kinematik Eindimensionale Bewegungen Geschwindigkeit Beschleunigung Bewegungsgleichung Der freie Fall Bewegungen in zwei und drei Dimensionen i Überlagerung eindimensionaler Bewegungen Bezugssysteme und Transformationen 28 Znsammenfassung: Kinematik Dynamik NEWTONsche Axiome Trägheitsgesetz Aktionsgesetz Reäktionsgesetz Folgerungen aus den NEWTON sehen Axiomen Kraft und Impuls Abgeschlossene Systeme und Impulserhaltungssatz Mechanische Kräfte Trägheitskraft Gewichtskra/t Federkraft und Hoo&Esches Gesetz Reibungskraft 35 Zusammenfassung: Dynamik Arbeit, Energie und Leistung Mechanische Arbeit Potenzielle Energie Kinetische Energie Energieerhaltungssatz der Mechanik Stoßgesetze Leistung und Wirkungsgrad 40 Zusammenfassung: Arbeit, Energie und Leistung Kinematik und Dynamik der Kreisbewegung Grundbegriffe der Kreisbewegung Radialbeschleunigung Radialkräfte CoRiOLis-Beschleunigung und -Kraft 45 Zusammenfassung: Kreisbewegung Rotation starrer Körper Drehmoment Schwerpunkt, Gleichgewicht und Statik Trägheitsmoment Rotationsenergie und Drehimpuls.. 52 Zusammenfassung: Rotation starrer Körper Schwingungen und Wellen Freie ungedämpfte Schwingungen Freie gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Überlagerung von Schwingungen Räumliche Überlagerung Zeitliche Überlagerung Gekoppelte Schwingungen Harmonische Wellen 61 Zusammenfassung: Schwingungen und Weilen Gravitation und Himmelsmechanik KEPLERSche Gesetze NEWTONsches Gravitationsgesetz Gravitationsfeld Ergebnisse der EiNSTEiNschen Relativitätstheorien 67

3 INHALTSVERZEICHNIS Spezielle Relativitätstheorie Allgemeine Relativitätstheorie Zusammenfassung: Gravitation und Himmelsmechanik Flüssigkeiten und Gase Druck Kolbendruck Schweredruck Luftdruck Auftrieb Oberflächenspannung Strömungen Reibungsfreie Strömungen Viskose Strömungen 77 Zusammenfassung: Flüssigkeiten und Gase.. 79 Testfragen und Übungsaufgaben zur Mechanik 80 3 THERMODYNAMIK 3.1 Temperatur Skalen und Fixpunkte Thermische Ausdehnung Temperaturmessung 87 Zusammenfassung: Temperatur Wärme Wärmekapazität Aggregatzustände Wärmetransport Konvektion Wärmeleitung Wärmestrahlung 96 Zusammenfassung: Wärme Ideale Gase Molare Größen Zustandsgieichung Kinetische Gastheorie Druck'' Temperatur und Energie MAXWELLSche Geschwindigkeits- I Verteilung und BOLTZMANN-Faktor Zusammenfassung: Ideale Gase 105 / 3.4 Zustandsänderungen und erster Hauptsatz Volumenänderungsarbeit Erster Hauptsatz Zustandsänderungen Isotherme Zustandsänderung Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Adiabatische Zustandsänderung Zusammenfassung: Zustandsänderungen und erster Hauptsatz Kreisprozesse und zweiter Hauptsatz Kreisprozess von CARNOT Reversibilität und Wirkungsgrad Kreisprozesse bei Motoren Zweiter Hauptsatz Entropie 117 Zusammenfassung: Kreisprozesse und zweiter Hauptsatz 120 Testfragen und Übungsaufgaben zur Thermodynamik ELEKTRIZITÄT UND MAGNETISMUS 4.1 Elektrostatik Elektrische Ladungen und die CouLOMB-Kraft Elektrisches Feld Potenzial und Spannung Kondensator und Kapazität Plattenkondensator Dielektrikum im Kondensator Kondensator als Energiespeicher Zusammenfassung: Elektrostatik Strom und Widerstand Stromstärke und Stromdichte Widerstand Stromkreise und Stromverzweigungen 138 Zusammenfassung: Strom und Widerstand

4 INHALTSVERZEICHNIS 4.3 Magnetfeld Magnetische Phänomene 142 4:3.2 Strom und Magnetfeld Materie im Magnetfeld Strom und magnetische Kraft LORENTZ-Kraft 148 Zusammenfassung: Magnetfeld Elektromagnetische Induktion Induktion durch Bewegung Induktionsgesetz LENZsche Regel Selbstinduktion Energie des Magnetfeldes 156 Zusammenfassung: Elektromagnetische Induktion Wechselstrom Generator und Transformator Wechselstromwiderstand Phasenbeziehungen im Wechselstromkreis 160 Zusammenfassung: Wechselstrom Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Schwingkreis MAXWELLSche Gleichungen Elektromagnetische Wellen Abstrahlung Ausbreitung Eigenschaften 168 Zusammenfassung: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Grundlagen der Elektronik Elektronen im Vakuum Glühelektrischer Effekt Beschleunigung im elektrischen Feld Ablenkung im magnetischen Feld Elektronen in Gasen Ladungen in Flüssigkeiten Elektronen in Metallen ,*! Ladungen in Halbleitern Eigenleitung Störstellenleitung pn-übergang Halbleiterdioden Transistoren 179 Zusammenfassung: Grundlagen der Elektronik 180 Testfragen und Übungsaufgaben zu Elektrizität und Magnetismus OPTIK 5.1 Grundlagen der Strahlenoptik Lichtausbreitung Reflexion Brechung und Totalreflexion 188 Zusammenfassung: Grundlagen der Strahlenoptik Strahlenoptische Abbildungen Eigenschaften von Linsen Abbildungen mit Linsen Linsensysteme und Abbildungsfehler 195 Zusammenfassung: Strahlenoptische Abbildungen Strahlenoptische Instrumente Kamera und Auge Fernrohre Mikroskop 200 Zusammenfassung: Strahlenoptische Instrumente Grundlagen der Wellenoptik Interferenz und Kohärenz Wellenausbreitung Beugung 205 Zusammenfassung: Grundlagen der Wellenoptik Anwendungen der Wellenoptik Beugungsbegrenztes Auflösungsvermögen Beugungsgitter Holografie Interferometrie 211 Zusammenfassung: Anwendungen der Wellenoptik 213

5 10 INHALTSVERZEICHNIS 5.6 Polarisationsoptik Grundbegriffe Erzeugung polarisierten Lichtes Anwendungen polarisierten Lichtes. 216 Zusammenfassung: Polarisationsoptik 217 Testfragen und Übungsaufgaben zur O p t i k QUANTEN UND ATOME 6.1 Welle-Teilchen-Dualismus Quantenoptik Fotoeffekt Eigenschaften von Photonen CoMPTON-Effekt Materiewellen HEiSENBERGsche Unschärferelation. 225 Zusammenfassung: Welle- Teilchen-Dualismus Atomhülle RuTHERFORDsches Planetenmodell Boi-iRsches Atommodell Quantenzahlen und das PAüLi-Prinzip Wellenmodell und Quantenmechanik 232 Zusammenfassung: Atomhülle Quanten-Emission und -Absorption Atomspektren Laser Stimulierte Emission Besetzungsumkehr Resonator Rubin- und Helium-Neon-Laser Eigenschaften und Anwendungen Röntgenstrahlung Bremsspektrum Charakteristisches Röntgenspektrum Anwendungen 244 Zusammenfassung: Quanten-Emission und -Absorption Festkörper Bindung und Struktur Bändermodell FERMi-Energie Elektronen- und Löcherleitung Halbleiter-Bauelemente 250 Zusammenfassung: Festkörper Atomkern Nukleonen Masse und Massendefekt Radioaktivität Strahlungen Kernumwandlungen Aktivität und Dosis Strahlungsnachweis Kernenergie Kernspaltung Kernfusion 263 Zusammenfassung: Atomkern 265 Testfragen und Übungsaufgaben zu Quanten und Atome 266 ANHANG Antworten zu den Testfragen und Musterlösungen zu den Übungsaufgaben 269 Nützliche mathematische Beziehungen Quellen-und Literaturverzeichnis 312 Verzeichnis der Bildquellen 314 Sachwortverzeichnis 315