David Mills (Hrsg.) in Zusammenarbeit mit Charles Adler, Edward Whittaker, George Zober, Patricia Zober Arbeitsbuch zu Tipler/Mosca Physik Für Wissenschaftler und Ingenieure Zweite deutsche Auflage herausgegeben von Michael Zillgitt Aus dem Amerikanischen übersetzt von Michael Zillgitt und Michael Basler ELSEVIER SPEKTRUM AKADEMISCHER VERLAG. AKADEMISCHER VERLAG
Inhalt 1 Einheitensysteme Maßeinheiten Dimensionen physikalischer Größen Exponentialschreibweise und signifikante Stellen Teil I Mechanik 2 Eindimensionale Bewegung Tempo, Verschiebung und Geschwindigkeit Beschleunigung Gleichförmig beschleunigte Bewegung und freier Fall Integration der Bewegungsgleichungen 3 Bewegung in zwei und drei Dimensionen Vektoren, Vektoraddition und Koordinatensysteme Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren Der schräge Wurf 4 Die Newton'schen Axiome Das erste und das zweite Newton'sche Axiom: Masse, Trägheit und Kraft Masse und Gewicht Kräftediagramme: Statisches Gleichgewicht 5 Anwendungen der Newton'schen Axiome Reibung Krummlinige Bewegung 1 1 2 2 7 9 11 11 i i 11 12 25 26 26 26 36 36 37 37 48 49 51 Konzepte der Zentripetalkraft Widerstandskräfte 6 Arbeit und Energie Arbeit und kinetische Energie Arbeit durch eine ortsabhängige Kraft Das Skalarprodukt Potenzielle Energie 7 Energieerhaltung Die Erhaltung der mechanischen Energie Energieerhaltung Masse und Energie 8 Teilchensysteme und die Erhaltung des linearen Impulses Bestimmung des Massenmittelpunkts Bestimmung des Massenmittelpunkts durch Integration Bewegung des Massenmittelpunkts Impulserhaltung Kinetische Energie eines Teilchensystems Kraftstoß und zeitliches Mittel einer Kraft 51 52 70 71 71 71 72 80 81 82 82 94 96 96 Schwerpunktsystem 97 Systeme mit kontinuierlich veränderlicher Masse: Strahlantrieb 97 9 Drehbewegungen 110 Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung 111
X Inhalt Drehmoment, Trägheitsmoment und das zweite Newton'sche Axiom für Drehbewegungen Berechnung von Trägheitsmomenten Kinetische Energie der Rotation Rollen, Fallmaschinen und herabhängende Teile 10 Die Drehimpulserhaltung Der Vektorcharakter der Rotation Drehmoment und Drehimpuls Drehimpulserhaltung Quantisierung des Drehimpulses 111 111 112 112 129 130 130 131 131 Leitern 160 Spannung und Dehnung 161 13 Fluide 171 Dichte 172 Druck 172 Auftrieb 172 Strömung viskoser Flüssigkeiten 173 Teil II Schwingungen und Wellen 182 14 Schwingungen 183 Harmonische Schwingungen 183 Energie eines harmonischen Oszillators 184 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 186 R Die spezielle Relativitätstheorie Längenkontraktion und Zeitdilatation Die Relativität der Gleichzeitigkeit Relativistische Energie und relativistischer Impuls 11 Gravitation Die Kepler'schen Gesetze Das Newton'sche Gravitationsgesetz Potenzielle Energie der Gravitation Das Gravitationsfeld Das Gravitationsfeld sphärischer Körper 12 Statisches Gleichgewicht und Elastizität Gleichgewichtsbedingungen Der Schwerpunkt Einige Beispiele für statisches Gleichgewicht 140 140 140 1 T^U 141 146 i "*J 147 147 147 148 148 1 r o 158 158 159 159 15 16 Überlagerung und stehende Wellen Überlagerung und Interferenz Stehende Wellen Teil III Thermodynamik 17 18 Ausbreitung von Wellen Die Wellengleichung Wellen in drei Dimensionen, Intensität Der Doppler-Effekt Temperatur und die kinetische Gastheorie Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekapazität, spezifische Wärme, latente Wärme Kalorimetrie Erster Hauptsatz der Thermodynamik Arbeit und das P-U-Diagramm eines Gases 202 203 203 204 215 215 216 227 228 235
Inhalt XI Wärmekapazitäten von Gasen und der Gleichverteilungssatz Reversible adiabatische Expansion eines Gases 19 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen Der Zweite Hauptsatz Carnot-Maschinen Wärmepumpen Entropieänderungen Entropie und entwertete Energie 20 Thermische Eigenschaften und Vorgänge Wärmeausdehnung Van-der-Waals-Gleichung, Flüssigkeits-Dampf-Isothermen und Phasendiagramme Wärmeleitung Wärmestrahlung Teil IV Elektrizität und Magnetismus 21 Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen Elektrische Ladung Coulomb'sches Gesetz Elektrisches Feld Bewegung von Punktladungen in elektrischen Feldern 22 Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen Berechnung von aus dem Coulomb'schen Gesetz Gauß'sches Gesetz Kugelsymmetrie Zylindersymmetrie 237 246 247 247 247 248 248 248 257 265 267 268 268 268 269 280 <M f\ /"\ 280 281 281 281 Ladung und Feld an Leiteroberflächen 23 Das elektrische Potenzial Potenzialdifferenz Das Potenzial eines Punktladungssystems Berechnung des elektrischen Felds aus dem Potenzial Berechnung des Potenzials <j> kontinuierlicher Ladungsverteilungen 24 Elektrostatische Energie und Kapazität Die elektrische Energie Kapazität Die Speicherung elektrischer Energie Dielektrika 25 Elektrischer Strom - Gleichstromkreise Elektrischer Strom und die Bewegung von Ladungsträgern Widerstand und Ohm'sches Gesetz Temperaturabhängigkeit des Widerstands Energie in elektrischen Stromkreisen Zusammenschaltungen von Widerständen Kirchhoff'sche Regeln Strom- und Spannungsmessgeräte ßC-Strom kreise 26 Das Magnetfeld Die magnetische Kraft Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld 282 2 309 309 310 310 311 324 325 325 325 326 326 326 327 327 343 343 344
XII Inhalt Das auf Leiterschleifen und Magnete ausgeübte Drehmoment 344 Der Hall-Effekt 345 27 Quellen des Magnetfelds 352 Das Magnetfeld sich bewegender Punktladungen 353 Das Magnetfeld von Strömen: das Biot-Savart'sche Gesetz 353 Das Magnetfeld einer Leiterschleife 353 Das Ampere'sche Gesetz 354 Magnetische Momente von Atomen 355 28 Die magnetische Induktion 369 Der magnetische Fluss 370 Induktionsspannung und Faraday'sches Gesetz 370 Induktion durch Bewegung 370 Induktivität 371 Die Energie des Magnetfelds 371 /?/.-Stromkreise 372 29 Wechselstromkreise 382 Wechselstromgeneratoren 383 LC- und /?/.C-Stromkreise ohne Wechselspannungsquelle 383 ^/.-Stromkreise mit Wechselspannungsquelle 383 Filter und Gleichrichter 383 /.C-Stromkreise mit Wechselspannungsquelle 384 /?/.C-Stromkreise mit Wechselspannungsquelle 385 Der Transformator. 386 30 Die Maxwell'schen Gleichungen - Elektromagnetische Wellen 399 Der Maxwell'sche Verschiebungsstrom 399 Maxwell'sche Gleichungen und elektromagnetisches Spektrum 400 Die Wellengleichung für elektromagnetische Wellen 400 TeilV Licht 409 31 Eigenschaften des Lichts 410 Die Lichtgeschwindigkeit 411 Reflexion und Brechung 411 Polarisation 412 32 Optischeinstrumente 419 Ebene Spiegel 420 Sphärische Spiegel 420 Dünne Linsen 420 Abbildungsfehler 421 Das Auge 421 Die Lupe 421 Das Mikroskop 421 Das Teleskop 422 33 Interferenz und Beugung 431 Phasendifferenz und Kohärenz 431 Interferenz an dünnen Schichten 431 Newton'sche Ringe 432 Interferenzmuster beim Doppelspalt 432 Beugungsmuster beim Einzelspalt 432 Vektoraddition harmonischer Wellen 432 Beugung und Auflösung 433 Beugungsgitter 433 Teil VI Moderne Physik: Quantenmechanik, Relativitätstheorie und die Struktur der Materie 441 34 Welle-Teilchen-Dualismus und Quantenphysik 443
Inhalt XIII i Die Teilchennatur des Lichts: Photonen 443 Elektronen und Materiewellen 444 Welle-Teilchen-Dualismus 444 Ein Teilchen im Kasten 444 Berechnung von Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und Erwartungswerten 444 35 Anwendungen der Schrödinger-Gleichung Die Schrödinger-Gleichung Der harmonische Oszillator Reflexion und Transmission von Elektronenwellen: Barrierendurchdringung Die Schrödinger-Gleichung in drei Dimensionen 1 Die Schrödinger-Gleichung l für zwei identische Teilchen l 36 Atome Das Bohr'sche Modell 1 des Wasserstoffatoms Quantentheorie 1 des Wasserstoffatoms 1 Spin-Bahn-Kopplung und 1 Feinstruktur 1 Das Periodensystem der 1 Elemente 1 Optische Spektren und I Röntgenspektren 1 37 Moleküle ML 1 Chemische Bindung 1 Energieniveaus und Spektren 11 zweiatomiger Moleküle 1 38 Festkörper m Die Struktur von Festkörpern 452 457 457 466 466 467 472 473 Eine mikroskopische Betrachtung der elektrischen Leitfähigkeit 473 Das Fermi-Elektronengas 473 Die Quantentheorie der elektrischen Leitfähigkeit 473 Das Bändermodell der Festkörper 473 Halbleiter 473 Halbleiterübergänge und Bauelemente 474 Die BCS-Theorie 474 Die Fermi-Dirac-Verteilung 474 39 Relativitätstheorie 480 Zeitdilatation und Längenkontraktion 480 Die Lorentz-Transformation, Uhrensynchronisation und Gleichzeitigkeit 481 Die Geschwindigkeitstransformation 481 Relativistischer Impuls und relativistische Energie 481 Die allgemeine Relativitätstheorie 482 40 Kernphysik 491 Eigenschaften der Kerne 491 Radioaktivität 492 Kernreaktionen 492 Kernspaltung und Kernfusion 492 41 Elementarteilchen und die Entstehung des Universums 500 Spin und Antiteilchen 500 Die Erhaltungssätze 500 Quarks 501 Die Entwicklung des Universums 501