Inhalt Inhaltsverzeichnis Vorbemerkung... 9 1 Einleitung 1.1 Gegenstand der Physik... 11 1.2 Teilgebiete der Physik... 14 1.3 Maßsysteme, Einheiten und physikalische Größen... 15 1.3.1 Grober Überblick über die Entstehung des Messwesens und der Maßsysteme... 15 1.3.2 Die Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems SI... 18 1.3.3 Physikalische Größen... 21 1.4 Übungsaufgaben... 26 1.4.1 Fragen zur Wiederholung des Stoffes... 26 1.4.2 Umgang mit Einheiten-Präfixen... 26 1.4.3 Besondere Einheiten... 26 1.4.4 Umrechnung zusammengesetzter Einheiten... 27 1.4.5 Größenordnungen... 27 2 Auswertung von Messungen 2.1 Ursachen von Messungenauigkeiten... 28 2.2 Statistische Kenngrößen... 29 2.2.1 Allgemeine Definitionen... 29 2.2.2 Beispiel für die statistische Auswertung von Messungen... 34 2.2.3 Hinweise zur Ergebnisangabe... 38 2.3 Fehlerfortpflanzung... 38 2.3.1 Fehlerfortpflanzung für Potenzfunktionen... 39 2.3.2 Fehlerfortpflanzung für Linearkombinationen... 40 2.3.3 Kombinationen aus Potenzfunktionen und Linearkombinationen... 41 2.3.4 Fehlerfortpflanzung für Exponentialfunktionen und Logarithmen... 42 2.4 Regression... 42 2.4.1 Lineare Regression... 43 2.4.2 Polynomiale Regression... 49 2.4.3 Potenzgesetze und Logarithmische Auftragung... 51 2.4.4 Exponentialfunktionen und einfach-logarithmische Auftragungen... 53 2.4.5 Tabellarischer Überblick über wichtige Auftragungsarten... 56 2.5 Englische Fachbegriffe... 56 2.6 Übungsaufgaben... 57 2.6.1 Wiederholungsfragen... 57 2.6.2 Fehlerfortpflanzung am Beispiel der Bestimmung der Erdbeschleunigung... 58
4 Physik 1 2.6.3 Fehlerfortpflanzung am Beispiel der Bestimmung der Dichte... 58 2.6.4 Fehlerfortpflanzung am Beispiel der Bestimmung des spezifischen Widerstands... 58 2.6.5 Wirkungsgrad eines Wasserkochers... 59 2.6.6 Regression zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Signalen auf einem Kabel... 60 2.6.7 Regression zur Bestimmung der Kabeldämpfung... 60 2.6.8 Zusammenhang zwischen Umlaufzeit und Bahnradien von Satelliten... 61 3 Kinematik 3.1 Zeitmessung und Zeitnormale... 63 3.2 Methoden der Längen- und Positionsbestimmung... 66 3.2.1 Längenmessung... 66 3.2.2 Methoden der Positionsbestimmung... 70 3.2.3 Koordinatensysteme... 71 3.3 Kenngrößen der eindimensionalen Bewegung... 75 3.3.1 Weg-Zeit-Diagramme... 75 3.3.2 Geschwindigkeit... 76 3.3.3 Beschleunigung... 81 3.4 Einfache Bewegungsformen in einer Dimension... 82 3.4.1 Gleichmäßige Geschwindigkeit... 82 3.4.2 Gleichmäßige Beschleunigung... 83 3.4.3 Exponentiell abklingende Beschleunigung... 84 3.5 Schwingungen... 85 3.5.1 Harmonische Schwingungen... 86 3.5.2 Überlagerung harmonischer Schwingungen mit Vielfachen der Grundfrequenz... 90 3.5.3 Überlagerung von Schwingungen mit geringem... 92 Frequenzunterschied... 92 3.5.4 Gekoppelte Schwingungen... 93 3.5.5 Gedämpfte Schwingungen... 95 3.5.6 Erzwungene Schwingungen und Resonanz... 99 3.6 Bewegungen in zwei und drei Dimensionen... 103 3.6.1 Kenngrößen... 104 3.6.2 Wurfparabel... 105 3.6.3 Rotationen und Kreisbewegungen... 108 3.6.4 Zusammenhang: Schwingung Kreisbewegung... 113 3.7 Übersicht über wichtige Bewegungsformen... 116 3.8 Grundzüge der Wellenlehre... 117 3.9 Englische Fachbegriffe... 122 3.10 Übungsaufgaben... 123 3.10.1 Fragen zur Wiederholung des Stoffes... 123 3.10.2 Geografische Koordinaten... 124
Inhalt 5 3.10.3 Trilateration... 124 3.10.4 Bewegung eines ICEs... 124 3.10.5 Hammerwerfer... 124 3.10.6 Ungedämpftes Fadenpendel... 125 3.10.7 Gedämpfter Schwingkreis... 125 3.10.8 Waschmaschine... 126 3.10.9 CD-Spieler... 126 3.10.10 Wellenlängen und Frequenzen... 126 3.10.11 Bahnkurven... 127 4 Mechanik 4.1 Masse und Impuls... 129 4.1.1 Masse... 129 4.1.2 Massenmittelpunkt... 133 4.1.3 Impuls... 134 4.1.4 Impulserhaltung... 135 4.2 Die Newtonschen Gesetze... 138 4.3 Beispiele für Kräfte und Bewegung... 143 4.3.1 Fundamentale Kräfte in der Physik... 143 4.3.2 Gravitation... 144 4.3.2.1 Das Newtonsche Gravitationsgesetz... 144 4.3.2.2 Das Gravitationsfeld der Erde... 148 4.3.2.3 Planeten- und Satellitenbewegung... 150 4.3.2.4 Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche... 153 4.3.3 Elektrische und magnetische Kräfte... 155 4.3.3.1 Ein geschichtlicher Überblick... 155 4.3.3.2 Elektrostatische Anziehungskraft... 157 4.3.3.3 Magnetische Kräfte... 162 4.3.4 Druck, Schweredruck und Auftrieb... 169 4.3.4.1 Druckdefinition... 169 4.3.4.2 Kompressibilität... 170 4.3.4.3 Schweredruck in (annähernd) inkompressiblen Flüssigkeiten... 171 4.3.4.4 Auftrieb... 172 4.3.4.5 Luftdruck... 173 4.3.5 Reibungskräfte... 175 4.3.5.1 Reibung zwischen Festkörpern... 176 4.3.5.2 Reibung in Flüssigkeiten und Gasen... 179 4.3.6 Elastische Kräfte... 185 4.4 Mechanik des starren Körpers... 188 4.4.1 Das Drehmoment... 189 4.4.2 Das Trägheitsmoment... 191 4.4.3 Der Drehimpuls... 196 4.4.4 Drehimpuls und magnetisches Moment... 200 4.4.5 Vergleich zwischen Translation und Rotation... 201
6 Physik 1 4.5 Englische Fachbegriffe... 202 4.6 Übungsaufgaben... 203 4.6.1 Fragen zur Wiederholung des Stoffes... 203 4.6.2 Kräfte und deren Richtung... 204 4.6.3 Satelliten... 204 4.6.4 Vereinfachtes Modell des Wasserstoff-Atoms... 205 4.6.5 Elektrische und magnetische Felder... 205 4.6.6 Drucke... 205 4.6.7 Bremswege... 206 4.6.8 Skispringer... 206 4.6.9 Fahrradfahrer... 207 4.6.10 Windlast bei einer Antenne... 207 4.6.11 Spiralfedern und Schwingungen... 207 4.6.12 Trägheitsmomente und Drehimpulse... 207 4.6.13 Antenne auf Stativ... 208 4.6.14 Wasser-Molekül... 208 5 Arbeit, Energie und Leistung 5.1 Einleitung... 210 5.2 Mechanische Beispiele für Arbeit, Energie und Leistung sowie elektrische Entsprechungen... 211 5.2.1 Hubarbeit... 211 5.2.2 Elektrische Arbeit und Leistung: Ladungstransport im Plattenkondensator... 214 5.2.3 Arbeit gegen Reibung... 214 5.2.4 Heben auf einer schiefen Ebene... 215 5.2.5 Arbeit beim Dehnen einer Feder... 216 5.2.6 Arbeit im Gravitationsfeld und elektrischen Feld einer Punktladung... 218 5.2.7 Beschleunigungsarbeit und kinetische Energie... 219 5.2.8 Windenergie... 220 5.3 Das Potenzial und der Erhaltungssatz zur mechanischen Energie... 223 5.3.1 Energieerhaltung beim freien Fall... 223 5.3.2 Energieerhaltung bei harmonischen Schwingungen... 223 5.3.3 Allgemeine Definition der Arbeit und des Potenzials... 224 5.3.4 Beispiel für Potenziale... 226 5.3.5 Erhaltungssatz für mechanische Energie... 228 5.3.6 Elastischer Stoß... 229 5.4 Wärmeenergie... 231 5.4.1 Gase... 233 5.4.1.1 Zustandsgleichung idealer Gase... 233 5.4.1.2 Kinetische Gastheorie... 235 5.4.1.3 Gleichverteilungssatz... 239 5.4.1.4 Spezifische Wärmekapazität von Gasen... 240
Inhalt 7 5.4.1.5 Wärmeenergie von Elektronen in Bauelementen Rauschen.. 242 5.4.2 Wärmekapazität von Festkörpern und Flüssigkeiten... 243 5.4.3 Phasenübergänge... 247 5.4.4 Wärmekraftmaschinen... 250 5.4.5 Mechanismen der Wärmeübertragung... 253 5.5 Weitere Energieformen und der allgemeine Energieerhaltungssatz... 259 5.5.1 Chemische Energie... 259 5.5.2 Kernenergie... 261 5.5.3 Energie elektromagnetischer Strahlung... 264 5.5.4 Energieformen und der allgemeine Energieerhaltungssatz... 266 5.6 Statistiken zur Energieerzeugung und zum Energieverbrauch... 267 5.7 Englische Fachbegriffe... 271 5.8 Übungsaufgaben... 272 5.8.1 Fragen zur Wiederholung des Stoffes... 272 5.8.2 Energie und Leistung bei einer Bergetappe... 272 5.8.3 Leistung bei der mobilen Kommunikation... 273 5.8.4 Wasserkraftwerk... 273 5.8.5 PKW-Leistung... 273 5.8.6 Energie bei Federschwingungen... 274 5.8.7 Gravitationspotential und Satelliten... 274 5.8.8 Windkraft... 274 5.8.9 Energie und Stoßprozesse... 274 5.8.10 Wasserdampf... 275 5.8.11 Heizung... 275 5.8.12 Solarkraftanlage... 276 6 Aufbau der Materie 6.1 Ein historischer Überblick... 279 6.2 Genereller Aufbau der Materie... 282 6.2.1 Überblick... 282 6.2.2 Zusammensetzung von Atomen und Atomkernen... 283 6.2.3 Atome und Moleküle in makroskopischen Körpern... 287 6.3 Unzulänglichkeiten der Mechanik und Elektrodynamik im atomaren Bereich... 290 6.3.1 Der äußere Foto-Effekt... 290 6.3.2 Der Compton-Effekt... 292 6.3.3 Einfache Atommodelle... 293 6.3.4 Welleneigenschaften atomarer Teilchen... 297 6.3.5 Quantenmechanik und Wahrscheinlichkeiten... 300 6.4 Beispiele für die Anwendung der Wellenmechanik... 303 6.4.1 Diskrete Energieniveaus im Potenzialtopf... 303 6.4.2 Diskrete Energieniveaus beim harmonischen Oszillator... 306 6.4.3 Wasserstoff-Atom... 307 6.4.4 Der Tunnel-Effekt... 308
8 Physik 1 6.5 Atomare Drehimpulse und Magnetismus... 312 6.5.1 Drehimpulse und magnetische Momente... 312 6.5.2 Quantenzahlen beim Bahndrehimpuls... 314 6.5.3 Bahndrehimpulse und Molekülrotationen... 316 6.5.4 Der Spin... 318 6.5.5 Das Pauli-Prinzip... 320 6.5.6 Spin-Resonanz... 321 6.5.7 Magnetische Eigenschaften von Substanzen... 324 6.5.7.1 Paramagnetismus... 324 6.5.7.2 Diamagnetismus... 325 6.5.7.3 Ferromagnetismus... 326 6.5.7.4 Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus... 327 6.5.8 Spintronik... 328 6.6 Atombau und Struktur der Elektronenhülle... 331 6.6.1 Das Periodensystem der Elemente... 331 6.6.2 Quantenzahlen beim Wasserstoffatom... 334 6.6.3 Energieniveaus bei anderen Elementen... 337 6.7 Moleküle und Festkörper... 339 6.7.1 Chemische Bindung... 339 6.7.1.1 Ionenbindung... 339 6.7.1.2 Kovalente Bindung... 340 6.7.1.3 Metallische Bindung... 341 6.7.1.4 Dipol-Bindungen... 342 6.7.2 Energiebänder in Festkörpern und die elektrische Leitfähigkeit... 342 6.8 Übungsaufgaben... 348 6.8.1 Fragen zur Wiederholung des Stoffes... 348 6.8.2 Atomabstände und Dichten... 349 6.8.3 Energieniveaus beim Laser... 349 6.8.4 Rotation von Stickstoff-Molekülen... 350 6.8.5 Spin-Resonanz... 350 6.8.6 Wasserstoff-Spektrum... 350 6.8.7 Chemische Verbindungen... 350 Anhang A: Lösungen zu den Übungsaufgaben A.1 Lösungen zu den Übungsaufgaben zu Kapitel 1... 351 A.2 Lösungen zu den Übungsaufgaben zu Kapitel 2... 352 A.3 Lösungen zu den Übungsaufgaben zu Kapitel 3... 360 A.4 Lösungen zu den Übungsaufgaben zu Kapitel 4... 368 A.5 Lösungen zu den Übungsaufgaben zu Kapitel 5... 378 A.6 Lösungen zu den Übungsaufgaben zu Kapitel 6... 383 Anhang B: Wichtige physikalische Konstanten... 388 Anhang C: Ergänzende Literatur... 389