Kapitel 1 Einleitung 11 Warum Physik? 11 Ziel der Vorlesung 16 Die experimentelle Methode und die Einheiten 17 Der Raum und die Zeit 21 Der Raum = Abstand 21 Die Zeit = Dauer 22 Koordinatensysteme 24 Die kartesischen Koordinaten 25 Die Kugelkoordinaten 28 Übergang zwischen Koordinatensystemen 29 Vektoren 30 Die Vektoralgebra 30 Das Skalarprodukt 33 Das Vektorprodukt 35 Gleichungen für die Ableitung von Vektoren 36 Die kartesischen Basisvektoren und die Vektorkomponenten 37 Lokales System in Kugelkoordinaten 41 Kapitel 2 Kinematik 47 Bewegung 48 Massenpunkte oder Teilchen 48 Bewegung in einer Dimension 49 Der Begriff der Geschwindigkeit 50 Die momentane Geschwindigkeit 50 Der Begriff der Beschleunigung 51 Integration der Bewegung 52 Einige spezielle Bewegungsvorgänge 54 Beschleunigung durch die Gravitation 56 Bewegung in mehreren Dimensionen 57 Der Ortsvektor 57 Der Geschwindigkeitsvektor 59 Der Beschleunigungsvektor 62 Zerlegung und Integration der Bewegung 65 Physik 1 Demonstrationsexperiment: Wurf im bewegten System 67 Demonstrationsexperiment: Schuss auf fallende Platte 70 Die gleichförmige Kreisbewegung 74 Zusammenfassung 78 Kapitel 3 Dynamik 81 Die Masse 82 Die Definition der Masse 82 Träge und schwere Masse 86 Der Impuls 88 Die Definition des Impulses 88 Die Impulserhaltung 90 Das allgemeine Gesetz 90 Das erste Newtonsche Gesetz: Trägheit 91 Das zweite Newtonsche Gesetz: Aktionsprinzip 92 Die Definition der Kraft 92 Beziehung zwischen Kraft und Beschleunigung 94 Das dritte Newtonsche Gesetz: Aktion = Reaktion 95 Anwendungen: Impuls und Impulserhaltung 97 Ein freier Körper im Weltraum 97 Der Rückstoss von Eiskunstläufern 97 Raketenantrieb 99 Anwendungen: Kontaktkräfte 103 Körper, die sich aufeinander befinden 104 Ein hängendes Gewicht 108 Die schiefe Ebene: statischer Fall 110 Eine Rückstellkraft: Die Federkraft 111 Die Spannung: Fadenkräfte 115 Anwendung: Berechnung der Bewegungen 117 Die reibungsfreie schiefe Ebene: dynamischer Fall 118 Bewegung mit Rollen 120 Die Atwoodsche Maschine 122 Eine fundamentale Kraft: Das Newtonsche Gravitationsgesetz 125 2 Physik
Die Erdbeschleunigung 127 Drehimpuls 131 Der Drehimpuls eines Teilchens 131 Das Drehmoment 135 Erhaltung des Drehimpulses 136 Zentrale Kräfte 137 Anwendung: das Flächengesetz 138 Harmonische Schwingungen 142 Eine sinusförmige Bewegung 142 Die Periode der Schwingung 147 Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung 147 Anfangsbedingung 152 Die Kraft bei der harmonischen Bewegung 153 Differentialgleichung der harmonischen Bewegung 154 Kapitel 4 Energie 159 Definition der Energie 160 Die relativistischen Grössen 162 Die Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit 162 Der Geschwindigkeitsparameter 165 Die relativistische Masse 167 Der relativistische Impuls 170 Die Masse-Energie Äquivalenz 170 Die kinetische Energie 172 Potentielle Energie der Gravitation 178 Anwendung: Energieerhaltung 184 Bewegung eines Balles in einer Kreisschleife 184 Die Arbeit, die eine Kraft leistet 187 Bewegung in einer Dimension 187 Bewegung in mehreren Dimensionen 188 Arbeit der Gewichtskraft 190 Arbeit der Federkraft 193 Allgemeine potentielle Energie 195 Konservative und nicht-konservative Kräfte 195 Das Arbeit-Energie Theorem 198 Physik 3 Die mechanische Energie 200 Anwendung: Arbeit-Energie Theorem 202 Die Fluchtgeschwindigkeit 202 Beziehung zwischen Kraft und potentieller Energie: Der Gradient 205 Partielle Ableitungen 205 Die Kraft als Gradient der potentiellen Energie 207 Die geometrische Interpretation des Gradienten 212 Allgemeine potentielle Energie der Gravitationskraft 214 Kapitel 5 Mechanische Wellen 217 Was sind Wellen? 217 Beispiel: Seilwellen 217 Beispiel: Wellenausbreitung im Masse-Feder- System 220 Beispiel: Wellenausbreitung in einem Gas 222 Beschreibung der eindimensionalen Wellenausbreitung 223 Harmonische Wellen 226 Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit 228 Beziehung zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit und Medium 228 Die Wellengleichung 229 Anwendung: Ausbreitungsgeschwindigkeit transversaler elastischer Seilwellen 232 Wellen im Festkörper 237 Longitudinale elastische Welle im Festkörper 239 Prinzip der Superposition 241 Anwendung: Superposition harmonischer Wellen 243 Stehende Wellen 246 Eigenschwingungen einer Saite 246 Wellenfunktionen stehender Wellen 250 4 Physik
Kapitel 6 Materie, Atome und Moleküle 253 Die Phasen der Materie 253 Moleküle 257 Atome 257 Protonen, Neutronen und Elektronen 257 Das Elektronvolt 259 Das Atom und die Elemente 260 Struktur der Atome 262 Die Isotope 265 Die Avogadro-Zahl 266 Die elektrische Ladung 268 Elektrische Ladung der elementaren Teilchen 268 Leiter und Nichtleiter 272 Elektrostatische Aufladung von Körpern 272 Das Coulombsche Gesetz: die elektrostatische Kraft 276 Gravitation versus elektrische Kraft 282 Die elektrische potentielle Energie 283 Das klassische Atom-Modell 286 Die experimentelle Entdeckung des Kerns der Atome (1910) 286 Spektroskopie von isolierten Atomen 287 Spektroskopie des atomaren Wasserstoffs 291 Die Bohrsche Theorie des Wasserstoffatoms (1913) 296 Ionisationsenergie des Wasserstoffatoms 306 Kapitel 7 Temperatur, Gase und das Konzept der Wärme 333 Die Brownsche Molekularbewegung 333 Die Temperatur und das Gasthermometer 339 Das Gasthermometer und die Definition des Druckes 340 Gesetz von Gay-Lussac 342 Gesetz von Boyle und Mariotte 343 Die absolute Temperatur und die Kelvin-Skala 343 Physik 5 Definition der Kelvin-Skala 346 Wärmestrahlung 347 Eigenschaften der Wärmestrahlung 349 Gesetze der Wärmestrahlung 351 Das Spektrum der Wärmestrahlung 355 Bedeutung der Planckschen Konstanten 360 Anwendung: die Thermographie 362 Ideale Gase 363 Die Zustandsgleichung für ideale Gase 363 Wärmeenergie und Wärmekapazität 367 Definition der Wärmekapazität 368 Wärmekapazität eines (einatomigen, idealen) Gases 371 Wärmekapazität eines Festkörpers 372 Latente Wärme 376 Kapitel 8 Thermodynamik 377 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 377 Definition der inneren Energie 378 Der erste Hauptsatz 380 Mechanische Arbeit eines expandierenden Gases 381 Die Wärmekapazitäten CV und Cp 383 Thermische Prozesse des idealen Gases 386 Isobare Zustandsänderung 386 Isotherme Ausdehnung und Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit 387 Adiabatische Ausdehnung 391 Wärmemaschine 395 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 401 Der Carnotsche Kreisprozess 402 Der Wirkungsgrad der Carnotschen Wärmemaschine 407 Wärmemaschine mit maximalem Wirkungsgrad 409 Das Konzept der Irreversilibität 410 Thermische Irreversibilität 412 Mechanische Irreversibilität 413 6 Physik
Weitere Irreversibilität 416 Die Entropie 417 Die Definition der Entropie 417 Entropie des frei expandierenden idealen Gases 420 Entropie und Irreversibilität 424 Kapitel 9 Relativität 427 Relativbewegung 427 Transformation von einem Bezugssystem ins andere 429 Inertialsysteme 433 Die Galileische Transformation 435 Komponentendarstellung 436 Das Ereignis 438 Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle 442 Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit 446 Das Michelson-Morley Experiment 449 Das Postulat der konstanten Lichtgeschwindigkeit 454 Die Lorentz-Transformation 455 Die spezielle Relativitätstheorie 459 Prinzip der Relativität 459 Die Einsteinschen Postulate 461 Invarianz des Raumzeit-Intervalls 462 Eigenzeit und Zeitdilatation 465 Der ganze Weltraum gehört uns 470 Längenkontraktion 471 Die Geschwindigkeitstransformation 472 Gleichzeitigkeit 474 Kapitel 10 Elektromagnetismus 481 Elektrische und magnetische Felder 481 Das elektrische Feld 481 Das elektrische Feld und die Relativität 484 Die Lorentz-Kraft 490 Physik 7 8 Physik Feldlininen 493 Elektrische Feldlinien 493 Der elektrische Dipol 495 Magnetische Feldlinien 496 Magnetische Pole 501 Das magnetische Feld der Erde 502 Elektrische potentielle Energie und elektrisches Potential 504 Der Gradient des Potentials 506 Elektrisches Potential des elektrischen Dipols 507 Die elektrische Spannung 508 Elektrischer Strom 509 Modell der elektrischen Leitung 511 Die Stromdichte und die Leitfähigkeit 515 Das Ohmsche Gesetz 517 Die elektrische Leistung 519 Berechnung der elektrischen und magnetischen Felder 521 Berechnung des E-Feldes 523 Elektrisches Feld eines langen geladenen Stabes 524 Berechnung des B-Feldes 526 Magnetisches Feld eines langen geraden Leiters 528 Bewegte Ladungen in elektrischen und magnetischen Feldern 530 Beschleunigung durch ein elektrisches Potential 530 Bewegung einer Punktladung in einem elektrischen Feld 531 Bewegung einer Punktladung in einem magnetischen Feld 531 Kraft auf einen elektrischen Strom 536 Kraft zwischen zwei parallelen Leitern 537 Der Fluss und die Divergenz des Flusses 539 Die Definition des Flusses 539 Der elektrische und magnetische Fluss 540 Elektrischer Fluss durch eine geschlossene Oberfläche, die eine Punktladung umfasst 544 Die Divergenz des Feldes 546 Das Gauss sche Gesetz 550 Gesetz für das elektrische Feld 550
Berechnung des elektrischen Feldes mit Hilfe des Gauss schen Gesetzes 553 Divergenz des magnetischen Feldes 555 Stromdichte und Ladungserhaltung 557 Das Linienintegral eines Feldes 561 Linienintegral über eine Kurve 561 Theorem von Stokes 563 Rotation des Feldes und konservative Felder 566 Das Ampèresche Gesetz 568 Maxwellsche Gleichungen 572 Gesetz von Faraday (Induktionsgesetz) 574 Die induzierte Spannung 574 Das Induktiongesetz 577 Der induzierte Strom 581 Induktion durch Bewegung 584 Felder eines bewegten geladenen Drahtes 590 Die elektromagnetischen Wellen 599 Die Wellengleichung und die Ausbreitungsgeschwindigkeit 600 Ebene Wellen 602 Harmonische ebene Wellen 605 Das elektromagnetische Spektrum 607 Das Synchrotronlicht 611 Die Polarisation 615 Polarisationsfilter 617 Polarisator und Analysator 618 Energie und Impuls der elektromagnetischen Wellen 622 Der Poynting-Vektor und die Intensität der Welle 622 Intensität als Funktion der Distanz 624 Elektromagnetischer Druck 625 Wellentheorie der elektromagnetischen Wellen 627 Das Prinzip von Huygens 627 Reflexion und Brechung 629 Anwendung: das Prisma 632 Totalreflexion 634 Beugung an einem Spalt 635 Physik 9 Youngsches Experiment: Interferenz der elektromagnetischen Wellen 642 Beugung am Doppelspalt 645 Röntgenbeugung 648 Kapitel 11 Quantenmechanik 657 Einleitung 657 Die Quantisierung des Lichts 659 Der photoelektrische Effekt 659 Definition des Photons 662 Erklärung des Photoelektrischen Effekts 665 Ruhemasse des Photons: 667 Spin des Photons 668 Die Wellennatur der Teilchen 669 Die Hypothese von de Broglie 669 Ein Elektron in einem Kasten 671 Die Schrödinger-Gleichung 677 Ein freies Teilchen in einer Dimension 679 Die stationären Zustände 680 Die Interpretation der Wellenfunktion 682 Reduktion der Wellenfunktion 685 Elektron durch Doppelspalt 688 Die Unschärferelation 694 Röntgen- und Elektronenbeugung 702 Röntgenbeugung 702 Elektronenbeugung 706 Der Tunneleffekt 709 Das Wasserstoffatom 718 Wasserstoffatom mit Schrödinger-Gleichung 721 Die stationären Zustände des Wasserstoffatoms 724 Drehimpuls and magnetische Wechselwirkung 727 Eigendrehimpuls des Elektrons 730 Spin des Protons 731 Spin und Mehrelektronenatome 733 Das EPR-Paradoxon 735 Eine weitere Unschärferelation 741 10 Physik