Physik für Einsteiger

Physik für Einsteiger Ein Lehr- und Übungsbuch für Studienanfäng von Friedrich Luhe Mit 320 Bildern und 161 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen \ Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

7 Inhaltsverzeichnis 1 Größen, Einheiten und Gleichungen in der Physik 11 1.1 Physikalische Größen und Einheiten 11 1.2 Internationales Maßsystem SI 13 1.3 Gleichungen in der Physik 16 1.4 Zugeschnittene Größengleichungen 17 1.5 Ebener Winkel und Raumwinkel 20 1.6 Diagrammdarstellung physikalischer Vorgänge 22 1.7 Anleitung zur Lösung physikalischer Aufgaben 23 2 Kinematik - Translation 25 2.1 Physikalische Größen zur Beschreibung einer Translation 25 2.2 Herleitung der Bewegungsgesetze 27 2.3 Herleitung der Bewegungsgesetze aus den Diagrammdarstellungen 28 2.4 Freier Fall 29 2.5 Senkrechter Wurf 32 2.6 Horizontaler Wurf 33 2.7 Schräger Wurf 34 2.8 Übungsaufgaben 35 3 Kinematik - Rotation 40 3.1 Physikalische Größen zur Beschreibung einer Rotation 40 3.2 Analogie zwischen Translation und Rotation 43 3.3 Herleitung der Rotationsgesetze aus den Diagrammdarstellungen 44 3.4 Die gleichförmige Rotation 45 3.5 Die gleichmäßig beschleunigte Rotation 46 3.6 Übungsaufgaben 47 4 Dynamik - Translation 50 4.1 Masse und Kraft 50 4.2 Kräfte aus dem Bereich der Mechanik 51 4.3 Kraftstoß und Impuls 55 4.4 Arbeit und Energie 56 4.5 Leistung 60 4.6 Wirkungsgrad 61 4.7 Übungsaufgaben 62 5 Dynamik - Rotation 66 5.1 Drehmoment 66 5.2 Massenträgheitsmoment 67 5.3 Zentrifugalkraft und Radialkraft, Grundgesetz der Rotation 68 5.4 Arbeit, Energie und Leistung rotierender Körper 69 5.5 Drehimpuls 70 5.6 Analogiebetrachtungen zur Dynamik 71 5.7 Übungsaufgaben 72

8 6 Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie 80 6.1 Transformation von Geschwindigkeiten 80 6.2 Galilei-Transformation 81 6.3 Lorentz-Transformation 82 6.4 Einige Ergebnisse der Relativitätstheorie 82 6.5 Übungsaufgaben 85 7 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase 88 7.1 Zustandsformen und Eigenschaften der Stoffe 88 7.2 Druck in ruhenden Flüssigkeiten und Gasen 89 7.3 Volumen, Druck und Dichte in Gasen 91 7.4 Druckmessung in ruhenden Medien 92 7.5 Kompressibilität 92 7.6 Auftrieb 93 7.7 Oberflächenspannung 94 7.8 Kapillarität 95 7.9 Strömende Flüssigkeiten und Gase 96 7.10 Druck in strömenden Medien 97 7.11 Druckmessung in strömenden Medien.... 98 7.12 Strömung unter Reibungseinfluß 100 7.13 Laminare und turbulente Strömungen 101 7.14 Einige Beispiele für Strömungen unter Reibungseinfluß 102 7.15 Übungsaufgaben 103 8 Schwingungen 110 8.1 Begriffe, Definitionen und Gleichungen 110 8.2 Harmonische Schwingungen 111 8.3 Bewegungsgesetze der harmonischen Schwingung 112 8.4 Formen mechanischer Schwinger 113 8.4.1 Federschwinger 113 8.4.2 Drehschwinger 114 8.4.3 Physikalisches Pendel 115 8.4.4 Mathematisches Pendel 116 8.5 Beschreibung der harmonischen Schwingungen durch Differentialgleichungen..117 8.6 Energie bei harmonischen Schwingungen 119 8.7 Gedämpfte mechanische Schwingung infolge Reibungskraft F R = /Sv....121 8.8 Elektrische Schwingungen 124 8.9 Analogiebeziehung bei Schwingungsvorgängen 125 8.10 Erzwungene Schwingungen 126 8.11 Überlagerung von Schwingungen gleicher Richtung 127 8.12 Übungsaufgaben 129

9 Wellen 134 9.1 Zusammenhang von Schwingung und Welle 134 9.2 Physikalische Größen zur Beschreibung einer Welle 135 9.3 Wellenarten und Wellenformen, Ausbreitungsgeschwindigkeit 136 9.4 Gleichung einer linearen harmonischen Welle 137 9.5 Interferenz linearer Wellen - Stehende Wellen 138 9.6 Interferenz ebener Wellen 140 9.7 Schallwellen 142 9.8 Übungsaufgaben 143 10 Doppler-Effekt und Überschallgeschwindigkeit 145 10.1 Doppler-Effekt bei Schallwellen 145 10.2 Doppler-Effekt bei elektromagnetischen Wellen 146 10.3 Anwendung des Doppler-Effektes in der Astronomie 147 10.4 Bewegung mit Überschallgeschwindigkeit 148 10.5 Übungsaufgaben 149 11 Physikalische Eigenschaften des Lichtes 157 11.1 Bestimmung der Eigenschaften des Lichtes 157 11.2 Dualismus Welle-Korpuskel 160 11.3 Zerlegung weißen Lichtes mit dem Prisma 162 11.4 Vorgänge, die mit der Teilcheneigenschaft des Lichtes erklärt werden.... 164 11.4.1 Absorption und Emission von Licht 164 11.4.2 Äußerer Photoeffekt 165 11.4.3 Innerer Photoeffekt 166 11.4.4 Compton-Effekt 167 11.4.5 Paarbildung und Paarzerstrahlung 168 11.4.6 Gravitationswirkung auf Lichtquanten 169 11.5 Vorgänge, die mit der Welleneigenschaft des Lichtes erklärt werden 170 11.5.1 Interferenz 170 11.5.2 Polarisation 171 11.5.3 Reflexion, Brechung, Totalreflexion 174 11.5.4 Beugung des Lichtes 176 11.5.5 Streuung des Lichtes 177 11.6 Übungsaufgaben. j 178 12 Physik der Atomhülle 180 12.1 Zur historischen Entwicklung der Atomtheorie 180 12.2 Aufbau der Atome 181 12.3 Wasserstoff-Atommodell nach Niels Bohr 182 12.4 Spektrallinien des Wasserstoffs 183 12.5 Quantenzahlen zur Beschreibung des atomaren Energiezustandes 187 12.6 Spektren der Alkaliatome 188 12.7 Aufbau der Atomhülle und Periodensystem der Elemente 190 12.8 Quantenstruktur für Drehimpuls und magnetisches Moment des Elektrons...195 12.9 Quantisierte physikalische Elementargrößen 1% 12.10 Übungsaufgaben 197 9

10 13 Röntgenstrahlen und Masse-Energie-Äquivalenz 199 13.1 Erzeugung und Eigenschaften der Röntgenstrahlen 199 13.2 Dämpfung von Röntgenstrahlen 201 13.3 Äquivalenz von Masse und Energie 202 13.4 Übungsaufgaben 204 14 Physik der Atomkerne 206 14.1 Aufbau der Atomkerne 206 14.2 Massendifferenz und Bindungsenergie 209 14.3 Systematik der Nuklide 211 14.4 Teilchen und Antiteilchen 213 14.5 Natürliche Radioaktivität 215 14.6 Mathematische Beschreibung der radioaktiven Umwandlung 218 14.7 Reichweite ionisierender Strahlen 221 14.8 Umwandlungsreihen, radioaktives Gleichgewicht 224 14.9 Künstliche Kernumwandlungen 227 14.10 Wirkung der ionisierenden Strahlen 230 14.11 Kernreaktionen in der kosmischen Strahlung 231 14.12 Natürliche und zivilisatorische Strahlenbelastung 232 14.13 Übungsaufgaben 234 15 Fehlerrechnung im physikalischen Praktikum 236 15.1 Zufällige und systematische Meßunsicherheiten 236 15.2 Erfassung der zufälligen Meßunsicherheiten 237 15.3 Behandlung physikalischer Naturkonstanten und Materialwerte in der Fehlerrechnung 239 15.4 Gesetze der Fehlerfortpflanzung 240 15.5 Anwendung der logarithmischen Differentiation zur Fehlerberechnung.... 242 15.6 Gesetze der Fehlerfortpflanzung in elementarer Betrachtung 244 15.7 Systematische Meßunsicherheiten einiger im physikalischen Praktikum eingesetzter Meßmittel 245 15.8 Gleichungen zur Fehlerrechnung 246 15.9 Übungsaufgaben 247 Quellenverzeichnis und Literaturhinweise 252 Sachwortverzeichnis 253 Anhang: Vorsätze für Einheiten und Sl-fremde Einheiten 255 Umrechnungsbeziehungen für Druck- und Energieeinheiten 256 Internationales Maßsystem SI 2. Umschlagseite Physikalische Konstanten 3. Umschlagseite