Inhaltsverzeichnis 1 2 3 4 5

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Inhaltsverzeichnis
1
Messung und Maßeinheiten
1-1
Dinge messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1-2
Das internationale Einheitensystem SI . . . . . . . . .
1-3
Einheiten umwandeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1-4 Länge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1-5
Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1-6
Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Geradlinige Bewegung
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
2-6
Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ort und Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Durchschnittsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Momentangeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gleichmäßig beschleunigte Bewegung:
ein Sonderfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-7 Ein weiterer Zugang zur gleichmäßig
beschleunigten Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-8 Der freie Fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
Vektoren
3-1
3-2
3-3
3-4
3-5
Vektoren und Skalare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geometrische Addition von Vektoren . . . . . . . . . .
Komponenten von Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einheitsvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vektoren komponentenweise addieren. . . . . . . . .
3-6 Vektoren und physikalische Gesetze . . . . . . . . . . . .
3-7 Multiplikation von Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Bewegung in zwei und drei Dimensionen
4-1
4-2
4-3
Bewegung in zwei oder drei Dimensionen . . . . .
Ort und Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Durchschnittsgeschwindigkeit und
Momentangeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4-4 Durchschnittsbeschleunigung und
Momentanbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4-5 Wurfbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4-6 Analyse der Wurfbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4-7 Die gleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . .
4-8 Relativbewegung in einer Dimension . . . . . . . . . . .
4-9 Relativbewegung in zwei Dimensionen . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Kraft und Bewegung - I
5-1
Wodurch wird Beschleunigung verursacht? . . .
5-2 Das erste newtonsche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-3 Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-4 Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-5 Das zweite newtonsche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-6 Einige besondere Kräfte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-7 Das dritte newtonsche Gesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-8 Anwendung der newtonschen Gesetze . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
VIII
Inhaltsverzeichnis
6
Kraft und Bewegung - II
6-1
6-2
6-3
Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eigenschaften der Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Strömungswiderstand und
Endgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6-4 Gleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
9-4
9-5
9-6
9-7
Der Impuls eines Teilchens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Impuls eines Teilchensystems. . . . . . . . . . . . . . .
Die Impulserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Systeme mit veränderlicher Masse:
Eine Rakete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9-8 Äußere Kräfte und Änderungen der inneren
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
Stoßprozesse
Kinetische Energie und Arbeit
7-1
7-2
7-3
7-4
7-5
7-6
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arbeit und kinetische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit. .
Von einer Federkraft verrichtete Arbeit. . . . . . . .
Von einer allgemeinen veränderlichen Kraft
verrichtete Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-7 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10-1 Was ist ein Stoß? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10-2 Kraftstoß und Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10-3 Impuls und kinetische Energie bei Stoßprozessen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10-4 Inelastische, eindimensionale Stöße . . . . . . . . . . . .
10-5 Elastische, eindimensionale Stöße . . . . . . . . . . . . . .
10-6 Zweidimensionale Stöße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
Die Rotation
8
Potenzielle Energie und Energieerhaltung
8-1
8-2
Potenzielle Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wegunabhängigkeit von konservativen
Kräften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8-3 Berechnung der potenziellen Energie . . . . . . . . . .
8-4 Der Energieerhaltungssatz der Mechanik . . . . .
8-5 Grafische Darstellung der potenziellen Energie
8-6 Von einer äußeren Kraft an einem System
verrichtete Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8-7 Energieerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11-1
11-2
11-3
11-4
Translation und Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rotationsvariable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sind Winkelgrößen Vektoren? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11-5 Beziehungen zwischen den Variablen für
lineare Bewegung und Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . .
11-6 Die kinetische Energie der Rotation . . . . . . . . . . . .
11-7 Berechnung des Trägheitsmoments . . . . . . . . . . . .
11-8 Das Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11-9 Das zweite newtonsche Axiom für die Rotation
11-10 Arbeit und kinetische Energie der Rotation . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
12
Systeme von Teilchen
Rollen, Drehmoment und Drehimpuls
9-1
9-2
9-3
12-1
12-2
12-3
12-4
Ein besonderer Punkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Schwerpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das zweite newtonsche Axiom
für ein Teilchensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rollen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die kinetische Energie der Rollbewegung . . . . .
Kräfte bei der Rollbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ein Jo-Jo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Inhaltsverzeichnis
12-5 Eine erweiterte Definition des Drehmoments .
12-6 Der Drehimpuls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12-7 Das zweite newtonsche Axiom in Winkelschreibweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12-8 Der Drehimpuls eines Teilchensystems. . . . . . . . .
12-9 Der Drehimpuls eines starren, um eine feste
Achse rotierenden Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12-10 Die Erhaltung des Drehimpulses . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
Gleichgewicht und Elastizität
13-1 Gleichgewicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13-2 Bedingungen für das Gleichgewicht . . . . . . . . . . . .
13-3 Das Gravitationszentrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13-4 Beispiele für statische Gleichgewichte . . . . . . . . .
13-5 Unterbestimmte Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13-6 Elastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
IX
15-7 Das archimedische Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
Schwingungen
16-1 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16-2 Harmonische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16-3 Das Kraftgesetz der harmonischen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16-4 Die Energie der harmonischen Schwingung . . .
16-5 Das Torsionspendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16-6 Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16-7 Harmonische Schwingungen und die
gleichförmige Kreisbewegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16-8 Gedämpfte harmonische Schwingungen . . . . . . .
16-9 Erzwungene Schwingungen und Resonanz. . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
Wellen - I
Gravitation
14-1
14-2
14-3
14-4
14-5
14-6
14-7
Die Gravitationskraft in unserem Kosmos . . . . .
Das newtonsche Gravitationsgesetz . . . . . . . . . . . .
Gravitation und das Superpositionsprinzip . . . .
Die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche
Die Gravitation innerhalb der Erde . . . . . . . . . . . . . .
Die potenzielle Energie der Gravitation . . . . . . . .
Planeten und Satelliten:
Die keplerschen Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14-8 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie . . . . . . . . .
14-9 Einstein und die Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
17-1
17-2
17-3
17-4
17-5
Wellen und Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wellenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transversale und longitudinale Wellen . . . . . . . . .
Wellenlänge und Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Geschwindigkeit einer propagierenden
Welle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17-6 Die Wellengeschwindigkeit für ein gespanntes Seil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17-7 Energie und Leistung einer propagierenden
Seilwelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17-8 Das Superpositionsprinzip für Wellen . . . . . . . . . .
17-9 Die Interferenz von Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17-10 Darstellung einer Welle durch einen ebenen
Vektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17-11 Stehende Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17-12 Stehende Wellen und Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fluide
15-1
15-2
15-3
15-4
15-5
15-6
Fluide in unserer Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Was ist ein Fluid? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dichte und Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ruhende Fluide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Druckmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das pascalsche Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
Wellen - II
18-1 Schallwellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18-2 Die Schallgeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
X
Inhaltsverzeichnis
18-3
18-4
18-5
18-6
18-7
18-8
18-9
Propagierende Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schallintensität und Schallpegel . . . . . . . . . . . . . . . . .
Musikalische Töne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schwebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Doppler-Effekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Überschallgeschwindigkeiten und
Schockwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz
der Thermodynamik
19-1
19-2
19-3
19-4
19-5
19-6
19-7
Thermodynamik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik. . . . .
Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Celsius- und die Fahrenheit-Skalen . . . . . . . . .
Wärmeausdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Temperatur und Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Wärmeaufnahme bei Festkörpern und
Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19-8 Wärme und Arbeit - eine ausführlichere
Betrachtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19-9 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik . . . . .
19-10 Einige Beispiele für den ersten Hauptsatz
der Thermodynamik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19-11 Möglichkeiten der Wärmeübertragung . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
Die kinetische Gastheorie
20-1
20-2
20-3
20-4
Gase unter einem neuen Blickwinkel. . . . . . . . . . . .
Die Avogadro-Zahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ideale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Druck, Temperatur und mittlere Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20-5 Die kinetische Translationsenergie . . . . . . . . . . . . . .
20-6 Die mittlere freie Weglänge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20-7 Die Verteilungsfunktion der Molekülgeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20-8 Die molaren spezifischen Wärmen idealer Gase
20-9 Thermodynamische Freiheitsgrade und
molare spezifische Wärmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20-10 Die Quantenmechanik macht sich bemerkbar
20-11 Die adiabatische Ausdehnung eines idealen
Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
Entropie und der zweite Hauptsatz
der Thermodynamik
21-1 Gerichtete Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21-2 Entropieänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21-3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. . . .
21-4 Die Entropie in Aktion: Maschinen . . . . . . . . . . . . . .
21-5 Die Entropie in Aktion: Kältemaschinen . . . . . . . .
21-6 Die Wirkungsgrade realer Maschinen . . . . . . . . . . .
21-7 Eine statistische Interpretation der Entropie .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
Elektrische Ladung
22-1
22-2
22-3
22-4
22-5
22-6
Elektromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leiter und Isolatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das coulombsche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die elektrische Ladung ist quantisiert . . . . . . . . . .
Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
Elektrische Felder
23-1
23-2
23-3
23-4
23-5
23-6
Ladungen und Kräfte - genauer betrachtet . . .
Das elektrische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Feldlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das elektrische Feld einer Punktladung . . . . . . . .
Das Feld eines elektrischen Dipols . . . . . . . . . . . . . .
Das elektrische Feld einer linearen Ladungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23-7 Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe
23-8 Verhalten einer Punktladung in einem elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23-9 Verhalten eines Dipols in einem elektrischen
Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Inhaltsverzeichnis
24
Der gaußsche Satz
24-1
24-2
24-3
24-4
24-5
24-6
Das coulombsche Gesetz in neuem Licht . . . . . .
Fluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fluss eines elektrischen Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der gaußsche Satz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gaußscher Satz und coulombsches Gesetz . . . .
Eigenschaften eines geladenen, isolierten
Leiters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24-7 Anwendung des gaußschen Satzes:
Zylindersymmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24-8 Anwendung des gaußschen Satzes:
Ebene Symmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24-9 Anwendung des gaußschen Satzes:
Kugelsymmetrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
Elektrisches Potenzial
25-1
25-2
25-3
25-4
25-5
25-6
25-7
25-8
XI
26-6 Kondensator mit Dielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26-7 Dielektrika - auf atomarem Niveau betrachtet
26-8 Dielektrika und gaußscher Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
Elektrischer Strom und Widerstand
27-1
27-2
27-3
27-4
27-5
27-6
Ladung in Bewegung - elektrische Ströme . . . .
Elektrischer Strom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stromdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Widerstand und spezifischer Widerstand . . . . . .
Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das ohmsche Gesetz, mikroskopisch
betrachtet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27-7 Elektrische Leistung in Stromkreisen . . . . . . . . . . .
27-8 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27-9 Supraleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische potenzielle Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrisches Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Äquipotenzialflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Berechnung des Potenzials aus dem Feld. . . . . .
Potenzial einer Punktladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Potenzial einer Gruppe von Punktladungen . . .
Potenzial eines elektrischen Dipols . . . . . . . . . . . . .
Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25-9 Berechnung des elektrischen Feldes aus dem
elektrischen Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25-10 Elektrische potenzielle Energie eines
Systems von Punktladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25-11 Potenzial eines geladenen, isolierten leitenden Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28-1 Pumpen“ von Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
”
28-2 Arbeit, Energie und Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28-3 Berechnung des Stromes in einem unverzweigten Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28-4 Weitere unverzweigte Stromkreise . . . . . . . . . . . . . .
28-5 Potenzialdifferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28-6 Verzweigte Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28-7 Ampéremeter und Voltmeter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28-8 RC-Kreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
29
28
Stromkreise
Kapazität
Magnetfelder
26-1
26-2
26-3
26-4
29-1 Das Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29-2 Definition von B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29-3 Gekreuzte Felder: Die Entdeckung des Elektrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29-4 Gekreuzte Felder: Der Hall-Effekt. . . . . . . . . . . . . . . .
29-5 Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn . . . . . . . .
29-6 Zyklotron und Synchrotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kondensatoren und ihre Anwendungen . . . . . . . .
Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Berechnung der Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parallelschaltungen und Reihenschaltungen
von Kondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26-5 In einem elektrischen Feld gespeicherte
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XII
Inhaltsverzeichnis
29-7 Magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29-8 Drehmoment auf eine stromdurchflossene
Drahtschleife. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29-9 Magnetisches Dipolmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
Magnetfelder aufgrund von Strömen
30-1
30-2
30-3
30-4
30-5
Das Magnetfeld eines Stromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Kraft zwischen parallelen Strömen. . . . . . . . .
Das ampèresche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zylinder- und Ringspulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eine stromführende Spule als magnetischer
Dipol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
Induktion und Induktivität
31-1 Zwei symmetrische Situationen . . . . . . . . . . . . . . . . .
31-2 Zwei Experimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31-3 Das faradaysche Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . .
31-4 Die lenzsche Regel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31-5 Induktion und Energietransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31-6 Induzierte elektrische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31-7 Induktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31-8 Selbstinduktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31-9 RL-Glieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31-10 Energiespeicherung im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . .
31-11 Die Energiedichte eines Magnetfeldes. . . . . . . . . .
31-12 Gegeninduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
Magnetismus und Materie:
Die maxwellschen Gleichungen
32-1 Magnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32-2 Der gaußsche Satz für Magnetfelder . . . . . . . . . . .
32-3 Der Erdmagnetismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32-4 Der Magnetismus von Elektronen . . . . . . . . . . . . . . .
32-5 Magnetische Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32-6 Diamagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32-7 Paramagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32-8 Ferromagnetismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32-9 Induzierte magnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32-10 Der Verschiebungsstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32-11 Die maxwellschen Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom
33-1 Neue Physik - alte Mathematik . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33-2 LC-Schwingungen - eine qualitative Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33-3 Die Analogie zwischen elektrischem und
mechanischem Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33-4 LC-Schwingungen - eine quantitative Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33-5 Gedämpfte Schwingungen in einem RLC-Kreis
33-6 Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33-7 Erzwungene Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33-8 Drei einfache Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33-9 Der in Reihe geschaltete RLC-Kreis . . . . . . . . . . . .
33-10 Die Leistung in Wechselstromkreisen. . . . . . . . . . .
33-11 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
Elektromagnetische Wellen
34-1 Maxwells Regenbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34-2 Die Fortpflanzung elektromagnetischer
Wellen: Qualitative Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . .
34-3 Die Fortpflanzung elektromagnetischer
Wellen: Quantitative Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . .
34-4 Energietransport und Poynting-Vektor . . . . . . . . .
34-5 Der Strahlungsdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34-6 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34-7 Reflexion und Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34-8 Innere Totalreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34-9 Polarisation durch Reflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Inhaltsverzeichnis
XIII
35
38
Abbildungen
Relativitätstheorie
35-1 Zwei Arten von Bildern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35-2 Ebene Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35-3 Kugelspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35-4 Abbildungen an Kugelspiegeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35-5 Sphärische brechende Flächen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35-6 Dünne Linsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35-7 Optische Instrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35-8 Drei Herleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38-1 Womit beschäftigt sich die Relativitätstheorie?
38-2 Die Postulate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38-3 Messung von Ereignissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38-4 Die Relativität der Gleichzeitigkeit . . . . . . . . . . . . . .
38-5 Die Relativität der Zeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38-6 Die Relativität der Länge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38-7 Die Lorentz-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38-8 Einige Folgen aus den Lorentz-Gleichungen . .
38-9 Die Relativität der Geschwindigkeiten . . . . . . . . . .
38-10 Der Doppler-Effekt für Lichtwellen . . . . . . . . . . . . . .
38-11 Der relativistische Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38-12 Die relativistische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
Interferenz
36-1
36-2
36-3
36-4
36-5
36-6
Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Licht als Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Doppelspaltversuch von Young . . . . . . . . . . . . .
Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Intensitäten bei der Interferenz am Doppelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36-7 Interferenz an dünnen Schichten . . . . . . . . . . . . . . . .
36-8 Das Michelson-Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
Beugung
37-1 Beugung und die Wellentheorie des Lichts . . . .
37-2 Beugung am Einzelspalt: Lokalisierung der
Minima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37-3 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt:
Qualitative Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37-4 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt:
Quantitative Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37-5 Beugung an einer kreisrunden Öffnung . . . . . . . .
37-6 Beugung am Doppelspalt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37-7 Beugungsgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37-8 Beugungsgitter: Dispersion und Auflösungsvermögen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37-9 Röntgenbeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
Photonen und Materiefelder
39-1 Eine neue Welt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39-2 Das Photon - das Teilchen des Lichts . . . . . . . . . . .
39-3 Der photoelektrische Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39-4 Photonen haben einen Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39-5 Licht als Wahrscheinlichkeitswelle . . . . . . . . . . . . . .
39-6 Elektronen und Materiewellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39-7 Die Schrödinger-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39-8 Die heisenbergsche Unschärferelation . . . . . . . . .
39-9 Der Tunnel-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
Mehr zu Materiewellen
40-1 Der Aufbau der Atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40-2 Wellen auf einem Seil und Materiewellen . . . . . .
40-3 Die Energie eines Elektrons in einer Elektronenfalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40-4 Die Wellenfunktionen eines Elektrons
in einem Kastenpotenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40-5 Ein Elektron in einem endlichen Kastenpotenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40-6 Weitere Elektronenfallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40-7 Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen .
40-8 Das Wasserstoffatom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XIV
Inhaltsverzeichnis
41
Atome
41-1
41-2
41-3
41-4
41-5
41-6
41-7
41-8
Unser atomares Weltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einige Eigenschaften von Atomen . . . . . . . . . . . . . .
Der Spin des Elektrons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Drehimpulse und magnetische Dipolmomente
Das Stern-Gerlach-Experiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kernspin-Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Pauli-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mehrere Elektronen in kastenförmigen
Potenzialtöpfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41-9 Der Aufbau des Periodensystems . . . . . . . . . . . . . . .
41-10 Röntgenstrahlen und die Ordnungszahl der
Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41-11 Laser und Laserlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41-12 Die Funktionsweise eines Lasers. . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern
42-1 Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-2 Die elektrischen Eigenschaften von
Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-3 Die Energieniveaus in einem kristallinen
Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-4 Nichtleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-5 Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-6 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-7 Dotierte Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-8 Der pn-Übergang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-9 Der Halbleiter-Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-10 Die Lumineszenzdiode (LED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42-11 Der Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
Kernphysik
43-1 Die Entdeckung des Atomkerns . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43-2 Einige Eigenschaften von Atomkernen . . . . . . . . .
43-3 Radioaktiver Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43-4 Der Alpha-Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43-5 Der Beta-Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43-6 Radiometrische Zeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43-7 Maße für Strahlungsdosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43-8 Kernmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
Kernenergie
44-1
44-2
44-3
44-4
44-5
44-6
Das Atom und sein Kern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kernspaltung: der grundlegende Prozess. . . . . .
Ein Modell der Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Kernreaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ein natürlicher Kernreaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thermonukleare Fusion: der grundlegende
Prozess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44-7 Thermonukleare Fusion in der Sonne und
anderen Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44-8 Kontrollierte thermonukleare Fusion . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
Quarks, Leptonen und der Big Bang
45-1
45-2
45-3
45-4
45-5
45-6
45-7
45-8
45-9
Die Physik am Rande der Erkenntnisse. . . . . . . . .
Teilchen, Teilchen und nochmals Teilchen . . . . .
Ein typischer Teilchenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leptonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hadronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Noch ein Erhaltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Achtfache Weg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Quark Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die fundamentalen Kräfte und die Vermittlerteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45-10 Der Teil und das Ganze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45-11 Das Universum dehnt sich aus . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45-12 Die kosmische Hintergrundstrahlung . . . . . . . . . . .
45-13 Dunkle Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45-14 Der Big Bang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45-15 Ein Rückblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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