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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .