Inhaltsverzeichnis 1 2 3 4 - Wiley-VCH
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Inhaltsverzeichnis 1--15 16--18 19--21 22--34 35--37 38--45 Mechanik Schwingungen und Wellen Thermodynamik Elektrostatik und Elektrodynamik Optik Jenseits der klassischen Physik 1 3 Messung und Maßeinheiten Vektoren 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1 Vektoren und Skalare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2 Geometrische Addition von Vektoren . . . . . 3-3 Komponenten von Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 3-4 Einheitsvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-5 Vektoren komponentenweise addieren . . . 3-6 Vektoren und physikalische Gesetze . . . . . . 3-7 Multiplikation von Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-8 Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-9 Partielle Ableitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-10 Der Gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-11 Die Divergenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-12 Die Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-13 Zweite Ableitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-14 Komplexe Zahlen und Funktionen . . . . . . . . . 1 4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 21 2 2 3 5 6 9 9 10 40 40 42 47 48 50 51 55 56 58 59 59 60 61 63 64 65 4 24 Bewegung in zwei und drei Dimensionen 27 27 31 32 33 4-1 4-2 4-3 4-4 Bewegung in zwei oder drei Dimensionen Ort und Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchschnittsbeschleunigung und Momentanbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 70 72 74 X Inhaltsverzeichnis 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Kraft und Bewegung -- II 6-1 6-2 6-3 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eigenschaften der Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungswiderstand und Endgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-4 Gleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . 6-5 Scheinkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 78 85 87 89 91 92 93 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 02 8-6 Von einer äußeren Kraft an einem 1 02 System verrichtete Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 03 8-7 Energieerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 04 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 05 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 16 1 17 1 26 1 27 1 29 Systeme von Teilchen 9-1 9-2 9-3 Ein besonderer Punkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Schwerpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das zweite Newtonsche Axiom für ein Teilchensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-4 Der Impuls eines Teilchens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 38 9-5 Der Impuls eines Teilchensystems . . . . . . . . . 1 39 9-6 Die Impulserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-7 Systeme mit veränderlicher Masse: 1 44 Eine Rakete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 47 9-8 Äußere Kräfte und Änderungen der 1 53 inneren Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 56 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 57 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 58 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Kinetische Energie und Arbeit Stoßprozesse Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeit und kinetische Energie . . . . . . . . . . . . . . Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-5 Von einer Federkraft verrichtete Arbeit . . 7-6 Von einer allgemeinen veränderlichen Kraft verrichtete Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-7 Leistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 96 1 97 1 99 203 207 210 214 218 219 22 1 9 7 7-1 7-2 7-3 7-4 1 88 1 90 1 66 10-1 1 67 10-2 1 68 10-3 Was ist ein Stoß? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kraftstoß und Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impuls und kinetische Energie bei Stoßprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4 Inelastische, eindimensionale Stöße . . . . . . 1 72 1 78 10-5 Elastische, eindimensionale Stöße . . . . . . . . 10-6 Zweidimensionale Stöße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 84 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 87 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 232 237 24 1 24 1 243 247 250 253 254 255 262 263 266 267 27 1 275 277 278 280 Inhaltsverzeichnis 11 XI Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Die Rotation ausgedehnter Körper 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 288 288 292 14 Gravitation 293 14-1 Die Gravitationskraft in unserem Kosmos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 14-2 Das Newtonsche Gravitationsgesetz . . . . . . 298 14-3 Gravitation und das 299 Superpositionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 14-4 Die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 14-5 Die Gravitation innerhalb der Erde . . . . . . . . 14-6 Die potenzielle Energie der Gravitation . . 307 14-7 Planeten und Satelliten: Die Keplerschen 312 Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 3 14-8 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie . . . 3 1 5 14-9 Einstein und die Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 384 386 389 392 393 398 402 405 406 408 409 Rollen, Drehmoment und Drehimpuls 12-1 12-2 12-3 12-4 12-5 Rollen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die kinetische Energie der Rollbewegung Kräfte bei der Rollbewegung . . . . . . . . . . . . . . . Ein Jo-Jo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 rotierenden starren Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-10 Die Erhaltung des Drehimpulses . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 324 326 327 Fluide 329 15-1 Fluide in unserer Umgebung. . . . . . . . . . . . . . . . 15-2 Was ist ein Fluid? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 15-3 Dichte und Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 15-4 Ruhende Fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-5 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 15-6 Das pascalsche Prinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 15-7 Das Archimedische Prinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-8 Ideale Fluide in Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 15-9 Die Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 15-10 Die Bernoulli-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 16 Gleichgewicht und Elastizität Schwingungen 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 359 360 362 369 37 1 375 16-1 16-2 16-3 16-4 16-5 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Harmonische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . Das Kraftgesetz der harmonischen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Energie der harmonischen Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Torsionspendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 416 416 419 422 423 424 428 429 433 437 438 439 448 448 45 1 455 457 XII Inhaltsverzeichnis 16-6 16-7 Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Harmonische Schwingungen und die gleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . 16-8 Gedämpfte harmonische Schwingungen . 16-9 Erzwungene Schwingungen und Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-10 Das Foucaultsche Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Wellen -- I 17-1 17-2 17-3 17-4 17-5 Wellen und Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wellenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transversale und longitudinale Wellen . . . Wellenlänge und Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Geschwindigkeit einer fortlaufenden Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-6 Die Wellengeschwindigkeit für ein gespanntes Seil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-7 Energie und Leistung einer fortlaufenden Seilwelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-8 Das Superpositionsprinzip für Wellen . . . . 17-9 Die Interferenz von Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-10 Darstellung einer Welle durch einen Vektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-11 Stehende Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12 Stehende Wellen und Resonanz. . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 19 463 465 Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 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 486 der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486 19-11 Möglichkeiten der Wärmeübertragung . . . 487 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 469 472 475 476 478 494 496 499 499 503 504 507 509 510 512 18 Wellen -- II 18-1 18-2 18-3 18-4 18-5 18-6 18-7 18-8 18-9 Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Schallgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausbreitung von Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallintensität und Schallpegel . . . . . . . . . . . Musikalische Töne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überschallgeschwindigkeiten und Schockwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 518 52 1 524 526 530 533 534 539 540 54 1 543 19-1 19-2 19-3 19-4 19-5 19-6 19-7 550 550 55 1 553 555 558 559 564 566 567 569 575 576 578 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 Adiabatische Ausdehnung eines idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20-12 Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 586 587 590 593 594 596 600 604 606 607 61 1 614 615 616 21 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 21-1 21-2 21-3 Gerichtete Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624 Entropieänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 629 Inhaltsverzeichnis 21-4 21-5 21-6 21-7 Die Entropie in Aktion: Maschinen . . . . . . . . . Die Entropie in Aktion: Kältemaschinen . . Die Wirkungsgrade realer Maschinen . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII 630 24-4 Der Gaußsche Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636 24-5 Gaußscher Satz und Coulombsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637 24-6 Eigenschaften eines geladenen, isolierten Leiters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638 642 24-7 Anwendung des Gaußschen Satzes: Zylindersymmetrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 645 24-8 Anwendung des Gaußschen Satzes: Ebene Symmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24-9 Anwendung des Gaußschen Satzes: Kugelsymmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 650 652 653 66 1 Elektrisches Potenzial 70 1 703 704 707 709 712 714 714 715 25 Elektrische potenzielle Energie . . . . . . . . . . . . Elektrisches Potenzial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Äquipotenzialflächen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung des Potenzials aus dem Feld Potenzial einer Punktladung. . . . . . . . . . . . . . . . Potenzial einer Gruppe von Punktladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25-7 Potenzial eines elektrischen Dipols . . . . . . . 25-8 Potenzial einer kontinuierlichen Elektrische Felder Ladungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25-9 Berechnung des elektrischen Felds 23-1 Ladungen und Kräfte -- genauer aus dem elektrischen Potenzial . . . . . . . . . . . . betrachtet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670 23-2 Das elektrische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670 25-10 Elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen. . . . . . . . . . . . . . . . 23-3 Elektrische Feldlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 1 25-11 Potenzial eines geladenen, isolierten 23-4 Das elektrische Feld einer Punktladung . . 673 leitenden Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23-5 Das Feld eines elektrischen Dipols. . . . . . . . . 675 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23-6 Das elektrische Feld einer linearen Ladungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23-7 Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682 23-8 Verhalten einer Punktladung in einem elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683 23-9 Verhalten eines Dipols in einem elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688 Kapazität Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689 26-1 Kondensatoren und ihre Anwendungen . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690 26-2 Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26-3 Berechnung der Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26-4 Parallelschaltungen und Reihenschaltungen von Kondensatoren . . 26-5 In einem elektrischen Feld gespeicherte Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Gaußsche Satz 26-6 Kondensator mit Dielektrikum . . . . . . . . . . . . . 24-1 Das Coulombsche Gesetz in neuem Licht 696 26-7 Dielektrika -- auf atomarem Niveau betrachtet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24-2 Fluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696 24-3 Fluss eines elektrischen Felds . . . . . . . . . . . . . . 697 26-8 Dielektrika und Gaußscher Satz . . . . . . . . . . . . 663 664 664 666 25-1 25-2 25-3 25-4 25-5 25-6 23 722 723 726 727 729 730 732 734 736 738 739 74 1 742 743 26 24 750 750 752 756 76 1 764 766 767 XIV Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 1 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29-8 Drehmoment auf eine stromdurchflossene Drahtschleife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854 29-9 Magnetisches Dipolmoment . . . . . . . . . . . . . . . . 857 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 859 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 860 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 1 30 778 778 Magnetfelder aufgrund von Strömen 78 1 785 30-1 Das Magnetfeld eines Stroms . . . . . . . . . . . . . . 868 789 30-2 Die Kraft zwischen parallelen Strömen . . . 874 30-3 Das Amperesche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 876 790 30-4 Zylinder- und Ringspulen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879 792 30-5 Eine stromführende Spule als magnetischer Dipol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882 794 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884 795 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885 797 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886 798 799 31 28 Induktion und Induktivität Stromkreise 28-1 Pumpen“ von Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ” 28-2 Arbeit, Energie und Spannung . . . . . . . . . . . . . 28-3 Berechnung des Stroms in einem unverzweigten Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28-4 Weitere unverzweigte Stromkreise . . . . . . . . 28-5 Potenzialdifferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28-6 Verzweigte Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28-7 Amperemeter und Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . 28-8 RC-Kreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806 806 808 810 812 815 823 823 827 828 829 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 Magnetfelds . . . . . 31-12 Gegeninduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 32 Magnetfelder Magnetismus und Materie 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . 29-7 Magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht . . . . . . . . . . . . . . . . . 836 836 32-1 32-2 32-3 84 1 32-4 842 32-5 845 32-6 850 32-7 32-8 852 32-9 Magnete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Gaußsche Satz für Magnetfelder . . . . . Der Erdmagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Magnetismus von Elektronen . . . . . . . . . Magnetische Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diamagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paramagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ferromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induzierte magnetische Felder . . . . . . . . . . . . . 894 894 895 898 90 1 904 908 909 910 914 916 918 92 1 922 924 932 932 933 934 938 939 940 942 945 Inhaltsverzeichnis 32-10 Der Verschiebungsstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 948 950 952 953 33 Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom 33-1 Neue Physik -- alte Mathematik . . . . . . . . . . . . 33-2 LC-Schwingungen: Eine qualitative Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33-3 Die Analogie: Elektrischer und mechanischer 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 958 958 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 042 1 045 1 048 1 054 1 057 1 059 1 060 1 062 36 Interferenz 36-1 36-2 36-3 36-4 36-5 36-6 Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Licht als Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 1 Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Doppelspaltversuch von Young . . . . . . . 962 Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966 Intensitäten bei der Interferenz am Doppelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 968 969 36-7 Interferenz an dünnen Schichten . . . . . . . . . . 970 36-8 Das Michelson-Interferometer. . . . . . . . . . . . . . 976 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 1 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 987 988 990 1 068 1 068 1 072 1 073 1 077 1 077 1 08 1 1 088 1 089 1 090 1 09 1 37 Beugung 34 37-1 37-2 Maxwell-Gleichungen und elektromagnetische Wellen 34-1 Maxwells Regenbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34-2 Die Maxwellgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34-3 Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV 998 999 1 00 1 1 008 101 1 1014 1019 1 024 1 026 1 027 1 029 1 030 Beugung und die Wellentheorie des Lichts 1 1 00 Beugung am Einzelspalt: Lokalisierung der Minima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 0 1 37-3 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt -- qualitative Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 04 37-4 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt -- quantitative Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 05 37-5 Beugung an einer kreisrunden Öffnung . . 1 1 08 37-6 Beugung am Doppelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 37-7 Beugungsgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 4 37-8 Beugungsgitter: Dispersion und Auflösungsvermögen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 7 37-9 Röntgenbeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 20 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 22 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 23 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 24 35 38 Abbildungen Relativitätstheorie 35-1 Zwei Arten von Bildern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 038 38-1 Womit beschäftigt sich die Relativitätstheorie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 32 35-2 Ebene Spiegel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 039 35-3 Kugelspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 040 38-2 Die Postulate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 32 XVI Inhaltsverzeichnis 38-3 38-4 38-5 38-6 38-7 38-8 Messung von Ereignissen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Relativität der Gleichzeitigkeit . . . . . . . . Die Relativität der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Relativität der Länge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Lorentz-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 39 Photonen und Materiefelder 39-1 Eine neue Welt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39-2 Das Photon: 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 Tunneleffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39-10 Das Plancksche Strahlungsgesetz . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 40 Mehr über 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 Bohrsche Modell des Wasserstoffatoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1 34 1 35 1 37 Atome 1 42 41-1 Unser atomares Weltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 238 1 44 41-2 Einige Eigenschaften von Atomen . . . . . . . . . 1 238 41-3 Der Spin des Elektrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 240 1 46 41-4 Drehimpulse und magnetische 1 49 Dipolmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 24 1 1 50 41-5 Das Stern-Gerlach-Experiment . . . . . . . . . . . . . 1 243 1 54 41-6 Kernspinresonanz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 246 1 55 41-7 Das Pauli-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 248 1 6 1 41-8 Mehrere Elektronen in kastenförmigen 1 62 Potenzialtöpfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 248 1 63 41-9 Der Aufbau des Periodensystems . . . . . . . . . 1 252 41-10 Röntgenstrahlen und die Ordnungszahl der Elemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 254 41-11 Laser und Laserlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 258 41-12 Die Funktionsweise eines Lasers . . . . . . . . . . . 1 259 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 263 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 264 1 70 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 265 1 70 1 72 1 76 1 79 1 8 1 Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern 1 85 1 87 42-1 Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 272 1 88 42-2 Die elektrischen Eigenschaften von Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 272 191 42-3 Die Energieniveaus in einem kristallinen 1 93 Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 273 1 94 42-4 Nichtleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 275 1 95 42-5 Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 276 1 202 1 202 1 203 1 207 42 42-6 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42-7 Dotierte Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42-8 Der pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42-9 Der Halbleiter-Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . 42-10 Anwendungen des pn-Übergangs. . . . . . . . . . 42-11 Der Transistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 283 1 286 1 288 1 290 1 29 1 1 294 1 296 1 297 1 298 43 1212 1 2 1 4 Kernphysik 43-1 Die Entdeckung des Atomkerns . . . . . . . . . . . . 1 2 1 6 43-2 Einige Eigenschaften von Atomkernen . . . 43-3 Radioaktiver Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1 8 43-4 Der Alpha-Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 229 43-5 Der Beta-Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 230 43-6 Radiometrische Zeitmessung . . . . . . . . . . . . . . 1 23 1 43-7 Maße für Strahlungsdosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 304 1 305 1312 1316 1318 1 32 1 1 323 Inhaltsverzeichnis 43-8 Kernmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 324 1 327 1 328 1 329 44 Kernenergie 44-1 44-2 44-3 44-4 44-5 44-6 XVII 45-3 45-4 45-5 45-6 45-7 45-8 45-9 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 Urknall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45-15 Ein Rückblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Atom und sein Kern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 338 Kernspaltung: Der grundlegende Prozess 1 338 Ein Modell der Kernspaltung. . . . . . . . . . . . . . . . 1 34 1 Der Kernreaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 343 Ein natürlicher Kernreaktor. . . . . . . . . . . . . . . . . 1 348 Thermonukleare Fusion: Der grundlegende Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 350 44-7 Thermonukleare Fusion in der Sonne und anderen Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 352 44-8 Kontrollierte thermonukleare Fusion . . . . . 1 355 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 358 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 359 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 360 A B C D E F Quarks, Leptonen und der Urknall 1 369 1 373 1 375 1 377 1 378 1 379 1 382 1 384 1 385 1 387 1 387 1 388 1 389 1 389 1 390 1 39 1 Anhang 45 45-1 Die Physik am Rande der Erkenntnisse . . . 1 366 45-2 Teilchen, Teilchen und nochmals Teilchen 1 366 Das Internationale Einheitensystem (SI) . . . . . . . Astronomische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umrechnungsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mathematische Formeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eigenschaften der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse der Kontrollfragen, Fragen und Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H Bildquellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 398 1 400 1 40 1 1 403 1 407 1410 1 425 1 435
