Paul A. Tipler
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Paul A. Tipler Physik Aus dem Amerikanischen übersetzt von Michael Baumgartner, Denny Fliegner, Andreas Jedynak, Birgit Marter, Matthias Marx, Thomas Meigen, Wolfgang Paul und Michael Zillgitt Herausgeber der deutschen Ausgabe: Dieter Gerlich und Götz Jerke Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg • Berlin • Oxford Inhalt 1 Einheitensysteme 1.1 Physikalische Größen und Einheiten 1.2 Meßgenauigkeit und Meßfehler 1.3 Die Dimension einer physikalischen Größe 1.4 Rechnen mit physikalischen Größen Zusammenfassung Essay: Hans Christian von Baeyer, Fermis Lösung Aufgaben Teil 1 1 1 3 5 6 9 10 13 Mechanik 2 Bewegung in einer Dimension 2.1 Durchschnittsgeschwindigkeit 2.2 Momentangeschwindigkeit 2.3 Beschleunigung 2.4 Integration 2.5 Bewegung mit konstanter Beschleunigung Zusammenfassung Aufgaben 19 20 23 26 28 31 37 38 3 3.1 3.2 3.3 Bewegung in zwei und drei Dimensionen Verschiebungsvektor und Vektoraddition Vektoraddition in Komponentenschreibweise Einheitsvektoren und Multiplikation von Vektoren mit Skalaren 3.4 Der Geschwindigkeitsvektor 3.5 Der Beschleunigungsvektor 3.6 Relativgeschwindigkeit 3.7 Wurfbewegungen 3.8 Kreisbewegung Zusammenfassung Aufgaben 43 43 45 4 4.1 4.2 71 72 74 Die Newtonschen Axiome Das erste Newtonsche Axiom: das Trägheitsgesetz Kraft, Masse und das zweite Newtonsche Axiom 47 48 50 52 53 61 64 66 4.3 Die Gewichtskraft 4.4 Das dritte Newtonsche Axiom 4.5 Kräfte in der Natur 4.6 Anwendungen zur Lösung von Bewegungsproblemen Zusammenfassung Aufgaben 5 5.1 5.2 5.3 78 80 82 86 93 95 Die Newtonschen Axiome II: Anwendungen Reibung Strömungswiderstand Bewegungsprobleme im Fall von mehreren miteinander verbundenen Körpern 5.4 Scheinkräfte 5.5 Numerische Methoden Zusammenfassung Aufgaben 99 99 109 6 6.1 129 110 114 118 121 123 Arbeit und Energie Arbeit und kinetische Energie: Bewegung in einer Dimension bei konstanter Kraft 6.2 Arbeit bei veränderlicher Kraft 6.3 Arbeit und Energie in drei Dimensionen 6.4 Die potentielle Energie 6.5 Potentielle Energie und Gleichgewicht in einer Dimension 6.6 Die Erhaltung der mechanischen Energie 6.7 Der verallgemeinerte Energiesatz der Mechanik 6.8 Energieerhaltung 6.9 Leistung Zusammenfassung Aufgaben 130 134 137 142 147 150 158 163 165 167 170 7 Teilchensysteme und Impulserhaltung 7.1 Der Massenmittelpunkt 7.2 Bewegung des Massenmittelpunkts 7.3 Impulserhaltung 7.4 Das Massenmittelpunktsystem als Bezugssystem 7.5 Kinetische Energie eines Systems von Teilchen 7.6 Stöße in einer Dimension 7.7 Stöße in drei Dimensionen 7.8 Kraftstoß und zeitliches Mittel einer Kraft 7.9 Raketenantrieb Zusammenfassung Essay: Ralph A. Llewellyn, Die Entdeckung des Neutrinos Aufgaben 177 177 182 185 190 192 195 203 206 210 213 216 219 8 Drehbewegungen 8.1 Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung 8.2 Drehmoment und Trägheitsmoment 8.3 Die kinetische Energie der Drehbewegung 8.4 Berechnung von Trägheitsmomenten 8.5 Der Drehimpuls 8.6 Rollende Körper 8.7 Der Vektorcharakter der Drehgrößen und das Kreuzprodukt 8.8 Statistisches und dynamisches Ungleichgewicht 8.9 Kreiselbewegungen Zusammenfassung Aufgaben 225 225 229 234 236 242 249 256 262 263 265 267 Inhalt 9 Statisches Gleichgewicht des starren Körpers 9.1 Gleichgewichtsbedingungen 9.2 Der Schwerpunkt 9.3 Einige Beispiele für statisches Gleichgewicht 9.4 Kräftepaare 9.5 Stabilität des Gleichgewichtes Zusammenfassung Aufgaben 279 279 281 283 287 288 291 292 10 Gravitation 10.1 Die Keplerschen Gesetze 10.2 Das Newtonsche Gravitationsgesetz 10.3 Messung der Gravitationskonstanten 10.4 Schwere und träge Masse 10.5 Verlassen von gebundenen Bahnen um die Erde 10.6 Potentielle Energie, Gesamtenergie und Umlaufbahnen 10.7 Das Gravitationsfeld einer Kugelschale und einer Vollkugel Zusammenfassung Essay: A.P. French, Isaac Newton (1642-1727) Aufgaben 299 299 303 309 311 312 318 321 327 329 333 11 Mechanik deformierbarer Körper 11.1 Dichte 11.2 Spannung und Dehnung 11.3 Druck in einer Flüssigkeit 11.4 Auftrieb und Archimedisches Prinzip 11.5 Oberflächenspannung und Kapillarität 11.6 Fluiddynamik und Bernoulli-Gleichung 11.7 Viskose Strömung Zusammenfassung Essay: Robert G. Hunt, Die Aerodynamik des Radfahrens Aufgaben 339 339 342 345 349 353 356 362 365 368 371 Teil 2 Schwingungen und Wellen 12 Schwingungen 12.1 Harmonische Schwingungen 12.2 Harmonische Schwingung und Kreisbewegung 12.3 Energiebilanz bei harmonischen Schwingungen 12.4 Massen an senkrecht aufgehängten Federn 12.5 Pendel 12.6 Bewegungen in der Nähe von Gleichgewichtspunkten 12.7 Gedämpfte Schwingungen 12.8 Erzwungene Schwingung und Resonanz Zusammenfassung Essay: James S. Walker, Chaos - eine ordentliche Unordnung Aufgaben 379 379 387 388 392 394 400 401 406 409 411 416 13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 423 424 429 431 434 435 Mechanische Wellen Wellenberge Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen Harmonische Wellen Energieübertragung durch Wellen Superposition und Interferenz harmonischer Wellen XI 13.6 Stehende Wellen 13.7 Überlagerung stehender Wellen 13.8 Wellengleichung Zusammenfassung Aufgaben 438 446 448 451 454 14 Akustik 14.1 Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen 14.2 Harmonische Schallwellen 14.3 Wellen in drei Dimensionen: Intensität 14.4 Interferenz: Schwebungen 14.5 Stehende Schallwellen 14.6 Harmonische Analyse und Synthese 14.7 Wellenpakete und Dispersion 14.8 Reflexion, Brechung und Beugung 14.9 Der Doppler-Effekt Zusammenfassung Essay: Jack L. Flinner, Seismische Wellen Aufgaben 459 459 462 466 470 476 481 483 484 487 493 497 502 Teil 3 Thermodynamik 15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 Temperatur Temperaturskalen Gasthermometer und die absolute Temperatur Thermische Ausdehnung Die Zustandsgieichung für ideale Gase Die molekulare Deutung der Temperatur: die kinetische Gastheorie 15.6 Die Van-der-Waals-Gleichung 15.7 Phasendiagramme Zusammenfassung Aufgaben 509 509 512 514 518 16 Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 16.1 Wärmekapazität und spezifische Wärme 16.2 Phasenübergänge und latente Wärme 16.3 Wärmeübertragung 16.4 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 16.5 Die innere Energie eines idealen Gases 16.6 Volumenarbeit und das P-V-Diagramm eines Gases 16.7 Wärmekapazitäten und der Gleichverteilungssatz 16.8 Adiabatische Zustandsänderang Zusammenfassung Essay: Jerrold H. Krenz, Der Energiehaushalt der Erde und die globale Erwärmung Aufgaben 539 540 543 546 554 557 559 562 568 571 17 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 Die Verfügbarkeit der Energie Wärmekraftmaschinen und der Zweite Hauptsatz Kältemaschinen und der Zweite Hauptsatz Die Gleichwertigkeit der Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes Der Carnot-Wirkungsgrad Wärmepumpen 522 528 530 533 535 575 579 585 586 590 * 591 592 597 Inhalt 17.6 Entropie und Unordnung 17.7 Entropie und Wahrscheinlichkeit 17.8 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik Zusammenfassung Aufgaben Teil 4 599 605 607 608 610 Elektrizität und Magnetismus 18 Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen 18.1 Elektrische Ladung 18.2 Leiter, Nichtleiter und Influenz 18.3 Das Coulombsche Gesetz 18.4 Das elektrische Feld 18.5 Elektrische Feldlinien 18.6 Bewegungen von Punktladungen in elektrischen Feldern 18.7 Elektrische Dipole in elektrischen Feldern Zusammenfassung Aufgaben Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen 19.1 Berechnung des elektrischen Feldes mit Hilfe des Coulombschen Gesetzes 19.2 Das Gaußsche Gesetz 19.3 Berechnung des elektrischen Feldes mit Hilfe des Gaußschen Gesetzes 19.4 Ladung und Feld auf den Oberflächen von leitenden Gegenständen 19.5 Mathematische Herleitung des Gaußschen Gesetzes Zusammenfassung Aufgaben 617 618 621 623 627 632 635 636 638 640 19 20 20.1 20.2 20.3 20.4 645 646 654 658 669 674 675 677 Das elektrische Potential Elektrisches Potential und Potentialdifferenz Das Potential eines Systems von Punktladungen Elektrostatische potentielle Energie Berechnung des elektrischen Potentials kontinuierlicher Ladungsverteilungen 20.5 Elektrisches Feld und Potential 20.6 Äquipotentialflächen, Ladungsfluß und dielektrischer Durchschlag Zusammenfassung Essay: Richard Zallen, Elektrostatik und Xerographie Aufgaben 704 710 713 715 21 Kapazität, Dielektrika und elektrostatische Energie 21.1 Der Plattenkondensator 21.2 Der Zylinderkondensator 21.3 Dielektrika 21.4 Die Speicherang elektrischer Energie 21.5 Zusammenschaltung von Kondensatoren Zusammenfassung Aufgaben 721 722 724 725 729 733 739 740 22 22.1 22.2 747 747 751 Elektrischer Strom Strom und die Bewegung von Ladungen Widerstand und Ohmsches Gesetz 681 681 685 690 691 698 XIII 22.3 22.4 22.5 Die Energie des elektrischen Stroms Zusammenschaltung von Widerständen Ein mikroskopisches Modell der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen Zusammenfassung Essay: Elizabeth Pflegl Nickles, Reizleitung in Nervenzellen Aufgaben 756 761 765 769 772 776 23 Gleichstromkreise 23.1 Die Kirchhoffschen Regeln 23.2 tfC-Kreise 23.3 Amperemeter, Voltmeter und Ohmmeter Zusammenfassung Aufgaben 781 782 790 798 801 803 24 Das Magnetfeld 24.1 Die magnetische Kraftwirkung 24.2 Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld 24.3 Das auf Leiterschleifen und Magnete ausgeübte Drehmoment 24.4 Der Hall-Effekt Zusammenfassung Aufgaben 811 812 818 827 831 835 837 25 25.1 25.2 Die Quellen des magnetischen Feldes Das magnetische Feld einer bewegten Punktladung Das magnetische Feld von Strömen: Das Gesetz von Biot und Savart 25.3 Die Definition des Ampere 25.4 Das Amperesche Gesetz Zusammenfassung Aufgaben 843 844 26 Magnetische Induktion 26.1 Der magnetische Fluß 26.2 Induktionsspannung und Faradaysches Gesetz 26.3 Die Lenzsche Regel 26.4 Induktionsspannung durch Bewegung 26.5 Wirbelströme 26.6 Generatoren und Motoren 26.7 Induktivität 26.8 Ltf-Kreise 26.9 Die Energie des Magnetfelds Zusammenfassung Essay: Syun-Ichi Akasofu, Das Polarlicht Aufgaben 875 876 877 881 883 887 889 891 895 898 900 903 907 27 Magnetismus in Materie 27.1 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität 27.2 Atomare magnetische Momente 27.3 Paramagnetismus 27.4 Ferromagnetismus 27.5 Diamagnetismus Zusammenfassung Aufgaben 915 916 920 922 925 928 930 933 848 858 860 866 869 Inhalt 28 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 Wechselstromkreise Wechselspannung an einem Widerstand Wechselströme in Spulen und Kondensatoren Zeigerdiagramme LC- und LC7?-Kreise ohne Wechselspannungsquelle LC7?-Kreise mit Wechselspannungsquelle erzwungene Schwingungen 28.6 Der Transformator 28.7 Gleichrichtung und Verstärkung Zusammenfassung Essay: John Dentler, Elektromotoren Aufgaben 29 Maxwellsche Gleichungen und elektromagnetische Wellen 29.1 Der Maxwellsche Verschiebungsstrom 29.2 Die Maxwellschen Gleichungen 29.3 Die Wellengleichung für elektromagnetische Wellen 29.4 Energie und Impuls einer elektromagnetischen Welle 29.5 Das elektromagnetische Spektrum Zusammenfassung Essay: C.W.F. Everitt, James Clerk Maxwell (1831-1879) Aufgaben Teil 5 937 938 943 949 950 955 965 969 973 976 985 991 992 995 998 1002 1007 1011 1013 1016 Optik 30 Licht 30.1 Die Lichtgeschwindigkeit 30.2 Die Ausbreitung des Lichts: das Huygenssche Prinzip 30.3 Reflexion 30.4 Brechung 30.5 Das Fermatsche Prinzip 30.6 Polarisation Zusammenfassung Essay: Robert Greenler, Jenseits des (sichtbaren) Regenbogens Aufgaben 1023 1025 1028 1030 1032 1042 1044 1050 1051 1053 31 Geometrische Optik 31.1 Ebene Spiegel 31.2 Sphärische Spiegel 31.3 Durch Brechung erzeugte Bilder 31.4 Dünne Linsen 31.5 Abbildungsfehler Zusammenfassung Aufgaben 1059 1059 1062 1068 1071 1081 1083 1085 32 Optische Instrumente 32.1 Das Auge 32.2 Die Lupe 32.3 Die Kamera 32.4 Das Mikroskop 32.5 Das Teleskop Zusammenfassung Aufgaben * N 1089 1089 1093 1095 1098 1099 1104 1106 XV 33 Interferenz und Beugung 33. 1 Phasendifferenz und Kohärenz 33. 2 Interferenz an dünnen Schichten 33. 3 Das Michelson-Interferömeter 3 3 . 4 Das Interferenzmuster an einem Doppelspalt 33. 5 Vektoraddition von harmonischen Wellen 33. 6 Interferenzmuster bei drei oder mehr äquidistanten Quellen 33. 7 Beugungsmuster an einem Einzelspalt 33. 8 Interferenz-und Beugungsmuster beim Doppelspalt 33. 9 Fraunhofersche und Fresnelsche Beugungsmuster 33.10 Beugung und Auflösung 33.11 Beugungsgitter Zusammenfassung Aufgaben Teil 6 1109 1109 1111 1114 1116 1120 1122 1125 1130 1131 1132 1135 1139 1141 Moderne Physik 34 Relativitätstheorie 34. 1 Das Newtonsche Relativitätsprinzip 34. 2 Das Michelson-Morley-Experiment 34. 3 Die Einsteirischen Postulate 34. 4 Die Lorentz-Transformation 34. 5 Uhrensynchronisation und Gleichzeitigkeit 34. 6 Der Doppler-Effekt 34. 7 Das Zwillingsparadoxon 34. 8 Die Geschwindigkeitstransformation 34. 9 Relativistischer Impuls 34.10 Relativistische Energie und Masse-Energie-Äquivalenz 34.11 Allgemeine Relativitätstheorie Zusammenfassung Aufgaben 1149 1150 1152 1156 1157 1164 1168 1169 1171 1174 1176 1183 1186 1189 35 35.1 1195 Ursprünge der Quantentheorie Strahlung des schwarzen Körpers und Plancksches Wirkungsquantum 35.2 Der photoelektrische Effekt 35.3 Röntgenstrahlung 35.4 Compton-Streuung 35.5 Energiequantisierung in Atomen und Bohrsches Atommodell 35.6 Welleneigenschaften des Elektrons und Quantenmechanik Zusammenfassung Aufgaben 36 36. 36. 36. 36. 36. 36. 36. Quantenmechanik Wellenfunktionen von Teilchen Wellenpakete Die Unschärferelation Der Welle-Teilchen-Dualismus Die Schrödinger-Gleichung Das Teilchen im Kastenpotential Das Teilchen in einem Potentialtopf mit endlich hohen Wänden 36. 8 Erwartungswerte 36. 9 Der quantenmechanische harmonische Oszillator 1 2 3 4 5 6 7 1197 1199 1202 1204 1206 1212 1216 1218 1221 1221 1225 1230 1233 1234 1237 1241 1244 1246 Inhalt 36.10 Reflexion und Transmission an einem Potentialwall 36.11 Die Schrödinger-Gleichung in drei Dimensionen 36.12 Die Schrödinger-Gleichung für zwei identische Teilchen Zusammenfassung Aufgaben 1249 1253 1255 1257 1260 37 Atome 37.1 Das Wasserstoffatom 37.2 Die Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms 37.3 Magnetische Momente und der Elektronenspin 37.4 Der Stern-Gerlach-Versuch 37.5 Die Addition der Drehimpulse und die Spin-Bahn-Kopplung 37.6 Das Periodensystem 37.7 Spektren im sichtbaren und im Röntgen-Bereich 37.8 Absorption, Streuung und stimulierte Emission 37.9 Der Laser Zusammenfassung Essay: D.J. Wineland, Atomfallen und Laserkühlung Aufgaben 1265 1266 1270 1275 1277 1279 1282 1289 1292 1293 1298 1300 1306 38 Moleküle 38.1 Die chemische Bindung 38.2 Mehratomige Moleküle 38.3 Energieniveaus und Spektren zweiatomiger Moleküle Zusammenfassung Aufgaben 1309 1310 1317 1322 1330 1332 39 39.1 39.2 1335 1336 Festkörper Die Struktur von Festkörpern Das klassische Konzept des Elektronengases und seine Grenzen 39.3 Das Fermi-Elektronengas 39.4 Die Quantentheorie der elektrischen Leitung 39.5 Das Bändermodell der Festkörper 39.6 Dotierte Halbleiter 39.7 Halbleiterübergangsschichten und ihre Anwendungen 39.8 Supraleitung Zusammenfassung Essay: Samuel J. Williamson, SQUIDs Essay: Ellen D. Williams, Raster-Tunnel-Mikroskopie Aufgaben 1344 1345 1353 1356 1359 1361 1367 1372 1376 1380 1383 40 Kernphysik 40.1 Eigenschaften der Kerne 40.2 Kernspinresonanz 40.3 Radioaktivität 40.4 Kernreaktionen 40.5 Kernspaltung, Kernfusion und Kernreaktionen 40.6 Wechselwirkung von Teilchen mit Materie Zusammenfassung Aufgaben 1389 1390 1396 1398 1403 1405 1413 1418 1421 41 41.1 41.2 41.3 1425 1425 1428 1431 Elementarteilchen Hadronen und Leptonen Spin und Antiteilchen Erhaltungssätze XVII Inhalt XVIII 41.4 Das Quark-Modell 41.5 Feldquanten 41.6 Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung 41.7 Das Standardmodell 41.8 Große Vereinheitlichte Theorien Zusammenfassung Aufgaben 1434 1438 1439 1439 1441 1442 1443 42 Astrophysik und Kosmologie 42.1 Unser Stern, die Sonne 42.2 Die Sterne 42.3 Die Entwicklung der Sterne 42.4 Kataklysmische Ereignisse 42.5 Endzustände der Sterne 42.6 Galaxien 42.7 Gravitation und Kosmologie 42.8 Kosmogenesis Zusammenfassung Aufgaben 1445 1446 1453 1457 1460 1463 1466 1472 1474 1478 1480 Weiterführende Literatur 1483 Namen- und Sachverzeichnis 1485