Einleitung 17 Kinematik 57 Masse, Impulserhaltung und die
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Kapitel 1 Kapitel 2 Physik Einleitung 17 Warum Physik? 17 Die experimentelle Methode und die Einheiten 24 Der Raum und die Zeit 28 Der Raum = Abstand 28 Die Zeit = Dauer 29 Koordinatensysteme 32 Die kartesischen Koordinaten 33 Die Kugelkoordinaten 36 Übergang zwischen Koordinatensystemen 37 Vektoren 39 Die Vektoralgebra 39 Das Skalarprodukt 43 Das Vektorprodukt 45 Gleichungen für die Ableitung von Vektoren 46 Die kartesischen Basisvektoren und die Vektorkomponenten 47 Lokales System in Kugelkoordinaten 51 Kinematik 57 Bewegung 58 Massenpunkte oder Teilchen 58 Beschreibung der Bewegung: die stroboskopische Lampe 59 Bewegung in einer Dimension 63 Der Begriff der Geschwindigkeit 64 Die momentane Geschwindigkeit 67 Der Begriff der Beschleunigung 71 Integration der Bewegung 74 Einige spezielle Bewegungsvorgänge 75 Beschleunigung durch die Gravitation 78 Bewegung in mehreren Dimensionen 81 Der Ortsvektor 82 Der Geschwindigkeitsvektor 84 Der Beschleunigungsvektor 89 Zerlegung der Bewegung 93 1 2 Kapitel 3 Physik Demonstrationsexperiment: Wurf im bewegten System 95 Demonstrationsexperiment: Schuss auf fallende Platte 98 Die gleichförmige Kreisbewegung 103 Geometrische Herleitung 107 Zusammenfassung 111 Masse, Impulserhaltung und die Mechanik 113 Die Masse 114 Die Definition der Masse 114 Träge und schwere Masse 118 Die Definition des Impulses 120 Der Impuls 120 Das allgemeine Gesetz 122 Die Impulserhaltung 122 Das erste Newtonsche Gesetz: Trägheit 124 Das zweite Newtonsche Gesetz: Aktionsprinzip 125 Die Definition der Kraft 125 Beziehung zwischen Kraft und Beschleunigung 128 Der Kraftstoss 129 Das dritte Newtonsche Gesetz: Aktion = Reaktion 130 Anwendungen: Impuls und Impulserhaltung 131 Ein freier Körper im Weltraum 131 Senkrechter Wurf nach oben 133 Der Rückstoss von Eiskunstläufern 134 Rückstoss eines Gewehres 135 Laufen auf dem Eisenbahnwagen 136 Horizontaler Rückstoss einer Kanone 137 Anwendungen: Kontaktkräfte 139 Körper, die sich aufeinander befinden 140 Ein hängendes Gewicht 144 Die schiefe Ebene: statischer Fall 146 Eine Rückstellkraft: Die Federkraft 147 Die Spannung: Fadenkräfte 151 Kapitel 4 Physik Anwendung des Kraftstosses 154 Zurückspringen eines Balls vom Boden 154 Anwendung: Berechnung der Bewegungen 155 Die schiefe Ebene: dynamischer Fall 156 Bewegung mit Rollen 157 Die Atwoodsche Maschine 159 Anwendung: Reibungskräfte 163 Haftreibung 167 Gleitreibung 169 Der Luftwiderstand 170 Numerische Integration der Bewegung 173 Eine fundamentale Kraft: Das Newtonsche Gravitationsgesetz 175 Gravitationskraft eines homogenen Rings 177 Gravitationskraft einer homogenen Hohlkugel 181 Gravitationskraft einer homogenen Vollkugel 184 Die Erdbeschleunigung 184 Bewegung des Mondes 191 Energie 195 Definition der Energie 196 Die relativistischen Grössen 198 Die Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit 198 Der Geschwindigkeitsparameter 201 Die relativistische Masse 203 Der relativistische Impuls 206 Die Masse-Energie Äquivalenz 206 Die kinetische Energie 208 Bewegung eines Balles in einer Kreisschleife 221 Potentielle Energie der Gravitation 215 Anwendung: Energieerhaltung 221 Die Arbeit, die eine Kraft leistet 225 Bewegung in einer Dimension 225 Bewegung in mehreren Dimensionen 226 Arbeit der Gewichtskraft 228 Arbeit der Federkraft 232 3 4 Kapitel 5 Physik Konservative und nicht-konservative Kräfte 233 Allgemeine potentielle Energie 233 Das Arbeit-Energie Theorem 237 Die mechanische Energie 240 Anwendung: Arbeit-Energie Theorem 242 Die Fluchtgeschwindigkeit 242 Schiefe Ebene mit Reibung 244 Beziehung zwischen Kraft und potentieller Energie: Der Gradient 247 Partielle Ableitungen 247 Die Kraft als Gradient der potentiellen Energie 249 Die geometrische Interpretation des Gradienten 253 Allgemeine potentielle Energie der Gravitationskraft 255 Anwendung: allgemeine Potentielle Energie der Gravitationskraft 257 Die Fluchtgeschwindigkeit 257 Die Bewegung von Satelliten 258 Die dunkle Materie 260 Rotationskurven von Spiralgalaxien 261 Galaxienhaufen (“Clusters”) 264 Schwingungen und Resonanz 267 Harmonische Schwingungen 267 Eine sinusförmige Bewegung 267 Die Periode der Schwingung 272 Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung 273 Anfangsbedingung 278 Die Kraft bei der harmonischen Bewegung 279 Anwendung: das Federpendel 280 Horizontale Bewegung des Federpendels 281 Vertikale Bewegung des Federpendels 283 Differentialgleichung der harmonischen Bewegung 287 Anwendung: Das Fadenpendel 290 Kapitel 6 Kapitel 7 Physik Energieerhaltung bei harmonischen Schwingungen 296 Gedämpfte harmonische Schwingungen 297 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 307 Mechanische Wellen 317 Was sind Wellen? 317 Beispiel: Seilwellen 317 Beispiel: Wellenausbreitung im Masse-FederSystem 320 Beispiel: Wellenausbreitung in einem Gas 322 Beschreibung der eindimensionalen Wellenausbreitung 323 Harmonische Wellen 326 Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit 328 Beziehung zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit und Medium 328 Die Wellengleichung 329 Anwendung: Ausbreitungsgeschwindigkeit transversaler elastischer Seilwellen 332 Longitudinale elastische Welle im Festkörper 339 Wellen im Festkörper 337 Wellen in zwei oder drei Dimensionen 342 Prinzip der Superposition 344 Anwendung: Superposition harmonischer Wellen 346 Stehende Wellen 349 Eigenschwingungen einer Saite 349 Wellenfunktionen stehender Wellen 353 Energieübertragung 355 Kugelwellen 359 Teilchensysteme 361 Das ballistische Pendel 362 Einleitung 361 Teilchensysteme mit zwei Massen 362 5 6 Kapitel 8 Physik Teilchensysteme mit variierender Masse 364 Raketenantrieb 364 Raketengleichung 369 Teilchensysteme mit mehreren Massen 372 Diskreter Fall 372 Kontinuierlicher Fall 373 Bewegung des Teilchensystems 374 Allgemeine Lösung 374 Innere und äussere Kräfte 378 Gesamtimpuls des Teilchensystems 384 Der Schwerpunkt eines Teilchensystems 386 Diskrete Massenverteilung 386 Kontinuierliche Massenverteilung 388 Anwendung: Berechnung des Schwerpunkts 388 Zwei Massen (diskreter Fall) 388 Homogene Körper, die eine gewisse Symmetrie aufweisen 390 Homogene Scheibe mit einem Loch (kontinuierlicher Fall) 392 Dynamik des Schwerpunkts 395 Die reduzierte Masse 396 Bewegung bezüglich des Schwerpunkts 400 Anwendung: Geschwindigkeit zweier Massen bezüglich ihres SPs 403 Anwendung: Impuls zweier Massen bezüglich ihres SPs 406 413 Kinetische Energie eines Teilchensystems 408 Gesamtenergie eines Teilchensystems 409 Stossvorgänge Definition 413 Erhaltungsgesetze bei Stossvorgängen 415 Anwendung: verschiedene Stossvorgänge 417 Stoss in einer Dimension 417 Elastischer Stoss in zwei Dimensionen 420 Kinetische Energie beim ballistischen Pendel 424 Kapitel 9 Kapitel 10 Physik Anwendung: Schwerpunkt beim Stoss 426 Schwerpunkt und Impulserhaltung 426 Stoss bezüglich des Schwerpunktsystems 428 Kinetische Energie bezüglich des L- und SPSystems 429 Anwendung: Begrenzung des Streuwinkels 432 Hochenergiebeschleuniger 443 Impulsübertragung während eines Stosses 436 Hochenenergetische Stossvorgänge 438 Drehbewegung 449 Definition des Drehimpulses 449 Der Drehimpuls eines Teilchens 449 Anwendung: Fallende Masse 456 Das Drehmoment 453 Erhaltung des Drehimpulses 454 Zentrale Kräfte 458 Anwendung: das Flächengesetz 459 Stoss mit einem Planet 462 Rotierender Drehimpulsvektor 464 Die Bewegung starrer Körper 473 Der starre Körper 473 Vektorielle Beschreibung der Drehbewegung 474 Drehung eines Körpers 474 Der Winkelgeschwindigkeitsvektor 479 Der Winkelbeschleunigungsvektor 481 Beziehung zwischen Winkelgeschwindigkeit und Geschwindigkeit 481 Anwendung: Bewegung des Rotors 489 Winkelgeschwindigkeit eines starren Körpers 482 Energie des starren Körpers 484 Trägheitsmoment eines homogenen Ringes 492 Berechnung des Trägheitsmoments eines starren Körpers 491 7 8 Kapitel 11 Physik Trägheitsmoment eines homogenen Zylinders 492 Trägheitsmoment einiger einfacher Körper 493 Der Satz von Steiner 497 Rollender Körper 498 Die Rollbedingung 498 Beschleunigung auf der schiefen Ebene 500 Die momentane Drehachse eines rollenden Körpers 504 Drehimpuls eines starren Körpers und Erhaltungsgesetz des Drehimpulses 507 Drehimpuls eines Velorads 508 Drehimpuls einer Hantel 512 Allgemeine Dynamik der starren Körper 514 Drehung des starren Körpers um eine Hauptachse 517 Anwendung: Rotation eines Yoyos 524 Atwoodsche Maschine mit massiver Rolle 526 Fallende massive Scheibe 528 Das physikalische Pendel 531 Schiefe Ebene (Lösung mit Kräften) 534 Die Kreiselbewegung 537 Horizontale Präzession des Velorads 538 Allgemeine Präzession 542 Präzession “ohne Drehimpuls” 543 Der Kreiselkompass 546 Gleichgewicht der starren Körper (Statik) 548 Mann auf einer Leiter 549 Balken mit Drehgelenk 553 Materie, Atome und Moleküle 559 Die Phasen der Materie 559 Moleküle 563 Atome 569 Protonen, Neutronen und Elektronen 569 Das Elektronvolt 571 Das Atom und die Elemente 572 Struktur der Atome 573 Kapitel 12 Physik Die Isotope 576 Die Avogadro-Zahl 577 Die elektrische Ladung 579 Elektrische Ladung der elementaren Teilchen 579 Leiter und Nichtleiter 583 Elektrostatische Aufladung von Körpern 583 Das Coulombsche Gesetz: die elektrostatische Kraft 587 Gravitation versus elektrische Kraft 593 Die elektrische potentielle Energie 594 Das klassische Atom-Modell 597 Gesetz von Gay-Lussac 661 Gesetz von Boyle und Mariotte 662 Definition der Kelvin-Skala 665 Die absolute Temperatur und die Kelvin-Skala 662 Wärmestrahlung 666 Eigenschaften der Wärmestrahlung 668 Gesetze der Wärmestrahlung 670 Das Spektrum der Wärmestrahlung 674 Bedeutung der Planckschen Konstanten 679 Anwendung: die Thermographie 681 Die Zustandsgleichung für ideale Gase 682 Ideale Gase 682 Wärmeenergie und Wärmekapazität 696 721 Mechanische Arbeit eines expandierenden Gases 725 Die Wärmekapazitäten CV und Cp 727 Definition der inneren Energie 722 Der erste Hauptsatz 724 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 721 Thermodynamik Wärmekapazitäten von Gasen 711 Anomale Wärmekapazitäten von Festkörpern 714 Die Einstein-Debye-Theorie 718 Wärmekapazitäten und die Quantenmechanik 711 Definition der Freiheitsgrade und der Gleichverteilungssatz 705 Gleichverteilungssatz für Gasmoleküle 706 Gleichverteilungssatz für Festkörper 708 Definition der Wärmekapazität 697 Wärmekapazität eines (einatomigen, idealen) Gases 699 Wärmekapazität eines Festkörpers 700 Mikroskopische Beschreibung des Gases 689 Mikroskopische Beschreibung der Materie 686 Die experimentelle Entdeckung des Kerns der Atome (1910) 597 Spektroskopie von isolierten Atomen 600 Spektroskopie des atomaren Wasserstoffs 605 Die Bohrsche Theorie des Wasserstoffatoms (1913) 609 Ionisationsenergie des Wasserstoffatoms 620 Kapitel 13 Physik Latente Wärme 704 Klassischer Gleichverteilungssatz 705 10 Wechselwirkung zwischen Licht und Materie 621 Die Bindungsenergie 623 Kernreaktionen 628 Bindungsenergie der verschiedenen Kerne 629 Kernspaltung 631 Kernfusion 635 Die Antimaterie 639 Temperatur, Gase und das Konzept der Wärme 643 Die Brownsche Molekularbewegung 643 Thermische Ausdehnung 649 Kräfte zwischen Atomen 650 Mikroskopische Beschreibung der thermischen Ausdehnung 653 Empirische Formel der thermischen Ausdehnung 655 Die Temperatur und das Gasthermometer 658 Das Gasthermometer und die Definition des Druckes 659 9 Kapitel 14 Physik Thermische Prozesse des idealen Gases 730 Isobare Zustandsänderung 730 Isotherme Ausdehnung und Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit 731 Adiabatische Ausdehnung 735 Wärmemaschine 742 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 748 Der Carnotsche Kreisprozess 749 Der Wirkungsgrad der Carnotschen Wärmemaschine 754 Wärmemaschine mit maximalem Wirkungsgrad 756 Das Konzept der Irreversilibität 757 Thermische Irreversibilität 759 Mechanische Irreversibilität 760 Weitere Irreversibilität 763 Die Entropie 764 Die Definition der Entropie 764 Entropie des frei expandierenden idealen Gases 767 Entropie und Irreversibilität 771 Relativität 773 Relativbewegung 773 Transformation von einem Bezugssystem ins andere 775 Inertialsysteme 779 Das Foucault-Pendel 780 Bewegung bezüglich Nicht-Inertial-Bezugssystemen und Scheinkräfte 783 Newtonsche Gesetze 783 Schein- oder reale Kräfte ? 786 Rotierendes Bezugssystem 786 Die Zentrifugalkraft 788 Die Corioliskraft 791 Komponentendarstellung 803 Die Erde als ein Nicht-Inertialbezugssystem 796 Die Galileische Transformation 802 Das Ereignis 805 11 12 Kapitel 15 Physik Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle 809 Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit 813 Das Michelson-Morley Experiment 816 Das Postulat der konstanten Lichtgeschwindigkeit 821 Die Lorentz-Transformation 822 Die spezielle Relativitätstheorie 826 Prinzip der Relativität 826 Die Einsteinschen Postulate 828 Invarianz des Raumzeit-Intervalls 829 Eigenzeit und Zeitdilatation 832 Der ganze Weltraum gehört uns 837 Längenkontraktion 838 Die Geschwindigkeitstransformation 839 Gleichzeitigkeit 841 Der relativistiche Energie-Impuls Vektor 847 Die Rot- und Blauverschiebung des Lichts 853 Rot- und Blauverschiebung des Lichts 856 Rotverschiebung von Galaxien 859 Eine Übersicht der allgemeinen Relativitätstheorie 863 Das Gravitationsfeld 863 Das Äquivalenzprinzip 865 Die Gravitationsrotverschiebung 867 Die Ablenkung von Licht 870 Schwarze Löcher 874 Elektromagnetismus 879 Elektrische und magnetische Felder 879 Das elektrische Feld 879 Das elektrische Feld und die Relativität 882 Die Lorentz-Kraft 888 Feldlininen 891 Elektrische Feldlinien 891 Der elektrische Dipol 893 Magnetische Feldlinien 894 Magnetische Pole 899 Physik Das magnetische Feld der Erde 900 Elektrische potentielle Energie und elektrisches Potential 902 Der Gradient des Potentials 904 Elektrisches Potential des elektrischen Dipols 905 Die elektrische Spannung 906 Elektrischer Strom 907 Modell der elektrischen Leitung 909 Die Stromdichte und die Leitfähigkeit 913 Das Ohmsche Gesetz 915 Die elektrische Leistung 917 Berechnung der elektrischen und magnetischen Felder 919 Berechnung des E-Feldes 921 Elektrisches Feld eines langen geladenen Stabes 922 Berechnung des B-Feldes 924 Magnetisches Feld eines langen geraden Leiters 926 Bewegte Ladungen in elektrischen und magnetischen Feldern 928 Beschleunigung durch ein elektrisches Potential 928 Bewegung einer Punktladung in einem elektrischen Feld 929 Bewegung einer Punktladung in einem magnetischen Feld 929 Die Blasenkammer 934 Kraft auf einen elektrischen Strom 936 Kraft zwischen zwei parallelen Leitern 937 Der Fluss und die Divergenz des Flusses 939 Die Definition des Flusses 939 Der elektrische und magnetische Fluss 940 Elektrischer Fluss durch eine geschlossene Oberfläche, die eine Punktladung umfasst 944 Die Divergenz des Feldes 946 Das Gauss’sche Gesetz 950 Gesetz für das elektrische Feld 950 Berechnung des elektrischen Feldes mit Hilfe des Gauss’schen Gesetzes 953 Divergenz des magnetischen Feldes 955 Stromdichte und Ladungserhaltung 957 13 14 Kapitel 16 Physik Das Linienintegral eines Feldes 961 Linienintegral über eine Kurve 961 Theorem von Stokes 963 Rotation des Feldes und konservative Felder 966 Das Ampèresche Gesetz 968 Maxwellsche Gleichungen 972 Gesetz von Faraday (Induktionsgesetz) 974 Die induzierte Spannung 974 Das Induktiongesetz 977 Der induzierte Strom 981 Induktion durch Bewegung 984 Elektromagnetische Wellen 991 Felder eines bewegten geladenen Drahtes 991 Die elektromagnetischen Wellen 1000 Die Wellengleichung und die Ausbreitungsgeschwindigkeit 1001 Harmonische ebene Wellen 1006 Ebene Wellen 1003 Das Synchrotronlicht 1012 Das elektromagnetische Spektrum 1008 Die Polarisation 1015 Polarisationsfilter 1017 Polarisator und Analysator 1018 Energie und Impuls der elektromagnetischen Wellen 1022 Der Poynting-Vektor und die Intensität der Welle 1022 Intensität als Funktion der Distanz 1024 Elektromagnetischer Druck 1025 Wellentheorie der elektromagnetischen Wellen 1027 Das Prinzip von Huygens 1027 Reflexion und Brechung 1029 Anwendung: das Prisma 1032 Totalreflexion 1034 Beugung an einem Spalt 1035 Youngsches Experiment: Interferenz der elektromagnetischen Wellen 1042 Kapitel 17 Physik Beugung am Doppelspalt 1045 Röntgenbeugung 1048 Quantenmechanik 1055 Einleitung 1055 Die Quantisierung des Lichts 1057 Der photoelektrische Effekt 1057 Definition des Photons 1060 Erklärung des Photoelektrischen Effekts 1063 Ruhemasse des Photons: 1065 Spin des Photons 1067 Die Compton-Streuung 1068 Die Wellennatur der Teilchen 1076 Die Hypothese von de Broglie 1076 Ein Elektron in einem Kasten 1077 Die Schrödinger-Gleichung 1083 Ein freies Teilchen in einer Dimension 1085 Die stationären Zustände 1086 Die Interpretation der Wellenfunktion 1088 Reduktion der Wellenfunktion 1091 Elektron durch Doppelspalt 1094 Die Unschärferelation 1100 Röntgen- und Elektronenbeugung 1108 Röntgenbeugung 1108 Elektronenbeugung 1112 Der Tunneleffekt 1115 Das Wasserstoffatom 1124 Wasserstoffatom mit Schrödinger-Gleichung 1127 Die stationären Zustände des Wasserstoffatoms 1130 Drehimpuls and magnetische Wechselwirkung 1133 Eigendrehimpuls des Elektrons 1136 Spin des Protons 1137 Spin und Mehrelektronenatome 1139 Rotation und Vibration von Molekülen 1141 Das EPR-Paradoxon 1143 Eine weitere Unschärferelation 1148 15 16 Physik
