Inhaltsverzeichnis
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Inhaltsverzeichnis VII Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.5 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.7 1.8 1.8.1 1.8.2 1.9 1.9.1 1.9.2 1.9.3 1.10 1.10.1 1.10.2 1.10.3 1.10.4 1.10.5 1.11 1.11.1 1.12 1.13 1.13.1 1.13.2 1.13.3 V Mechanik Grundgrößen und ihre Messung Die Dichte Die Kraft Wirkung einer Kraft Vektorgrößen Gewichtskraft Hooke’sches Gesetz Kraft und Gegenkraft Geschwindigkeit/Beschleunigung Geradlinige gleichförmige Bewegung Gleichmäßig beschleunigte Bewegung Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit Durchschnitts- und Momentanbeschleunigung Kräftegleichgewicht/Trägheitssatz Reibung/Luftwiderstand Gleitreibungskraft Haftreibungskraft Strömungswiderstand Das Newton’sche Grundgesetz Der freie Fall Freier Fall ohne Luftwiderstand Fall mit Luftwiderstand Überlagerung von Bewegungen, Würfe, Bremsbewegungen Überlagerung gleichförmiger Bewegungen Würfe Bremsbewegungen Einfache Maschinen Stange und Seil Feste Rolle Lose Rolle Kombination einer festen und einer losen („masselosen“) Rolle Der Flaschenzug Die physikalische Arbeit Spezialfälle Leistung Energie Arten der Energie Verlustfreie Speicherung von, verlustfreie Umsetzung in Arbeit Energieumwandlungen 1 2 2 2 2 4 5 5 6 6 7 9 9 10 11 11 11 12 13 14 14 14 15 15 15 19 20 20 20 21 21 22 23 23 27 28 28 28 29 VIII 1.14 1.14.1 1.14.2 1.14.3 1.14.4 1.14.5 1.14.6 1.15 1.15.1 1.15.2 1.15.3 1.15.4 1.15.5 1.15.6 1.16 1.16.1 1.16.2 1.16.3 1.16.4 1.16.5 1.16.6 1.17 1.17.1 1.18 1.18.1 1.19 1.20 1.20.1 1.20.2 1.21 1.21.1 1.21.2 1.22 1.22.1 1.22.2 1.22.3 1.22.4 1.22.5 1.22.6 1.22.7 1.23 1.23.1 1.23.2 1.24 Inhaltsverzeichnis Impuls Impulserhaltungssatz Ballistisches Pendel Unelastischer Stoß Gerader elastischer Stoß Schiefer Stoß gegen ruhende Wand Kraft und Impulsänderung, Kraftstoß Die Kreisbewegung Zentripetalkraft und Zentripetalbeschleunigung Größe der Zentripetalkraft F2 und der Zentripetalbeschleunigung az Begriffe und Größen bei der Kreisbewegung Vertikale Kreisbewegung Arbeit bei der Kreisbewegung Weitere Beispiele zur Kreisbewegung Himmelsbewegung und Gravitation Geozentrisches Weltsystem Heliozentrisches Weltsystem Kepler’sche Gesetze Planetenbewegungen Erd- und Sonnenmasse Satelliten auf Kreisbahnen um die Erde Trägheitskräfte Möglichkeiten zur Beschreibung dynamischer Probleme Der Stempeldruck in Flüssigkeiten und Gasen Anwendungen des Stempeldrucks Der hydrostatische Druck (Schweredruck) Der Auftrieb/Schwimmen, Schweben, Sinken Auftrieb Schwimmen, Schweben, Sinken Statik der Gase/Gesetz von Boyle-Mariotte Statik der Gase Gesetz von Boyle-Mariotte Mechanische Schwingbewegungen Schwingbewegung Schwingungsfrequenz Beispiel für eine kompliziertere Anfangsbedingung Energie der mechanischen Horizontalschwingung Die vertikale Federschwingung Die U-Rohr-Schwingung Das Fadenpendel Gedämpfte Schwingungen/Erzwungene Schwingungen der Mechanik Gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Überlagerung von Schwingungen 32 32 34 34 35 37 38 40 40 41 42 44 45 46 48 48 49 49 50 52 52 53 54 56 57 58 61 61 63 64 64 66 67 67 68 69 70 70 72 72 75 75 76 79 Inhaltsverzeichnis 1.24.1 1.24.2 1.25 1.25.1 1.25.2 1.25.3 1.26 1.26.1 1.26.2 1.26.3 1.27 1.27.1 1.27.2 1.27.3 1.28 1.28.1 1.28.2 2 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.6 2.7 2.8 2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.9 2.9.1 2.9.2 2.10 2.10.1 2.10.2 2.10.3 2.11 2.11.1 2.11.2 Zahlenbeispiele/Bewegungstypen bei der Überlagerung von Horizontal- und Vertikalschwingung Eindimensionale Überlagerung Mechanische Querwellen (eindimensional) Transversal- und Longitudinalwellen Reflexion der Transversalstörungen Die sinusförmige Querwelle Überlagerung von Wellen Überlagerung einer Welle mit ihrer „Reflexion“ – Ausbildung stehender Wellen Stehende Wellen in Trägern Saitenschwingungen Längswellen (Eindimensional) Ausbreitung von Überdruck- und Unterdruckstörung Reflexion von Längswellen Reflexion einer sinusförmigen Längswelle am festen Ende/ losen Ende Zweidimensionale Wellenfelder (mechanischer Wellen) Erklärung der Reflexion Erklärung der Brechung Wärmelehre Die Temperatur und ihre Messung Längsausdehnung fester Körper beim Erwärmen Die Volumenausdehnung von Flüssigkeiten/Anomalie des Wassers Anomalie des Wassers Die Volumenausdehnung der Gase/Kelvinskala Temperatur und Teilchenbild/Wärme Aufbau der Körper im Teilchenbild Mechanische Arbeit und Wärme Wärmemenge und spezifische Wärmekapazität Mischungsversuche Erscheinungsformen der Stoffe/Schmelz- und Verdampfungswärme Aggregatzustände Schmelzwärme Verdampfungswärme Ergänzungen: Verdunsten, Siedepunktserniedrigung Verdunstung Siedepunkterniedrigung Wärmetransport Wärmekonvektion Wärmeleitung Wärmestrahlung Das allgemeine Gasgesetz Erstfassung des Gasgesetzes Avogadro- oder Loschmidt-Zahl, Endfassung des Gasgesetzes IX 80 83 85 85 87 88 92 94 95 96 99 99 101 102 103 105 106 108 110 111 111 112 114 114 116 118 119 120 120 120 121 123 123 123 124 124 125 125 125 125 127 X Inhaltsverzeichnis 2.12 2.12.1 2.12.2 2.12.3 2.13 2.14 2.14.1 2.14.2 2.14.3 2.14.4 2.14.5 2.15 Kinetische Gastheorie Zusammenhang zwischen Druck und Geschwindigkeit Zusammenhang zwischen Temperatur und Geschwindigkeit Innere Energie Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre Carnotprozess, 2. Hauptsatz, Wirkungsgrad bei Wärmemaschinen Der Carnotprozess Wirkungsgrad von Wärmemaschinen Einige Erfahrungstatsachen Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre Wärmemaschinen Strahlungsgesetze 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.2.1 3.3 3.3.1 3.3.2 Akustik Grundtatsachen Amplitude und Frequenz Die Lochsirene Ausbreitung von Schall Schall als Längswelle Versuche mit Schallwellen Der Doppler-Effekt: Erreger oder Beobachter einer Welle bewegen sich Erreger bewegt, Beobachter in Ruhe Erreger fest, Beobachter bewegt 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.6 4.6.1 4.6.2 Optik Grundbegriffe Punktförmige Lichtquelle, Lichtstrahl Das optische Bild Schatten Kernschatten und Halbschatten Die Entstehung der Mondphasen Mond- und Sonnenfinsternisse Die Reflexion des Lichts Reflexionsgesetz Das Spiegelbild Die Brechung des Lichts Brechungsgesetz Anwendungen des Brechungsgesetzes Totalreflexion Strahlengang des Lichts im Prisma Die Sammellinse Strahlengang bei der Sammellinse Abbildung durch Sammellinsen Das menschliche Auge Veränderung der Brennweite Augenfehler 128 128 130 130 131 131 131 133 133 134 135 136 138 138 139 140 141 141 145 145 148 152 152 152 154 154 154 155 156 156 157 159 159 161 162 163 164 164 166 169 169 170 Inhaltsverzeichnis XI 4.7 4.8 4.8.1 4.8.2 4.8.3 4.8.4 4.8.5 4.8.6 4.9 4.9.1 4.9.2 4.10 4.10.1 4.10.2 4.10.3 4.10.4 4.11 4.11.1 4.11.2 4.11.3 4.12 4.12.1 4.12.2 4.12.3 4.12.4 4.13 4.13.1 4.13.2 Der Fotoapparat Farbiges Licht, Körperfarben Spektralfarben Entstehung des Regenbogens Linienspektrum und kontinuierliches Spektrum Farbaddition Farbsubtraktion Körperfarben Newton’sches Teilmodell, Huygens’sches Wellenmodell für Licht Korpuskelmodell des Lichts Huygens’sches Wellenmodell Messung der Lichtgeschwindigkeit Astronomische Methode nach Olaf Rönner (1675) Terrestrische Methode nach Fizeau (1849) – Zahnradmethode Drehspiegelmethode nach Foucault Ergebnisse der Lichtgeschwindigkeitsmessung Die Interferenz des Lichts Bestätigungsversuch nach Wiener Interferenzversuch von Fresnel Interferenz an dünnen Schichten Die Beugung des Lichts Beugung an verschiedenen kleinen Objekten Beugung am Spalt Beugung am Gitter Überlagerung von Gitter- und Spaltinterferenz Die Polarisation des Lichts Licht als Querwelle Brewster’sches Gesetz 171 172 172 173 173 173 175 175 176 176 177 177 177 178 179 179 179 179 180 180 184 184 185 187 191 192 192 192 5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 Elektrizitätslehre und Magnetismus Einfache Grundaussagen des Magnetismus Magnetische Pole Elementarmagnete Magnetische Influenz Das magnetische Feld Das Erdmagnetfeld Elektrizitätslehre – Grundbegriffe, Grundaussagen Stromkreis Leiter und Nichtleiter Wirkungen des Stroms Ergänzungen Ladung und Stromstärke Elektrische Ladung Definition der Ladungseinheit Definition der elektrischen Stromstärke Eigenschaften der Ladung Elektronen, Atombau, Ionen 194 194 194 195 195 197 198 198 199 200 201 202 202 203 203 204 205 XII 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.7 5.8 5.8.1 5.8.2 5.9 5.10 5.10.1 5.10.2 5.10.3 5.10.4 5.11 5.11.1 5.11.2 5.12 5.13 5.14 5.15 5.15.1 5.15.2 5.15.3 5.16 5.16.1 5.16.2 5.16.3 5.16.4 5.17 5.17.1 5.17.2 5.17.3 5.17.4 5.17.5 Inhaltsverzeichnis Versuch von Edison Atombau Stromleitung in Metallen Erklärung verschiedener elektrischer Erscheinungen im Elektronenbild Stromleitung in Flüssigkeiten (Elektrolyse) Geräte zur Messung der Stromstärke Hitzedrahtampèremeter Drehspulampèremeter Mittelwert bei der Stromanzeige Die elektrische Spannung Definition der Spannung Reihenschaltung (Hintereinanderschaltung) von Stromquellen Elektrisches Potenzial Das Ohm’sche Gesetz/Elektrischer Widerstand Widerstand eines Drahts Widerstandsformel für einen Draht Schiebewiderstand Stromstärke, Ladung, Spannung, Arbeit, Leistung im Stromkreis Parallelschaltung und Reihenschaltung von Widerständen Kirchhoff’sches Gesetz Reihenschaltung von Widerständen Anwendung von Reihenschaltung Parallelschaltung von Widerständen Messbereichserweiterung beim Strom- und Spannungsmesser Strommesser Spannungsmesser Fernsehröhre Der Elektromotor Die Lorentzkraft (qualitativ) Elektromagnetische Induktion – 1. Teil: Einfache Aussagen (qualitativ) Generatorprinzip Induktion von Wechselspannung bei einer sich im Magnetfeld drehenden Leiterschleife Induktion von Spannung durch Magnetfeldänderung Röhrendiode und Röhrentriode UA-IA-Kennlinien der Röhrendiode Diode als Gleichrichter Röhrentriode Anwendung: Triode als Verstärker Halbleiter, Halbleiterdiode, Transistor Undotierte Halbleiter Dotierte Halbleiter Der p/n-Übergang Halbleiterdiode als Gleichrichter Gleichrichterschaltung mit vier Dioden und Foto-Diode 205 206 207 208 209 210 210 210 211 211 211 213 214 214 215 215 216 217 218 218 219 220 221 223 223 224 225 226 227 229 229 230 231 231 231 232 233 233 234 234 236 236 237 238 Inhaltsverzeichnis XIII 5.17.6 5.18 5.18.1 5.18.2 5.19 5.20 5.20.1 5.20.2 5.20.3 5.20.4 5.20.5 5.20.6 5.21 5.21.1 5.21.2 5.21.3 5.21.4 5.22 5.22.1 5.22.2 5.23 5.24 5.24.1 5.24.2 5.25 5.25.1 5.25.2 5.25.3 5.26 5.26.1 5.26.2 5.26.3 5.26.4 5.27 5.27.1 5.27.2 5.27.3 5.28 5.29 5.29.1 5.29.2 5.29.3 5.30 5.30.1 239 241 241 243 245 246 246 248 248 249 249 252 252 252 253 253 254 255 255 255 256 261 262 264 266 266 267 267 268 268 269 269 270 270 270 272 273 276 278 282 283 284 285 5.30.2 5.30.3 Der Transistor Das elektrische Feld, elektrische Feldstärke Elektrische Felder, Feldlinien Elektrische Feldstärke Elektrische Feldstärke und Spannung Ladungsdichte und Kapazität Flächenladungsdichte und Feldkonstante Kapazität Dielektrizitätszahl Polarisation der Atome Ergänzungen Größenfaktoren Schaltung von Kondensatoren Parallelschaltung von Kondensatoren Reihenschaltung von Kondensatoren Aufgaben Kondensator mit Dielektrikum und Luftschlitz Die Energie des elektrischen Feldes Energie des geladenen Kondensators Räumliche Energiedichte Radialfeld einer punktförmigen Ladung, Coulomb-Gesetz Die magnetische Flussdichte Definition der Flussdichte Magnetische Flussdichte B in einer lang gestreckten Spule Lorentzkraft auf ein Elektron (quantitativ), Hall-Effekt Eine Formel für die Stromstärke im Leiter Lorentzkraft auf ein Elektron Der Hall-Effekt Geladene Teilchen in elektrischen Feldern, Millikanversuch Elektronenvolt Parabelbahnen bei Teilchen im Kondensatorfeld Bremsbewegung Milikanversuch – Bestimmung der Elementarladung e Teilchen in magnetischen und elektrischen Feldern Teilchen in magnetischen Feldern E-Feld und B-Feld senkrecht zueinander Teilchenbeschleuniger Ladungsträger in Gasen Elektromagnetische Induktion – 2. Teil (quantitativ) Wirbelströme Versuch: „Aluring“/Spulenmagnet Aufgaben Selbstinduktion bei Spulen Größe der induzierten Spannung der Spule im Falle der Selbstinduktion Quantitative Betrachtung des Ein- und Ausschaltvorgangs Energie des Magnetfeldes 286 287 288 XIV 5.31 5.32 5.33 Inhaltsverzeichnis 5.40.1 5.40.2 5.40.3 5.40.4 Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung im Generator Effektivwerte von Strom und Spannung bei Wechselstrom Ohm’scher Widerstand, Spule und Kondensator im Wechselstromkreis Induktiver Widerstand Kapazitiver Widerstand Zeigerdiagramm Reihenschaltung von Ohm’schem Widerstand R, Spule mit Induktivität L und Kondensator mit Kapazität C im Wechselstromkreis (Siebkette) Abhängigkeit der Größen Ieff und d von der Frequenz f, wenn R, L, C und Ueff fest vorgegeben sind Sperrkreis Aufgabe Der Schwingkreis Ungedämpfter Schwingkreis Gedämpfter Schwingkreis Aufhebung der Dämpfung durch Rückkopplung (Meißner-Schaltung) Erzwungene elektromagnetische Schwingungen Der Transformator (Trafo) Hoch- und Niederspannungstrafo Belasteter und unbelasteter Trafo Drehstrom Prinzip der drei Phasen Erzeugung von Drehstrom Elektromagnetische Wellen Hertz’scher Dipol Elektromagnetische Wellen im Raum Maxwells Überlegungen Ergänzungen „Lichteigenschaften“ elektromagnetischer Wellen Licht als elektromagnetische Welle Faraday-Effekt und Kerr-Effekt Entspricht die Modell-Lichtwelle der elektrischen oder der magnetischen Teilwelle? Nicht sichtbare Spektralbereiche im elektromagnetischen Spektrum/Überblick „Infrarotlicht“, „Ultraviolettlicht“ Röntgenstrahlen g-Strahlung Überblick über das elektromagnetische Spektrum 6 6.1 6.1.1 6.1.2 Atomphysik und Quantenphysik Kernphysik Kernaufbau Radioaktivität 5.33.1 5.33.2 5.33.3 5.33.4 5.33.5 5.33.6 5.33.7 5.34 5.34.1 5.34.2 5.34.3 5.34.4 5.35 5.35.1 5.35.2 5.36 5.36.1 5.36.2 5.37 5.37.1 5.37.2 5.37.3 5.37.4 5.38 5.39 5.39.1 5.39.2 5.40 290 291 293 293 295 296 297 299 301 302 303 303 306 306 307 309 309 309 311 311 312 313 313 314 315 317 318 320 320 321 323 323 323 323 324 325 325 325 Inhaltsverzeichnis 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.1.7 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.3 6.3.1 6.3.2 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.7 6.8 6.8.1 6.8.2 6.8.3 6.9 6.9.1 6.9.2 6.9.3 6.10 6.10.1 6.10.2 6.10.3 6.10.4 Wie wird die unsichtbare Strahlung nachgewiesen? Was passiert beim radioaktiven Zerfall eines Atomkerns? Kernreaktionen Kernspaltung (Otto Hahn, 1938) Kernfusion Kristalluntersuchungen mit Röntgenstrahlen Bragg’sche Reflexionsbedingung Drehkristallmethode Debye-Scherrer-Methode (Pulvermethode) Der Fotoeffekt Lichtquanten und Planck’sches Wirkungsquantum Fotostrom Einige Aussagen der speziellen Relativitätstheorie, Comptoneffekt Massenzunahme und relativistische Energie Photonenmasse, Photonenimpuls Comptoneffekt Materiewellen Wellencharakter von Elektronen Bedeutung der Welle bei Materieteilchen Frequenz und Wellengeschwindigkeit bei Materiewellen Elektronen am Doppelspalt Elektronen am Einzelspalt Entwicklung des Atommodells, Erklärung der Balmerserie Bohr’sche Postulate Halbklassische Berechnung des Wasserstoffspektrums Strahlungsserien Der eindimensionale Potentialtopf – Quantengesetz des eingesperrten Elektrons Der Franck-Hertz-Versuch, Umkehrung der Na-Linie Franck-Hertz-Versuch Umkehrung der Na-Linie Fraunhofer’sche Linien Röntgenstrahlung Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung Deutung der kontinuierlichen Röntgenstrahlung Deutung der charakteristischen Röntgenstrahlung Quantenmechanische Behandlung physikalischer Probleme mit der Schrödingergleichung Zeitabhängige und zeitunabhängige Schrödingergleichung Teilchen im eindimensionalen Potenzialtopf Das Wasserstoffproblem Der harmonische Oszillator – „Teilchen, das an einer Feder hängt“ Anhang I: Physikalische Konstanten Anhang II: Literatur Sachregister XV 326 328 328 329 329 330 330 331 332 333 333 335 337 337 339 340 342 342 342 343 344 344 346 346 346 348 349 352 352 354 354 355 355 356 356 359 359 361 361 363 368 369 370
