PHYSIK für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften 15.A.

Inhaltsverzeichnis
Einführung
1
Was ist Physik“? Wege physikalischer Erkenntnisgewinnung
”
. . . . . . . . . .
15
2
2.1
2.2
Physikalische Größen, Einheiten, Dimensionen, Gleichungen . . . . . . . . . . .
Größen, Einheiten, Dimensionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Physikalische Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
16
18
TEILCHEN
Mechanik der Punktmasse und des starren Körpers
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Kinematik der Punktmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Raum, Zeit, Bezugssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die gleichförmige Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Freier Fall. Senkrechter Wurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Allgemeine Definition von Geschwindigkeit und Beschleunigung. Ungleichmäßig
beschleunigte Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektoren. Zusammengesetzte Bewegungen
(Superposition) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die gleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die ungleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bewegung auf beliebig krummliniger Bahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
19
21
22
25
. . . .
37
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
Dynamik der Punktmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Kraftbegriff in der Physik. Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften.
Statisches Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Trägheitsgesetz (1. N EWTONsches Axiom) . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Grundgesetz der Dynamik (2. N EWTONsches Axiom) . . . . . . . . . .
Träge und schwere Masse. Gewichtskraft. Radialkraft . . . . . . . . . . . . .
Kraftstoß. Impuls (Bewegungsgröße) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lösung der Bewegungsgleichung für konstante Kraft. Die Wurfbewegung . .
Das Wechselwirkungsgesetz (3. N EWTONsches Axiom) . . . . . . . . . . . .
Reibungskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40
40
41
43
45
48
49
5
5.1
5.2
5.3
Bewegte Bezugssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme. Trägheitskräfte . . . . . . . . . .
Gleichförmig rotierende Bezugssysteme. Zentrifugalkraft, C ORIOLIS -Kraft .
Inertialsysteme. Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik . . . . . . . .
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52
54
57
3.6
3.7
3.8
3.9
4
4.1
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27
29
31
34
36
8
Inhaltsverzeichnis
6
Grundzüge der speziellen Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
6.1
6.2
6.3
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die L ORENTZ-Transformation . . . . . . . . . .
Folgerungen aus der L ORENTZ-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Relativistische Bewegungsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
62
63
7
Arbeit und Energie
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leistung. Wirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Energiebegriff. Potentielle und kinetische Energie
Das Gesetz von der Erhaltung der Energie (Energiesatz)
Äquivalenz von Masse und Energie . . . . . . . . . .
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69
70
71
8
Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
8.1
8.2
Die K EPLERschen Gesetze der Planetenbewegung und das Gravitationsgesetz . . . .
Arbeit gegen die Schwerkraft. Kosmische Geschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . .
73
75
9
Dynamik der Punktmassen-Systeme
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
9.1
9.2
9.3
Impulserhaltungssatz. Massenmittelpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Gesetze des Stoßes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Raketenantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
79
83
10
Statik des starren Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
Freiheitsgrade des starren Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kräfte am starren Körper. Drehmoment. Gleichgewichtsbedingungen
Kräftepaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Schwerpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arten des Gleichgewichts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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85
85
89
90
92
11
Dynamik des starren Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
Bewegung eines frei beweglichen Körpers bei Einwirkung einer Kraft
Kinetische Energie der Drehbewegung. Massenträgheitsmoment . . .
Arbeit und Leistung bei der Drehbewegung. Grundgesetz der Dynamik
Der Drehimpuls (Drall). Drehimpulserhaltungssatz . . . . . . . . . .
Kreiselbewegungen. Freie Achsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bewegung des symmetrischen Kreisels . . . . . . . . . . . . . . . .
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. 95
. 97
. 98
. 100
KONTINUA
Mechanik der deformierbaren Medien
12
Die Zustandsformen der Stoffe
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
13
Der deformierbare feste Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
13.1
13.2
13.3
13.4
13.5
Elastische Verformung. H OOKEsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . .
Querkontraktion. Kompressibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elastisches Verhalten bei Scherbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . .
Der einachsige Spannungszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenhang zwischen Schubmodul, Elastizitätsmodul und P OISSONscher
Querkontraktionszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Plastische Verformung. Spannungs-Dehnungs-Diagramm . . . . . . . . . . .
13.6
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104
105
107
107
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. . . . 109
9
Inhaltsverzeichnis
14
14.1
14.2
14.3
14.4
14.5
14.6
14.7
Ruhende Flüssigkeiten und Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck) . . . . . . . . . . . . .
Schweredruck. Auftrieb. Schwimmstabilität . . . . . . . . . . . . . . .
Druck in Gasen. Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Dichte .
Schweredruck in Gasen. Barometrische Höhenformel . . . . . . . . . .
Erscheinungen an Grenzflächen. Kohäsion und Adhäsion . . . . . . . .
Spezifische Oberflächenenergie, Oberflächenspannung . . . . . . . . .
Benetzung und Kapillarwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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111
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114
116
117
118
119
15
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
15.7
Strömende Flüssigkeiten und Gase (Strömungsmechanik) . . .
Das Strömungsfeld. Kennzeichnung und Einteilung von Strömungen
Strömungen idealer Flüssigkeiten und Gase. Kontinuitätsgleichung .
Die B ERNOULLIsche Gleichung. Druckmessung . . . . . . . . . .
Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase. Laminare Strömung . . .
Gesetze von H AGEN -P OISEUILLE und S TOKES . . . . . . . . . . .
Umströmung durch reale Flüssigkeiten und Gase. R EYNOLDS -Zahl .
Die Bewegungsgleichung eines Fluids . . . . . . . . . . . . . . . .
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WÄRME
Thermodynamik und Gaskinetik
16
16.1
16.2
16.3
16.4
Verhalten der Körper bei Temperaturänderung . . . . . . . . . . . .
Die Temperatur und ihre Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper . . . . . . . . . . .
Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderungen der Gase.
Der absolute Nullpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases . . . . . . . . . . .
. . . . . . 137
. . . . . . 137
. . . . . . 139
. . . . . . 141
. . . . . . 144
17
17.1
17.2
17.3
17.4
17.5
Der I. Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz) . . . . . . . . . . . . . .
Wärmemenge und Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Innere Energie eines Systems. Formulierung des I. Hauptsatzes . . . . . . . . . . .
Spezifische Wärmekapazität des idealen Gases. Kalorische Zustandsgleichung . . .
Anwendung des I. Hauptsatzes auf spezielle Zustandsänderungen des idealen Gases
Zustandsänderungen des idealen Gases in offenen Systemen. Technische Arbeit.
Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
18.1
18.2
Kinetische Gastheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Masse der Atome und Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Druck und mittlere quadratische Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Grundgleichung
der kinetischen Gastheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Molekularenergie und Temperatur. Wärmekapazität der Körper . . . . . . . . . . . .
Stoßzahl und mittlere freie Weglänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gemische idealer Gase. Gesetz von DALTON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3
18.4
18.5
18.6
19
19.1
19.2
19.3
19.4
19.5
19.6
Der II. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) . . . . . .
Der C ARNOT-Kreisprozess. Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und
Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thermodynamische Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reversible und irreversible Vorgänge. II. Hauptsatz . . . . . . . . . .
Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Entropieänderung des idealen Gases. Irreversible Prozesse . . . . . .
Entropie und Wahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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145
147
149
151
. 155
157
157
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161
163
165
166
. . . . . . . . 168
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168
172
172
174
178
180
10
Inhaltsverzeichnis
19.7
III. Hauptsatz (Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts) . . . . . . . 182
20
Reale Gase. Phasenumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
20.1
20.2
20.3
20.4
20.5
Die VAN - DER -WAALS sche Zustandsgleichung. Gasverflüssigung . . . . . . . . .
J OULE -T HOMSON-Effekt. Erzeugung tiefer Temperaturen . . . . . . . . . . . .
Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Sieden und Verdunsten
Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase. Koexistenz dreier Phasen . . .
Lösungen. Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung . . . . . . . . . . .
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183
186
188
192
194
21
Ausgleichsvorgänge
21.1
21.2
21.3
Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
FELDER
Gravitation. Elektrizität und Magnetismus
22
Das Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
22.1
22.2
22.3
Fernwirkung und Nahwirkung. Der Feldbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Gravitationsfeldstärke, Gravitationspotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Massen als Senken des Gravitationsfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
23
Das elektrostatische Feld
23.1
23.2
23.3
23.4
23.5
23.6
23.7
23.8
Die elektrische Ladung. Ladungsnachweis . . . . . . . . . . . . .
Ladungen als Quellen bzw. Senken des elektrischen Feldes . . . .
Kraftwirkungen des elektrischen Feldes. Elektrische Feldstärke . .
Elektrostatisches Potential. Spannung . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Ladungen auf Leitern. Influenz . . . . . . . . . . . .
Elektrischer Fluss, Flussdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das elektrische Zentralfeld (Punktladung und Punktladungssystem)
Kapazität. Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
24
Das elektrische Feld in Isolatoren (Dielektrika)
24.1
24.2
24.3
24.4
Elektrische Polarisation der Dielektrika. Piezoelektrizität . . . .
Permittivität (Dielektrizitätskonstante), elektrische Suszeptibilität
Verhalten von D und E an der Grenzfläche zweier Medien . . .
Energieinhalt des elektrischen Feldes . . . . . . . . . . . . . .
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210
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212
214
216
218
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221
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
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25
Der Gleichstromkreis
25.1
25.2
25.3
25.4
Das stationäre elektrische Feld in einem Leiter . . . . . . . . . . . . . . .
Stromstärke, Spannung, Widerstand. O HM sches Gesetz . . . . . . . . . . .
Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen. K IRCHHOFFsche Gesetze
Arbeit und Leistung elektrischer Gleichströme . . . . . . . . . . . . . . .
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224
226
228
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
26
Elektrische Leitungsvorgänge in Festkörpern und Flüssigkeiten
26.1
26.2
26.3
26.4
26.5
Klassische Theorie der freien Elektronen in Metallen
Thermoelektrische Effekte . . . . . . . . . . . . . .
Elektrokinetische Effekte . . . . . . . . . . . . . .
Elektrolytische Stromleitung. FARADAYsche Gesetze
Elektrochemische Spannungsquellen . . . . . . . .
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229
229
232
235
. . . . . . . . . 235
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236
238
239
239
241
11
Inhaltsverzeichnis
27
27.1
27.2
27.3
27.4
Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum und in Gasen
Bewegung freier Ladungsträger im elektrischen Feld . . .
Ladungsträgerinjektion, Katodenstrahlen . . . . . . . . .
Gasentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Plasmaströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
28.1
28.2
28.3
28.4
28.5
28.6
28.7
28.8
Das magnetostatische Feld der Dipole und Gleichströme . . . . . . . . . .
Analogien und Unterschiede zum elektrostatischen Feld . . . . . . . . . . . . .
Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf magnetische Dipole. Magnetische
Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters. Durchflutungsgesetz . . . . . . . .
Einfache Feldberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetische Flussdichte (Induktion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf Stromleiter . . . . . . . . . . . .
Bewegung freier Ladungsträger im magnetischen Feld. L ORENTZ-Kraft . . . .
Galvano- und thermomagnetische Effekte. H ALL-Effekt . . . . . . . . . . . .
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253
254
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258
29
29.1
29.2
29.3
Das magnetische Feld in Stoffen . . . . . . .
Magnetische Polarisation der Stoffe . . . . . .
Magnetisierung der Ferromagnetika. Hysterese
Der magnetische Kreis. Entmagnetisierung . .
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262
30
30.1
30.2
30.3
30.4
Elektromagnetische Induktion . . . . . . . . . . . .
Das FARADAYsche Induktionsgesetz . . . . . . . . . .
Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Energieinhalt des magnetischen Feldes . . . . . . . . .
Elektromagnetische Induktion in einem bewegten Leiter
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266
268
268
31
31.1
31.2
31.3
31.4
31.5
31.6
Der Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wechselspannung, Wechselstrom, Dreiphasenstrom . . . . . . .
Arbeit und Leistung elektrischer Wechselströme . . . . . . . . .
Wechselstromwiderstände. O HM sches Gesetz für Wechselstrom
Der Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anharmonische Wechselströme in der Elektronik . . . . . . . .
Gleichrichter und Verstärker. Elektronische Bauelemente . . . .
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273
278
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280
32
32.1
32.2
32.3
32.4
Die Maxwellschen Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wirbel des magnetischen Feldes. Verschiebungsstrom . . . . . . . . .
Wirbel des elektrischen Feldes. Wirbelströme . . . . . . . . . . . . .
Elektromagnetisches Feld. System der M AXWELLschen Gleichungen .
Relativistische Elektrodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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285
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. . . 248
. . . 248
WELLEN
Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen
33
33.1
33.2
33.3
33.4
33.5
33.6
Mechanische Schwingungen . . . . . . .
Lineare Federschwingungen . . . . . . . .
Energiebilanz des harmonischen Oszillators
Drehschwingungen . . . . . . . . . . . .
Pendelschwingungen . . . . . . . . . . .
Freie gedämpfte Schwingungen . . . . . .
Erzwungene Schwingungen . . . . . . . .
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12
Inhaltsverzeichnis
34
34.1
34.2
34.3
Elektrische Schwingungen . . . . . . . . . . . . .
Der geschlossene Schwingkreis . . . . . . . . . . .
Strom- und Spannungsresonanz . . . . . . . . . . .
Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen
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302
302
305
308
35
35.1
35.2
35.3
35.4
35.5
Überlagerung harmonischer Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . .
Überlagerung zweier Schwingungen längs gleicher Richtung . . . . . . . . .
Gekoppelte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Überlagerung zweier Schwingungen längs aufeinander senkrechter Richtungen
Überlagerung von harmonischen zu anharmonischen Schwingungen . . . . .
Nichtlineare Schwingungen. Deterministisches Chaos . . . . . . . . . . . . .
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309
309
311
314
316
319
36
36.1
36.2
36.3
36.4
36.5
Allgemeine Wellenlehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenhang von Schwingungen und Wellen . . . . . . . . . .
Die eindimensionale Wellengleichung und ihre allgemeine Lösung
Transversal- und Longitudinalwellen . . . . . . . . . . . . . . .
Stehende Wellen. Eigenschwingungen . . . . . . . . . . . . . . .
Wellenausbreitung in ausgedehnten Medien . . . . . . . . . . . .
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322
322
325
326
328
331
37
37.1
37.2
37.3
37.4
37.5
37.6
37.7
Schallwellen (Akustik) . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wellenausbreitung im Schallfeld. Phasengeschwindigkeit
Schallfeldgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schallquellen. Ton, Klang, Geräusch . . . . . . . . . . .
Schallempfänger und Gehör. Schallpegel und Lautstärke
Stehende Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D OPPLER-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M ACHscher Kegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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337
338
340
341
343
38
38.1
38.2
38.3
38.4
38.5
Elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entlang von Leitungen . .
Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum . . . . . .
Erzeugung und Nachweis elektromagnetischer Wellen . . . . . . .
Die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen (H. H ERTZ, 1888)
Das elektromagnetische Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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343
346
349
351
352
39
39.1
39.2
39.3
39.4
39.5
Einfluss von Stoffen auf die Wellenausbreitung . . . . . . . .
Absorption und Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phasengeschwindigkeit und Dispersion. Gruppengeschwindigkeit .
H UYGENS sches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reflexion und Brechung (Refraktion). Totalreflexion . . . . . . .
Optische Dispersion. Prisma, Spektral- und Körperfarben . . . . .
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354
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40
40.1
40.2
40.3
40.4
40.5
40.6
40.7
Strahlenoptik (Geometrische Optik) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lichtstrahlen. F ERMATsches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Abbildung durch Spiegel (ebener und gekrümmte Spiegel) . . . . . . . .
Abbildung durch Linsen (dünne und dicke Linsen, Linsensysteme) . . . .
Das Auge und der Sehvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Optische Geräte zur Sehwinkelvergrößerung (Lupe, Mikroskop, Fernrohr)
Abbildungsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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41
41.1
41.2
Wellenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Interferenz. Interferenzbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Interferenzen gleicher Neigung und gleicher Dicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
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13
Inhaltsverzeichnis
41.3
41.4
41.5
41.6
41.7
41.8
41.9
41.10
41.11
41.12
41.13
Beugung (Diffraktion). Das Beugungsphänomen . . . . . . . . .
F RAUNHOFERsche Beugung am Spalt und an der Lochblende . . .
Auflösungsvermögen optischer Geräte. Holografie . . . . . . . .
F RAUNHOFERsche Beugung am Strichgitter . . . . . . . . . . . .
Spektrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beugung von Röntgenstrahlen am Raumgitter der Kristalle . . . .
Polarisation. Polarisation des Lichts durch Reflexion und Brechung
Polarisation durch Doppelbrechung . . . . . . . . . . . . . . . .
Interferenz des polarisierten Lichts . . . . . . . . . . . . . . . .
Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts . . . . .
Nichtlineare Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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387
389
392
394
396
399
401
403
407
407
42
42.1
42.2
42.3
42.4
42.5
42.6
42.7
Die Gesetze der Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Wesen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung) . . . . . . . . . . . . .
Strahlungsphysikalische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Emission und Absorption von Strahlung. K IRCHHOFFsches Strahlungsgesetz . .
Das P LANCKsche Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Folgerungen aus dem P LANCKschen Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . .
Lichttechnische Größen (Photometrie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenhang zwischen strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Größen
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409
409
410
412
414
415
418
420
43
43.1
43.2
43.3
43.4
43.5
43.6
Der Welle-Teilchen-Dualismus der Mikroobjekte . . . . . . . .
Die Teilchennatur des Lichts. Lichtquanten (Photonen) . . . . . . .
Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt) . . . . . . . . . . . . . . .
Der C OMPTON-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rückstoß durch Quantenemission. M ÖSSBAUER-Effekt . . . . . . .
Die Wellennatur der Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das H EISENBERGsche Unbestimmtheitsprinzip (Unschärferelation)
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421
421
422
424
426
428
431
44
44.1
44.2
44.3
44.4
44.5
44.6
44.7
44.8
44.9
44.10
44.11
44.12
44.13
Atombau und Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Streuexperimente von L ENARD und RUTHERFORD. Das RUTHERFORDsche
Atommodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Spektrum des Wasserstoffatoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das B OHRsche Atommodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Spektren der Alkaliatome. Bahndrehimpulsquantenzahl . . . . . . . . . . . . .
Richtungsquantelung des Bahndrehimpulses der Elektronen . . . . . . . . . . . . .
Das magnetische Bahnmoment der Elektronen. B OHRsches Magneton . . . . . . .
Elektronenspin und magnetisches Spinmoment. Die Feinstruktur der Atomspektren
Mehrelektronensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld (Z EEMAN-Effekt) . . . . . . . . . .
Das PAULI-Prinzip und das Periodensystem der Elemente . . . . . . . . . . . . . .
Die Röntgenspektren und ihre Deutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Induzierte Emission. Maser und Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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433
435
437
441
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444
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447
448
450
453
455
459
45
45.1
45.2
45.3
45.4
Wellenmechanik . . . . . . . . . . .
Die S CHR ÖDINGER-Gleichung . . . .
Elektron im Kastenpotential . . . . . .
Das wellenmechanische Bild des Atoms
Der Tunneleffekt . . . . . . . . . . . .
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461
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466
QUANTEN
Struktur und Eigenschaften der Materie
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14
Inhaltsverzeichnis
46
46.1
46.2
46.3
46.4
46.5
46.6
46.7
46.8
46.9
Elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern .
Elektrische Leitfähigkeit. Das Modell des Elektronengases . . . .
Bändermodell des Festkörpers. Metalle, Halbleiter, Isolatoren . . .
Elektrische Ströme in Halbleitern. Eigenleitung, Störstellenleitung
Der pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Halbleiterdiode, Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetische Eigenschaften. Dia- und Paramagnetismus . . . . . .
Ferromagnetismus, Antiferro- und Ferrimagnetismus . . . . . . .
Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Supraflüssigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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475
477
479
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483
485
47
47.1
47.2
47.3
47.4
47.5
47.6
47.7
Atomkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Masse, Ladung und Zusammensetzung der Kerne
Isotope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Isobare, Isotone, Nuklide, Isomere . . . . . . . .
Massendefekt und Bindungsenergie der Kerne . .
Stabilitätskriterien. Kernsystematik . . . . . . .
Kernkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kernmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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493
48
48.1
48.2
48.3
48.4
48.5
Die natürliche Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . .
Der %-Zerfall der schweren Kerne . . . . . . . . . . . . . .
Der $-Zerfall. Gammastrahlung . . . . . . . . . . . . . . .
Das Zerfallsgesetz. Spezifische Aktivität . . . . . . . . . . .
Radioaktive Zerfallsreihen und radioaktives Gleichgewicht .
Dosimetrie und biologische Wirkung ionisierender Strahlung
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49.3
49.4
49.5
Künstliche Kernumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arten künstlicher Kernumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Massen- und Energiebilanz von Kernreaktionen. Wirkungsquerschnitt
Kernspaltung. Gewinnung von Kernspaltungsenergie . . . . . . . . .
Arten von Kernreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kernfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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502
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50
50.1
50.2
Elementarteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Entwicklung zum Teilchen- Zoo“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
”
Erhaltungssätze für Baryonenladung, Leptonenladung, Isospin, Strangeness und
Hyperladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die elementaren Teilchen: Leptonen und Quarks . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammengesetzte Elementarteilchen. Hadronen . . . . . . . . . . . . . . . .
Die elementaren Kräfte (Wechselwirkungen). Feldquanten . . . . . . . . . . .
Vereinheitlichte Theorie der elementaren Kräfte (Supersymmetrie, Theory of
Everything) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50.3
50.4
50.5
50.6
50.7
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511
513
513
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. . . 517
ANHANG: Fehlerrechnung (Messabweichungen) . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
Bildquellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
Lösungen der Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534