Inhaltsverzeichnis - Wiley-VCH
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Inhaltsverzeichnis Einleitung 19 Über dieses Buch Konventionen in diesem Buch Was Sie nicht lesen müssen Törichte Annahmen über den Leser Wie dieses Buch aufgebaut ist Teil I: Die Grundlagen werden gelegt Teil II: Kraftvoll in Bewegung: Die Mechanik Teil III: Sie kommen niemals zur Ruhe: Schwingungen und Wellen Teil IV: Den Durchblick haben: Die Optik Teil V: Zwei Seiten einer Medaille: Elektrizität und Magnetismus Teil VI Manche mögen’s heiß: Die Thermodynamik Teil VII: Der Top-Ten-Teil Symbole, die in diesem Buch verwendet werden Wie es weitergeht 19 19 20 20 21 21 21 21 22 22 22 22 22 23 Teil I Die Grundlagen werden gelegt 25 Kapitel 1 Eine Wissenschaft zur Beschreibung der Welt: Die Physik 27 Was ist eigentlich Physik? Die Welt erkunden: Die Experimentalphysik Bedeutung der Physik für Biologie, Chemie und weitere Naturwissenschaften Keine Einbahnstraße: Physik und die anderen Naturwissenschaften Rolle der Mathematik Übersicht über das Buch Teil I: Die Grundlagen werden gelegt Teil II: Kraftvoll in Bewegung: Die Mechanik Teil III: Sie kommen niemals zur Ruhe: Schwingungen und Wellen Teil IV: Den Durchblick haben: Die Optik Teil V: Zwei Seiten einer Medaille: Elektrizität und Magnetismus Teil VI: Manche mögen’s heiß: Die Thermodynamik Teil VII: Der Top-Ten-Teil 27 28 28 29 30 31 31 31 32 32 33 33 33 11 Experimentalphysik für Naturwissenschaftler und Mediziner für Dummies Kapitel 2 Mathematischer Hintergrund Die Richtung vorgeben: Vektoren Eine Zahl allein reicht nicht aus Vektoren als Pfeile Zwei Angaben sind notwendig: Betrag und Richtung Rechnen mit Vektoren Gleich drei Multiplikationen Differentialrechnung und Integralrechnung y′= dy/dx: Ableitungen Integration Kapitel 3 Physik bedeutet Messen Messungen und ihre Fehler Fuß, Elle und Schritt: Physikalische Maßeinheiten Äpfel und Birnen: Rechnen mit Einheiten International einheitlich: Einheitensysteme Sieben sind unabhängig: Die Grundeinheiten Abkürzungen: Zehnerpotenzen und Vorsilben 35 35 35 36 37 38 40 44 44 47 53 53 54 55 55 56 58 Teil II Kraftvoll in Bewegung: Die Mechanik 63 Kapitel 4 Bewegung pur: Die Kinematik 65 Die Reduzierung auf das Notwendigste: Das Konzept des Massenpunkts Bewegung schafft Raum und Zeit Bei Stillstand gibt es keine Zeit: Die Sekunde Raum und Bewegung Vier Größen zur Beschreibung von Bewegungen Geschwindigkeit ist keine Hexerei Auf’s Gaspedal drücken: Die Beschleunigung Superposition von Bewegungen Immer konstant: Energie und Impuls Auch die Masse spielt eine Rolle: Der Impuls Geschwindigkeit bedeutet Energie: Die kinetische Energie Nichts geht verloren, nichts wird gewonnen: Die Erhaltungssätze Austausch von Energie und Impuls: Stöße Drei Größen zur Beschreibung von Kreisbewegungen Besser geeignet: Der überstrichene Winkel Eine neue Größe: Die Winkelgeschwindigkeit Zwei Arten von Beschleunigung Gradlinige Bewegungen und Kreisbewegungen: Ein erster Vergleich 12 65 66 67 68 69 69 69 71 72 72 72 73 74 75 77 78 79 81 Inhaltsverzeichnis Kapitel 5 Dynamik 85 Sie bilden die Grundlage: Die Newton’schen Gesetze Ohne Kraft geht gar nichts Der berühmte Apfelbaum: Die Newton’schen Gesetze Sowohl träge als auch schwer: Die Masse Massen ziehen sich gegenseitig an: Das Gravitationsgesetz Die Masse der Erde ist gewaltig groß Überlagerung und Zerlegung von Kräften: Fall- und Wurfbewegungen Es geht abwärts: Der freie Fall Er wirkt stets nach oben: Der Auftrieb Sie wirkt stets bremsend: Die Reibung Zerlegung von Kräften: Die schiefe Ebene Speere, Hammer und andere Wurfgeschosse: Wurfbewegungen Weitere wichtige Größen der Dynamik Arbeit ist Kraft mal Weg Arbeit geht nicht verloren: Energie und Energieerhaltungssatz Auf die Leistung kommt es an Was lange wirkt, wirkt endlich gut Der Abschied vom Massenpunkt: Rotationsbewegungen Sie wirkt nach innen: Die Zentripetalkraft Sich um die eigene Achse drehen: Die Rotation Es kommt auf den Angriffspunkt an: Das Drehmoment Jeder Punkt spielt eine gewichtige Rolle: Das Trägheitsmoment Drehimpuls und Drehimpulserhaltungssatz Vergleich Translation mit Rotation 85 86 86 89 91 92 93 93 94 95 99 99 101 101 105 107 108 108 108 109 110 111 114 115 Teil III Sie kommen niemals zur Ruhe: Schwingungen und Wellen 119 Kapitel 6 Auf und ab, hin und her: Schwingungen 121 Viele Bewegungen, ein Mechanismus: Harmonische Schwingungen Auf und ab: Das Federpendel Der Antrieb einer Uhr: Das Fadenpendel Brettpendel Schwingungsgleichung Spezielle Schwingungen Gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Resonanzen können katastrophal enden Schwingungssysteme Überlagerung von Schwingungen Miteinander oder gegeneinander: Gekoppelte Schwingungen 122 122 124 126 127 134 134 135 136 137 137 141 13 Experimentalphysik für Naturwissenschaftler und Mediziner für Dummies Kapitel 7 Surfing the Waves: Wellen Zeit und Raum: Ausbreitung von Schwingungen Eine Welt voller Wellen Bewegung in Zeit und Raum: Die Wellengleichung Ebene Wellen und Kugelwellen Entweder konstruktiv oder destruktiv: Die Interferenz Nichts als Druckdifferenzen: Schallwellen Laut und Leise: Die Interferenz von Schallwellen Interferenz: Überlagerung von Wellen Huygens’sches Prinzip Wellen können um die Ecke gehen: Die Beugung An der Bahnschranke: Der Doppler-Effekt 145 146 146 148 151 152 153 154 155 156 157 163 Teil IV Den Durchblick haben: Die Optik 169 Kapitel 8 Geheimnisvoll und doch erhellend: Das Licht 171 Die Wellennatur des Lichts Was schwingt beim Licht: Elektromagnetische Wellen Intensität und Intensitätsverlust Vom Wechselstrom zur Höhenstrahlung: Elektromagnetische Wellen Von Rot nach Violett: Das sichtbare Spektrum Eine ungeheure Vielfalt: Das elektromagnetische Spektrum Licht interferiert! Beugung am Spalt und am Gitter Auf die Richtung kommt es an: Die Polarisation Kapitel 9 Im Spiegelkabinett: Die Reflexion Äußerst gradlinig: Licht als Strahl Strahlenmodell Dies Bildnis ist bezaubernd schön: Reelle und virtuelle Bilder Reflexionsgesetz Spieglein, Spieglein an der Wand: Reflexion am ebenen Spiegel Vergrößern oder Verkleinern: Reflexion an gewölbten Spiegeln Hohlspiegel Auf sie kommt es an: Die Hauptstrahlen Nach außen gewölbt: Konvexe Spiegel 14 171 172 173 174 174 174 177 178 183 183 184 184 186 187 189 189 192 198 Inhaltsverzeichnis Kapitel 10 Die Richtung ändert sich: Die Brechung 201 Optische Täuschungen Übergang an Grenzflächen: Brechungsindex und Brechungsgesetz Hier kommt nichts durch: Die Totalreflexion Brechung im alltäglichen Leben Abbildung durch Linsen Sammeln oder Zerstreuen: Arten von Linsen Linsengesetz Auf sie kommt es an: Die Hauptstrahlen Abbildung durch Sammellinsen Zerstreuungslinsen Linsenfehler Schwächen ausbügeln: Linsenkombinationen Vergrößern oder Verkleinern: Optische Instrumente Im Prinzip nur eine Sammellinse: Das Auge Einfach, aber praktisch: Die Lupe Kleine Dinge ganz groß: Das Mikroskop 201 202 205 207 210 210 211 214 215 217 218 220 221 221 225 227 Teil V Zwei Seiten einer Medaille: Elektrizität und Magnetismus 233 Kapitel 11 In Ruhe, aber voller Kraft: Die Elektrostatik 235 Elektrostatische Phänomene Das Zack!-Gefühl: Ladungstrennung durch Reibung Ladungen: Anziehend und abstoßend zugleich Unterschiede ziehen sich an: Die Influenz Alles über Ladungen in Kürze Auf den Abstand kommt es an: Das Coulombgesetz Wirkung auf eine Probeladung: Das Elektrische Feld Parallel: Das Feld eines Plattenkondensators Auf ihre Dichte kommt es an: Darstellung durch Feldlinien Einfache Überlagerung Elektrische Energie und Spannung Arbeit und elektrische Energie Potential und Spannung Zusammenfassung elektrischer Feldgrößen Kapazität Die Kapazität erhöhen: Die Rolle eines Dielektrikums Reihen- und Parallelschaltung 235 236 237 238 240 241 244 244 246 247 248 248 251 254 255 255 257 15 Experimentalphysik für Naturwissenschaftler und Mediziner für Dummies Kapitel 12 Immer in die gleiche Richtung: Gleichstromkreise Er kommt aus der Steckdose: Der elektrische Strom Strom ist Ladung pro Zeit Strom erfordert Spannung: Spannungsquellen Nur Elektronen können sich bewegen: Der Ladungstransport Widerstand leisten: Das ohmsche Gesetz Strom und Spannung im Gleichmarsch: Das ohmsche Gesetz Spannungsabfall Jeder besitz seinen eigenen Widerstand: Der spezifische Widerstand Gleichstromnetze Ein Widerstand kommt selten allein: Kombinationen von Widerständen Knoten und Maschen: Die Kirchhoff’schen Regeln Glühende Drähte: Die elektrische Leistung Kapitel 13 Magnetismus Magnetische Phänomene Sie wirken immer: Permanentmagnete Auch magnetisch: Stromdurchflossene Leiter Ursache sind immer bewegte Ladungen: Magnetische Felder Magnetfeldgröße #1: Die magnetische Induktion Magnetfeldgröße #2: Die Magnetfeldstärke Elektromagnetismus pur: Spulen Alle Materialien sind magnetisch Bewegte Ladungen in elektrischen und magnetischen Feldern Immer gerade aus: Bewegte Ladungen im elektrischen Feld Im Kreis herum: Bewegte Ladungen im Magnetfeld Induktion Wenn sich der Fluss ändert: Die Induktion Es geht rund: Das Motor-Generator-Prinzip Rauf und runter: Transformator Selbstinduktion Elektrisches und Magnetisches Feld Zum Schluss ein Augenöffner: Die Lichtgeschwindigkeit Kapitel 14 Wechselstromkreise Stetige Veränderung: Der Wechselstrom Nur die Effektivwerte zählen: Die Leistung eines Wechselstromkreises Jede Menge Widerstände Ohmscher Widerstand Kapazitiver Widerstand Induktiver Widerstand Den Widerstand vereinigen 16 261 261 261 262 263 265 265 266 266 267 268 270 272 275 275 275 276 279 279 280 282 283 285 285 287 292 292 295 298 299 300 302 305 305 306 308 308 309 312 313 Inhaltsverzeichnis Wirkleistung und Blindleistung Zeigerdiagramme Swing, When You Are Winning: Schwingkreise 315 316 318 Teil VI Manche mögen’s heiß: Die Thermodynamik 321 Kapitel 15 Wärmephänomene und Wärmetransport 323 Temperatur und Wärme 36 Grad, und es wird noch heißer: Temperaturmessung Volumen- und Längenausdehnung Wärme quantitativ Objektiv werden: Von der Wärme zur Wärmemenge Beim Aperitif beobachtet: Phasenübergänge Sie wirkt im Verborgenen: Die latente Wärme Er braucht seine Zeit: Der Wärmetransport Vorsicht, heiß! Die Wärmeleitung Heiße Luft steigt nach oben: Die Konvektion Sonnig und warm: Die Wärmestrahlung Wenn die heiße Luft vibriert: Die Thermodynamik von Gasen Eine große Anzahl von Teilchen: Die Avogadrozahl Nahezu perfekt: Das ideale Gasgesetz Für alle Gase gleich: Das Molvolumen Gasteilchen: Schnell und energetisch 323 323 326 328 329 329 331 332 332 334 335 335 335 336 338 338 Kapitel 16 Thermodynamik auf den Punkt gebracht: Die Hauptsätze der Thermodynamik 343 Null, aber wichtig: Der nullte Hauptsatz Auch Wärme ist Energie: Der erste Hauptsatz Die Namen sind seltsam, die Prozesse wichtig Zurück zur Wärmekapazität Der zweite Hauptsatz Aus Wärme wird Kraft: Wärmekraftmaschinen Hundert Prozent sind nicht möglich: Der Wirkungsgrad Das Optimum: Carnot-Prozesse Absolut Null ist nicht möglich: Der dritte Hauptsatz 343 344 345 348 349 350 350 351 355 17 Experimentalphysik für Naturwissenschaftler und Mediziner für Dummies Teil VII Top-Ten Teil 357 Kapitel 17 Zehn Physiker, die die klassische Physik geprägt haben 359 Er wollte die Welt aus den Angeln heben: Archimedes von Syrakus Tycho Brahe Und sie bewegt sich doch: Galileo Galilei Evangelista Torricelli Sie brachten die Optik voran: Ernst Abbe, Carl Zeiss und Otto Schott Albert Michelson Alessandro Volta André-Marie Ampère Guglielmo Marconi Drei Männer, drei Temperaturskalen: Celsius, Fahrenheit und Kelvin Kapitel 18 Zehn Experimente, die die klassische Physik geprägt haben Im freien Fall: Galileo Galilei Voll unter Druck: Die Magdeburger Halbkugeln Die Drehwaage oder der Cavendish-Versuch Die Erde dreht sich: Das Foucault’sche Pendel Licht ist eine Welle: Der Young’sche Doppelspaltversuch Es gibt keinen Äther: Der Michelson-Morley-Versuch Die Bestimmung der Elementarladung: Der Millikan-Versuch Elektrizität und Magnetismus gehören zusammen: Der Oersted-Versuch Magnetismus in Elektrizität umwandeln: Faradays Induktionsversuche Es gibt elektromagnetische Wellen: Der Hertz’sche Oszillator Stichwortverzeichnis 18 359 360 360 361 362 362 363 363 364 364 367 367 368 368 369 370 371 372 373 374 375 377
