Physik in Experimenten und Beispielen: mit 65 Tabellen
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Hanser
2002
|
| Ausgabe: | 2., aktualisierte und überarb. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XXX, 1043 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3446221352 |
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| adam_text | Titel: Physik in Experimenten und Beispielen
Autor: Paus, Hans J
Jahr: 2002
Inhaltsverzeichnis
A Mechanik starrer Korper................................1
1 Grundbegriffe der Kinematik......................................3
1.1 Zeit................................................................3
1.2 Lange..............................................................6
1.3 Winkel ............................................................9
2 Abgeleitete Begriffe der Kinematik: Geschwindigkeit
und Beschleunigung.........................11
2.1 Vorbemerkungen.........................11
2.2 Geradlinige Bewcgung......................12
2.3 Krcisbewegung..........................15
2.4 Uberlagerung von Bewegungen.................19
2.5 Zusarnmenstcllung und Vergleich der wichtigsten Beziehungen 21
3 Grundbegriffe der Dynamik: Masse und Kraft .......23
3.1 Eigenschaftcn von Masse und Kraft..............23
3.2 Das statische Gleichgcwicht: Krafte und Drehmomente ... 24
3.3 Vcrkniipfung zwischen Kraft und Masse
(Einheiten und MeBmethoden).................25
3.4 Korpereigenschaften: Dichte und Massenmittelpunkt .... 27
3.5 Reibung zwischen festen Kdrpern ...............30
3.6 Zusammenfassung........................32
4 Dynamisches Gleichgewicht....................33
4.1 Die Tragheitskraft........................33
4.2 Das d Alembertsche Prinzip...................34
4.3 Beispiele .............................35
4.4 Zusammenfassung........................38
5 Ubergeordnete Begriffe: Arbeit und Energie.........39
5.1 Arbeit und Leistung.......................39
5.2 Beispiele fur Arbeiten......................40
5.3 Energie und Energiesatz.....................42
5.4 Beispiele .............................44
5.5 Losung physikalischer Probleme mit dem Energiesatz .... 46
5.6 Zusammenfassung........................49
X11 11 ihalt .svev/.o uhnis ----------¦-------
.... 51
6 Impuls.......................
C.l Kraftstofi und Impuls: Impulssatz...............
6.2 Der ........................................^
6.3 Schwcrpunktsatz..................................................rr
6.4 .......................................
7 Anwendungen von Impuls- und Energiesatz: StoBe.....
7.1 Vorbcmcrkungcn......................... r
7.2 Zcntrischcr inclastischer StoB.................. jl
7.3 Zentrischer elastischer StoB ...................
7.4 Dezentraler elastischer Stofi...................01
7.5 Systeme mit veranderlicher Masse...............G;3
7.6 Zusanmienfassung........................Gn
8 Drehbewegungen .................................................... J
8.1 Arbeit und Leistung bci Drehbewegungen...........
8.2 Rotationscnergic, Enveitcrung des Encrgiesatzos.......71
8.3 Dreliiinpuls: Momentcnstotf und Drehimpulssatz.......71
8.4 Balindrchimpuls und Eigendreliimpuls............. u
8.5 Drchschemelexpcrimente zitm Drehimpuls...........7?
8.6 Gegenliberstellung dcr wichtigsten Bezichungen .......8(
9 Tragheitsmoment..........................81
9.1 Vorbenicrkungen.........................81
9.2 Expcrimcntelle Bestirnmung von Tragheitsmoment en .... 81
9.3 Berechnung von Tragheitsmomcntcn..............83
9.4 Tragheitsmoment als Tensor..................87
9.5 Gcomctrisclic Darstellimg des Traghcitstensors........92
9.6 Beispicl: Hantel, Bedeutung der Zentrifugahnomcnte.....93
9.7 Zusammenfassung........................95
10 Anwendungen des Drehimpulssatzes..............97
10.1 Momcntane Drehachse......................97
10.2 Beispiele .............................99
10.2.1 Kugel oder Zylindcr auf einer schiefcn Ebone.....99
10.2.2 StoBproblcme.......................101
10.3 Nutation des symmetrischcn momentenfreien Kreisels .... 103
10.4 Prazession des symmetrischcn Kreisels.............106
10.5 Beispiele zur Kreiselbewcgung .................107
10.6 Zusammenfassung........................109
11 Bezugssysteme.............................
11.1 Vorbemerkungen....................................m
11.2 Bezugssysteme mit koust. Rclativgeschwindigkeit {n c) . . 112
11.3 Linear bcschleunigte Bezugssysteme..............114
11.4 Rotierende Bezugssysteme..............................hq
11.4.1 Die Zentrifugalkraft...................hq
11.4.2 Die Coriolis-Kraft..........................ny
11.5 Die Erde als rotierendes Bezugssystem................120
11.5.1 Zentrifugalbesclileunigung..................120
IiihaltsverKeiclini.fi XIII
11.5.2 Coriolis-Beschleunigung.................121
11.5.3 Der KreiselkompaB ...................122
11.6 Zusammenfassung........................123
12 Relativistik (Systeme mit hoher Relativgeschwindigkeit) . 125
12.1 Vorbemerkungcn: der Konfiikt.................125
12.2 Geomctrische Darstellung....................127
12.3 Der Bondische ft-Faktor.....................129
12.4 Messung von Entfernungcn unci Geschwindigkeitcn......129
12.5 Die Zeitdilatation und das Zwillingsparadoxon........131
12.6 Die Langenkontraktion .....................133
12.7 Die Lorentz-Transformationen.................135
12.8 Transformation von Geschwindigkeitcn ............137
12.9 Absolut und relativ: Vergangenheit, Gegcnwart und Zukunft 139
12.10 Masse, Impuls, Energie.....................141
12.11 Zusammenfassung........................145
13 Gravitation..............................147
13.1 Das Gravitationsgesetz .....................147
13.1.1 Einleitende Bcinerkungen................147
13.1.2 Die Gravitationskonstantc ...............148
13.2 Die Gravitationsfeldstarke....................149
13.3 Potentielle Energie und Gravitationspotential.........151
13.4 Die Keplerschen Gesetze der Planetenbcwegung .......153
13.4.1 Formulierung der Gesetze................153
13.4.2 Einfache Erklarung der Gesetze ............154
13.4.3 Pkysikalische Daten von Sonne und Planeten.....155
13.5 Erganzungen...........................156
13.5.1 Satellitenbahnen.....................156
13.5.2 Zentralbewegungen...................158
13.6 Zusammenfassung........................160
B Mechanik deformierbarer Korper..........ici
14 Aufbau der Korper..........
14.1 Vorbemerkungen..........
14.2 Feste Korper............
14.2.1 Allgemeines zur Bindung .
14.2.2 Bindungstypen.......
14.2.3 Idealkristalle - Realkristalle
14.3 Fliissige Korper ..........
14.4 Gasformige Korper.........
15 Korper unter auBeren Spannungen...............171
15.1 Definitionen ...........................171
15.2 Feste Korper unter auBeren Spannungen............172
15.2.1 Normalspannung.....................172
15.2.2 Tangentialspannung und allseitigcr Zug/Druck .... 173
15.2.3 Zusammenhang zwischen den elastischcn Konstanten 175
163
163
164
164
165
167
169
170
15.3 Anwcnduiigsbeispiele: Biegung unci Torsion: KxptTimontello
Bestimmung der clastischen Konstanlen............
15.3.1 Biegung eines Balkans..................
15.3.2 Torsion dues zylindrisdien Stain s...........M
15.4 Flussigkoiteii untcr Druck.....^..........
15.4.1 Kolbcndruck, Koniprcssibilitat von Hiissigkeiten . . . 1*-
15.4.2 Sehweredruck in Fliissigkoitcn .............1M
15.4.3 Auftricb .........................
15.5 Ga.se untcr Druck........................
15.5.1 Koniprcssibilitat von Gasen...............
15.5.2 Scliweredrnt k in Gasen.................l s*j
15.6 Grundgleiclmngen der kinetiselien Gastlieorie.........18i
15.6.1 Wirkungsquorsohnitt unci niittloro freio Weglange . . IN
15.6.2 Gaskinctiselie Dcutung des Drneks...........188
15.7 Zusammenstcllung der wiclitigsten Bozieliungen .......163
16 Oberfllichcn und Grenzflaclien..................16 )
16.1 Vorbemerkungcn.........................
16.2 Oberfiachenspannung und OberfLubenenergie.........166
16.3 Spozifische Oberflachenenergie fester Korper .........260
16.4 Gronzflacheu zwischen fcstcu unci fliissigen Korperu.....201
16.1.1 Benetzbarkeit und Randwinkel.............201
16.1.2 Kapillaritat........................203
16.5 Zusammenfassung........................206
17 Stromungen in Flussigkeitcn und Gasen............207
17.1 Vorbemerkungcn und Definitionen...............207
17.2 Rcihungsbchaftete Stromung -
Innere Rcibung und Grcnzschiclit ...............209
17.3 Beispiclc zur reibungsbehafteten Stromung..........211
17.3.1 Exporimcnte niit dem Stromfadenapparat.......211
17.3.2 Sclilic lite Stromung zwischen parallelen Flatten . . . .211
17.3.3 Schlichte Stromung durcli cin Rolir ..........213
17.3.4 Laminare Umstromung oinor Kugel..........215
17.3.5 Zahlenwerte und Teniperaturabhangigkeit
der Zahigkdt.......................217
17.4 Laminare und turbulente Strbnumgen.............216
17.5 Die ideal reibungsfreie Flussigkeitsstromung..........220
17.5.1 Bernoullisehc Gleicbung.................220
17.5.2 Anwcnduiigsbeispiele der Bernoullischen Gleieliung . 223
17.6 Reale Strdmungcn..................... 227
17.7 Zusammenfassung....................... 230
C Elektrik........................................9;J1
18 Strom, Spannung, Ladung................................233
18.1 Vorbcmerkungen..............................9^-3
18.2 Strom und Ladung..........................9 3 j
18.2.1 Merkmalc des clektrischen Stroms.......... 934
18.2.2 Einheit des elektrischen Stromes - Definition der
Ladung..........................235
18.2.3 Strommcfigeratc.....................237
18.3 Die elektrische Spannung....................238
18.3.1 Merkmale dcr elektrischen Spannung .........238
18.3.2 Einheit der elektrischen Spannung...........238
18.3.3 SpannungsmcBgerate ..................240
19 Der elektrische Widerstand....................241
19.1 Definition und Einheit......................241
19.2 Charakterisierung von Leitcrtypcn durch Strom-Spannungs-
Kennlinien............................241
19.2.1 Ohrnsche Lciter .....................242
19.2.2 Nicht-ohmsche Leiter..................242
19.3 Klassifizierung ohmsclier Leiter.................244
19.3.1 Klassifizierung nacli GroBe...............244
19.3.2 Klassifizierung nach Temperaturverhalten.......245
19.4 Gleichstromkreise - KirchhofTsche Regeln...........246
19.4.1 Knotcn- und Maschenregel...............246
19.4.2 Einfachc Schaltkreise..................248
19.5 Der elektrodynamische Stroni-Spannungsmesser -
das Galvanometer........................250
19.5.1 Spannungs- und Stroinfchlcrschaltung.........250
19.5.2 Galvanometer als Stroni-Spannungsmesser......251
19.5.3 Das Galvanometer als LadungsmcBgerat........251
19.6 Zusammcnfassung........................253
20 Das elektrische Feld.........................255
20.1 Der Feldbcgriff..........................255
20.1.1 Skalare und vektorielle Felder .............255
20.1.2 Beispiele fiir elektrische Felder.............256
20.2 Das homogene elektrische Feld.................257
20.2.1 Beobachtungcn und Messungen im homogenen Feld . 257
20.2.2 Definition dcr FcldgroBen E und D ..........258
20.2.3 Influenz: die Verschiebungsdichte als Feldgrofic .... 259
20.3 Das inhomogene elektrische Feld................261
20.3.1 Zusammenhang zwischen Spannung und Feldstarke . 261
20.3.2 Das elektrostatische Potential .............262
20.4 Zusammcnfassung........................265
21 Beispiele: Potentiale und elektrische Felder.........267
21.1 Das homogene Feld zwischen zwei ebenen geladenen Flatten 267
21.2 Potential eincr geladenen Kugel (Coulomb-Potential) .... 269
21.3 Potential einer beliebigen Ladungsverteilung.........270
21.4 Potential und Feld eines elektrischen Dipols..........271
21.5 Feld und Potential eines unendlich langen geraden Drahtes . 273
21.6 Zusammenstellung der wichtigsten Bcziehungen .......275
22 Der elektrische FIuB ........... ¦ ¦ • • ¦ ¦ *......2i
22.1 Definition des elektrischcn Flusscs - Gaufischer Sat/.....
22.2 Anwendungen des Gaufischen Satzcs . .............
22.2.1 Feld einer lincaren Ladungsverteilung.........280
22.2.2 Elektrischcs Feld einer Punktladung..........280
22.2.3 Feld einer kugelformigen Ladungsverteilung......281
22.2.4 Feld einer ebcncn Ladungsverteilung..........282
22.3 .......................................
23 Materie im elektrischen Feld (I. Leiter)............28a
23.1 Vorbemcrkungen.........................285
23.2 Leiter als Ladungstriiger.....................28a
23.3 Der Kondcnsator.........................287
23.3.1 Definition der Kapazitat ................2Si
23.3.2 Der Plattcnkondcnsator.................288
23.3.3 Dcr Kugclkondensator..................289
23.3.4 Dcr Zylinderkondensator................290
23.4 Sclialtkreise............................291
23.4.1 Knotcn- und Maschenregel...............291
23.4.2 Hintcreinanderschaltung von Kondensatoren.....292
23.4.3 Parallelschaltung von Kondensatoren.........293
23.4.4 Ladcvorgang eincs Kondensators............293
23.5 Zusaimncnfassung........................295
24 Krafte und Drehmomente im elektrischen Feld.......297
24.1 Kraft und Arbeit.........................297
24.2 Encrgic des elektrischen Fcldcs.................299
24.3 Kraftwirkung zwischcn Ladungen ...............300
24.4 Kraftwirkung zwischcn Kondensatorplatten..........301
24.5 Dipole in elektrischen Feldern..................303
24.5.1 Dipol im homogenen Feld................303
24.5.2 Dipol im inhomogenen Feld...............305
24.6 Zusammenfassung........................306
25 Materie im elektrischen Feld (II. Isolatoren).........307
25.1 Polarisation - Plattenkondcrisator mit Dielektrikuni
(experimentelle Fcststellungen).................307
25.2 Deutung des experimentellen Befunds
(Dielektrika in der Form paralleler Flatten)..........310
25.3 Geomctrische Gestalt des Dielcktrikums............314
25.4 Mikroskopische Betrachtungcn.................315
25.4.1 Ubersicht.........................315
25.4.2 Dielektrische Stoffe ...................316
25.4.3 Paraelektrisclie Stoffe..................31g
25.5 Zusammenfassung..............................32}
26 Krafte auf Dielektrika in elektrischen Feldern.......323
26.1 Kraftwirkung in Richtung der Feldlinien......... 323
26.2 Kraftwirkung senkrecht zu den Feldlinien........ 325
26.3 Experimentelle Bcstimmung dcr Dielcktrizitatskonstanten
mit der Steighohcnmcthode...................328
26.4 Drehmoinente auf dielcktrische Stabchcn im elektr. Feld . . 328
26.5 Brechungsgcsetz fur Fcldlinien.................330
26.6 Kondensatoren mit mehreren Dielektrika...........333
26.6.1 Hintereinanderschaltung zwcicr Dielektrika......333
26.6.2 Parallelschaltung zwcicr Dielektrika..........333
26.7 Zusammcnfassung........................334
27 Magnetisches Feld und Induktion................335
27.1 Bcispiele fur homogcnc und inhomogene magnctische Feldcr . 335
27.2 Das homogene Magnctfeld eincr langcn Spule.........336
27.3 Die elcktromagnetische Induktion ...............338
27.3.1 Qualitative Befunde zum Induktionsgesetz......338
27.3.2 Eichung des ballistischen Galvanometers.......339
27.3.3 Quantitative Hcrleitung des Induktionsgesetzes .... 339
27.4 Weitere Formen des Induktionsgesetzes -
Magnetisclier Flufi und magnctische Flufidichte........341
27.5 Das Induktionsgesetz in FeldgroBen ..............344
27.6 Zusammenfassung........................347
28 Inhomogene Magnetfelder — das Durchflutungsgesetz . . . 349
28.1 Linienintegral der magnetischen Feldstarke..........349
28.1.1 Vorbemerkung......................349
28.1.2 Der magnctische Spannungsmesser...........349
28.1.3 Eichung des magnetischen Spannungsmessers.....351
28.2 Anwendungen des magnetischen Spannungsmessers .....352
28.2.1 Lange Spule .......................352
28.2.2 Stromfiihrender Draht..................353
28.3 Das Durchflutungsgesetz ....................354
28.3.1 Leitungsstrome......................354
28.3.2 Verschiebungsstroine ..................355
28.3.3 Durchflutungsgesetz als Verknupfung
zwischen Feldern.....................356
28.4 Anwendungen des Durchflutungsgcsetzes
(Magnetische Felder einfacher Stromverteilungen)......358
28.4.1 Magnetische Feldstarke eines geraden Leiters.....358
28.4.2 Magnetisches Feld im Innern cincs dickcn Kabels . . . 358
28.4.3 Magnetisches Feld eines Flachcnstroms........359
28.4.4 Magnetisches Feld einer langen Spule.........360
28.4.5 Magnetisches Feld einer Toroid.spule..........360
28.5 Zusammenfassung........................362
29 Krafte und Drehmomente im magnetischen Feld......363
29.1 Kraft auf einen stromfiihrenden Leiter im homogenen Feld . 363
29.2 Weitere Formen des Lorentz-Gesetzes.............365
29.2.1 Exakte vektorielle Formulierung............365
29.2.2 Kraft auf eine bewegte Punktladung im
magnetischen Feld....................365
29.3 Drehmoinent auf einc stromdurchflosscne Leiterschlcife . . .36/
29.4 Potentielle Encrgie eincs magnetischcn Dipols ^
im magnetischen Feld......................
29.5 Dipol im inliomogenen Fcld...................^
29.6 Kraft zwischen parallelen stromdurchflosscrien Leitern . ... 3/0
29.7 .......................................371
30 Magnetfelder beliebiger Stromverteilungen......
30.1 Das Biot-Savartsche Gcsctz...............
30.2 Magnetfeld eines geradcn Dralites...........
30.3 Magnctischcs Feld auf der Achse ciner krcisformigen
Stromschleife.......................
30.4 Magnctische Feldstarke auf der Achse eines Solenoids
30.5 Helinholtz-Spulen....................
30.G Rayleighsche Stromwaage................
30.7 Zusammenfassung....................
31 Erganzungen zum Induktionsgesetz...............383
31.1 Sclbstinduktion und Gegeninduktion..............383
31.1.1 Die Selbstinduktion...................383
31.1.2 Die Gegeninduktion...................384
31.2 Schaltkrcis mit Spule: Wirkung der Selbstinduktion.....385
31.3 Energiediclite dcs magnetischen Feldes.............387
31.4 Erweiterung des Induktionsgesetzes..............388
31.5 Einige Induktionscxpcrimente..................390
31.5.1 Zur Lageanderung der Induktions-Leiterschleife . . . 390
31.5.2 Das Heringsche Paradoxon...............391
31.5.3 Bewegung eines Leiters im konstanten B-Feld .... 391
31.5.4 Zur Relativbewegung zwischen Loiter und
magnetischem Feld ...................392
31.6 Wirbclstrome: Experimente zur Lerxzsclien Rogel.......303
31.C.1 Die fallende Miinze im magnetischen Feld.......393
31.6.2 Die Induktionskanone..................394
31.7 Zusammenfassung........................395
32 Relativbewegungen - die elektromagnetische Kraft .... 397
32.1 Die allgemeine Lorentz-Kraft..................397
32.2 Gcdankenexpcriment zur Lorentz-Kraft............398
32.3 Transformation der Felder....................398
32.4 Zum Gcsetz von Biot-Savart..................401
32.5 Zusammenfassung....................... 402
33 Materie im magnetischen Feld.........
33.1 Vorbemerkungen............
33.2 Experimented Befunde: Spule mit Materie .
33.3 Magnetisierung.............
33.4 Klassifikation der magnetischen Materialien .
33.4.1 Mefimethoden der Permcabilitat . .
33.4.2 Klassifikation der Materialien.....
373
373
374
375
376
379
380
381
403
403
403
405
407
407
408
Inhaltsverzeichnis XIX
33.5 Mikroskopische Betrachtungen.................411
33.5.1 Diainagnetismus.....................411
33.5.2 Paramagnetismus....................411
33.5.3 Ferromagnctismus....................412
33.6 Zusammenfassung und Gegeniiberstellung...........414
34 Wechselstrom und Wechselstrom-Widerstande.......415
34.1 Wechselstromqucllen Rotierende Spulen - Zeigerdarstellung . 415
34.2 Dreiphasenstrom.........................416
34.3 Wechselstromwiderstande: Qualitative Experimente.....417
34.4 Wechselstromwiderstande: Quantitative Behandlung.....418
34.4.1 Olimscher Widerstand..................418
34.4.2 Induktiver Widerstand .................418
34.4.3 Kapazitiver Widerstand.................420
34.5 Schaltungsbeispiel........................421
34.6 Komplcxe Wechselstromrechnung ...............422
34.7 Beispiele zur komplexen Wechselstromrechnung........425
34.7.1 Hintereinanderschaltung von Spule und ohmschcm
Widerstand........................425
34.7.2 Hintereinanderschaltung von Spule, ohmschem
Widerstand und Kondensator .............426
34.7.3 Parallelschaltung von Spule und Kondensator .... 427
34.8 Effektivwerte von Strom und Spannung............429
34.9 Der TVansformator........................430
34.10 Zusammenfassung........................432
35 Wechselstrome: Erganzungen ..................433
35.1 Messung von Wechsclstromwiderstanden ...........433
35.1.1 Prinzipielles .......................433
35.1.2 Wechselstrom-MeBbriicken...............433
35.2 Quantitative Behandlung des Transformators.........435
35.2.1 Schaltung und Grundgleichungen ...........435
35.2.2 Auflosung der Transformatorgleichungen und
Diskussion von Spezialfallen..............437
35.2.3 Leistungslibcrtragung..................439
35.3 Zusammenfassung........................441
36 Gleichstrom: Leitungsmechanismen ..............443
36.1 Experimentelle Befunde.....................443
36.2 Quantitative Behandlung olimscher Leiter...........444
36.2.1 Leitfahigkeit - Beweglichkeit der Ladungstrager . . . 445
36.2.2 Der Hall-Effekt......................447
36.3 Diskussion der wichtigsten Leitertypen ............448
36.3.1 Metallische Leiter....................448
36.3.2 Halbleiter.........................453
36.3.3 Supraleiter........................457
36.3.4 Elektrolytische Leiter..................460
36.4 Zusammenfassung........................465
37 Gleichstromquellen................. • ......
37.1 Chemische Stromquellen (Umwandlung von chemischer
in clcktrische Encrgie)............................................
37.1.1 Sekundarc Elemente (Akkmnulatoren).........16i
37.1.2 Primare Elemente (galvanische Elemente. Batterien) . 169
37.2 Meclianisclie Stromquellen (Uinwandlung von meelianisehei
in elcktrisclie Energic)...................... I(-
37.3 Tlicrmische Stromquellen (Umwandlung von thcnnischer
in elektrischc Energic)......................
37.4 Optische Stromquellen (Umwandlung von optischer in
elektrische Encrgie) .......................
37.5 Zusammenfassung........................
D Kalorik .
38 Temperatur und Nullter Hauptsatz...............-*83
38.1 Vorbemerkungen.........................
38.2 Therrnodynamische Systcme..................-184
38.3 Der Druck ............................485
38.4 Die StofTmenge..........................486
38.5 Die Temperatur.........................487
38.5.1 Empirische Tempcraturskala..............487
38.5.2 Die absolute Gastemperatur..............490
38.5.3 Praktische Temperaturmessung ............491
38.6 Zusammenfassung........................493
39 Thermische Zustandsgleichungen................495
39.1 Das ideale Gasgesetz.......................495
39.2 Reale Gase: Experimented Bcfunde..............498
39.2.1 Das (p, T)-Diagrainm..................498
39.2.2 Das (p, U)-Diagrannn..................500
39.3 Zustandsgleichungen realer Gase................503
39.4 Zusammenfassung........................505
40 Der erste Hauptsatz ........................507
40.1 Die Warme Q ..........................507
40.1.1 Spezifisclie Warmen...................507
40.1.2 Experimented Bestimmung spezifischer Warmen . . 509
40.1.3 Bcispiele fiir spezifisclie Warmen............509
40.2 Spezifisclie Umwandlungswarmen................512
40.3 Die Arbeit W....................................513
40.4 Die innere Energic U ..................................514
40.5 Formulierung des ersten Hauptsatzes..............51C
40.6 Beispiele zum ersten Hauptsatz.......
40.6.1 Isochore Prozesse .........
40.6.2 Isobare Prozesse..........
40.6.3 Isotherme Prozesse ........
40.6.4 Adiabatische Prozesse.......
40.6.5 Experiment von Clemont-Desormes
Inlialtsverzeichnis XXI
40.7 Der Gay-Lussacsclie Drosselversuch..............523
40.8 Dcr Joule-Thomson-Effekt ...................525
40.9 Zusammenfassung........................528
41 Warmekraftmaschinen.......................529
41.1 Vorbemerkungen.........................529
41.2 Prinzip von Warmekraftmaschinen und Warmepumpcn . . .529
41.2.1 Warmekraftmaschinen..................529
41.2.2 Warmepumpcn......................531
41.3 Praktische Bcispicle fur Warmekraftmaschinen........532
41.3.1 Der Otto-Motor.....................532
41.3.2 Der Diesel-Motor ....................534
41.4 Ideale Warmekraftmaschinen..................535
41.4.1 Vorbemerkungen.....................535
41.4.2 Der HeiBluftmotor....................535
41.4.3 Experimcnte mit dcr Stirling-Maschine........537
41.4.4 Die Carnot-Maschine..................538
41.5 Die thermodynamischc Temperaturskala............540
41.6 Zusammenfassung........................541
42 Die Entropie und der zweite Hauptsatz............543
42.1 Reversible und irreversible Prozessc..............543
42.2 Hinfuhrung zura Begriff der Entropie .............544
42.3 Die Entropie als Zustandsgrofte.................546
42.4 Die Entropieanderung als quantitatives MaC fiir
die Irreversibility; von Prozessen................548
42.5 Bcispiele .............................552
42.5.1 Reversible adiabatische Prozesse............552
42.5.2 Reversible isotherme Prozesse .............552
42.5.3 Isochore Prozesse ....................553
42.5.4 Isobare Prozesse.....................555
42.5.5 Die Entropieflache des idealen Gases..........555
42.5.6 Entropieanderungen bei Zustandsanderungen
realer Stoffc .......................556
42.5.7 Der Gay-Lussacsche Drosselversuch..........558
42.5.8 Mischungsentropie von Gasen .............559
42.6 Zusammenfassung........................561
43 Statistisch-mikroskopische Betrachtungen...........563
43.1 Innere Energic eines idealen Gases...............563
43.2 Mikroskopische Deutung dcr spezifischen Warmen
idealer Gase ...........................566
43.3 Spezifische Warme fester Korper................567
43.4 Statistische Deutung der Entropie...............569
43.4.1 Ein erster Hinweis....................569
43.4.2 Entropieanderung beim Gay-Lussac-Versuch.....571
43.4.3 Mischungsentropie....................572
43.4.4 Thermische Entropie ..................573
43.5 Zusammenfassung........................576
44 Transportvorgange.........................
44.1 Charakteristische GrofSen und Bczichungcn..........
44.2 Diffusion - Transport von Materie...............
44.2.1 Diffusionsgesctze.....................
44.2.2 Bezichung zu mikroskopischcn Groficn.........^J
44.3 Warmclcitung - Transport von Energie............580
44.3.1 Warmclcitungsglcichungen...............^0
44.3.2 Bezichung dcr Warmeleitfahigkeit zu
mikroskopischcn Grofien.................582
44.4 Inncrc Reibung - Transport von Impuls............5 *
44.4.1 Newtonschcs Gesctz dcr innercn Roibung.......583
44.4.2 Mikroskopische Deutnng dcr Zahigkeit. ........584
44.5 Elektrizitatsleitung - Transport von Ladung.........585
41.5.1 Das Ohmschc Gesctz ..................585
44.5.2 Mikroskopische Interpretation dcr olektrischcn
Leitfahigkeit.......................58G
44.G Zusammenfassung........................588
E Schwingungen und Wellen ...............580
45 Freie Schwingungen.........................591
45.1 Einleitendc Bemerkungen....................591
45.2 Beispiele fur ungedampfte Schwingungen...........592
45.2.1 Federpendcl .......................592
45.2.2 Torsionspendcl......................593
45.2.3 Schwerepeudel......................593
45.2.4 Elektrischer Schwingkreis................594
45.3 Expcriinentellc Realisicrung ungedampfter Schwingungen . . 595
45.4 Mathematische Bchandlung harnionischer Schwingungen . . 59G
45.4.1 Bewegungsgleichungen..................59G
45.4.2 Losung der Bewegungsgleichungen...........599
45.4.3 Diskussion der Losungen................G03
45.5 Zusammenstcllung der wichtigsten Bczichungcn .......G05
46 Gekoppelte Schwingungen.....................GOT
4G.1 Erzwungene Schwingungen...................GOT
46.1.1 Aufstcllung dcr Bewegungsgleichung..........GOT
4G.1.2 Losung der Bewegungsgleichung............608
46.1.3 Diskussion der Losungen................G09
46.1.4 Beispiele und Expcrimente...............610
46.1.5 Energieubertragung...................611
46.2 Schwingungen gekoppelter Systeme ..............012
46.2.1 Gekoppelte Pendel: Beispiele und Experiinente .... G12
4G.2.2 Die Bewegungsgleichungen und ihre Losungen .... G13
4G.2.3 Diskussion der Losurigen...............614
4G.3 Systeme mit mehreren Freilieitsgraden.............616
46.3.1 Ein schwingender Korper...............616
46.3.2 Zwci schwingcnde Korper........................61T
Inhaltsverzeiclmis XXIII
4G.3.3 Drei schwingende Korper................G17
46.4 Schwingende elastische Kontinua................619
46.4.1 Lineares elastisches Kontinuum.............619
46.4.2 Ebenes und raumliches elastisches Kontinuum .... 620
46.5 Harmonische Analyse......................621
46.5.1 Fourier-Reihen: periodische Vorgange.........621
46.5.2 Fourier-Integrale: niclit periodische Vorgange.....623
46.6 Zusarnmenfassung........................625
47 Wellen — allgemeine Eigenschaften...............627
47.1 Einleitung.............................627
47.2 Wellenfunktion und Wellengleichung..............628
47.3 Intensitat ciner Welle......................631
47.4 Superposition von Wellen....................632
47.4.1 Die Gruppengcschwindigkeit..............632
47.4.2 Stehcnde Wellen.....................634
47.4.3 Interferenz........................635
47.5 Modulation............................636
47.6 Zusarnmenfassung........................638
48 Mechanische und akustische Wellen ..............639
48.1 Wellen auf eincr Pendelkette..................639
48.2 Seilwellen.............................641
48.2.1 Bewegungsgleic.hung...................641
48.2.2 Verlialten von Seilwellen am Seilende.........642
48.3 Elastische Wellen in festen Korpern..............643
48.4 Schallwcllcn in Fltissigkeiten und Gasen............645
48.4.1 Phasengeschwindigkciten................645
48.4.2 Schallwellcnfunktion...................646
48.4.3 Schallintcnsitat......................647
48.4.4 Der Doppler-Effckt ...................649
48.5 Wasserwellen...........................652
48.5.1 Schwerewellen......................652
48.5.2 Kapillarwellen......................653
48.5.3 Experimente init Wasserwellen.............654
48.G Zusarnmenfassung........................656
49 Elektromagnetische Wellen....................657
49.1 Historische Bemerkungen und Ubersicht............657
49.2 Experimentelle Einftihrung...................658
49.3 Abstrahlung des Hertzschen Dipols ..............661
49.4 Ebene elektromagnetische Wellen................664
49.4.1 Die Wellengleichung...................665
49.4.2 Energiestrom.......................668
49.5 Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen mit Leitern 669
49.5.1 Experimente mit Mikrowellcn .............669
49.5.2 Reflexion von Mikrowellcn...............670
49.5.3 Impulsstrom und Strahlungsdruck...........671
XXIV Inbalt svcr/cichnis
49.G Wocbsehvirkung von elektromagnetischen ellen ^
init iKolatoren ....•¦¦•..................
¦19.7 Zusammenfassung........................
F Wellenoptik...........................(
. 079
50 Lichtwellen..............;........
50.1 Allgenieino Bemerkungcn zur Optik..............^
50.2 Licliterzcugung und Lichtdetcktion...............*
50.2.1 Lichtqucllcn .......................
50.2.2 Lichtdctcktoreii .....................J,s
50.3 Prinzipion dcr Wellenfeldkonstruktion.............6S_
50.4 Polarisiertcs Liclit . .......................
50.5 Reflexion und Breclning.....................°s
50.5.1 Das Reflexionsgcsetz...................
50.5.2 Das Brcchungsgesotz ..................^
50.6 Experiincnte zum Reflexions- und Breelmngsgesetz......( 8u
50.7 Die Fresnelsclien Foriiieln....................688
50.7.1 Hcrleitung........................GfsS
50.7.2 Diskussion........................01,0
50.8 Zusainnienfassimg........................692
51 Interferenz ..............................693
51.1 Monochromasic und Koharcnz.................093
51.2 Der Polilsehe Intcrfereiizversucli................091
51.3 Interfcrcnzen an diinncn Sehichten...............096
51.3.1 Diinne Filme.......................690
51.3.2 Entspiegelung und Antireflexbesehichtung.......606
51.3.3 Interfcrcnzfilter......................69/
51.3.4 Keilinterferenz......................60S
51.3.5 Newton-Ringe......................699
51.4 Interferometer..........................699
51.4.1 Das Midiclson-Interfcrometer..............699
51.4.2 Das Fabry-Pcrot-Intcrferometer ............701
51.4.3 Fabry-Perot-Interferometer als Spcktrometev.....703
51.5 Zusammenfassmig........................707
52 Beugung an einfachen Strukturen................709
52.1 Beugung an runden Hindernisscn................709
52.1.1 Beugung an einer runden Scheibe...........709
52.1.2 Beugung an einer runden Loehblcnde.........710
52.2 Beugung am Spalt........................712
52.2.1 Experimenteller Befund.................712
52.2.2 Einfaclie Erklitrung...................712
52.2.3 Quantitative Behandlung................713
52.3 Beugung am Doppelspalt....................715
52.4 Beugung am Strichgittcr ....................710
52.4.1 Intcrferenzbedingung..................710
52.4.2 Die Gitterinterferenzfunktion..............717
Inlialtsverzeichnis XXV
52.4.3 Das Gitter als dispcrsivcs Element...........718
52.4.4 Spektralcs Auflosungsvermogcn ............719
52.4.5 Nutzbarer Wellenlangcnbereich.............719
52.4.G Blaze...........................720
52.4.7 AbschluGbemerkung...................721
52.5 Holograpliische Gitter......................721
52.G Zusammenfassung........................725
53 Bcugung und Streuung.......................727
53.1 Bcugung am cbcncn Flachengitter...............727
53.2 Bcugung am Raumgittcr ....................728
53.2.1 Die Lauc-Gleiclmngen..................728
53.2.2 Rontgen-Strukturanalysc................729
53.3 Ubersicht iiber Streuprozessc..................731
53.3.2 Inclastischc Streuprozessc................732
53.1 Die Rayleigh-Streuung......................733
53.4.1 Streukonstantc und Streuqucrschnitt .........733
53.4.2 Expcrimente zur Rayleigh-Streuung..........735
53.5 Zusammenfassung........................737
54 Dispersion und Absorption....................739
54.1 Experirncntellcr Bcfund.....................739
54.2 Anscliauliche Deutung der Dispersion.............741
54.2.1 Grundgedankc......................741
54.2.2 Ein einzelnes Atom im Liclitfcld............741
54.2.3 Ebcne mit Atomcn im Liclitfeld............742
54.2.4 Darstellung der Folder im Zeigerdiagramm......743
54.2.5 Wellenlangc der Lichtwelle im Medium........745
54.3 Quantitative Beliandlung dor Dispersion............746
54.4 Experimente zur Absorption und Dispersion .........750
54.4.1 Absorption........................750
54.4.2 Dispersion........................750
54.5 Licht-Signalgcschwindigkeit...................751
54.G Zusammenfassung........................752
55 Doppelbrechung...........................753
55.1 Experimentelle Feststellungen .................753
55.2 Erkliirung der Doppelbrechung.................754
55.2.1 Phanomenologische Erklarung.............754
55.2.2 Tiefergehende Betrachtungen..............755
55.3 Anweiidungen ..........................757
55.3.1 Linear polarisiertes Lieht................757
55.3.2 Zirkular polarisiertes Licht...............758
55.3.3 Spannungsdoppelbrechung ...............7G0
55.4 Zirkulare Doppelbrechung....................7G0
55.5 SchluGbemerkung ........................761
55.G Zusammenfassung........................762
G Strahlenoptik....................
56 Bauelemente der geometrischen Optik........
5G.1 Vorbeinerkungcn - Prinzip von Fermat.......
56.2 Spharische Spiegel...................
56.3 Das Prisma.......................
5G.4 Diinne Linsen......................
5G.4.1 Die Linsenmacher-Formel...........
56.4.2 Bildkonstruktion bei einer Sammellinse . . .
5C.4.3 Bildkonstruktion bei einer Zerstreuungslinse
56.4.4 Linsenforinen und Linsensysteine.......
56.5 Abbikhmgsfeliler....................
56.5.1 Spharische Aberration.............
56.5.2 Koma......................
56.5.3 Astigmatismus.................
56.5.4 Vcrzeichnung..................
56.5.5 Chromatische Aberration...........
56.6 Dickc Linsen und Linsensysteine...........
56.7 Zusamrrienfassung...................
57 Optische Instrumente........................ 81
57.1 Das Auge............................. 81
57.1.1 Aufbau des Auges....................781
57.1.2 Sehscharfe und Sehfehlcr................782
57.1.3 Strahlungsgrofien und photometrische GroBen .... 782
57.2 Die Lupe.............................785
57.3 Photokamera...........................786
57.4 Projektionsapparat .......................787
57.5 Mikroskop ............................787
57.5.1 Aufbau des Mikroskops.................787
57.5.2 Geometrisches Auflosungsverinogen des Mikroskops . 788
57.6 Fernrohr .............................789
57.6.1 Bauformen........................789
57.6.2 Geometrisches Auflosungsverinogen..........791
57.7 Spektralapparat.........................792
57.7.1 Aufbau..........................792
57.7.2 Spektrales Auflosungsvermogen ............793
57.8 Zusammenfassung........................795
763
765
765
767
769
770
770
772
773
773
775
775
775
775
776
776
77G
780
H Quantenoptik.........................797
58 Die Quantennatur des Lichts...................799
58.1 Vorbemerkungen: Lichtquanten ................799
58.2 Photoeflekt..........................................ggg
58.2.1 Experimenteller Befund.................800
58.2.2 Deutung und Erklarung des Photocflekts.......801
58.2.3 Anwendung des Photoeffekts..............802
58.3 Rontgen-Bremsstrahlung..........................gg.4
Inhaltsverzeichnis XXVII
58.3.1 Aufbau einer Rontgenrohre...............804
58.3.2 Experimenteller Refund.................804
58.3.3 Erklarung des Effekts..................805
58.4 Der Photonenimpuls.......................806
58.5 Der Compton-EfFekt.......................807
58.5.1 Experimenteller Befund.................807
58.5.2 Deutung des Effekts...................808
58.6 Zusammenfassung........................810
59 Der Schwarze Strahler.......................811
59.1 Absorptions- und Emissionsvermogen.............811
59.2 Experimentelle Ergebnisse ...................812
59.3 Energiedichte der Stralilung im Hohlraum...........814
59.4 Strahlungsgesetze ........................817
59.5 Vcrgleich mit dem Experiment.................819
59.6 Messung hoher Temperaturen..................820
59.7 Das Photonengas.........................821
59.7.1 Gerichtete Bewegung der Photonen..........821
59.7.2 Ungerichtete Bewegung der Photonen.........822
59.8 Zusammenfassung........................825
60 Materiewellen ............................827
60.1 Die de Broglie-Hypothese und ihre experimentelle
Bestatigung............................827
60.2 Eigenschaften von Materiewellen................830
60.3 Dualismus der Bcschrcibungen.................832
60.4 Wellenfunktion und Wellengleichung..............834
60.4.1 Wellenfunktion einer ebenen Welle...........834
60.4.2 Die Wellengleichung...................836
60.4.3 Die Schrodinger-Glcichung...............838
60.4.4 Ein Beispiel .......................839
60.5 Zusammenfassung........................842
I Atomistik.............................843
61 Bausteine der Atome........................845
61.1 Ubersicht.............................845
61.1.1 Grofie der Atome ....................845
61.1.2 Grofie der Atomkerne..................846
61.1.3 Energien.........................846
61.2 Das Elektron...........................847
61.2.1 Ladung..........................847
61.2.2 Masse...........................848
61.2.3 Grofie...........................849
61.2.4 Spin und magnetisches Moment............850
61.3 Der Kern.............................852
01.4 Zusammenstellung der Zahlenwerte ..............854
XXVIII Inhaltsvorzeichnis
62 Atome: Spektren und Energieniveaus
...........855
62.1 Experimcntclles .........................^
02.2 Deutung der Wasserstoff-Linien.................^
G2.3 Das Bolxrsche Atommodell..................._¦
02.4 Grenzen des Bohrschen Atommodells.............
02.5 Stehende ..................................._
G2.0 Experiment............................
02.7 Alkaliatome............................^
62.7.1 Spektrum des Natriumatoms..............
62.7.2 Das Termscliema.....................867
02.8 Pliysikalische Bedentung der Quantcnzalilcn .........868
62.9 Experimentcller Nachweis des Spin-Drehimpulses.......870
62.9.1 Stern-Gerlach-VcrsucU..................8 0
62.9.2 Feinstruktur.......................871
62.10 Zusammenfassung........................873
63 Atome: Ubergange und Hiillenstruktur............875
63.1 Gebote und Verbote in der Atomistik.............875
63.2 Erwartungswerte.........................
63.2.1 Wcllenfunktion und Wahrsclicinlichkcitsvertcilung . . 87G
63.2.2 Symmetrie der Wellenfuiiktioncn............877
63.2.3 Bcispielc fur Erwartungswerte.............878
63.3 Ubergangsmomentc.......................879
63.4 Spontane Ubergange.......................881
63.5 Induzierte Ubergange......................882
03.0 Prinzip des Lasers........................883
63.7 Struktur der Atomhulle, Periodisclies System der Element e . 884
03.7.1 Ubersicht.........................884
63.7.2 Aufbauprinzipien der Atomhulle............884
63.7.3 Aufbau der Hulle ....................880
63.8 Zusammenfassung........................894
64 Der Atomkern............................897
64.1 Masse der Kerne.........................897
64.1.1 Bezeichnungen......................897
64.1.2 Relative Massen.....................898
64.1.3 Massenspektrometer...................898
64.1.4 Atom- und Kernmassen.................899
64.2 GroBc und Ladung der Kerne..................902
64.2.1 Streuung von a-Teilchen ................902
64.2.2 Streuung von Neutroncn ................902
64.2.3 Streuung von Elektroncn................905
64.3 Systcmatik der Nuklide.....................905
64.4 Kernmodelle..............................997
64.4.1 TrOpfchenmodell................................907
64.4.2 Potentialtopfmodell......................909
64.4.3 Schalenmodell..........................910
64.5 Zusammenfassung............
Inhaltsverzeichnis XXIX
65 Instabile Kerne............................913
05.1 Radioaktivitat..........................913
65.2 Das Zerfallsgesetz........................914
65.3 Der 7-Zerfall...........................916
65.4 Der a-Zerfall...........................917
65.4.1 Die natiirlichen Zerfallsreihcn..............917
65.4.2 Zahlcnbeispiel zum a-Zerfall..............920
65.4.3 Erklarung des a-Zerfalls.................922
65.5 Der /3-Zerfall...........................923
65.5.1 Elektroncn im Kern? ..................923
65.5.2 /? -Zerfall.........................923
65.5.3 /?~-Zcrfall des frcien Neutrons.............925
65.5.4 /3+-Zerfall.........................925
65.5.5 Der Elektronen-Einfang.................927
65.6 Zusammenfassung........................928
66 Wechselwirkungen, MeCgerate, Energien...........929
66.1 Wechsclwirkungen von Kcrnstrahlung mit Matcric......929
66.1.1 Allgemeine Bcmerkungcn................929
66.1.2 a-Strahlcn........................930
66.1.3 /3-Strahlen........................931
66.1.4 7-Strahlen........................931
66.1.5 Neutronen........................935
66.2 Detcktoren und Spektrometer .................937
66.2.1 Gasionisationsdetektoren................937
66.2.2 Szintillationszahler....................938
66.2.3 Halbleiterdetektoren...................939
66.2.4 Spektrometer.......................939
66.2.5 Spurdetektoren......................941
66.3 Dosimetric............................942
66.3.1 Dosismefigrofien.....................942
66.3.2 Dosis-Mefigeratc.....................944
66.4 Kernenergie............................946
66.4.1 Energiegewinnung....................946
66.4.2 Kernspaltung.......................947
66.4.3 Potentialmodell der Kernspaltung...........949
66.4.4 Kettenreaktion und Kernreaktor............950
66.4.5 Kernfusion........................952
66.5 Zusammenfassung........................953
Mathematische Hilfsmittel..................955
1 Vektoren................................957
1.1 Der Vektorbegriff ........................957
1.1.1 Multiplication eines Vektors mit einem Skalar .... 957
1.1.2 Addition und Subtraktion zweier Vektoren......958
1.1.3 Komponentenzerlegung - Definition einer Basis . . .958
1.1.4 Die Richtungskosinus..................959
1.2 Produktc von Vektoren init Vektoren .............^
1.2.1 Vorbemcrkmigcu.....................
1.2.2 Skalarprodukt zweicr Vektorcn.............J60
1.2.3 Vektorprodiikt zwcier Vektorcn.............
1.2.4 Spatprodukt zwischcn drei Vektorcn..........96G
1.2.5 Das doppclte Vektorprodiikt..............
ooo
2 Tensoren................................
2.1 Dyadischcs Produkt zwischcn zwei Vektorcn .........969
2.2 Summon, DifFcrenzen nnd Produktc von Tensoren......950
2.3 Produktc von Tensoren mit Vektorcn.............
2.4 Diagonalisicrung syminetrischcr Tensoren...........9/4
2.4.1 Vorbemerkungen.....................Gil
2.4.2 Eigenwerte und Eigenvektoren.............9/5
2.4.3 Zugehorige orthogonale Transformation........0/0
2.4.4 Zweidimcnsionales Beispiel . . ...........9/7
3 Ableitungen und Reihenentwicklungen ............982
3.1 Ableitungen............................982
3.2 Reihenentwicklungen.......................982
4 Koordinatensysterne.......................981
4.1 Vorbcinerkiingen........................981
4.2 Kugelkoordinaten ........................984
4.3 Zylindrrkoordmaten......................988
5 Komplexe Zahlen..........................990
5.1 Definitioncn - Rechenregeln...................990
5.2 Die GauBsche Zalilencbenc...................991
G Wahrscheinlichkeiten, Permutationen, Kombiiiatioiien . . 994
G.l Wahrscheinlichkeiten.......................991
6.2 Permutationen..........................99
6.3 Kornbinationcn..........................995
G.3.1 Bcliebig vielc Balle pro Box...............995
G.3.2 Nur cin Ball pro Box..................996
G.4 Die Stirling-Formel........................997
7 Vektor-Operatoren....................................993
7.1 Der Gradient..........................................993
7.2 Die Divergcnz................................999
7.3 Die Rotation..................................pjOl
Erganzende und weiterfuhrende Literatur ..........1007
Fundamentalkonstanten........................1013
Register..............................................101
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