Holdings: Physik in Experimenten und Beispielen

Physik in Experimenten und Beispielen: mit 65 Tabellen

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Bibliographic Details
Main Author:	Paus, Hans J. (Author)
Format:	Book
Language:	German
Published:	München [u.a.] Hanser 2002
Edition:	2., aktualisierte und überarb. Aufl.
Subjects:	Experimentalphysik Lehrbuch
Online Access:	Inhaltsverzeichnis
Physical Description:	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 sj 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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