Physik für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften: ein Lehrbuch zum Gebrauch neben Vorlesungen ; mit 25 Tabellen, 238 durchgerechneten Beispielen und 140 Aufgaben mit Lösungen
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| Previous Title: | Stroppe, Heribert Physik für Studenten der Natur- und Ingenieurwissenschaften |
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| Main Author: | |
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
München [u.a.]
Fachbuchverl. Leipzig im Carl-Hanser-Verl.
2008
|
| Edition: | 14., aktualisierte Aufl. |
| Subjects: | |
| Online Access: | Beschreibung für Leser Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | 546 S. zahlr. graph. Darst. |
| ISBN: | 9783446415027 |
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Inhaltsverzeichnis
Einführung
1 Was ist Physik"? Wege physikalischer Erkenntnisgewinnung . 15
2 Physikalische Größen, Einheiten, Dimensionen, Gleichungen. 16
2.1 Größen, Einheiten, Dimensionen . 16
2.2 Physikalische Gleichungen . 18
TEILCHEN
Mechanik der Punktmasse und des starren Körpers
3 Kinematik der Punktmasse . 19
3.1 Raum, Zeit, Bezugssystem. 19
3.2 Die gleichförmige Bewegung. 21
3.3 Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung. 22
3.4 Freier Fall. Senkrechter Wurf. 25
3.5 Allgemeine Definition von Geschwindigkeit und Beschleunigung. Ungleichmäßig
beschleunigte Bewegung. 27
3.6 Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektoren. Zusammengesetzte Bewegungen
(Superposition)
. 29
3.7 Die gleichförmige Kreisbewegung. 31
3.8 Die ungleichförmige Kreisbewegung . 34
3.9 Bewegung auf beliebig krummliniger Bahn. 36
4 Dynamik der Punktmasse. 37
4.1 Der Kraftbegriff in der Physik. Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften.
Statisches Gleichgewicht . 38
4.2 Das Trägheitsgesetz (1. NEWTONsches Axiom). 40
4.3 Das Grundgesetz der Dynamik (2. NEWTONsches Axiom). 40
4.4 Träge und schwere Masse. Gewichtskraft. Radialkraft. 41
4.5 Kraftstoß. Impuls (Bewegungsgröße). 43
4.6 Lösung der Bewegungsgleichung für konstante Kraft. Die Wurfbewegung . 45
4.7 Das Wechselwirkungsgesetz (3. NEWTONsches Axiom). 48
4.8 Reibungskräfte. 49
5 Bewegte Bezugssysteme . 51
5.1 Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme. Trägheitskräfte. 52
5.2 Gleichförmig rotierende Bezugssysteme. Zentrifugalkraft, CORIOLIS-Kraft. 54
5.3 Inertialsy
steme.
Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik. 57
Inhaltsverzeichnis
6
Grundzüge der speziellen Relativitätstheorie. 58
6.1 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die LORENTZ-Transformation. 58
6.2 Folgerangen aus der LORENTZ-Transformation. 62
6.3 Relativistische Bewegungsgleichung. 63
7 Arbeit und Energie . 64
7.1 Arbeit. 64
7.2 Leistung. Wirkung. 68
7.3 Der Energiebegriff. Potentielle und kinetische Energie . 69
7.4 Das Gesetz von der Erhaltung der Energie (Energiesatz). 70
7.5 Äquivalenz von Masse und Energie. 71
8 Gravitation. 73
8.1 Die KEPLERschen Gesetze der Planetenbewegung und das Gravitationsgesetz . 73
8.2 Arbeit gegen die Schwerkraft. Kosmische Geschwindigkeiten. 75
9 Dynamik der Punktmassen-Systeme . 77
9.1 Impulserhaltungssatz. Massenmittelpunkt. 77
9.2 Die Gesetze des Stoßes . 79
9.3 Raketenantrieb. 83
10 Statik des starren Körpers. 85
10.1 Freiheitsgrade des starren Körpers. 85
10.2 Kräfte am starren Körper. Drehmoment. Gleichgewichtsbedingungen. 85
10.3 Kräftepaar. 89
10.4 Der Schwerpunkt . 90
10.5 Arten des Gleichgewichts. 92
11 Dynamik des starren Körpers. 92
11.1 Bewegung eines frei beweglichen Körpers bei Einwirkung einer Kraft. 92
11.2 Kinetische Energie der Drehbewegung. Massenträgheitsmoment. 93
11.3 Arbeit und Leistung bei der Drehbewegung. Grundgesetz der Dynamik. 95
11.4 Der Drehimpuls (Drall). Drehimpulserhaltungssatz. 97
11.5 Kreiselbewegungen. Freie Achsen. 98
11.6 Bewegung des symmetrischen Kreisels. 100
KONTINUA
Mechanik der deformierbaren Medien
12 Die Zustandsformen der Stoffe . 103
13 Der deformierbare feste Körper. 104
13.1 Elastische Verformung. HoOKEsches Gesetz . 104
13.2 Querkontraktion. Kompressibilität. 105
13.3 Elastisches Verhalten bei Scherbeanspruchung . 107
13.4 Der einachsige Spannungszustand. 107
13.5 Zusammenhang zwischen Schubmodul, Elastizitätsmodul und PoiSSONscher
Querkontraktionszahl. 108
13.6 Plastische Verformung. Spannungs-Dehnungs-Diagramm. 109
Inhalts Verzeichnis
14 Ruhende Flüssigkeiten und Gase . 111
14.1 Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck). 111
14.2 Schweredruck. Auftrieb. Schwimmstabilität. 112
14.3 Druck in Gasen. Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Dichte. 114
14.4 Schweredruck in Gasen. Barometrische Höhenformel. 116
14.5 Erscheinungen an Grenzflächen. Kohäsion und Adhäsion. 117
14.6 Spezifische Oberflächenenergie, Oberflächenspannung. 118
14.7 Benetzung und Kapillarwirkung. 119
15 Strömende Flüssigkeiten und Gase (Strömungsmechanik) . 121
15.1 Das Strömungsfeld. Kennzeichnung und Einteilung von Strömungen. 121
15.2 Strömungen idealer Flüssigkeiten und Gase. Kontinuitätsgleichung. 123
15.3 Die BERNOULLische Gleichung. Druckmessung. 125
15.4 Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase. Laminare Strömung. 128
15.5 Gesetze von Hagen-Poiseuille und
Stokes
. 129
15.6 Umströmung durch reale Flüssigkeiten und Gase. REYNOLDS-Zahl. 131
15.7 Die Bewegungsgleichung eines
Fluids
. 133
WÄRME
Thermodynamik und Gaskinetik
16 Verhalten der Körper bei Temperaturänderung. 137
16.1 Die Temperatur und ihre Messung. 137
16.2 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper . 139
16.3 Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderungen der Gase.
Der absolute Nullpunkt. 141
16.4 Die thermische Zustandsgieichung des idealen Gases. 144
17 Der
I.
Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz) . 145
17.1 Wärmemenge und Wärmekapazität. 145
17.2 Innere Energie eines Systems. Formulierung des
I.
Hauptsatzes. 147
17.3 Spezifische Wärmekapazität des idealen Gases. Kalorische Zustandsgieichung . 149
17.4 Anwendung des
I.
Hauptsatzes auf spezielle Zustandsänderungen des idealen Gases . 151
17.5 Zustandsänderungen des idealen Gases in offenen Systemen. Technische Arbeit.
Enthalpie. 155
18 Kinetische Gastheorie. 157
18.1 Die Masse der Atome und Moleküle. 157
18.2 Druck und mittlere quadratische Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Grundgleichung
der kinetischen Gastheorie. 158
18.3 Die GeschwindigkeitsVerteilung der Gasmoleküle. 161
18.4 Molekularenergie und Temperatur. Wärmekapazität der Körper. 163
18.5 Stoßzahl und mittlere freie Weglänge. 165
18.6 Gemische idealer Gase. Gesetz von
Dalton
. 166
19 Der
II.
Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) . 168
19.1 Der CARNOT-Kreisprozess. Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und
Wärmepumpe. 168
19.2 Thermodynamische Temperatur. 172
19.3 Reversible und irreversible Vorgänge.
II.
Hauptsatz. 172
19.4 Entropie. 174
19.5 Entropieänderung des idealen Gases. Irreversible Prozesse. 178
19.6 Entropie und Wahrscheinlichkeit. 180
10 Inhalts Verzeichnis
19.7
III.
Hauptsatz (Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts). 182
20 Reale Gase. Phasenumwandlungen. 183
20.1 Die VAN-DER-WAALSsche Zustandsgieichung. Gasverflüssigung. 183
20.2 JOULE-THOMSON-Effekt. Erzeugung tiefer Temperaturen. 186
20.3 Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Sieden und Verdunsten . . 188
20.4 Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase. Koexistenz dreier Phasen. 192
20.5 Lösungen. Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung. 194
21 Ausgleichsvorgänge . 196
21.1 Wärmeleitung. 196
21.2 Wärmeübergang, Wärmedurchgang,
Konvektion
. 199
21.3 Diffusion. 200
FELDER
Gravitation. Elektrizität und Magnetismus
22 Das Gravitationsfeld. 203
22.1 Fernwirkung und Nahwirkung. Der Feldbegriff. 203
22.2 Gravitationsfeldstärke, Gravitationspotential. 205
22.3 Massen als Senken des Gravitationsfeldes. 208
23 Das elektrostatische Feld . 209
23.1 Die elektrische Ladung. Ladungsnachweis. 210
23.2 Ladungen als Quellen bzw. Senken des elektrischen Feldes. 211
23.3 Kraftwirkungen des elektrischen Feldes. Elektrische Feldstärke. 212
23.4 Elektrostatisches Potential. Spannung. 214
23.5 Elektrische Ladungen auf Leitern. Influenz. 216
23.6 Elektrischer Fluss, Flussdichte. 218
23.7 Das elektrische Zentralfeld (Punktladung und Punktladungssystem). 219
23.8 Kapazität. Kondensatoren. 221
24 Das elektrische Feld in Isolatoren (Dielektrika) . 223
24.1 Elektrische Polarisation der Dielektrika. Piezoelektrizität. 223
24.2 Permittivität (Dielektrizitätskonstante), elektrische Suszeptibilität. 224
24.3 Verhalten von
D
und
E
an der Grenzfläche zweier Medien. 226
24.4 Energieinhalt des elektrischen Feldes. 228
25 Der Gleichstromkreis . 229
25.1 Das stationäre elektrische Feld in einem Leiter . 229
25.2 Stromstärke, Spannung, Widerstand. OHMsches Gesetz. 229
25.3 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen. KlRCHHOFFsche Gesetze. 232
25.4 Arbeit und Leistung elektrischer Gleichströme . 235
26 Elektrische Leitungsvorgänge in Festkörpern und Flüssigkeiten . 235
26.1 Klassische Theorie der freien Elektronen in Metallen. 236
26.2 Thermoelektrische Effekte. 238
26.3 Elektrokinetische Effekte . 239
26.4 Elektrolytische Stromleitung. FARADAYsche Gesetze. 239
26.5 Elektrochemische Spannungsquellen . 241
Inhaltsverzeichnis 11
27 Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum und in Gasen . 242
27.1 Bewegung freier Ladungsträger im elektrischen Feld. 242
27.2 Ladungsträgerinjektion, Katodenstrahlen. 244
27.3 Gasentladungen. 245
27.4 Plasmaströme. 248
28 Das magnetostatische Feld der Dipole und Gleichströme . 248
28.1 Analogien und Unterschiede zum elektrostatischen Feld. 248
28.2 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf magnetische Dipole. Magnetische
Feldstärke. 250
28.3 Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters. Durchflutungsgesetz. 250
28.4 Einfache Feldberechnungen. 252
28.5 Magnetische Flussdichte (Induktion) . 253
28.6 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf Stromleiter. 254
28.7 Bewegung freier Ladungsträger im magnetischen Feld. LORENTZ-Kraft. 256
28.8 Galvano- und thermomagnetische Effekte. HALL-Effekt . 258
29 Das magnetische Feld in Stoffen. 259
29.1 Magnetische Polarisation der Stoffe. 259
29.2 Magnetisierung der Ferromagnetika. Hysterese. 260
29.3 Der magnetische Kreis. Entmagnetisierung. 262
30 Elektromagnetische Induktion . 264
30.1 Das
Faraday
sehe Induktionsgesetz . 264
30.2 Selbstinduktion. 266
30.3 Energieinhalt des magnetischen Feldes . 268
30.4 Elektromagnetische Induktion in einem bewegten Leiter . 268
31 Der Wechselstromkreis . 270
31.1 Wechselspannung, Wechselstrom, Dreiphasenstrom. 270
31.2 Arbeit und Leistung elektrischer Wechselströme. 272
31.3 Wechselstromwiderstände. OHMsches Gesetz für Wechselstrom . 273
31.4 Der Transformator. 278
31.5 Anharmonische Wechselströme in der Elektronik. 279
31.6 Gleichrichter und Verstärker. Elektronische Bauelemente. 280
32 Die Maxwellschen Gleichungen. 283
32.1 Wirbel des magnetischen Feldes. Verschiebungsstrom. 283
32.2 Wirbel des elektrischen Feldes. Wirbelströme. 285
32.3 Elektromagnetisches Feld. System der MAXWELLschen Gleichungen. 286
32.4 Relativistische Elektrodynamik. 287
WELLEN
Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen
33 Mechanische Schwingungen. 289
33.1 Lineare Federschwingungen. 290
33.2 Energiebilanz des harmonischen Oszillators. 292
33.3 Drehschwingungen . 294
33.4 Pendelschwingungen . 295
33.5 Freie gedämpfte Schwingungen. 297
33.6 Erzwungene Schwingungen. 299
12 Inhaltsverzeichnis
34 Elektrische Schwingungen. 302
34.1 Der geschlossene Schwingkreis. 302
34.2 Strom- und Spannungsresonanz. 305
34.3 Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen. 308
35 Überlagerung harmonischer Schwingungen . 309
35.1 Überlagerung zweier Schwingungen längs gleicher Richtung. 309
35.2 Gekoppelte Schwingungen. 311
35.3 Überlagerung zweier Schwingungen längs aufeinander senkrechter Richtungen . . 314
35.4 Überlagerung von harmonischen zu anharmonischen Schwingungen. 316
35.5 Nichtlineare Schwingungen. Deterministisches Chaos. 319
36 Allgemeine Wellenlehre . 322
36.1 Zusammenhang von Schwingungen und Wellen. 322
36.2 Die eindimensionale Wellengleichung und ihre allgemeine Lösung. 325
36.3 Transversal- und Longitudinalwellen . 326
36.4 Stehende Wellen. Eigenschwingungen. 328
36.5 Wellenausbreitung in ausgedehnten Medien. 331
37 Schallwellen (Akustik). 333
37.1 Wellenausbreitung im Schallfeld. Phasengeschwindigkeit. 333
37.2 Schallfeldgrößen. 335
37.3 Schallquellen. Ton, Klang, Geräusch. 337
37.4 Schallempfänger und Gehör. Schallpegel und Lautstärke. 338
37.5 Stehende Schallwellen. 340
37.6 DOPPLER-Effekt. 341
37.7 MACHscher Kegel. 343
38 Elektromagnetische Wellen . 343
38.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entlang von Leitungen . 343
38.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum. 346
38.3 Erzeugung und Nachweis elektromagnetischer Wellen . 349
38.4 Die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen (H. Hertz, 1888). 351
38.5 Das elektromagnetische Spektrum. 352
39 Einfluss von Stoffen auf die Wellenausbreitung . 354
39.1 Absorption und Streuung . 354
39.2 Phasengeschwindigkeit und Dispersion. Gruppengeschwindigkeit. 355
39.3 HUYGENSsches Prinzip. 358
39.4 Reflexion und Brechung (Refraktion). Totalreflexion. 359
39.5 Optische Dispersion. Prisma, Spektral- und Körperfarben. 362
40 Strahlenoptik (Geometrische Optik) . 364
40.1 Lichtstrahlen. FERMATsches Prinzip. 364
40.2 Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen. 366
40.3 Abbildung durch Spiegel (ebener und gekrümmte Spiegel). 368
40.4 Abbildung durch Linsen (dünne und dicke Linsen, Linsensysteme). 372
40.5 Das Auge und der Sehvorgang. 377
40.6 Optische Geräte zur Sehwinkelvergrößerang (Lupe, Mikroskop, Fernrohr). 378
40.7 Abbildungsfehler . 380
41 Wellenoptik . 381
41.1 Interferenz. Interferenzbedingungen. 381
41.2 Interferenzen gleicher Neigung und gleicher Dicke. 383
Inhaltsverzeichnis 13
41.3 Beugung (Diffraktion). Das Beugungsphänomen. 385
41.4 FRAUNHOFERsche Beugung am Spalt und an der Lochblende. 387
41.5 Auflösungsvermögen optischer Geräte.
Holografie
. 389
41.6 FRAUNHOFERsche Beugung am Strichgitter. 392
41.7
Spektrometer
. 394
41.8 Beugung von Röntgenstrahlen am Raumgitter der Kristalle. 396
41.9 Polarisation. Polarisation des Lichts durch Reflexion und Brechung. 399
41.10 Polarisation durch Doppelbrechung. 401
41.11 Interferenz des polarisierten Lichts . 403
41.12 Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts. 407
41.13 Nichtlineare Optik. 407
QUANTEN
Struktur und Eigenschaften der Materie
42 Die Gesetze der Strahlung. 409
42.1 Das Wesen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung). 409
42.2 Strahlungsphysikalische Größen. 410
42.3 Emission und Absorption von Strahlung. KiRCHHOFFsches Strahlungsgesetz. 412
42.4 Das PLANCKsche Strahlungsgesetz. 414
42.5 Folgerungen aus dem Pl
ANC
Kschen Strahlungsgesetz . 415
42.6 Lichttechnische Größen (Photometrie). 418
42.7 Zusammenhang zwischen strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Größen . . . 420
43 Der Welle-Teilchen-Dualismus der Mikroobjekte . 421
43.1 Die Teilchennatur des Lichts. Lichtquanten (Photonen). 421
43.2 Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt). 422
43.3 Der COMPTON-Effekt. 424
43.4 Rückstoß durch Quantenemission. MÖSSBAUER-Effekt. 426
43.5 Die Wellennatur der Teilchen. 428
43.6 Das HEiSENBERGsche Unbestimmtheitsprinzip (Unschärferelation) . 431
44 Atombau und Spektren . 433
44.1 Die Streuexperimente von Lenard und Rutherford. Das RuTHERFORDsche
Atommodell. 433
44.2 Das Spektrum des Wasserstoffatoms. 435
44.3 Das BOHRsche Atommodell. 437
44.4 Die Spektren der Alkaliatome. Bahndrehimpulsquantenzahl. 441
44.5 Richtungsquantelung des Bahndrehimpulses der Elektronen. 443
44.6 Das magnetische Bahnmoment der Elektronen. BOHRsches
Magneton
. 444
44.7 Elektronenspin und magnetisches Spinmoment. Die Feinstruktur der Atomspektren . 445
44.8 Mehrelektronensysteme. 447
44.9 Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld (ZEEMAN-Effekt). 448
44.10 Das PAULI-Prinzip und das Periodensystem der Elemente. 450
44.11 Die Röntgenspektren und ihre Deutung. 453
44.12 Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen . 455
44.13 Induzierte Emission. Maser und Laser. 459
45 Wellenmechanik. 461
45.1 Die SCHRÖDINGER-Gleichung. 461
45.2 Elektron im Kastenpotential. 463
45.3 Das wellenmechanische Bild des Atoms. 465
45.4 Der Tunneleffekt. 466
14 Inhaltsverzeichnis
46 Elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern. 468
46.1 Elektrische Leitfähigkeit. Das Modell des Elektronengases. 468
46.2 Bändermodell des Festkörpers. Metalle, Halbleiter, Isolatoren. 469
46.3 Elektrische Ströme in Halbleitern. Eigenleitung, Störstellenleitung. 472
46.4 Der pn-Übergang . 475
46.5 Halbleiterdiode, Transistor. 477
46.6 Magnetische Eigenschaften. Dia- und Paramagnetismus. 479
46.7 Ferromagnetismus,
Antiferro-
und Ferrimagnetismus. 480
46.8 Supraleitung. 483
46.9 Supraflüssigkeit. 485
47 Atomkerne. 486
47.1 Masse, Ladung und Zusammensetzung der Kerne. 486
47.2 Isotope. 487
47.3 Isobare, Isotone, Nuklide, Isomere. 488
47.4 Massendefekt und Bindungsenergie der Kerne. 488
47.5 Stabilitätskriterien. Kernsystematik. 490
47.6 Kernkräfte. 492
47.7 Kernmodelle. 493
48 Die natürliche Radioaktivität . 494
48.1 Der
α
-Zerfall der schweren Kerne. 494
48.2 Der ß-Zerfall. Gammastrahlung. 495
48.3 Das Zerfallsgesetz. Spezifische Aktivität. 497
48.4 Radioaktive Zerfallsreihen und radioaktives Gleichgewicht. 499
48.5
Dosimetrie
und biologische Wirkung ionisierender Strahlung. 500
49 Künstliche Kernumwandlungen. 502
49.1 Arten künstlicher Kernumwandlungen. 502
49.2 Massen- und Energiebilanz von Kernreaktionen. Wirkungsquerschnitt . 503
49.3 Kernspaltung. Gewinnung von Kernspaltungsenergie. 504
49.4 Arten von Kernreaktoren. 506
49.5 Kernfusion. 507
50 Elementarteilchen . 508
50.1 Entwicklung zum
Teilchen
-,,Ζοο"
. 508
50.2 Erhaltungssätze für Baryonenladung, Leptonenladung, Isospin,
Strangeness
und
Hyperiadung. 509
50.3 Die elementaren Teilchen:
Leptonén
und Quarks . 511
50.4 Zusammengesetzte Elementarteilchen. Hadronen. 513
50.5 Die elementaren Kräfte (Wechselwirkungen). Feldquanten. 513
50.6 Vereinheitlichte Theorie der elementaren Kräfte (Supersymmetrie,
Theory of
Everything)
. 516
50.7 Kosmologie. 517
ANHANG: Fehlerrechnung (Messabweichungen) . 518
Bildquellenverzeichnis. 528
Lösungen der Aufgaben. 529
Sachwortverzeichnis. 534 |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
Einführung
1 Was ist Physik"? Wege physikalischer Erkenntnisgewinnung . 15
2 Physikalische Größen, Einheiten, Dimensionen, Gleichungen. 16
2.1 Größen, Einheiten, Dimensionen . 16
2.2 Physikalische Gleichungen . 18
TEILCHEN
Mechanik der Punktmasse und des starren Körpers
3 Kinematik der Punktmasse . 19
3.1 Raum, Zeit, Bezugssystem. 19
3.2 Die gleichförmige Bewegung. 21
3.3 Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung. 22
3.4 Freier Fall. Senkrechter Wurf. 25
3.5 Allgemeine Definition von Geschwindigkeit und Beschleunigung. Ungleichmäßig
beschleunigte Bewegung. 27
3.6 Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektoren. Zusammengesetzte Bewegungen
(Superposition)
. 29
3.7 Die gleichförmige Kreisbewegung. 31
3.8 Die ungleichförmige Kreisbewegung . 34
3.9 Bewegung auf beliebig krummliniger Bahn. 36
4 Dynamik der Punktmasse. 37
4.1 Der Kraftbegriff in der Physik. Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften.
Statisches Gleichgewicht . 38
4.2 Das Trägheitsgesetz (1. NEWTONsches Axiom). 40
4.3 Das Grundgesetz der Dynamik (2. NEWTONsches Axiom). 40
4.4 Träge und schwere Masse. Gewichtskraft. Radialkraft. 41
4.5 Kraftstoß. Impuls (Bewegungsgröße). 43
4.6 Lösung der Bewegungsgleichung für konstante Kraft. Die Wurfbewegung . 45
4.7 Das Wechselwirkungsgesetz (3. NEWTONsches Axiom). 48
4.8 Reibungskräfte. 49
5 Bewegte Bezugssysteme . 51
5.1 Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme. Trägheitskräfte. 52
5.2 Gleichförmig rotierende Bezugssysteme. Zentrifugalkraft, CORIOLIS-Kraft. 54
5.3 Inertialsy
steme.
Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik. 57
Inhaltsverzeichnis
6
Grundzüge der speziellen Relativitätstheorie. 58
6.1 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die LORENTZ-Transformation. 58
6.2 Folgerangen aus der LORENTZ-Transformation. 62
6.3 Relativistische Bewegungsgleichung. 63
7 Arbeit und Energie . 64
7.1 Arbeit. 64
7.2 Leistung. Wirkung. 68
7.3 Der Energiebegriff. Potentielle und kinetische Energie . 69
7.4 Das Gesetz von der Erhaltung der Energie (Energiesatz). 70
7.5 Äquivalenz von Masse und Energie. 71
8 Gravitation. 73
8.1 Die KEPLERschen Gesetze der Planetenbewegung und das Gravitationsgesetz . 73
8.2 Arbeit gegen die Schwerkraft. Kosmische Geschwindigkeiten. 75
9 Dynamik der Punktmassen-Systeme . 77
9.1 Impulserhaltungssatz. Massenmittelpunkt. 77
9.2 Die Gesetze des Stoßes . 79
9.3 Raketenantrieb. 83
10 Statik des starren Körpers. 85
10.1 Freiheitsgrade des starren Körpers. 85
10.2 Kräfte am starren Körper. Drehmoment. Gleichgewichtsbedingungen. 85
10.3 Kräftepaar. 89
10.4 Der Schwerpunkt . 90
10.5 Arten des Gleichgewichts. 92
11 Dynamik des starren Körpers. 92
11.1 Bewegung eines frei beweglichen Körpers bei Einwirkung einer Kraft. 92
11.2 Kinetische Energie der Drehbewegung. Massenträgheitsmoment. 93
11.3 Arbeit und Leistung bei der Drehbewegung. Grundgesetz der Dynamik. 95
11.4 Der Drehimpuls (Drall). Drehimpulserhaltungssatz. 97
11.5 Kreiselbewegungen. Freie Achsen. 98
11.6 Bewegung des symmetrischen Kreisels. 100
KONTINUA
Mechanik der deformierbaren Medien
12 Die Zustandsformen der Stoffe . 103
13 Der deformierbare feste Körper. 104
13.1 Elastische Verformung. HoOKEsches Gesetz . 104
13.2 Querkontraktion. Kompressibilität. 105
13.3 Elastisches Verhalten bei Scherbeanspruchung . 107
13.4 Der einachsige Spannungszustand. 107
13.5 Zusammenhang zwischen Schubmodul, Elastizitätsmodul und PoiSSONscher
Querkontraktionszahl. 108
13.6 Plastische Verformung. Spannungs-Dehnungs-Diagramm. 109
Inhalts Verzeichnis
14 Ruhende Flüssigkeiten und Gase . 111
14.1 Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck). 111
14.2 Schweredruck. Auftrieb. Schwimmstabilität. 112
14.3 Druck in Gasen. Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Dichte. 114
14.4 Schweredruck in Gasen. Barometrische Höhenformel. 116
14.5 Erscheinungen an Grenzflächen. Kohäsion und Adhäsion. 117
14.6 Spezifische Oberflächenenergie, Oberflächenspannung. 118
14.7 Benetzung und Kapillarwirkung. 119
15 Strömende Flüssigkeiten und Gase (Strömungsmechanik) . 121
15.1 Das Strömungsfeld. Kennzeichnung und Einteilung von Strömungen. 121
15.2 Strömungen idealer Flüssigkeiten und Gase. Kontinuitätsgleichung. 123
15.3 Die BERNOULLische Gleichung. Druckmessung. 125
15.4 Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase. Laminare Strömung. 128
15.5 Gesetze von Hagen-Poiseuille und
Stokes
. 129
15.6 Umströmung durch reale Flüssigkeiten und Gase. REYNOLDS-Zahl. 131
15.7 Die Bewegungsgleichung eines
Fluids
. 133
WÄRME
Thermodynamik und Gaskinetik
16 Verhalten der Körper bei Temperaturänderung. 137
16.1 Die Temperatur und ihre Messung. 137
16.2 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper . 139
16.3 Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderungen der Gase.
Der absolute Nullpunkt. 141
16.4 Die thermische Zustandsgieichung des idealen Gases. 144
17 Der
I.
Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz) . 145
17.1 Wärmemenge und Wärmekapazität. 145
17.2 Innere Energie eines Systems. Formulierung des
I.
Hauptsatzes. 147
17.3 Spezifische Wärmekapazität des idealen Gases. Kalorische Zustandsgieichung . 149
17.4 Anwendung des
I.
Hauptsatzes auf spezielle Zustandsänderungen des idealen Gases . 151
17.5 Zustandsänderungen des idealen Gases in offenen Systemen. Technische Arbeit.
Enthalpie. 155
18 Kinetische Gastheorie. 157
18.1 Die Masse der Atome und Moleküle. 157
18.2 Druck und mittlere quadratische Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Grundgleichung
der kinetischen Gastheorie. 158
18.3 Die GeschwindigkeitsVerteilung der Gasmoleküle. 161
18.4 Molekularenergie und Temperatur. Wärmekapazität der Körper. 163
18.5 Stoßzahl und mittlere freie Weglänge. 165
18.6 Gemische idealer Gase. Gesetz von
Dalton
. 166
19 Der
II.
Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) . 168
19.1 Der CARNOT-Kreisprozess. Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und
Wärmepumpe. 168
19.2 Thermodynamische Temperatur. 172
19.3 Reversible und irreversible Vorgänge.
II.
Hauptsatz. 172
19.4 Entropie. 174
19.5 Entropieänderung des idealen Gases. Irreversible Prozesse. 178
19.6 Entropie und Wahrscheinlichkeit. 180
10 Inhalts Verzeichnis
19.7
III.
Hauptsatz (Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts). 182
20 Reale Gase. Phasenumwandlungen. 183
20.1 Die VAN-DER-WAALSsche Zustandsgieichung. Gasverflüssigung. 183
20.2 JOULE-THOMSON-Effekt. Erzeugung tiefer Temperaturen. 186
20.3 Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Sieden und Verdunsten . . 188
20.4 Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase. Koexistenz dreier Phasen. 192
20.5 Lösungen. Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung. 194
21 Ausgleichsvorgänge . 196
21.1 Wärmeleitung. 196
21.2 Wärmeübergang, Wärmedurchgang,
Konvektion
. 199
21.3 Diffusion. 200
FELDER
Gravitation. Elektrizität und Magnetismus
22 Das Gravitationsfeld. 203
22.1 Fernwirkung und Nahwirkung. Der Feldbegriff. 203
22.2 Gravitationsfeldstärke, Gravitationspotential. 205
22.3 Massen als Senken des Gravitationsfeldes. 208
23 Das elektrostatische Feld . 209
23.1 Die elektrische Ladung. Ladungsnachweis. 210
23.2 Ladungen als Quellen bzw. Senken des elektrischen Feldes. 211
23.3 Kraftwirkungen des elektrischen Feldes. Elektrische Feldstärke. 212
23.4 Elektrostatisches Potential. Spannung. 214
23.5 Elektrische Ladungen auf Leitern. Influenz. 216
23.6 Elektrischer Fluss, Flussdichte. 218
23.7 Das elektrische Zentralfeld (Punktladung und Punktladungssystem). 219
23.8 Kapazität. Kondensatoren. 221
24 Das elektrische Feld in Isolatoren (Dielektrika) . 223
24.1 Elektrische Polarisation der Dielektrika. Piezoelektrizität. 223
24.2 Permittivität (Dielektrizitätskonstante), elektrische Suszeptibilität. 224
24.3 Verhalten von
D
und
E
an der Grenzfläche zweier Medien. 226
24.4 Energieinhalt des elektrischen Feldes. 228
25 Der Gleichstromkreis . 229
25.1 Das stationäre elektrische Feld in einem Leiter . 229
25.2 Stromstärke, Spannung, Widerstand. OHMsches Gesetz. 229
25.3 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen. KlRCHHOFFsche Gesetze. 232
25.4 Arbeit und Leistung elektrischer Gleichströme . 235
26 Elektrische Leitungsvorgänge in Festkörpern und Flüssigkeiten . 235
26.1 Klassische Theorie der freien Elektronen in Metallen. 236
26.2 Thermoelektrische Effekte. 238
26.3 Elektrokinetische Effekte . 239
26.4 Elektrolytische Stromleitung. FARADAYsche Gesetze. 239
26.5 Elektrochemische Spannungsquellen . 241
Inhaltsverzeichnis 11
27 Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum und in Gasen . 242
27.1 Bewegung freier Ladungsträger im elektrischen Feld. 242
27.2 Ladungsträgerinjektion, Katodenstrahlen. 244
27.3 Gasentladungen. 245
27.4 Plasmaströme. 248
28 Das magnetostatische Feld der Dipole und Gleichströme . 248
28.1 Analogien und Unterschiede zum elektrostatischen Feld. 248
28.2 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf magnetische Dipole. Magnetische
Feldstärke. 250
28.3 Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters. Durchflutungsgesetz. 250
28.4 Einfache Feldberechnungen. 252
28.5 Magnetische Flussdichte (Induktion) . 253
28.6 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf Stromleiter. 254
28.7 Bewegung freier Ladungsträger im magnetischen Feld. LORENTZ-Kraft. 256
28.8 Galvano- und thermomagnetische Effekte. HALL-Effekt . 258
29 Das magnetische Feld in Stoffen. 259
29.1 Magnetische Polarisation der Stoffe. 259
29.2 Magnetisierung der Ferromagnetika. Hysterese. 260
29.3 Der magnetische Kreis. Entmagnetisierung. 262
30 Elektromagnetische Induktion . 264
30.1 Das
Faraday
sehe Induktionsgesetz . 264
30.2 Selbstinduktion. 266
30.3 Energieinhalt des magnetischen Feldes . 268
30.4 Elektromagnetische Induktion in einem bewegten Leiter . 268
31 Der Wechselstromkreis . 270
31.1 Wechselspannung, Wechselstrom, Dreiphasenstrom. 270
31.2 Arbeit und Leistung elektrischer Wechselströme. 272
31.3 Wechselstromwiderstände. OHMsches Gesetz für Wechselstrom . 273
31.4 Der Transformator. 278
31.5 Anharmonische Wechselströme in der Elektronik. 279
31.6 Gleichrichter und Verstärker. Elektronische Bauelemente. 280
32 Die Maxwellschen Gleichungen. 283
32.1 Wirbel des magnetischen Feldes. Verschiebungsstrom. 283
32.2 Wirbel des elektrischen Feldes. Wirbelströme. 285
32.3 Elektromagnetisches Feld. System der MAXWELLschen Gleichungen. 286
32.4 Relativistische Elektrodynamik. 287
WELLEN
Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen
33 Mechanische Schwingungen. 289
33.1 Lineare Federschwingungen. 290
33.2 Energiebilanz des harmonischen Oszillators. 292
33.3 Drehschwingungen . 294
33.4 Pendelschwingungen . 295
33.5 Freie gedämpfte Schwingungen. 297
33.6 Erzwungene Schwingungen. 299
12 Inhaltsverzeichnis
34 Elektrische Schwingungen. 302
34.1 Der geschlossene Schwingkreis. 302
34.2 Strom- und Spannungsresonanz. 305
34.3 Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen. 308
35 Überlagerung harmonischer Schwingungen . 309
35.1 Überlagerung zweier Schwingungen längs gleicher Richtung. 309
35.2 Gekoppelte Schwingungen. 311
35.3 Überlagerung zweier Schwingungen längs aufeinander senkrechter Richtungen . . 314
35.4 Überlagerung von harmonischen zu anharmonischen Schwingungen. 316
35.5 Nichtlineare Schwingungen. Deterministisches Chaos. 319
36 Allgemeine Wellenlehre . 322
36.1 Zusammenhang von Schwingungen und Wellen. 322
36.2 Die eindimensionale Wellengleichung und ihre allgemeine Lösung. 325
36.3 Transversal- und Longitudinalwellen . 326
36.4 Stehende Wellen. Eigenschwingungen. 328
36.5 Wellenausbreitung in ausgedehnten Medien. 331
37 Schallwellen (Akustik). 333
37.1 Wellenausbreitung im Schallfeld. Phasengeschwindigkeit. 333
37.2 Schallfeldgrößen. 335
37.3 Schallquellen. Ton, Klang, Geräusch. 337
37.4 Schallempfänger und Gehör. Schallpegel und Lautstärke. 338
37.5 Stehende Schallwellen. 340
37.6 DOPPLER-Effekt. 341
37.7 MACHscher Kegel. 343
38 Elektromagnetische Wellen . 343
38.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entlang von Leitungen . 343
38.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum. 346
38.3 Erzeugung und Nachweis elektromagnetischer Wellen . 349
38.4 Die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen (H. Hertz, 1888). 351
38.5 Das elektromagnetische Spektrum. 352
39 Einfluss von Stoffen auf die Wellenausbreitung . 354
39.1 Absorption und Streuung . 354
39.2 Phasengeschwindigkeit und Dispersion. Gruppengeschwindigkeit. 355
39.3 HUYGENSsches Prinzip. 358
39.4 Reflexion und Brechung (Refraktion). Totalreflexion. 359
39.5 Optische Dispersion. Prisma, Spektral- und Körperfarben. 362
40 Strahlenoptik (Geometrische Optik) . 364
40.1 Lichtstrahlen. FERMATsches Prinzip. 364
40.2 Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen. 366
40.3 Abbildung durch Spiegel (ebener und gekrümmte Spiegel). 368
40.4 Abbildung durch Linsen (dünne und dicke Linsen, Linsensysteme). 372
40.5 Das Auge und der Sehvorgang. 377
40.6 Optische Geräte zur Sehwinkelvergrößerang (Lupe, Mikroskop, Fernrohr). 378
40.7 Abbildungsfehler . 380
41 Wellenoptik . 381
41.1 Interferenz. Interferenzbedingungen. 381
41.2 Interferenzen gleicher Neigung und gleicher Dicke. 383
Inhaltsverzeichnis 13
41.3 Beugung (Diffraktion). Das Beugungsphänomen. 385
41.4 FRAUNHOFERsche Beugung am Spalt und an der Lochblende. 387
41.5 Auflösungsvermögen optischer Geräte.
Holografie
. 389
41.6 FRAUNHOFERsche Beugung am Strichgitter. 392
41.7
Spektrometer
. 394
41.8 Beugung von Röntgenstrahlen am Raumgitter der Kristalle. 396
41.9 Polarisation. Polarisation des Lichts durch Reflexion und Brechung. 399
41.10 Polarisation durch Doppelbrechung. 401
41.11 Interferenz des polarisierten Lichts . 403
41.12 Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts. 407
41.13 Nichtlineare Optik. 407
QUANTEN
Struktur und Eigenschaften der Materie
42 Die Gesetze der Strahlung. 409
42.1 Das Wesen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung). 409
42.2 Strahlungsphysikalische Größen. 410
42.3 Emission und Absorption von Strahlung. KiRCHHOFFsches Strahlungsgesetz. 412
42.4 Das PLANCKsche Strahlungsgesetz. 414
42.5 Folgerungen aus dem Pl
ANC
Kschen Strahlungsgesetz . 415
42.6 Lichttechnische Größen (Photometrie). 418
42.7 Zusammenhang zwischen strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Größen . . . 420
43 Der Welle-Teilchen-Dualismus der Mikroobjekte . 421
43.1 Die Teilchennatur des Lichts. Lichtquanten (Photonen). 421
43.2 Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt). 422
43.3 Der COMPTON-Effekt. 424
43.4 Rückstoß durch Quantenemission. MÖSSBAUER-Effekt. 426
43.5 Die Wellennatur der Teilchen. 428
43.6 Das HEiSENBERGsche Unbestimmtheitsprinzip (Unschärferelation) . 431
44 Atombau und Spektren . 433
44.1 Die Streuexperimente von Lenard und Rutherford. Das RuTHERFORDsche
Atommodell. 433
44.2 Das Spektrum des Wasserstoffatoms. 435
44.3 Das BOHRsche Atommodell. 437
44.4 Die Spektren der Alkaliatome. Bahndrehimpulsquantenzahl. 441
44.5 Richtungsquantelung des Bahndrehimpulses der Elektronen. 443
44.6 Das magnetische Bahnmoment der Elektronen. BOHRsches
Magneton
. 444
44.7 Elektronenspin und magnetisches Spinmoment. Die Feinstruktur der Atomspektren . 445
44.8 Mehrelektronensysteme. 447
44.9 Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld (ZEEMAN-Effekt). 448
44.10 Das PAULI-Prinzip und das Periodensystem der Elemente. 450
44.11 Die Röntgenspektren und ihre Deutung. 453
44.12 Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen . 455
44.13 Induzierte Emission. Maser und Laser. 459
45 Wellenmechanik. 461
45.1 Die SCHRÖDINGER-Gleichung. 461
45.2 Elektron im Kastenpotential. 463
45.3 Das wellenmechanische Bild des Atoms. 465
45.4 Der Tunneleffekt. 466
14 Inhaltsverzeichnis
46 Elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern. 468
46.1 Elektrische Leitfähigkeit. Das Modell des Elektronengases. 468
46.2 Bändermodell des Festkörpers. Metalle, Halbleiter, Isolatoren. 469
46.3 Elektrische Ströme in Halbleitern. Eigenleitung, Störstellenleitung. 472
46.4 Der pn-Übergang . 475
46.5 Halbleiterdiode, Transistor. 477
46.6 Magnetische Eigenschaften. Dia- und Paramagnetismus. 479
46.7 Ferromagnetismus,
Antiferro-
und Ferrimagnetismus. 480
46.8 Supraleitung. 483
46.9 Supraflüssigkeit. 485
47 Atomkerne. 486
47.1 Masse, Ladung und Zusammensetzung der Kerne. 486
47.2 Isotope. 487
47.3 Isobare, Isotone, Nuklide, Isomere. 488
47.4 Massendefekt und Bindungsenergie der Kerne. 488
47.5 Stabilitätskriterien. Kernsystematik. 490
47.6 Kernkräfte. 492
47.7 Kernmodelle. 493
48 Die natürliche Radioaktivität . 494
48.1 Der
α
-Zerfall der schweren Kerne. 494
48.2 Der ß-Zerfall. Gammastrahlung. 495
48.3 Das Zerfallsgesetz. Spezifische Aktivität. 497
48.4 Radioaktive Zerfallsreihen und radioaktives Gleichgewicht. 499
48.5
Dosimetrie
und biologische Wirkung ionisierender Strahlung. 500
49 Künstliche Kernumwandlungen. 502
49.1 Arten künstlicher Kernumwandlungen. 502
49.2 Massen- und Energiebilanz von Kernreaktionen. Wirkungsquerschnitt . 503
49.3 Kernspaltung. Gewinnung von Kernspaltungsenergie. 504
49.4 Arten von Kernreaktoren. 506
49.5 Kernfusion. 507
50 Elementarteilchen . 508
50.1 Entwicklung zum
Teilchen
-,,Ζοο"
. 508
50.2 Erhaltungssätze für Baryonenladung, Leptonenladung, Isospin,
Strangeness
und
Hyperiadung. 509
50.3 Die elementaren Teilchen:
Leptonén
und Quarks . 511
50.4 Zusammengesetzte Elementarteilchen. Hadronen. 513
50.5 Die elementaren Kräfte (Wechselwirkungen). Feldquanten. 513
50.6 Vereinheitlichte Theorie der elementaren Kräfte (Supersymmetrie,
Theory of
Everything)
. 516
50.7 Kosmologie. 517
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