Physik für Ahnungslose: eine Einstiegshilfe für Studierende
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Stuttgart [u.a.]
Hirzel
2008
|
| Ausgabe: | 3., korr. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XV, 384 S. zahlr. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783777615745 |
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VII
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
V
1 Mechanik
1.1 Grundgrößen und ihre Messung 1
1.2 Die Dichte 2
1.3 Die Kraft 2
1.3.1 Wirkung einer Kraft 2
1.3.2 Vektorgrößen 2
1.3.3 Gewichtskraft 4
1.3.4 Hooke sches Gesetz 5
1.3.5 Kraft und Gegenkraft 5
1.4 Geschwindigkeit/Beschleunigung
б
1.4.1 Geradlinige gleichförmige Bewegung
б
1.4.2 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung 7
1.4.3 Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit 9
1.4.4 Durchschnitts- und Momentanbeschleunigung 9
1.5 KräftegleichgewichtyTrägheitssatz 10
1.6 Reibung/Luftwiderstand 11
1.6.1 Gleitreibungskraft 11
1.6.2 Haftreibungskraft 11
1.6.3 Strömungswiderstand 12
1.7 Das Newton sche Grundgesetz 13
1.8 Der freie Fall 14
1.8.1 Freier Fall ohne Luftwiderstand 14
1.8.2 Fall mit Luftwiderstand 14
1.9 Überlagerung von Bewegungen, Würfe, Bremsbewegungen 15
1.9.1 Überlagerung gleichförmiger Bewegungen 15
1.9.2 Würfe 15
1.9.3 Bremsbewegungen 19
1.10 Einfache Maschinen 20
1.10.1 Stange und Seil 20
1.10.2 Feste Rolle 20
1.10.3 Lose Rolle 21
1.10.4 Kombination einer festen und einer losen („masselosen ) Rolle 21
1.10.5 Der Flaschenzug 22
1.11 Die physikalische Arbeit 23
1.11.1
Speziatile
23
1.12 Leistung 27
1.13 Energie 28
1.13.1 Arten der Energie 28
1.13.2 Verlustfreie Speicherung von, verlustfreie Umsetzung in Arbeit 28
1.13.3 Energieumwandlungen 29
VIII
Inhaltsverzeichnis
1.14
Impuls
32
1.14.1
Impulserhaltungssatz
32
1.14.2
Ballistisches Pendel
34
1.14.3
Unelastischer Stoß
34
1.14.4
Gerader elastischer Stoß
35
1.14.5
Schiefer Stoß gegen ruhende Wand
37
1.14.6
Kraft und Impulsänderung, Kraftstoß
38
1.15
Die Kreisbewegung
40
1.15.1
Zentripetalkraft und Zentripetalbeschleunigung
40
1.15.2
Größe der Zentripetalkraft F2 und der Zentripetal¬
beschleunigung az
41
1.15.3
Begriffe und Größen bei der Kreisbewegung
42
1.15.4
Vertikale Kreisbewegung
44
1.15.5
Arbeit bei der Kreisbewegung
45
1.15.6
Weitere Beispiele zur Kreisbewegung
46
1.16
Himmelsbewegung und Gravitation
48
1.16.1
Geozentrisches Weltsystem
48
1.16.2
Heliozentrisches Weltsystem
49
1.16.3
Keplersche Gesetze
49
1.16.4
Planetenbewegungen
50
1.16.5
Erd- und Sonnenmasse
52
1.16.6
Satelliten auf Kreisbahnen um die Erde
52
1.17
Trägheitskräfte
53
1.17.1
Möglichkeiten zur Beschreibung dynamischer Probleme
54
1.18
Der Stempeldruck in Flüssigkeiten und Gasen
56
1.18.1
Anwendungen des Stempeldrucks
57
1.19
Der hydrostatische Druck (Schweredruck)
58
1.20
Der Auftrieb/Schwimmen, Schweben, Sinken
61
1.20.1
Auftrieb
61
1.20.2
Schwimmen, Schweben, Sinken
63
1.21
Statík
der Gase/Gesetz von Boyle-Mariotte
64
1.21.1
Statik der Gase
64
1.21.2
Gesetz von Boyle-Mariotte
66
1.22
Mechanische Schwingbewegungen
67
1.22.1
Schwingbewegung
67
1.22.2
Schwingungsfrequenz
68
1.22.3
Beispiel für eine kompliziertere Anfangsbedingung
69
1.22.4
Energie der mechanischen Horizontalschwingung
70
1.22.5
Die vertikale Federschwingung
70
1.22.6
Die U-Rohr-Schwingung
72
1.22.7
Das Fadenpendel
72
1.23
Gedämpfte Schwingungen/Erzwungene Schwingungen der
Mechanik
75
1.23.1
Gedämpfte Schwingungen
75
1.23.2
Erzwungene Schwingungen
76
1.24
Überlagerung von Schwingungen
79
Inhaltsverzeichnis
IX
1.24.1
Zahlenbeispiele/Bewegungstypen bei der Überlagerung von
Horizontal- und Vertikalschwingung
80
1.24.2
Eindimensionale Überlagerung
83
1.25
Mechanische Querwellen (eindimensional)
85
1.25.1
Transversal- und Longitudinalwellen
85
1.25.2
Reflexion der Transversalstörungen
87
1.25.3
Die sinusförmige Querwelle
88
1.26
Überlagerung von Wellen
92
1.26.1
Überlagerung einer Welle mit ihrer „Reflexion - Ausbildung
stehender Wellen
94
1.26.2
Stehende Wellen in Trägern
95
1.26.3
Saitenschwingungen
96
1.27
Längswellen (Eindimensional)
99
1.27.1
Ausbreitung von Überdruck- und Unterdruckstörung
99
1.27.2
Reflexion von Längswellen
101
1.27.3
Reflexion einer sinusförmigen Längswelle am festen Ende/
losen Ende
102
1.28
Zweidimensionale Wellenfelder (mechanischer Wellen)
103
1.28.1
Erklärung der Reflexion
105
1.28.2
Erklärung der Brechung
106
2
Wärmelehre
2.1
Die Temperatur und ihre Messung
108
2.2
Längsausdehnung fester Körper beim Erwärmen
110
2.3
Die Volumenausdehnung von Flüssigkeiten/Anomalie des
Wassers
111
2.3.1
Anomalie des Wassers
111
2.4
Die Volumenausdehnung der Gase/Kelvinskala
112
2.5
Temperatur und Teüchenbild/Wärme
114
2.5.1
Aufbau der Körper im Teilchenbild
114
2.5.2
Mechanische Arbeit und Wärme
116
2.6
Wärmemenge und spezifische Wärmekapazität
118
2.7
Mischungsversuche
119
2.8
Erscheinungsformen der Stoffe/Schmelz- und Verdampfungswärme
120
2.8.1
Aggregatzustände
120
2.8.2
Schmelzwärme
120
2.8.3
Verdampfungswärme
121
2.9
Ergänzungen: Verdunsten, Siedepunktserniedrigung
123
2.9.1
Verdunstung
123
2.9.2
Siedepunktemiedrigung
123
2.10
Wärmetransport
124
2.10.1
Wärmeko
η
vektion
124
2.10.2
Wärmeleitung
125
2.10.3
Wärmestrahlung
125
2.11
Das allgemeine Gasgesetz
125
2.11.1
Erstfassung des Gasgesetzes
125
2.11.2
Avogadro- oder Loschmidt-Zahl, Endfassung des Gasgesetzes
127
χ
Inhaltsverzeichnis
2.12
Kinetische
Gastheorie
128
2.12.1
Zusammenhang zwischen Druck und Geschwindigkeit
128
2.12.2
Zusammenhang zwischen Temperatur und Geschwindigkeit
130
2.12.3
Innere Energie
130
2.13
Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre
131
2.14
Carnotprozess, 2. Hauptsatz, Wirkungsgrad bei Wärmemaschinen
131
2.14.1
Der Carnotprozess
131
2.14.2
Wirkungsgrad von Wärmemaschinen
133
2.14.3
Einige Erfahrungstatsachen
133
2.14.4
Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre
134
2.14.5
Wärmemaschinen
135
2.15
Strahlungsgesetze
136
3
Akustik
3.1
Grundtatsachen
138
3.1.1
Amplitude und Frequenz
138
3.1.2
Die Lochsirene
139
3.1.3
Ausbreitung von Schall
140
3.2
Schall als Längswelle
141
3.2.1
Versuche mit Schallwellen
141
3.3
Der Doppler-Effekt: Erreger oder Beobachter einer Welle
bewegen sich
145
3.3.1
Erreger bewegt, Beobachter in Ruhe
145
3.3.2
Erreger fest, Beobachter bewegt
148
4
Optik
4.1
Grundbegriffe
152
4.1.1
Punktförmige Lichtquelle, Lichtstrahl
152
4.1.2
Das optische Bild
152
4.2
Schatten
154
4.2.1
Kernschatten und Halbschatten
154
4.2.2
Die Entstehung der Mondphasen
154
4.2.3
Mond- und Sonnenfinsternisse
155
4.3
Die Reflexion des Lichts
156
4.3.1
Reflexionsgesetz
156
4.3.2
Das Spiegelbild
157
4.4
Die Brechung des Lichts
159
4.4.1
Brechungsgesetz
159
4.4.2
Anwendungen des Brechungsgesetzes
161
4.4.3
Totalreflexion
162
4.4.4
Strahlengang des Lichts im Prisma
163
4.5
Die Sammellinse
164
4.5.1
Strahlengang bei der Sammellinse
164
4.5.2
Abbildung durch Sammellinsen
166
4.6
Das menschliche Auge
169
4.6.1
Veränderung der Brennweite
169
4.6.2
Auqenfehler
170
Inhaltsverzeichnis
XI
4.7
Der Fotoapparat
171
4.8
Farbiges Licht, Körperfarben
172
4.8.1
Spektralfarben
172
4.8.2
Entstehung des Regenbogens
173
4.8.3
Linienspektrum und kontinuierliches Spektrum
173
4.8.4
Farbaddition
173
4.8.5
Farbsubtraktion
175
4.8.6
Körperfarben
175
4.9
Newton sches Teilmodell, Huygens sches Wellenmodell für Licht
176
4.9.1
Korpuskelmodell des Lichts
176
4.9.2
Huygens sches Wellenmodell
177
4.10
Messung der Lichtgeschwindigkeit
177
4.10.1
Astronomische Methode nach Olaf Rönner (1675)
177
4.10.2
Terrestrische Methode nach Fizeau (1849) - Zahnradmethode
178
4.10.3
Drehspiegelmethode nach
Foucault
179
4.10.4
Ergebnisse der Lichtgeschwindigkeitsmessung
179
4.11
Die Interferenz des Lichts
179
4.11.1
Bestätigungsversuch nach Wiener
179
4.11.2
Interferenzversuch von Fresnel
180
4.11.3
Interferenz an dünnen Schichten
180
4.12
Die Beugung des Lichts
184
4.12.1
Beugung an verschiedenen kleinen Objekten
184
4.12.2
Beugung am Spalt
185
4.12.3
Beugung am Gitter
187
4.12.4
Überlagerung von Gitter- und Spaltinterferenz
191
4.13
Die Polarisation des Lichts
192
4.13.1
Licht als Querwelle
192
4.13.2
Brewsteťsches
Gesetz
192
5
Elektrizitätslehre und Magnetismus
5.1
Einfache Grundaussagen des Magnetismus
194
5.1.1
Magnetische Pole
194
5.1.2
Elementarmagnete
194
5.1.3
Magnetische Influenz
195
5.1.4
Das magnetische Feld
195
5.1.5
Das Erdmagnetfeld
197
5.2
Elektrizitätslehre - Grundbegriffe, Grundaussagen
198
5.2.1
Stromkreis
198
5.2.2
Leiter und Nichtleiter
199
5.2.3
Wirkungen des Stroms
200
5.2.4
Ergänzungen
201
5.3
Ladung und Stromstärke
202
5.3.1
Elektrische Ladung
202
5.3.2
Definition der Ladungseinheit
203
5.3.3
Definition der elektrischen Stromstärke
203
5.3.4
Eigenschaften der Ladung
204
5.4
Elektronen, Atombau, Ionen
205
XII Inhaltsverzeichnis
5.4.1 Versuch von Edison 205
5.4.2 Atombau 206
5.4.3 Stromleitung in Metalten 207
5.4.4 Erklärung verschiedener elektrischer Erscheinungen
im Elektronenbild 208
5.4.5 Stromleitung in Flüssigkeiten (Elektrolyse) 209
5.5 Geräte zur Messung der Stromstärke 210
5.5.1
Hitzedrahtampèremeter
210
5.5.2
Drehspulampèremeter
210
5.5.3 Mittelwert bei der Stromanzeige 211
5.6 Die elektrische Spannung 211
5.6.1 Definition der Spannung 211
5.6.2 Reihenschaltung (Hintereinanderschaltung) von Stromquellen 213
5.6.3 Elektrisches Potenzial 214
5.7 Das Ohm sche Gesetz/Elektrischer Widerstand 214
5.8 Widerstand eines Drahts 215
5.8.1 Widerstandsformel für einen Draht 215
5.8.2 Schiebewiderstand 216
5.9 Stromstärke, Ladung, Spannung, Arbeit, Leistung im Stromkreis 217
5.10 Parallelschaltung und Reihenschaltung von Widerständen 218
5.10.1 Kirchhoffsches Gesetz 218
5.10.2 Reihenschaltung von Widerständen 219
5.10.3 Anwendung von Reihenschaltung 220
5.10.4 Parallelschaltung von Widerständen 221
5.11 Messbereichserweiterung beim Strom- und Spannungsmesser 223
5.11.1 Strommesser 223
5.11.2 Spannungsmesser 224
5.12 Fernsehröhre 225
5.13 Der Elektromotor 226
5.14 Die Lorentzkraft (qualitativ) 227
5.15 Elektromagnetische Induktion - 1. Teil: Einfache Aussagen
(qualitativ) 229
5.15.1 Generatorprinzip 229
5.15.2 Induktion von Wechselspannung bei einer sich im Magnetfeld
drehenden Leiterschleife 230
5.15.3 Induktion von Spannung durch Magnetfetdänderung 231
5.16 Röhrendiode und Röhrentriode 231
5.16.1
ид-Ід
-Kennlinien
der Röhrendiode 231
5.16.2 Diode als Gleichrichter 232
5.16.3 Röhrentriode 233
5.16.4 Anwendung: Triode als Verstärker 233
5.17 Halbleiter, Halbleiterdiode, Transistor 234
5.17.1 Undotierte Halbleiter 234
5.17.2 Dotierte Halbleiter 236
5.17.3 Der p/n-Übergang 236
5.17.4 Halbleiterdiode als Gleichrichter 237
5.17.5 Gleichrichterschattung mit vier Dioden und Foto-Diode 238
Inhaltsverzeichnis XIII
5.17.6 Der Transistor 239
5.18 Das elektrische Feld, elektrische Feldstärke 241
5.18.1 Elektrische Felder, Feldlinien 241
5.18.2 Elektrische Feldstärke 243
5.19 Elektrische Feldstärke und Spannung 245
5.20 Ladungsdichte und Kapazität 246
5.20.1 Flächenladungsdichte und Feldkonstante 246
5.20.2 Kapazität 248
5.20.3 Dielektrizitätszahl 248
5.20.4 Polarisation der Atome 249
5.20.5 Ergänzungen 249
5.20.6 Größenfaktoren 252
5.21 Schaltung von Kondensatoren 252
5.21.1 Parallelschaltung von Kondensatoren 252
5.21.2 Reihenschaltung von Kondensatoren 253
5.21.3 Aufgaben 253
5.21.4 Kondensator mit Dielektrikum und Luftschlitz 254
5.22 Die Energie des elektrischen Feldes 255
5.22.1 Energie des geladenen Kondensators 255
5.22.2 Räumliche Energiedichte 255
5.23 Radialfeld einer punktförmigen Ladung, Coulomb-Gesetz 256
5.24 Die magnetische FLussdichte 261
5.24.1 Definition der Flussdichte 262
5.24.2 Magnetische Flussdichte
В
in einer lang gestreckten Spule 264
5.25 Lorentzkraft auf ein Elektron (quantitativ), Hall-Effekt 266
5.25.1 Eine Formel für die Stromstärke im Leiter 266
5.25.2 Lorentzkraft auf ein Elektron 267
5.25.3 Der Hall-Effekt 267
5.26 Geladene Teilchen in elektrischen Feldern, Mi
Ui kan
versuch 268
5.26.1 Elektronenvolt 268
5.26.2 Parabelbahnen bei Teilchen im Kondensatorfeld 269
5.26.3 Bremsbewegung 269
5.26.4 Milikanversuch - Bestimmung der Elementarladung
e
270
5.27 Teilchen in magnetischen und elektrischen Feldern 270
5.27.1 Teilchen in magnetischen Feldern 270
5.27.2
Е
-Feld und B-Feld senkrecht zueinander 272
5.27.3 Teilchenbeschleuniger 273
5.28 Ladungsträger in Gasen 276
5.29 Elektromagnetische Induktion - 2. Teil (quantitativ) 278
5.29.1 Wirbelströme 282
5.29.2 Versuch: „AluringYSpulenmagnet 283
5.29.3 Aufgaben 284
5.30 Selbstinduktion bei Spulen 285
5.30.1 Größe der induzierten Spannung der Spule im Falle der
Selbstinduktion 286
5.30.2 Quantitative Betrachtung des Ein- und Ausschaltvorgangs 287
5.30.3 Energie des Magnetfeldes 288
XIV
Inhaltsverzeichnis
5.31
Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung im Generator
290
5.32
Effektivwette von Strom und Spannung bei Wechselstrom
291
5.33
Ohm scher Widerstand, Spule und Kondensator im
Wechselstromkreis
293
5.33.1
Induktiver Widerstand
293
5.33.2
Kapazitiver Widerstand
295
5.33.3
Zeigerdiagramm
296
5.33.4
Reihenschaltung von Ohm schem Widerstand R, Spule mit
Induktivität
L
und Kondensator mit Kapazität
С
im
Wechselstromkreis (Siebkette)
297
5.33.5
Abhängigkeit der Größen Ieff und
б
von der Frequenz f,
wenn
R, L, C
und Ueff fest vorgegeben sind
299
5.33.6
Sperrkreis
301
5.33.7
Aufgabe
302
5.34
Der Schwingkreis
303
5.34.1
Ungedämpfter Schwingkreis
303
5.34.2
Gedämpfter Schwingkreis
306
5.34.3
Aufhebung der Dämpfung durch Rückkopplung
(Meißner-Schaltung)
306
5.34.4
Erzwungene elektromagnetische Schwingungen
307
5.35
Der Transformator (Trafo)
309
5.35.1
Hoch- und Niederspannungstrafo
309
5.35.2
Belasteter und unbelasteter Trafo
309
5.36
Drehstrom
311
5.36.1
Prinzip der drei Phasen
311
5.36.2
Erzeugung von Drehstrom
312
5.37
Elektromagnetische Wellen
313
5.37.1
Hertz^cher
Dipol
313
5.37.2
Elektromagnetische Wellen im Raum
314
5.37.3
Maxwells
Überlegungen
315
5.37.4
Ergänzungen
317
5.38
„Lichteigenschaften elektromagnetischer Wellen
318
5.39
Licht als elektromagnetische Welle
320
5.39.1
Faraday-Effekt und Kerr-Effekt
320
5.39.2
Entspricht die Modell-Lichtwelle der elektrischen oder der
magnetischen Teilwelle?
321
5.40
Nicht sichtbare Spektralbereiche im elektromagnetischen
Spektrum/Überblick
323
5.40.1
„Infrarotlicht , „Ultraviolettlicht
323
5.40.2
Röntgenstrahlen
323
5.40.3
γ
-Strahlung
323
5.40.4
Überblick über das elektromagnetische Spektrum
324
6 Atomphysik und Quantenphysik
6.1 Kernphysik 325
6.1.1 Kernaufbau 325
6.1-2 Radioaktivität 325
Inhaltsverzeichnis
XV
6.1.3 Wie wird die unsichtbare Strahlung nachgewiesen? 326
6.1.4 Was passiert beim radioaktiven Zerfall eines Atomkerns? 328
6.1.5 Kernreaktionen 328
6.1.6 Kernspaltung (Otto Hahn, 1938) 329
6.1.7 Kernfusion 329
6.2 Kristalluntersuchungen mit Röntgenstrahlen 330
6.2.1 Bragg sche Reflexionsbedingung 330
6.2.2 Drehkristallmethode 331
6.2.3 Debye-Scherrer-Methode (Pulvermethode) 332
6.3 Der Fotoeffekt 333
6.3.1 Lichtquanten und Planck sches Wirkungsquantum 333
6.3.2 Fotostrom 335
6.4 Einige Aussagen der speziellen Relativitätstheorie, Comptoneffekt 337
6.4.1 Massenzunahme und relativistische Energie 337
6.4.2 Photonenmasse, Photonenimpuls 339
6.4.3 Comptoneffekt 340
6.5 Materiewellen 342
6.5.1 Wellencharakter von Elektronen 342
6.5.2 Bedeutung der Welle bei Materieteilchen 342
6.5.3 Frequenz und Wellengeschwindigkeit bei Materiewellen 343
6.5.4 Elektronen am Doppelspalt 344
6.5.5 Elektronen am Einzelspalt 344
6.6 Entwicklung des Atommodells, Erklärung der Balmerserie 346
6.6.1
Bohťsche
Postulate
346
6.6.2 Halbklassische Berechnung des Wasserstoffspektrums 346
6.6.3 Strahlungsserien 348
6.7 Der eindimensionale Potentialtopf - Quantengesetz des
eingesperrten Elektrons 349
6.8 Der Franck-Hertz-Versuch, Umkehrung der Na-Linie 352
6.8.1 Franck-Hertz-Versuch 352
6.8.2 Umkehrung der Na-Linie 354
6.8.3
Fraunhofeťsche
Linien 354
6.9 Röntgenstrahlung 355
6.9.1 Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung 355
6.9.2 Deutung der kontinuierlichen Röntgenstrahlung 356
6.9.3 Deutung der charakteristischen Röntgenstrahlung 356
6.10 Quantenmechanische Behandlung physikalischer Probleme mit
der Schrödingergleichung 359
6.10.1 Zeitabhängige und zeitunabhängige Schrödingerglekhung 359
6.10.2 Teilchen im eindimensionalen Potenzialtopf 361
6.10.3 Das Wasserstoffproblem 361
6.10.4 Der harmonische Oszillator - „Teilchen, das an einer Feder hängt 363
Anhang
I:
Physikalische Konstanten 368
Anhang
II:
Literatur 369
Stichwortverzeichnis 370
|
| adam_txt |
_
VII
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
V
1 Mechanik
1.1 Grundgrößen und ihre Messung 1
1.2 Die Dichte 2
1.3 Die Kraft 2
1.3.1 Wirkung einer Kraft 2
1.3.2 Vektorgrößen 2
1.3.3 Gewichtskraft 4
1.3.4 Hooke'sches Gesetz 5
1.3.5 Kraft und Gegenkraft 5
1.4 Geschwindigkeit/Beschleunigung
б
1.4.1 Geradlinige gleichförmige Bewegung
б
1.4.2 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung 7
1.4.3 Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit 9
1.4.4 Durchschnitts- und Momentanbeschleunigung 9
1.5 KräftegleichgewichtyTrägheitssatz 10
1.6 Reibung/Luftwiderstand 11
1.6.1 Gleitreibungskraft 11
1.6.2 Haftreibungskraft 11
1.6.3 Strömungswiderstand 12
1.7 Das Newton'sche Grundgesetz 13
1.8 Der freie Fall 14
1.8.1 Freier Fall ohne Luftwiderstand 14
1.8.2 Fall mit Luftwiderstand 14
1.9 Überlagerung von Bewegungen, Würfe, Bremsbewegungen 15
1.9.1 Überlagerung gleichförmiger Bewegungen 15
1.9.2 Würfe 15
1.9.3 Bremsbewegungen 19
1.10 Einfache Maschinen 20
1.10.1 Stange und Seil 20
1.10.2 Feste Rolle 20
1.10.3 Lose Rolle 21
1.10.4 Kombination einer festen und einer losen („masselosen") Rolle 21
1.10.5 Der Flaschenzug 22
1.11 Die physikalische Arbeit 23
1.11.1
Speziatile
23
1.12 Leistung 27
1.13 Energie 28
1.13.1 Arten der Energie 28
1.13.2 Verlustfreie Speicherung von, verlustfreie Umsetzung in Arbeit 28
1.13.3 Energieumwandlungen 29
VIII
Inhaltsverzeichnis
1.14
Impuls
32
1.14.1
Impulserhaltungssatz
32
1.14.2
Ballistisches Pendel
34
1.14.3
Unelastischer Stoß
34
1.14.4
Gerader elastischer Stoß
35
1.14.5
Schiefer Stoß gegen ruhende Wand
37
1.14.6
Kraft und Impulsänderung, Kraftstoß
38
1.15
Die Kreisbewegung
40
1.15.1
Zentripetalkraft und Zentripetalbeschleunigung
40
1.15.2
Größe der Zentripetalkraft F2 und der Zentripetal¬
beschleunigung az
41
1.15.3
Begriffe und Größen bei der Kreisbewegung
42
1.15.4
Vertikale Kreisbewegung
44
1.15.5
Arbeit bei der Kreisbewegung
45
1.15.6
Weitere Beispiele zur Kreisbewegung
46
1.16
Himmelsbewegung und Gravitation
48
1.16.1
Geozentrisches Weltsystem
48
1.16.2
Heliozentrisches Weltsystem
49
1.16.3
Keplersche Gesetze
49
1.16.4
Planetenbewegungen
50
1.16.5
Erd- und Sonnenmasse
52
1.16.6
Satelliten auf Kreisbahnen um die Erde
52
1.17
Trägheitskräfte
53
1.17.1
Möglichkeiten zur Beschreibung dynamischer Probleme
54
1.18
Der Stempeldruck in Flüssigkeiten und Gasen
56
1.18.1
Anwendungen des Stempeldrucks
57
1.19
Der hydrostatische Druck (Schweredruck)
58
1.20
Der Auftrieb/Schwimmen, Schweben, Sinken
61
1.20.1
Auftrieb
61
1.20.2
Schwimmen, Schweben, Sinken
63
1.21
Statík
der Gase/Gesetz von Boyle-Mariotte
64
1.21.1
Statik der Gase
64
1.21.2
Gesetz von Boyle-Mariotte
66
1.22
Mechanische Schwingbewegungen
67
1.22.1
Schwingbewegung
67
1.22.2
Schwingungsfrequenz
68
1.22.3
Beispiel für eine kompliziertere Anfangsbedingung
69
1.22.4
Energie der mechanischen Horizontalschwingung
70
1.22.5
Die vertikale Federschwingung
70
1.22.6
Die U-Rohr-Schwingung
72
1.22.7
Das Fadenpendel
72
1.23
Gedämpfte Schwingungen/Erzwungene Schwingungen der
Mechanik
75
1.23.1
Gedämpfte Schwingungen
75
1.23.2
Erzwungene Schwingungen
76
1.24
Überlagerung von Schwingungen
79
Inhaltsverzeichnis
IX
1.24.1
Zahlenbeispiele/Bewegungstypen bei der Überlagerung von
Horizontal- und Vertikalschwingung
80
1.24.2
Eindimensionale Überlagerung
83
1.25
Mechanische Querwellen (eindimensional)
85
1.25.1
Transversal- und Longitudinalwellen
85
1.25.2
Reflexion der Transversalstörungen
87
1.25.3
Die sinusförmige Querwelle
88
1.26
Überlagerung von Wellen
92
1.26.1
Überlagerung einer Welle mit ihrer „Reflexion" - Ausbildung
stehender Wellen
94
1.26.2
Stehende Wellen in Trägern
95
1.26.3
Saitenschwingungen
96
1.27
Längswellen (Eindimensional)
99
1.27.1
Ausbreitung von Überdruck- und Unterdruckstörung
99
1.27.2
Reflexion von Längswellen
101
1.27.3
Reflexion einer sinusförmigen Längswelle am festen Ende/
losen Ende
102
1.28
Zweidimensionale Wellenfelder (mechanischer Wellen)
103
1.28.1
Erklärung der Reflexion
105
1.28.2
Erklärung der Brechung
106
2
Wärmelehre
2.1
Die Temperatur und ihre Messung
108
2.2
Längsausdehnung fester Körper beim Erwärmen
110
2.3
Die Volumenausdehnung von Flüssigkeiten/Anomalie des
Wassers
111
2.3.1
Anomalie des Wassers
111
2.4
Die Volumenausdehnung der Gase/Kelvinskala
112
2.5
Temperatur und Teüchenbild/Wärme
114
2.5.1
Aufbau der Körper im Teilchenbild
114
2.5.2
Mechanische Arbeit und Wärme
116
2.6
Wärmemenge und spezifische Wärmekapazität
118
2.7
Mischungsversuche
119
2.8
Erscheinungsformen der Stoffe/Schmelz- und Verdampfungswärme
120
2.8.1
Aggregatzustände
120
2.8.2
Schmelzwärme
120
2.8.3
Verdampfungswärme
121
2.9
Ergänzungen: Verdunsten, Siedepunktserniedrigung
123
2.9.1
Verdunstung
123
2.9.2
Siedepunktemiedrigung
123
2.10
Wärmetransport
124
2.10.1
Wärmeko
η
vektion
124
2.10.2
Wärmeleitung
125
2.10.3
Wärmestrahlung
125
2.11
Das allgemeine Gasgesetz
125
2.11.1
Erstfassung des Gasgesetzes
125
2.11.2
Avogadro- oder Loschmidt-Zahl, Endfassung des Gasgesetzes
127
χ
Inhaltsverzeichnis
2.12
Kinetische
Gastheorie
128
2.12.1
Zusammenhang zwischen Druck und Geschwindigkeit
128
2.12.2
Zusammenhang zwischen Temperatur und Geschwindigkeit
130
2.12.3
Innere Energie
130
2.13
Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre
131
2.14
Carnotprozess, 2. Hauptsatz, Wirkungsgrad bei Wärmemaschinen
131
2.14.1
Der Carnotprozess
131
2.14.2
Wirkungsgrad von Wärmemaschinen
133
2.14.3
Einige Erfahrungstatsachen
133
2.14.4
Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre
134
2.14.5
Wärmemaschinen
135
2.15
Strahlungsgesetze
136
3
Akustik
3.1
Grundtatsachen
138
3.1.1
Amplitude und Frequenz
138
3.1.2
Die Lochsirene
139
3.1.3
Ausbreitung von Schall
140
3.2
Schall als Längswelle
141
3.2.1
Versuche mit Schallwellen
141
3.3
Der Doppler-Effekt: Erreger oder Beobachter einer Welle
bewegen sich
145
3.3.1
Erreger bewegt, Beobachter in Ruhe
145
3.3.2
Erreger fest, Beobachter bewegt
148
4
Optik
4.1
Grundbegriffe
152
4.1.1
Punktförmige Lichtquelle, Lichtstrahl
152
4.1.2
Das optische Bild
152
4.2
Schatten
154
4.2.1
Kernschatten und Halbschatten
154
4.2.2
Die Entstehung der Mondphasen
154
4.2.3
Mond- und Sonnenfinsternisse
155
4.3
Die Reflexion des Lichts
156
4.3.1
Reflexionsgesetz
156
4.3.2
Das Spiegelbild
157
4.4
Die Brechung des Lichts
159
4.4.1
Brechungsgesetz
159
4.4.2
Anwendungen des Brechungsgesetzes
161
4.4.3
Totalreflexion
162
4.4.4
Strahlengang des Lichts im Prisma
163
4.5
Die Sammellinse
164
4.5.1
Strahlengang bei der Sammellinse
164
4.5.2
Abbildung durch Sammellinsen
166
4.6
Das menschliche Auge
169
4.6.1
Veränderung der Brennweite
169
4.6.2
Auqenfehler
170
Inhaltsverzeichnis
XI
4.7
Der Fotoapparat
171
4.8
Farbiges Licht, Körperfarben
172
4.8.1
Spektralfarben
172
4.8.2
Entstehung des Regenbogens
173
4.8.3
Linienspektrum und kontinuierliches Spektrum
173
4.8.4
Farbaddition
173
4.8.5
Farbsubtraktion
175
4.8.6
Körperfarben
175
4.9
Newton'sches Teilmodell, Huygens'sches Wellenmodell für Licht
176
4.9.1
Korpuskelmodell des Lichts
176
4.9.2
Huygens'sches Wellenmodell
177
4.10
Messung der Lichtgeschwindigkeit
177
4.10.1
Astronomische Methode nach Olaf Rönner (1675)
177
4.10.2
Terrestrische Methode nach Fizeau (1849) - Zahnradmethode
178
4.10.3
Drehspiegelmethode nach
Foucault
179
4.10.4
Ergebnisse der Lichtgeschwindigkeitsmessung
179
4.11
Die Interferenz des Lichts
179
4.11.1
Bestätigungsversuch nach Wiener
179
4.11.2
Interferenzversuch von Fresnel
180
4.11.3
Interferenz an dünnen Schichten
180
4.12
Die Beugung des Lichts
184
4.12.1
Beugung an verschiedenen kleinen Objekten
184
4.12.2
Beugung am Spalt
185
4.12.3
Beugung am Gitter
187
4.12.4
Überlagerung von Gitter- und Spaltinterferenz
191
4.13
Die Polarisation des Lichts
192
4.13.1
Licht als Querwelle
192
4.13.2
Brewsteťsches
Gesetz
192
5
Elektrizitätslehre und Magnetismus
5.1
Einfache Grundaussagen des Magnetismus
194
5.1.1
Magnetische Pole
194
5.1.2
Elementarmagnete
194
5.1.3
Magnetische Influenz
195
5.1.4
Das magnetische Feld
195
5.1.5
Das Erdmagnetfeld
197
5.2
Elektrizitätslehre - Grundbegriffe, Grundaussagen
198
5.2.1
Stromkreis
198
5.2.2
Leiter und Nichtleiter
199
5.2.3
Wirkungen des Stroms
200
5.2.4
Ergänzungen
201
5.3
Ladung und Stromstärke
202
5.3.1
Elektrische Ladung
202
5.3.2
Definition der Ladungseinheit
203
5.3.3
Definition der elektrischen Stromstärke
203
5.3.4
Eigenschaften der Ladung
204
5.4
Elektronen, Atombau, Ionen
205
XII Inhaltsverzeichnis
5.4.1 Versuch von Edison 205
5.4.2 Atombau 206
5.4.3 Stromleitung in Metalten 207
5.4.4 Erklärung verschiedener elektrischer Erscheinungen
im Elektronenbild 208
5.4.5 Stromleitung in Flüssigkeiten (Elektrolyse) 209
5.5 Geräte zur Messung der Stromstärke 210
5.5.1
Hitzedrahtampèremeter
210
5.5.2
Drehspulampèremeter
210
5.5.3 Mittelwert bei der Stromanzeige 211
5.6 Die elektrische Spannung 211
5.6.1 Definition der Spannung 211
5.6.2 Reihenschaltung (Hintereinanderschaltung) von Stromquellen 213
5.6.3 Elektrisches Potenzial 214
5.7 Das Ohm'sche Gesetz/Elektrischer Widerstand 214
5.8 Widerstand eines Drahts 215
5.8.1 Widerstandsformel für einen Draht 215
5.8.2 Schiebewiderstand 216
5.9 Stromstärke, Ladung, Spannung, Arbeit, Leistung im Stromkreis 217
5.10 Parallelschaltung und Reihenschaltung von Widerständen 218
5.10.1 Kirchhoffsches Gesetz 218
5.10.2 Reihenschaltung von Widerständen 219
5.10.3 Anwendung von Reihenschaltung 220
5.10.4 Parallelschaltung von Widerständen 221
5.11 Messbereichserweiterung beim Strom- und Spannungsmesser 223
5.11.1 Strommesser 223
5.11.2 Spannungsmesser 224
5.12 Fernsehröhre 225
5.13 Der Elektromotor 226
5.14 Die Lorentzkraft (qualitativ) 227
5.15 Elektromagnetische Induktion - 1. Teil: Einfache Aussagen
(qualitativ) 229
5.15.1 Generatorprinzip 229
5.15.2 Induktion von Wechselspannung bei einer sich im Magnetfeld
drehenden Leiterschleife 230
5.15.3 Induktion von Spannung durch Magnetfetdänderung 231
5.16 Röhrendiode und Röhrentriode 231
5.16.1
ид-Ід
-Kennlinien
der Röhrendiode 231
5.16.2 Diode als Gleichrichter 232
5.16.3 Röhrentriode 233
5.16.4 Anwendung: Triode als Verstärker 233
5.17 Halbleiter, Halbleiterdiode, Transistor 234
5.17.1 Undotierte Halbleiter 234
5.17.2 Dotierte Halbleiter 236
5.17.3 Der p/n-Übergang 236
5.17.4 Halbleiterdiode als Gleichrichter 237
5.17.5 Gleichrichterschattung mit vier Dioden und Foto-Diode 238
Inhaltsverzeichnis XIII
5.17.6 Der Transistor 239
5.18 Das elektrische Feld, elektrische Feldstärke 241
5.18.1 Elektrische Felder, Feldlinien 241
5.18.2 Elektrische Feldstärke 243
5.19 Elektrische Feldstärke und Spannung 245
5.20 Ladungsdichte und Kapazität 246
5.20.1 Flächenladungsdichte und Feldkonstante 246
5.20.2 Kapazität 248
5.20.3 Dielektrizitätszahl 248
5.20.4 Polarisation der Atome 249
5.20.5 Ergänzungen 249
5.20.6 Größenfaktoren 252
5.21 Schaltung von Kondensatoren 252
5.21.1 Parallelschaltung von Kondensatoren 252
5.21.2 Reihenschaltung von Kondensatoren 253
5.21.3 Aufgaben 253
5.21.4 Kondensator mit Dielektrikum und Luftschlitz 254
5.22 Die Energie des elektrischen Feldes 255
5.22.1 Energie des geladenen Kondensators 255
5.22.2 Räumliche Energiedichte 255
5.23 Radialfeld einer punktförmigen Ladung, Coulomb-Gesetz 256
5.24 Die magnetische FLussdichte 261
5.24.1 Definition der Flussdichte 262
5.24.2 Magnetische Flussdichte
В
in einer lang gestreckten Spule 264
5.25 Lorentzkraft auf ein Elektron (quantitativ), Hall-Effekt 266
5.25.1 Eine Formel für die Stromstärke im Leiter 266
5.25.2 Lorentzkraft auf ein Elektron 267
5.25.3 Der Hall-Effekt 267
5.26 Geladene Teilchen in elektrischen Feldern, Mi
Ui kan
versuch 268
5.26.1 Elektronenvolt 268
5.26.2 Parabelbahnen bei Teilchen im Kondensatorfeld 269
5.26.3 Bremsbewegung 269
5.26.4 Milikanversuch - Bestimmung der Elementarladung
e
270
5.27 Teilchen in magnetischen und elektrischen Feldern 270
5.27.1 Teilchen in magnetischen Feldern 270
5.27.2
Е
-Feld und B-Feld senkrecht zueinander 272
5.27.3 Teilchenbeschleuniger 273
5.28 Ladungsträger in Gasen 276
5.29 Elektromagnetische Induktion - 2. Teil (quantitativ) 278
5.29.1 Wirbelströme 282
5.29.2 Versuch: „AluringYSpulenmagnet 283
5.29.3 Aufgaben 284
5.30 Selbstinduktion bei Spulen 285
5.30.1 Größe der induzierten Spannung der Spule im Falle der
Selbstinduktion 286
5.30.2 Quantitative Betrachtung des Ein- und Ausschaltvorgangs 287
5.30.3 Energie des Magnetfeldes 288
XIV
Inhaltsverzeichnis
5.31
Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung im Generator
290
5.32
Effektivwette von Strom und Spannung bei Wechselstrom
291
5.33
Ohm'scher Widerstand, Spule und Kondensator im
Wechselstromkreis
293
5.33.1
Induktiver Widerstand
293
5.33.2
Kapazitiver Widerstand
295
5.33.3
Zeigerdiagramm
296
5.33.4
Reihenschaltung von Ohm'schem Widerstand R, Spule mit
Induktivität
L
und Kondensator mit Kapazität
С
im
Wechselstromkreis (Siebkette)
297
5.33.5
Abhängigkeit der Größen Ieff und
б
von der Frequenz f,
wenn
R, L, C
und Ueff fest vorgegeben sind
299
5.33.6
Sperrkreis
301
5.33.7
Aufgabe
302
5.34
Der Schwingkreis
303
5.34.1
Ungedämpfter Schwingkreis
303
5.34.2
Gedämpfter Schwingkreis
306
5.34.3
Aufhebung der Dämpfung durch Rückkopplung
(Meißner-Schaltung)
306
5.34.4
Erzwungene elektromagnetische Schwingungen
307
5.35
Der Transformator (Trafo)
309
5.35.1
Hoch- und Niederspannungstrafo
309
5.35.2
Belasteter und unbelasteter Trafo
309
5.36
Drehstrom
311
5.36.1
Prinzip der drei Phasen
311
5.36.2
Erzeugung von Drehstrom
312
5.37
Elektromagnetische Wellen
313
5.37.1
Hertz^cher
Dipol
313
5.37.2
Elektromagnetische Wellen im Raum
314
5.37.3
Maxwells
Überlegungen
315
5.37.4
Ergänzungen
317
5.38
„Lichteigenschaften" elektromagnetischer Wellen
318
5.39
Licht als elektromagnetische Welle
320
5.39.1
Faraday-Effekt und Kerr-Effekt
320
5.39.2
Entspricht die Modell-Lichtwelle der elektrischen oder der
magnetischen Teilwelle?
321
5.40
Nicht sichtbare Spektralbereiche im elektromagnetischen
Spektrum/Überblick
323
5.40.1
„Infrarotlicht", „Ultraviolettlicht"
323
5.40.2
Röntgenstrahlen
323
5.40.3
γ
-Strahlung
323
5.40.4
Überblick über das elektromagnetische Spektrum
324
6 Atomphysik und Quantenphysik
6.1 Kernphysik 325
6.1.1 Kernaufbau 325
6.1-2 Radioaktivität 325
Inhaltsverzeichnis
XV
6.1.3 Wie wird die unsichtbare Strahlung nachgewiesen? 326
6.1.4 Was passiert beim radioaktiven Zerfall eines Atomkerns? 328
6.1.5 Kernreaktionen 328
6.1.6 Kernspaltung (Otto Hahn, 1938) 329
6.1.7 Kernfusion 329
6.2 Kristalluntersuchungen mit Röntgenstrahlen 330
6.2.1 Bragg'sche Reflexionsbedingung 330
6.2.2 Drehkristallmethode 331
6.2.3 Debye-Scherrer-Methode (Pulvermethode) 332
6.3 Der Fotoeffekt 333
6.3.1 Lichtquanten und Planck'sches Wirkungsquantum 333
6.3.2 Fotostrom 335
6.4 Einige Aussagen der speziellen Relativitätstheorie, Comptoneffekt 337
6.4.1 Massenzunahme und relativistische Energie 337
6.4.2 Photonenmasse, Photonenimpuls 339
6.4.3 Comptoneffekt 340
6.5 Materiewellen 342
6.5.1 Wellencharakter von Elektronen 342
6.5.2 Bedeutung der Welle bei Materieteilchen 342
6.5.3 Frequenz und Wellengeschwindigkeit bei Materiewellen 343
6.5.4 Elektronen am Doppelspalt 344
6.5.5 Elektronen am Einzelspalt 344
6.6 Entwicklung des Atommodells, Erklärung der Balmerserie 346
6.6.1
Bohťsche
Postulate
346
6.6.2 Halbklassische Berechnung des Wasserstoffspektrums 346
6.6.3 Strahlungsserien 348
6.7 Der eindimensionale Potentialtopf - Quantengesetz des
eingesperrten Elektrons 349
6.8 Der Franck-Hertz-Versuch, Umkehrung der Na-Linie 352
6.8.1 Franck-Hertz-Versuch 352
6.8.2 Umkehrung der Na-Linie 354
6.8.3
Fraunhofeťsche
Linien 354
6.9 Röntgenstrahlung 355
6.9.1 Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung 355
6.9.2 Deutung der kontinuierlichen Röntgenstrahlung 356
6.9.3 Deutung der charakteristischen Röntgenstrahlung 356
6.10 Quantenmechanische Behandlung physikalischer Probleme mit
der Schrödingergleichung 359
6.10.1 Zeitabhängige und zeitunabhängige Schrödingerglekhung 359
6.10.2 Teilchen im eindimensionalen Potenzialtopf 361
6.10.3 Das Wasserstoffproblem 361
6.10.4 Der harmonische Oszillator - „Teilchen, das an einer Feder hängt" 363
Anhang
I:
Physikalische Konstanten 368
Anhang
II:
Literatur 369
Stichwortverzeichnis 370 |
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