Physik für Bachelors: mit ... 92 durchgerechneten Beispielen, 176 Testfragen mit Antworten sowie 93 Übungsaufgaben mit kommentierten Musterlösungen
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München
Fachbuchverl. Leipzig
2013
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7
INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINSTIEG
1.1 MOTIVATION 11
1.2 PHYSIKALISCHE GROESSEN 11
1.3 MASSSYSTEM UND STANDARDS 12
1.4 GROESSENORDNUNGEN 15
1.5 MESSGENAUIGKEIT 16
1.6 VEKTOREN UND KOORDINATEN 18
ZUSAMMENFASSUNG: EINSTIEG 20
TESTFRAGEN UND UEBUNGSAUFGABEN 20
2 MECHANIK
2.1 KINEMATIK 22
2.1.1 EINDIMENSIONALE BEWEGUNGEN . . . . 22
2.1.1.1 GESCHWINDIGKEIT 22
2.1.1.2 BESCHLEUNIGUNG 24
2.1.1.3 BEWEGUNGSGLEICHUNG 24
2.1.1.4 DER FREIE FALL 25
2.1.2 BEWEGUNGEN IN ZWEI UND DREI DIMEN SIONEN 27
2.1.2.1 UEBERLAGERUNG EINDIMENSIONALER BEWEGUNGEN 27
2.1.2.2 BEZUGSSYSTEME UND TRANSFORMATIONEN 28 ZUSAMMENFASSUNG: KINEMATIK
29
2.2 DYNAMIK 30
2.2.1 NEWTONSCHE AXIOME 30
2.2.1.1 TRAEGHEITSGESETZ 30
2.2.1.2 AKTIONSGESETZ 31
2.2.1.3 REAKTIONSGESETZ 31
2.2.2 FOLGERUNGEN AUS DEN NEWTONSCHEN AXIOMEN 31
2.2.2.1 KRAFT UND IMPULS 31
2.2.2.2 ABGESCHLOSSENES SYSTEM UND IMPULS ERHALTUNGSSATZ 32
2.2.3 MECHANISCHE KRAEFTE 33
2.2.3.1 TRAEGHEITSKRAFT 33
2.2.3.2 GEWICHTSKRAFT 33
2.2.3.3 FEDERKRAFT UND HOOKESCHES GESETZ . 35 2.2.3.4 REIBUNGSKRAFT 35
ZUSAMMENFASSUNG: DYNAMIK 36
2.3 ARBEIT, ENERGIE UND LEISTUNG 36
2.3.1 MECHANISCHE ARBEIT 37
2.3.2 POTENZIELLE ENERGIE 37
2.3.3 KINETISCHE ENERGIE 38
2.3.4 ENERGIEERHALTUNGSSATZ DER MECHANIK 38 2.3.5 STOSSGESETZE 39
2.3.6 LEISTUNG UND WIRKUNGSGRAD 40
ZUSAMMENFASSUNG: ARBEIT, ENERGIE UND LEISTUNG 42
2.4 KINEMATIK UND DYNAMIK DER KREISBEWEGUNG 42
2.4.1 GRUNDBEGRIFFE DER KREISBEWEGUNG . . 42 2.4.2 RADIALBESCHLEUNIGUNG
43
2.4.3 RADIALKRAEFTE 45
2.4.4 CORIOUS-BESCHLEUNIGUNG UND -KRAFT 45 ZUSAMMENFASSUNG:
KREISBEWEGUNG 47
2.5 ROTATION STARRER KOERPER 48
2.5.1 DREHMOMENT 48
2.5.2 SCHWERPUNKT, GLEICHGEWICHT UND STATIK 49
2.5.3 TRAEGHEITSMOMENT 50
2.5.4 ROTATIONSENERGIE UND DREHIMPULS . . 52 ZUSAMMENFASSUNG: ROTATION
STARRER KOERPER . . 53
2.6 SCHWINGUNGEN UND WELLEN 54
2.6.1 FREIE UNGEDAEMPFTE SCHWINGUNGEN . . 54 2.6.2 FREIE GEDAEMPFTE
SCHWINGUNGEN . . . 57
2.6.3 ERZWUNGENE SCHWINGUNGEN 57
2.6.4 UEBERLAGERUNG VON SCHWINGUNGEN . . 59 2.6.4.1 RAEUMLICHE
UEBERLAGERUNG 59
2.6.4.2 ZEITLICHE UEBERLAGERUNG 60
2.6.4.3 GEKOPPELTE SCHWINGUNGEN 60
2.6.5 HARMONISCHE WELLEN 61
ZUSAMMENFASSUNG: SCHWINGUNGEN UND WELLEN . 63
2.7 GRAVITATION UND HIMMELSMECHANIK . . 63
2.7.1 KEPLERSCHE GESETZE 63
2.7.2 NEWTONSCHES GRAVITATIONSGESETZ . . 64 2.7.3 GRAVITATIONSFELD 66
2.7.4 ERGEBNISSE DER EINSTEINSCHEN RELATIVITAETSTHEORIEN 67
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IMAGE 2
8
INHALTSVERZEICHNIS
2.7.4.1 SPEZIELLE RELATIVITAETSTHEORIE 67
2.7.4.2 ALLGEMEINE RELATIVITAETSTHEORIE . . . . 70 ZUSAMMENFASSUNG:
GRAVITATION UND HIMMELS MECHANIK 71
2.8 FLUESSIGKEITEN UND GASE 72
2.8.1 DRUCK 72
2.8.1.1 KOLBENDRUCK 72
2.8.1.2 SCHWEREDRUCK 72
2.8.1.3 LUFTDRUCK 73
2.8.1.4 AUFTRIEB 74
2.8.2 OBERFLAECHENSPANNUNG 75
2.8.3 STROEMUNGEN 76
2.8.3.1 REIBUNGSFREIE STROEMUNGEN 76
2.8.3.2 VISKOSE STROEMUNGEN 77
ZUSAMMENFASSUNG: FLUESSIGKEITEN UND GASE . . 79 TESTFRAGEN UND
UEBUNGSAUFGABEN ZUR MECHANIK 80
3 THERMODYNAMIK
3.1 TEMPERATUR 84
3.1.1 SKALEN UND FIXPUNKTE 84
3.1.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG 85
3.1.3 TEMPERATURMESSUNG 87
ZUSAMMENFASSUNG: TEMPERATUR 88
3.2 WAERME 89
3.2.1 WAERMEKAPAZITAET 89
3.2.2 AGGREGATZUSTAENDE 90
3.2.3 WAERMETRANSPORT 93
3.2.3.1 KONVEKTION 94
3.2.3.2 WAERMELEITUNG 94
3.2.3.3 WAERMESTRAHLUNG 96
ZUSAMMENFASSUNG: WAERME 99
3.3 IDEALE GASE 99
3.3.1 MOLARE GROESSEN 99
3.3.2 ZUSTANDSGIEICHUNG 100
3.3.3 KINETISCHE GASTHEORIE 102
3.3.3.1 DRUCK 102
3.3.3.2 TEMPERATUR UND ENERGIE 103
3.3.3.3 MAXWELLSCHE GESCHWINDIGKEITS VERTEILUNG UND BOLTZMANN-FAKTOR .
. 104 ZUSAMMENFASSUNG: IDEALE GASE 105
3.4 ZUSTANDSAENDERUNGEN UND ERSTER HAUPTSATZ 105
3.4.1 VOLUMENAENDERUNGSARBEIT 105
3 . 4 . 2 ERSTER HAUPTSATZ 106
3.4.3 ZUSTANDSAENDERUNGEN 107
3.4.3.1 ISOTHERME ZUSTANDSAENDERUNG . . . . 107
3 . 4 . 3 . 2 ISOCHORE ZUSTANDSAENDERUNG 108
3.4.3.3 ISOBARE ZUSTANDSAENDERUNG 108
3 . 4 . 3 . 4 ADIABATISCHE ZUSTANDSAENDERUNG . . . 109 ZUSAMMENFASSUNG:
ZUSTANDSAENDERUNGEN UND ERSTER HAUPTSATZ 111
3.5 KREISPROZESSE UND ZWEITER HAUPTSATZ . 111
3.5.1 KREISPROZESS VON CARNOT 111
3 . 5 . 2 REVERSIBILITAET UND WIRKUNGSGRAD . . . 113
3 . 5 . 3 KREISPROZESSE BEI MOTOREN 115
3 . 5 . 4 ZWEITER HAUPTSATZ 115
3 . 5 . 5 ENTROPIE 117
ZUSAMMENFASSUNG: KREISPROZESSE UND ZWEITER
HAUPTSATZ 120
TESTFRAGEN UND UEBUNGSAUFGABEN ZUR THERMO DYNAMIK 120
4 ELEKTRIZITAET U N D
MAGNETISMUS
4.1 ELEKTROSTATIK 123
4.1.1 ELEKTRISCHE LADUNGEN UND DIE COULOMB-KRAFT 123
4 . 1 . 2 ELEKTRISCHES FELD 125
4 . 1 . 3 POTENZIAL UND SPANNUNG 127
4 . 1 . 4 KONDENSATOR UND KAPAZITAET 129
4.1.4.1 PLATTENKONDENSATOR 129
4 . 1 . 4 . 2 DIELEKTRIKUM IM KONDENSATOR . . . . 130
4 . 1 . 4 . 3 KONDENSATOR ALS ENERGIESPEICHER . . . 132
ZUSAMMENFASSUNG: ELEKTROSTATIK 133
4.2 STROM UND WIDERSTAND 133
4.2.1 STROMSTAERKE UND STROMDICHTE . . . . 134
4 . 2 . 2 WIDERSTAND 135
4 . 2 . 3 STROMKREISE UND STROMVERZWEI GUNGEN 138
ZUSAMMENFASSUNG: STROM UND WIDERSTAND . . . 141
IMAGE 3
9
INHALTSVERZEICHNIS
4.3 MAGNETFELD 142
4.3.1 MAGNETISCHE PHAENOMENE 142
4.3.2 STROM UND MAGNETFELD 143
4.3.3 MATERIE IM MAGNETFELD 145
4.3.4 STROM UND MAGNETISCHE KRAFT . . . . 147
4.3.5 LORENTZ -KRAFT 148
ZUSAMMENFASSUNG: MAGNETFELD 151
4.4 ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION . . . . 151
4.4.1 INDUKTION DURCH BEWEGUNG 151
4.4.2 INDUKTIONSGESETZ 152
4.4.3 LENZSCHE REGEL 153
4.4.4 SELBSTINDUKTION 154
4.4.5 ENERGIE DES MAGNETFELDES 156
ZUSAMMENFASSUNG: ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION 156
4.5 WECHSELSTROM 157
4.5.1 GENERATOR UND TRANSFORMATOR . . . . 157
4.5.2 WECHSELSTROMWIDERSTAND 159
4.5.3 PHASENBEZIEHUNGEN IM WECHSELSTROM KREIS 160
ZUSAMMENFASSUNG: WECHSELSTROM 162
4.6 ELEKTROMAGNETISCHE SCHWINGUNGEN UND WELLEN 162
4.6.1 SCHWINGKREIS 163
4.6.2 MAXWELLSCHE GLEICHUNGEN 164
4.6.3 ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN 166
4.6.3.1 ABSTRAHLUNG 166
4.6.3.2 AUSBREITUNG 166
4.6.3.3 EIGENSCHAFTEN 168
ZUSAMMENFASSUNG: ELEKTROMAGNETISCHE SCHWINGUNGEN UND WELLEN 170
4.7 GRUNDLAGEN DER ELEKTRONIK 170
4.7.1 ELEKTRONEN IM VAKUUM 170
4.7.1.1 GLUEHELEKTRISCHER EFFEKT 170
4.7.1.2 BESCHLEUNIGUNG IM ELEKTRISCHEN FELD . 171 4.7.1.3 ABLENKUNG IM
MAGNETISCHEN FELD . . 173 4.7.2 ELEKTRONEN IN GASEN 173
4.7.3 LADUNGEN IN FLUESSIGKEITEN 174
4.7.4 ELEKTRONEN IN METALLEN 176
4.7.5 LADUNGSTRAEGER IN HALBLEITERN . . . . 177
4.7.5.1 EIGENLEITUNG 177
4.7.5.2 STOERSTELLENLEITUNG 177
4.7.5.3 PN-UEBERGANG 178
4.7.5.4 HALBLEITERDIODEN 178
4.7.5.5 TRANSISTOREN 179
ZUSAMMENFASSUNG: GRUNDLAGEN DER ELEKTRONIK 180 TESTFRAGEN UND
UEBUNGSAUFGABEN ZU ELEKTRIZITAET UND MAGNETISMUS 181
5 OPTIK
5.1 GRUNDLAGEN DER STRAHLENOPTIK . . . . 185
5.1.1 LICHTAUSBREITUNG 185
5.1.2 REFLEXION 187
5.1.3 BRECHUNG UND TOTALREFLEXION 188
ZUSAMMENFASSUNG: GRUNDLAGEN DER STRAHLEN OPTIK 191
5.2 STRAHLENOPTISCHE ABBILDUNGEN 192
5.2.1 EIGENSCHAFTEN VON LINSEN 192
5.2.2 ABBILDUNGEN MIT LINSEN 193
5.2.3 LINSENSYSTEME UND ABBILDUNGSFEHLER 195 ZUSAMMENFASSUNG:
STRAHLENOPTISCHE ABBILDUNGEN 196
5.3 STRAHLENOPTISCHE INSTRUMENTE 196
5.3.1 KAMERA UND AUGE 196
5.3.2 FERNROHRE 198
5.3.3 MIKROSKOP 200
ZUSAMMENFASSUNG: STRAHLENOPTISCHE INSTRUMENTE 201
5.4 GRUNDLAGEN DER WELLENOPTIK 201
5.4.1 INTERFERENZ UND KOHAERENZ 202
5.4.2 WELLENAUSBREITUNG 204
5.4.3 BEUGUNG 205
ZUSAMMENFASSUNG: GRUNDLAGEN DER WELLENOPTIK 206
5.5 ANWENDUNGEN DER WELLENOPTIK . . . . 207
5.5.1 BEUGUNGSBEGRENZTES AUFLOESUNGS VERMOEGEN 207
5.5.2 BEUGUNGSGITTER 208
5.5.3 HOLOGRAFIE 210
5.5.4 INTERFEROMETRIE 211
ZUSAMMENFASSUNG: ANWENDUNGEN DER WELLENOPTIK 213
IMAGE 4
10
INHALTSVERZEICHNIS
5.6 POLARISATIONSOPTIK 213
5.6.1 GRUNDBEGRIFFE 213
5.6.2 ERZEUGUNG POLARISIERTEN LICHTES . . . 214 5.6.3 ANWENDUNGEN
POLARISIERTEN LICHTES . 216 ZUSAMMENFASSUNG: POLARISATIONSOPTIK 217
TESTFRAGEN UND UEBUNGSAUFGABEN ZUR OPTIK . . . 217
6 QUANTEN UND ATOME
6.1 WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS 220
6.1.1 QUANTENOPTIK 220
6.1.1.1 FOTOEFFEKT 220
6.1.1.2 EIGENSCHAFTEN VON PHOTONEN 223
6.1.1.3 COMPTON -EFFEKT 223
6.1.2 MATERIEWELLEN 224
6.1.3 HEISENBERGSCHE UNSCHAERFERELATION 225 ZUSAMMENFASSUNG:
WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS . 227
6.2 ATOMHUELLE 228
6.2.1 RUTHERFORDSCHES PLANETENMODELL . . 228 6.2.2 BOHRSCHES ATOMMODELL
228
6.2.3 QUANTENZAHLEN UND DAS PAULI -PRINZIP 230 6.2.4 WELLENMODELL UND
QUANTENMECHANIK 232 ZUSAMMENFASSUNG: ATOMHUELLE 236
6.3 QUANTEN-EMISSION UND-ABSORPTION . . 236
6.3.1 ATOMSPEKTREN 236
6.3.2 LASER 239
6.3.2.1 STIMULIERTE EMISSION 239
6.3.2.2 BESETZUNGSUMKEHR 239
6.3.2.3 RESONATOR 240
6.3.2.4 RUBIN-UND HELIUM-NEON-LASER . . . 240 6.3.2.5 EIGENSCHAFTEN UND
ANWENDUNGEN . . 241 6.3.3 ROENTGENSTRAHLUNG 243
6.3.3.1 BREMSSPEKTRUM 243
6.3.3.2 CHARAKTERISTISCHES ROENTGENSPEKTRUM 243 6.3.3.3 ANWENDUNGEN 244.
ZUSAMMENFASSUNG: QUANTEN-EMISSION UND -ABSORPTION 245
6.4 FESTKOERPER 245
6.4.1 BINDUNG UND STRUKTUR 245
6.4.2 BAENDERMODELL 247
6.4.3 FERMI-ENERGIE 247
6.4.4 ELEKTRONEN- UND LOECHERLEITUNG . . . 248 6.4.5
HALBLEITER-BAUELEMENTE 250
ZUSAMMENFASSUNG: FESTKOERPER 251
6.5 ATOMKERN 251
6.5.1 NUKLEONEN 251
6.5.2 MASSE UND MASSENDEFEKT 253
6.5.3 RADIOAKTIVITAET 255
6.5.3.1 STRAHLUNGEN 255
6.5.3.2 KERNUMWANDLUNGEN 256
6.5.3.3 AKTIVITAET UND DOSIS 258
6.5.3.4 STRAHLUNGSNACHWEIS 260
6.5.4 KERNENERGIE 261
6.5.4.1 KERNSPALTUNG 261
6.5.4.2 KERNFUSION 263
ZUSAMMENFASSUNG: ATOMKERN 265
TESTFRAGEN UND UEBUNGSAUFGABEN ZU QUANTEN UND ATOME 266
ANHANG
* ANTWORTEN ZU DEN TESTFRAGEN UND MUSTER LOESUNGEN ZU DEN UEBUNGSAUFGABEN
269
* NUETZLICHE MATHEMATISCHE BEZIEHUNGEN . . . 309 * QUELLEN-UND
LITERATURVERZEICHNIS 312
* VERZEICHNIS DER BILDQUELLEN 314
* SACHWORTVERZEICHNIS 315 |
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