Das vorliegende Buch richtet sich an Naturwissenschaftler mit ein- bis zweisemestriger Physik im Nebenfach sowie an Lehrer in Gymnasien und Fachschulen. Die Autoren sind als hervorragende Hochschullehrer bekannt und mit diesem Buch gelingt es ihnen, dem Leser das intuitive physikalische Denken zu vermitteln. Dies wird durch viele anschauliche Bilder unterstützt. Zu jeder wichtigen mathematischen Formel wird an Hand von Beispielen ihre Anwendung gezeigt und damit auch die Basis, selbst Probleme zu lösen, gegeben. Die Darstellung ist prägnant, trotzdem vermittelt sie dem Leser den heutigen Stand der Physik. Studenten, Lehrer und auch an den Naturwissenschaften Interessierte werden hier einen schnellen und effektiven Zugang zur modernen Physik finden.
/ AUS DEM INHALT: / / /
1 Hors d'Oeuvre 1
1.1 Wissenschaftliche Revolution 1
1.2 Physik im 20. Jahrhundert 3
1.3 Struktur der Materie 4
1.4 Die fundamentalen Wechselwirkungen 6
1.5 Einheiten 8
1.6 Messfehler 9
2 Kinematik 13
2.1 Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung 13
2.2 Addition zweier Geschwindigkeiten 16
2.3 Kreisbewegung 19
3 Dynamik 21
3.1 Masse, Impuls und Impulserhaltung 22
3.2 Kraft 26
3.2.1 Proton im elektrischen Feld 27
3.2.2 Schwere Masse 27
3.3 Drehimpuls und Drehimpulserhaltung 29
3.3.1 Schwerpunkt 32
3.4 Drehmoment 34
3.4.1 Bewegungsgleichung der Rotation 36
3.5 Energie und Arbeit 36
3.6 Mechanik und Sport 38
3.6.1 Stabhochsprung 38
3.6.2 Peitscheneffekt im Sport 40
4 Stoß, Oszillator und Kreisel 43
4.1 Elastischer und inelastischer Stoß 43
4.1.1 Elastischer Frontalstoß 43
4.1.2 Billard-Karambolage 45
4.1.3 Inelastischer Stoß 46
4.2 Federpendel, Harmonischer Oszillator 47
4.2.1 Potential des Harmonischen Oszillators 49
4.3 Quantenmechanischer Harmonischer Oszillator 51
4.4 Klassischer Kreisel 53
4.5 Quantenmechanischer Kreisel 55
5 Gravitation 57
5.1 Sonne-Erde-Mond 60
5.1.1 Erde auf einer Kreisbahn 61
5.1.2 Ortsgebundener Satellit 62
5.1.3 Mondanziehung 63
5.1.4 Gezeiten 64
5.1.5 Erde als Kreisel 66
5.2 Sonnensystem 68
5.3 Milchstraße \ 70
5.3.1 Schwarzes Loch in der Mitte der Milchstraße 71
5.4 Determinismus und Deterministisches Chaos 74
5.4.1 Entstehung des Sonnensystems 75
5.5 Das Licht hat auch eine Masse: E = mc2 76
5.5.1 Schwarzschildradius und Ereignishorizont 81
6 Flüssigkeit und Gas 83
6.1 Druck als Folge der Erdanziehung 83
6.1.1 Wasserdruck 83
6.1.2 Barometrische Höhenformel 85
6.1.3 Archimedisches Prinzip 87
6.2 Strömung nach Bernoulli und Venturi 88
6.2.1 Blutkreislauf 90
6.2.2 Physik des Fliegens 92
6.2.3 Wind-Druck-Abhängigkeit 94
6.3 Kohäsion und Adhäsion 95
7 Kinetische Theorie der Wärme 99
7.1 Ideales Gas 99
7.2 Reales Gas 103
7.3 Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung 104
7.4 Spezifische Molwärme von Gasen 106
7.4.1 Spezifische Molwärme bei konstantem Volumen cy .. 106
7.4.2 Spezifische Molwärme bei konstantem Druck cp 108
7.5 Spezifische Molwärmen kristalliner Substanzen 109
7.6 Spezifische Molwärme von Flüssigkeiten 110
7.7 Phasenübergänge 111
7.8 Wärmemaschinen 113
7.8.1 Wärmepumpe 116
7.9 Diffusion und Osmose 117
7.10 Wärmetransport 121
7.10.1 Wärmeleitung 122
7.10.2 Konvektion 123
7.10.3 Strahlung 123
8 Entropie 125
8.1 Abgeschlossene Systeme 125
8.1.1 Zeitrichtung 131
8.2 Offene Systeme 132
8.2.1 Selbstorganisation 134
9 Mechanische Wellen 137
9.1 Eindimensionale, longitudinale und transversale Wellen 138
9.1.1 Phasengeschwindigkeit 139
9.2 Energie und Impuls der Welle 141
9.3 Reflexion, Transmission und Absorption 142
9.4 Stehende Wellen 143
9.5 Wasserwellen 145
9.6 Interferenz und Beugung der Wasserwellen 146
9.7 Schall 148
9.7.1 Schallwellen im Gas 148
9.7.2 Dopplereffekt 149
9.7.3 Schockwellen 151
9.7.4 Ultraschall 151
9.7.5 Infraschall 153
10 Elektromagnetische Wechselwirkung 157
10.1 Elementarladung 157
10.2 Das magnetische Feld und das magnetische Moment des Elektrons 161
10.3 Elektrische Spannung und elektrischer Strom 163
10.3.1 Elektrischer Strom in Metallen 164
10.3.2 Strom in Lösungen 165
10.3.3 Batterie 167
10.3.4 Widerstand 168
10.3.5 Kondensator 169
10.4 Elektrizität in der Biologie 172
10.4.1 Elektrische Eigenschaften der Zellmembran 174
10.5 Magnetfeld und magnetische Induktion 178
10.5.1 Spule 181
10.5.2 Transformator 182
10.5.3 Elektromagnetischer Schwingkreis 184
10.5.4 Stromgenerator 185
10.5.5 Elektromotor 186
10.6 Maxwellgleichungen 187
10.7 Energietransport 189
11 Elektromagnetische Wellen 191
11.1 Lichtgeschwindigkeit 191
11.2 Relativitätstheorie 195
11.2.1 Es gibt keinen absoluten Raum 195
11.2.2 Es gibt keine absolute Zeit 197
11.2.3 Längenkontraktion 197
11.2.4 Äquivalenz von Masse und Energie 199
11.3 Experimentelle Bestätigung von Dilatation und Kontraktion.. 200
11.4 Strahlungsquellen 202
11.5 Atomspektren 204
11.6 Laser 207
11.7 Röntgenstrahlung 209
11.7.1 Bremsstrahlung 209
11.7.2 Charakteristische Röntgenstrahlung 211
11.7.3 Röntgenspektroskopie 212
11.8 Wärmestrahlung 215
12 Optik 219
12.1 Reflexion und Brechung 219
12.1.1 Regenbogen 221
12.1.2 Sonnenuntergang 222
12.1.3 Totalreflexion 224
12.2 Geometrische Optik 225
12.2.1 Linse 226
12.2.2 Auge 227
12.2.3 Lupe und Mikroskop 228
12.2.4 Spiegelteleskop 229
12.3 Das Sehen 232
13 Quantenmechanik - Die wesentlichen Begriffe 233
13.1 Photon 233
13.1.1 Photoeffekt 233
13.1.2 Comptonstreuung 235
13.1.3 Ist das Photon ein Teilchen oder eine Welle? 236
13.2 Elektron 237
13.2.1 Das Elektron ist ein Teilchen 237
13.2.2 Das Elektron ist eine Welle 238
13.2.3 Elektronenmikroskop 240
13.3 Heisenbergsche Unschärferelation 242
13.4 Das virtuelle Photon 244
13.5 Wellenfunktion 246
13.5.1 Unendliches Kastenpotential 247
13.5.2 Harmonisches Potential 249
13.5.3 Endliches Kastenpotential 249
13.5.4 Tunneln durch eine Potentialbarriere 250
13.6 Strahlungsübergänge 254
13.7 Elektronen sind Fermionen, Photonen sind Bosonen 254
14 Atome 257
14.1 Wasserstoffatom 258
14.2 Die vier Quantenzahlen des Wasserstoffatoms 260
14.3 Periodensystem der Elemente 263
15 Moleküle 267
15.1 Starke chemische Bindung 267
15.1.1 Kovalente Bindung 267
15.1.2 Metallische Bindung 268
15.1.3 Ionische Bindung 269
15.1.4 Geometrie der Moleküle 270
15.1.5 Mikrowelle 272
15.2 Wasserstoffbrückenbindung 273
15.3 Van-der-Waals-Bindung 275
15.4 Bindungscocktails 276
15.4.1 Graphit 276
15.4.2 Faltung 277
16 Kondensierte Materie 279
16.1 Kovalente Kristalle 279
16.2 Ionische Kristalle 283
16.2.1 Piezoelektrizität 284
16.3 Eis 286
16.4 Van-der-Waals-Kristalle 286
16.5 Metalle 287
17 Quarks, Nukleonen und Kerne 291
17.1 Starke Wechselwirkung 294
17.2 Schwache Wechselwirkung 296
17.2.1 /J--Zerfall 296
17.2.2 Quarkspektroskopie 297
17.3 Kernbindungsenergie 297
17.3.1 Stabile Isotope 301
17.4 Fusionsreaktor Sonne 301
17.5 Elementsynthese 305
17.6 Spaltung 307
17.7 Radioaktivität 309
17.7.1 Geothermale Energiequellen 309
17.7.2 Das Alter des Sonnensystems 310
17.7.3 Umweltradioaktivität 312
18 Expandierendes Universum 315
18.1 Kosmische Rotverschiebung und Expansion 315
18.2 Das Big-Bang/Urknall-Modell 318
Mathematisches Werkzeug 323
A. 1 Differentialrechnung 323
A.l.l Ableitung von s nach t 323
A.1.2 Ableitung von e~^f '. 325
A.1.3 Ableitung von sin(tof) und cos(