Dieses Lehrbuch der Physik ist speziell für Bachelor-Studiengänge entwickelt worden. Sein erfolgreiches Konzept verbindet die verständliche und anschauliche Darstellung der Grundlagen mit einer klaren Strukturierung des umfangreichen Stoffes, unterstützt von einem übersichtlichen Layout des Textes. Dadurch eignet sich das Buch ebenso für Studierende mit geringen Vorkenntnissen wie für alle, die Physik ohne theoretischen Ballast - also speziell im Nebenfach - verstehen wollen.
Ein neues Lehrbuchkonzept für die neuen Studiengänge:
- bei kompaktem Umfang vollständige Beschreibung der klassischen sowie der modernen Sachgebiete und ihrer Querverbindungen,
- lebendige, an der Anschauung orientierte Darstellung mit vielen durchgerechneten Beispielen im Text,
- zusätzliche Info-Kästen, Hinweise auf typische Missverständnisse und prägnante Zusammenfassungen jedes Abschnitts,
- zweifarbige Zeichnungen sowie aussagekräftige Fotos von Experimenten und technischen Anwendungen,
- "Vernetzung" der Kapitel durch zahlreiche "Links", die Zusammenhänge aufzeigen und das Verständnis vertiefen,
- interessante und grundlegende Übungsaufgaben, die mit vollständigen, kommentierten Musterlösungen das Selbststudium unterstützen.
/ AUS DEM INHALT: / / /
1 EINSTIEG
1.1 Motivation 11
1.2 Physikalische Größen 11
1.3 Maßsystem und Standards 12
1.4 Größenordnungen 15
1.5 Messgenauigkeit 16
1.6 Vektoren und Koordinaten 18
Zusammenfassung: Einstieg 20
Testfragen und Übungsaufgaben 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 Dimensionen 27
2.1.2.1 Überlagerung 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 Trägheitsgesetz 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 Impulserhaltungssatz 32
2.2.3 Mechanische Kräfte 33
2.2.3.1 Trägheitskraft 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 Radialkräfte 45
2.4.4 CoRious-Beschleunigung und -Kraft 45
Zusammenfassung: Kreisbewegung 47
2.5 Rotation starrer Körper 48
2.5.1 Drehmoment 48
2.5.2 Schwerpunkt, Gleichgewicht und Statik 49
2.5.3 Trägheitsmoment 50
2.5.4 Rotationsenergie und Drehimpuls . . 52
Zusammenfassung: Rotation starrer Körper . . 53
2.6 Schwingungen und Wellen 54
2.6.1 Freie ungedämpfte Schwingungen . . 54
2.6.2 Freie gedämpfte Schwingungen . . . 57
2.6.3 Erzwungene Schwingungen 57
2.6.4 Überlagerung von Schwingungen . . 59
2.6.4.1 Räumliche Überlagerung 59
2.6.4.2 Zeitliche Überlagerung 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 Relativitätstheorien 67
2.7.4.1 Spezielle Relativitätstheorie 67
2.7.4.2 Allgemeine Relativitätstheorie . . . . 70
Zusammenfassung: Gravitation und Himmelsmechanik 71
2.8 Flüssigkeiten 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 Oberflächenspannung 75
2.8.3 Strömungen 76
2.8.3.1 Reibungsfreie Strömungen 76
2.8.3.2 Viskose Strömungen 77
Zusammenfassung: Flüssigkeiten und Gase . . 79
Testfragen und Übungsaufgaben 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 Wärme 89
3.2.1 Wärmekapazität 89
3.2.2 Aggregatzustände 90
3.2.3 Wärmetransport 93
3.2.3.1 Konvektion 94
3.2.3.2 Wärmeleitung 94
3.2.3.3 Wärmestrahlung 96
Zusammenfassung: Wärme 99
3.3 Ideale Gase 99
3.3.1 Molare Größen 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 Geschwindigkeitsverteilung und BoLTZMANN-Faktor . . 104
Zusammenfassung: Ideale Gase 105
3.4 Zustandsänderungen und erster Hauptsatz 105
3.4.1 Volumenänderungsarbeit 105
3.4.2 Erster Hauptsatz 106
3.4.3 Zustandsänderungen 107
3.4.3.1 Isotherme Zustandsänderung . . . . 107
3.4.3.2 Isochore Zustandsänderung 108
3.4.3.3 Isobare Zustandsänderung 108
3.4.3.4 Adiabatische Zustandsänderung . . . 109
Zusammenfassung: Zustandsänderungen und erster Hauptsatz 111
3.5 Kreisprozesse und zweiter Hauptsatz . 111
3.5.1 Kreisprozess von CARNOT 111
3.5.2 Reversibilität 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 Übungsaufgaben zur Thermodynamik 120
4 ELEKTRIZITÄT UND
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 Kapazität 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 Stromstärke und Stromdichte . . . . 134
4.2.2 Widerstand 135
4.2.3 Stromkreise und Stromverzweigungen 138
Zusammenfassung: Strom und Widerstand . . . 141
4.3 Magnetfeld 142
4.3.1 Magnetische Phänomene 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 Wechselstromkreis 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 Glühelektrischer 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 Flüssigkeiten 174
4.7.4 Elektronen in Metallen 176
4.7.5 Ladungsträger in Halbleitern . . . . 177
4.7.5.1 Eigenleitung 177
4.7.5.2 Störstellenleitung 177
4.7.5.3 pn-Übergang 178
4.7.5.4 Halbleiterdioden 178
4.7.5.5 Transistoren 179
Zusammenfassung: Grundlagen der Elektronik 180
Testfragen und Übungsaufgaben zu Elektrizität 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 Strahlenoptik 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 Kohärenz 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 Auflösungsvermögen 207
5.5.2 Beugungsgitter 208
5.5.3 Holografie 210
5.5.4 Interferometrie 211
Zusammenfassung: Anwendungen der Wellenoptik 213
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 Übungsaufgaben 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 Unschärferelation 225
Zusammenfassung: Welle-Teilchen-Dualismus . 227
6.2 Atomhülle 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: Atomhülle 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 Röntgenstrahlung 243
6.3.3.1 Bremsspektrum 243
6.3.3.2 Charakteristisches Röntgenspektrum 243
6.3.3.3 Anwendungen 244.
Zusammenfassung: Quanten-Emission und -Absorption 245
6.4 Festkörper 245
6.4.1 Bindung und Struktur 245
6.4.2 Bändermodell 247
6.4.3 FERMi-Energie 247
6.4.4 Elektronen- und Löcherleitung . . . 248
6.4.5 Halbleiter-Bauelemente 250
Zusammenfassung: Festkörper 251
6.5 Atomkern 251
6.5.1 Nukleonen 251
6.5.2 Masse und Massendefekt 253
6.5.3 Radioaktivität 255
6.5.3.1 Strahlungen 255
6.5.3.2 Kernumwandlungen 256
6.5.3.3 Aktivität 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 Übungsaufgaben zu Quanten und Atome 266
ANHANG
o Antworten zu den Testfragen und Musterlösungen zu den Übungsaufgaben 269
o Nützliche mathematische Beziehungen 309
o Quellen-und Literaturverzeichnis 312
o Verzeichnis der Bildquellen 314
o Sachwortverzeichnis 315