PHYSIK

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

Einführung

1 Was ist ”Physik“? Wege physikalischer Erkenntnisgewinnung

2 Physikalische Größen, Einheiten, Dimensionen, Gleichungen

2.1 Größen, Einheiten, Dimensionen

2.2 Physikalische Gleichungen

TEILCHEN Mechanik der Punktmasse und des starren Körpers

3 Kinematik der Punktmasse

3.1 Raum, Zeit, Bezugssystem

3.2 Die gleichförmige Bewegung

3.3 Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung

3.4 Freier Fall. Senkrechter Wurf

3.5 Allgemeine Definition von Geschwindigkeit und Beschleunigung.

29

3.6 Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektoren. Zusammengesetzte Bewegungen (Superposition)

3.7 Die gleichförmige Kreisbewegung

3.8 Die ungleichförmige Kreisbewegung

3.9 Bewegung auf beliebig krummliniger Bahn

4 Dynamik der Punktmasse

4.1 Der Kraftbegriff in der Physik. Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften. Statisches Gleichgewicht

4.2 Das Trägheitsgesetz (1. Newtonsches Axiom)

4.3 Das Grundgesetz der Dynamik (2. Newtonsches Axiom)

4.4 Träge und schwere Masse. Gewichtskraft. Radialkraft

4.5 Kraftstoß. Impuls (Bewegungsgröße)

4.6 Lösung der Bewegungsgleichung für konstante Kraft. Die Wurfbewegung

4.7 Das Wechselwirkungsgesetz (3. Newtonsches Axiom)

4.8 Reibungskräfte

5 Bewegte Bezugssysteme

5.1 Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme. Trägheitskräfte

5.2 Gleichförmig rotierende Bezugssysteme. Zentrifugalkraft, Coriolis-Kraft

5.3 Inertialsysteme. Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik

6 Grundzüge

60

6.1 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die Lorentz-Transformation

6.2 Folgerungen aus der Lorentz-Transformation

6.3 Relativistische Bewegungsgleichung

7 Arbeit und Energie

7.1 Arbeit

7.2 Leistung. Wirkung

7.3 Der Energiebegriff. Potentielle und kinetische Energie

7.4 Das Gesetz von der Erhaltung der Energie (Energiesatz)

7.5 Äquivalenz von Masse und Energie

8 Gravitation

8.1 Die Keplerschen Gesetze der Planetenbewegung und das Gravitationsgesetz

8.2 Arbeit gegen die Schwerkraft. Kosmische Geschwindigkeiten

9 Dynamik der Punktmassen-Systeme

9.1 Impulserhaltungssatz. Massenmittelpunkt

9.2 Die Gesetze des Stoßes

9.3 Raketenantrieb

10 Statik des starren Körpers

10.1 Freiheitsgrade des starren Körpers

10.2 Kräfte am starren Körper. Drehmoment. Gleichgewichtsbedingungen

10.3 Kräftepaar

10.4 Der Schwerpunkt

10.5 Arten des Gleichgewichts

11 Dynamik des starren Körpers

11.1 Bewegung eines frei beweglichen Körpers bei Einwirkung einer Kraft

11.2 Kinetische Energie der Drehbewegung. Massenträgheitsmoment

11.3 Arbeit und Leistung bei der Drehbewegung. Grundgesetz der Dynamik

11.4 Der Drehimpuls (Drall). Drehimpulserhaltungssatz

11.5 Kreiselbewegungen. Freie Achsen

11.6 Bewegung des symmetrischen Kreisels

KONTINUA Mechanik der deformierbaren Medien

12 Die Zustandsformen der Stoffe

13 Der deformierbare feste Körper

13.1 Elastische Verformung. Hookesches Gesetz

13.2 Querkontraktion. Kompressibilität

13.3 Elastisches Verhalten bei Scherbeanspruchung

13.4 Der einachsige Spannungszustand

13.5 Zusammenhang zwischen Schubmodul, Elastizitätsmodul und Poissonscher Querkontraktionszahl

13.6 Plastische Verformung. Spannungs-Dehnungs-Diagramm

14 Ruhende Flüssigkeiten und Gase

14.1 Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck)

14.2 Schweredruck. Auftrieb. Schwimmstabilität

14.3 Druck in Gasen. Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Dichte

14.4 Schweredruck in Gasen. Barometrische Höhenformel

14.5 Erscheinungen an Grenzflächen. Kohäsion und Adhäsion

14.6 Spezifische Oberflächenenergie, Oberflächenspannung

14.7 Benetzung und Kapillarwirkung

15 Strömende Flüssigkeiten und Gase (Strömungsmechanik)

15.1 Das Strömungsfeld. Kennzeichnung und Einteilung

123

15.2 Strömungen idealer Flüussigkeiten und Gase. Kontinuitätsgleichung

15.3 Die Bernoullische Gleichung. Druckmessung

15.4 Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase. Laminare Strömung

15.5 Gesetze von Hagen-Poiseuille und Stokes

15.6 Umströmung durch reale Flüssigkeiten und Gase. Reynolds-Zahl

15.7 Die Bewegungsgleichung eines Fluids

WÄRME Thermodynamik und Gaskinetik

16 Verhalten der Körper bei Temperaturänderung

16.1 Die Temperatur und ihre Messung

16.2 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper

16.3 Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderungen der Gase. Der absolute Nullpunkt

16.4 Die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases

17 Der I. Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz)

17.1 Wärmemenge und Wärmekapazität

17.2 Innere Energie eines Systems. Formulierung des I. Hauptsatzes

17.3 Spezifische Wärmekapazität des idealen Gases. Kalorische Zustandsgleichung

17.4 Anwendung des I. Hauptsatzes auf spezielle Zustandsänderungendes idealen Gases

17.5 Zustandsänderungen des idealen Gases in offenen Systemen. Technische Arbeit. Enthalpie

18 Kinetische Gastheorie

18.1 Die Masse der Atome und Moleküle

18.2 Druck und mittlere quadratische Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Grundgleichung der kinetischen Gastheorie

18.3 Die Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle

18.4 Molekularenergie und Temperatur. Wärmekapazität der Körper

18.5 Stoßzahl und mittlere freie Weglänge

18.6 Gemische idealer Gase. Gesetz von Dalton

19 Der II. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz)

19.1 Der Carnot-Kreisprozess. Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und

170

19.2 Thermodynamische Temperatur

19.3 Reversible und irreversible Vorgänge. II. Hauptsatz

19.4 Entropie

19.5 Entropieänderung des idealen Gases. Irreversible Prozesse

19.6 Entropie und Wahrscheinlichkeit

19.7 III. Hauptsatz (Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts)

20 Reale Gase. Phasenumwandlungen

20.1 Die van-der-Waalssche Zustandsgleichung. Gasverflüssigung

20.2 Joule-Thomson-Effekt. Erzeugung tiefer Temperaturen

20.3 Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Sieden und Verdunsten

20.4 Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase. Koexistenzdreier Phasen

20.5 Lösungen. Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung

21 Ausgleichsvorgänge

21.1 Wärmeleitung

21.2 Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konvektion

21.3 Diffusion

FELDER Gravitation. Elektrizität und Magnetismus

22 Das Gravitationsfeld

22.1 Fernwirkung und Nahwirkung. Der Feldbegriff

22.2 Gravitationsfeldstärke, Gravitationspotential

22.3 Massen als Senken des Gravitationsfeldes

23 Das elektrostatische Feld

23.1 Die elektrische Ladung. Ladungsnachweis

23.2 Ladungen als Quellen bzw. Senken des elektrischen Feldes

23.3 Kraftwirkungen des elektrischen Feldes. Elektrische Feldstärke

23.4 Elektrostatisches Potential. Spannung

23.5 Elektrische Ladungen auf Leitern. Influenz

23.6 Elektrischer Fluss, Flussdichte

23.7 Das elektrische Zentralfeld (Punktladung und Punktladungssystem)

23.8 Kapazität. Kondensatoren

24 Das elektrische Feld in Isolatoren (Dielektrika)

24.1 Elektrische Polarisation der Dielektrika. Piezoelektrizität

24.2 Permittivität (Dielektrizitätskonstante), elektrische Suszeptibilität

24.3 Verhalten von D und E an der Grenzfläche zweier Medien

24.4 Energieinhalt des elektrischen Feldes

25 Der Gleichstromkreis

25.1 Das stationäre elektrische Feld in einem Leiter

25.2 Stromstärke, Spannung, Widerstand. Ohmsches Gesetz

25.3 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen. Kirchhoffsche Gesetze

25.4 Arbeit und Leistung elektrischer Gleichströme

26 Elektrische Leitungsvorgänge in Festkörpern und Flüssigkeiten

26.1 Klassische Theorie der freien Elektronen in Metallen

26.2 Thermoelektrische Effekte

26.3 Elektrokinetische Effekte

26.4 Elektrolytische Stromleitung. Faradaysche Gesetze

26.5 Elektrochemische Spannungsquellen

27 Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum und in Gasen

27.1 Bewegung freier Ladungsträger im elektrischen Feld

27.2 Ladungsträgerinjektion, Katodenstrahlen

27.3 Gasentladungen

27.4 Plasmaströme

28 Das magnetostatische Feld der Dipole und Gleichströme

28.1 Analogien und Unterschiede zum elektrostatischen Feld

28.2 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf magnetische Dipole. Magnetische Feldstärke

28.3 Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters. Durchflutungsgesetz

28.4 Einfache Feldberechnungen

28.5 Magnetische Flussdichte (Induktion)

28.6 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf Stromleiter

28.7 Bewegung freier Ladungsträger im magnetischen Feld. Lorentz-Kraft

28.8 Galvano- und thermomagnetische Effekte. Hall-Effekt

29 Das magnetische Feld in Stoffen

29.1 Magnetische Polarisation der Stoffe

29.2 Magnetisierung der Ferromagnetika. Hysterese

29.3 Der magnetische Kreis. Entmagnetisierung

30 Elektromagnetische Induktion

30.1 Das Faradaysche Induktionsgesetz

30.2 Selbstinduktion

30.3 Energieinhalt des magnetischen Feldes

30.4 Elektromagnetische Induktion in einem bewegten Leiter

31 Der Wechselstromkreis

31.1 Wechselspannung, Wechselstrom, Dreiphasenstrom

31.2 Arbeit und Leistung elektrischer Wechselströme

31.3 Wechselstromwiderstände. Ohmsches Gesetz für Wechselstrom

31.4 Der Transformator

31.5 Anharmonische Wechselströme in der Elektronik

31.6 Gleichrichter und Verstärker. Elektronische Bauelemente

32 Die Maxwellschen Gleichungen

32.1 Wirbel des magnetischen Feldes. Verschiebungss

32.2 Wirbel des elektrischen Feldes. Wirbelströme

32.3 Elektromagnetisches Feld. System der Maxwellschen Gleichungen

32.4 Relativistische Elektrodynamik

WELLEN Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen

33 Mechanische Schwingungen

33.1 Lineare Federschwingungen

33.2 Energiebilanz des harmonischen Oszillators

33.3 Drehschwingungen

33.4 Pendelschwingungen

33.5 Freie gedämpfte Schwingungen

33.6 Erzwungene Schwingungen

34 Elektrische Schwingungen

34.1 Der geschlossene Schwingkreis

34.2 Strom- und Spannungsresonanz

34.3 Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen

35 Überlagerung harmonischer Schwingungen

35.1 Überlagerung zweier Schwingungen längs gleicher Richtung

35.2 Gekoppelte Schwingungen

35.3 Überlagerung zweier Schwingungen längs aufeinander senkrechter Richtungen

35.4 Überlagerung von harmonischen zu anharmonischen Schwingungen

35.5 Nichtlineare Schwingungen. Deterministisches Chaos

36 Allgemeine Wellenlehre

36.1 Zusammenhang von Schwingungen und Wellen

36.2 Die eindimensionale Wellengleichung und ihre allgemeine Lösung

36.3 Transversal- und Longitudinalwellen

36.4 Stehende Wellen. Eigenschwingungen

36.5 Wellenausbreitung in ausgedehnten Medien

37 Schallwellen (Akustik)

37.1 Wellenausbreitung im Schallfeld. Phasengeschwindigkeit

37.2 Schallfeldgrößen

37.3 Schallquellen. Ton, Klang, Geräusch

37.4 Schallempfänger und Gehör. Schallpegel und Lautst ärke

37.5 Stehende Schallwellen

37.6 Doppler-Effekt

37.7 Machscher Kegel

38 Elektromagnetische Wellen

38.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entlang von Leitungen

38.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum

38.3 Erzeugung und Nachweis elektromagnetischer Wellen

38.4 Die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen

353

38.5 Das elektromagnetische Spektrum

39 Einfluss von Stoffen auf die Wellenausbreitung

39.1 Absorption und Streuung

39.2 Phasengeschwindigkeit und Dispersion. Gruppengeschwindigkeit

39.3 Huygenssches Prinzip

39.4 Reflexion und Brechung (Refraktion). Totalreflexion

39.5 Optische Dispersion. Prisma, Spektral- und Körperfarben

40 Strahlenoptik (Geometrische Optik)

40.1 Lichtstrahlen. Fermatsches Prinzip

40.2 Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen

40.3 Abbildung durch Spiegel (ebener und gekrümmte Spiege

40.4 Abbildung durch Linsen (dünne und dicke Linsen, Linsensysteme

40.5 Das Auge und der Sehvorgang

40.6 Optische Geräte zur Sehwinkelvergrößerung (Lupe, Mikroskop, Fernrohr)

40.7 Abbildungsfehler

41 Wellenoptik

41.1 Interferenz. Interferenzbedingungen

41.2 Interferenzen gleicher Neigung und gleicher Dicke

41.3 Beugung (Diffraktion). Das Beugungsphänomen

41.4 Fraunhofersche Beugung am Spalt und an der Lochblende

41.5 Auflösungsvermögen optischer Geräte. Holografie

41.6 Fraunhofersche Beugung am Strichgitter

41.7 Spektrometer

41.8 Beugung von Röntgenstrahlen am Raumgitter der Kristalle

41.9 Polarisation. Polarisation des Lichts durch Reflexion und Brechung

41.10 Polarisation durch Doppelbrechung

41.11 Interferenz des polarisierten Lichts

41.12 Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts

41.13 Nichtlineare Optik

QUANTEN Struktur und Eigenschaften der Materie

42 Die Gesetze der Strahlung

42.1 Das Wesen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung)

42.2 Strahlungsphysikalische Größen

42.3 Emission und Absorption von Strahlung. Kirchhoffsches Strahlungsgesetz

42.4 Das Plancksche Strahlungsgesetz

42.5 Folgerungen aus dem Planckschen Strahlungsgesetz

42.6 Lichttechnische Größen (Photometrie)

42.7 Zusammenhang zwischen strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Größen

43 Der Welle-Teilchen-Dualismus der Mikroobjekte

43.1 Die Teilchennatur des Lichts. Lichtquanten (Photonen)

43.2 Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt)

43.3 Der Compton-Effekt

43.4 Rückstoß durch Quantenemission. Mößbauer-Effekt

43.5 Die Wellennatur der Teilchen

43.6 Das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip (Unschärferelation)

44 Atombau und Spektren

44.1 Die Streuexperimente von Lenard und Rutherford. Das Rutherfordsche Atommodell

44.2 Das Spektrum des Wasserstoffatoms

44.3 Das Bohrsche Atommodell

44.4 Die Spektren der Alkaliatome. Bahndrehimpulsquantenzahl

44.5 Richtungsquantelung des Bahndrehimpulses der Elektronen

44.6 Das magnetische Bahnmoment der Elektronen. Bohrsches Magneton

44.7 Elektronenspin und magnetisches Spinmoment. Die Feinstruktur der Atomspektren

44.8 Mehrelektronensysteme

44.9 Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld (Zeeman-Effekt)

44.10 Das Pauli-Prinzip und das Periodensystem der Elemente

44.11 Die Röntgenspektren und ihre Deutung

44.12 Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen

44.13 Induzierte Emission. Maser und Laser

45 Wellenmechanik

45.1 Die Schrödinger-Gleichung

45.2 Elektron im Kastenpotential

45.3 Das wellenmechanische Bild des Atoms

45.4 Der Tunneleffekt

46 Elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern

46.1 Elektrische Leitfähigkeit. Das Modell des Elektronengases

46.2 Bändermodell des Festkörpers. Metalle, Halbleiter, Isolatoren

46.3 Elektrische Ströme in Halbleitern. Eigenleitung, Störstellenleitung

46.4 Der pn-Übergang

46.5 Halbleiterdiode, Transistor

46.6 Magnetische Eigenschaften. Dia- und Paramagnetismus

46.7 Ferromagnetismus, Antiferro- und Ferrimagnetismus

46.8 Supraleitung

46.9 Supraflüssigkeit

47 Atomkerne

47.1 Masse, Ladung und Zusammensetzung der Kerne

47.2 Isotope

47.3 Isobare, Isotone, Nuklide, Isomere

47.4 Massendefekt und Bindungsenergie der Kerne

47.5 Stabilitätskriterien. Kernsystematik

47.6 Kernkräfte

47.7 Kernmodelle

48 Die natürliche Radioaktivität

48.1 Der Alpha-Zerfall der schweren Kerne

48.2 Der Beta-Zerfall. Gammastrahlung

48.3 Das Zerfallsgesetz. Spezifische Aktivität

48.4 Radioaktive Zerfallsreihen und radioaktives Gleichgewicht

48.5 Dosimetrie und biologische Wirkung ionisierender Strahlung

49 Künstliche Kernumwandlungen

49.1 Arten künstlicher Kernumwandlungen

49.2 Massen- und Energiebilanz von Kernreaktionen. Wirkungsquerschnitt

49.3 Kernspaltung. Gewinnung von Kernspaltungsenergie

49.4 Arten von Kernreaktoren

49.5 Kernfusion

50 Elementarteilchen

50.1 Entwicklung zum Teilchen-"Zoo"

50.2 Erhaltungssätze für Baryonenladung, Leptonenladung, Isospin, Strangeness und Hyperladung

50.3 Die elementaren Teilchen: Leptonen und Quarks

50.4 Zusammengesetzte Elementarteilchen. Hadronen

50.5 Die elementaren Kräfte (Wechselwirkungen). Feldquanten

50.6 Vereinheitlichte Theorie der elementaren Kräfte (Supersymmetrie, Theory of Everything)

50.7 Kosmologie

ANHANG: Fehlerrechnung (Messabweichungen)

A.1 Arten und Ursachen von Messabweichungen

A.2 Ermittlung von Messabweichung und Messergebnis

A.3 Zufallsstreuung von Messwerten

A.4 Fehlerfortpflanzung

A.5 Geradenausgleich (lineare Regression). Korrelation

Lösungen der Aufgaben

Sachwortverzeichnis