phphysik

PhysikLehr- und Übungsbuch

3., erweiterte Auflage IAus dem Amerikanischen von Micaela Krieger-Hauwede,

Karen Lippert, Ulrike Pahlkötter und Detlef Scholz

Bearbeiter der deutschen AusgabeOliver Eibl, Jörg Ihringer und Ulrich Behn

PEARSON

Studium

ein Imprint von Pearson EducationMünchen • Boston • San Francisco • Harlow,_England

Don Mills, Ontario • Sydney • Mexico CityMadrid • Amsterdam

Inhaltsübersicht

Vorwort XXI

Vorwort zur deutschen Ausgabe XXVI

Kapitel 1 Einführung, Messungen, Abschätzungen 1

Kapitel 2 Beschreibung von Bewegungen - Kinematik in einer Raumrichtung 23

Kapitel 3 Kinematik in zwei Raumrichtungen; Vektoren 61

Kapitel 4 Dynamik: Die Newton'schen Axiome 103

Kapitel 5 Weitere Anwendungen der Newton'schen Axiome 141

Kapitel 6 Gravitation und das Newton'sche Gravitationsgesetz 175

Kapitel 7 Arbeit und Energie 205

Kapitel 8 Energieerhaltung 233

Kapitel 9 Impuls und Stöße 275

Kapitel 10 Drehbewegung um eine feste Achse 321

Kapitel 11 Allgemeine Drehbewegung 375

Kapitel 12 Statisches Gleichgewicht; Elastizität und Bruch 405

Kapitel 13 Fluide: Gase und Flüssigkeiten 449

Kapitel 14 Schwingungen 489

Kapitel 15 Wellen und Wellenausbreitung 523

Kapitel 16 Schall 559

Kapitel 17 Temperatur, Wärmeausdehnung und ideales Gasgesetz 597

Kapitel 18 Kinetische Gastheorie 625

Kapitel 19 Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 651

» Kapitel 20 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 693

Kapitel 21 Elektrische Ladung und elektrisches Feld 729

Kapitel 22 Das Gauss'sche Gesetz 767

Kapitel 23 Das elektrische Potential 789

Kapitel 24 Kapazität, Dielektrika und elektrische Energiespeicher 819

Kapitel 25 Elektrische Ströme und der elektrische Widerstand 847

Inhaltsübersicht

Kapitel 26 Gleichstromkreise

Kapitel 27 Magnetismus

Kapitel 28 Erzeugung von Magnetfeldern

Kapitel 29 Elektromagnetische Induktion und das Faraday'sche Gesetz

Kapitel 30 Induktivität und elektromagnetische Schwingungen

Kapitel 31 Wechselstromkreise

Kapitel 32 Die Maxwell'schen Gleichungen und elektromagnetische Wellen

Kapitel 33 Reflexion und Brechung

Kapitel 34 Linsen und optische Instrumente

Kapitel 35 Die Wellennatur des Lichts; Interferenz

Kapitel 36 Beugung und Polarisation

Kapitel 37 Spezielle Relativitätstheorie

Kapitel 38 Frühe Quantentheorie und Atommodelle

Kapitel 39 Quantenmechanik

Kapitel 40 Quantenmechanik von Atomen

Kapitel 41 Moleküle und Festkörper

Kapitel 42 Kernphysik und Radioaktivität

Kapitel 43 Kernenergie;Auswirkungen und Anwendungsmöglichkeiten der Strahlung

Kapitel 44 Elementarteilchen

Kapitel 45 Astrophysik und Kosmologie

Anhang

s

879

917

949

981

1011

1033

1055

1085

1119

1159

1185

1221

1263

1301

1333

1367

1407

1437

1475

1509

1549

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort XXI

Vorwort zur deutschen Ausgabe XXVI

Kapitel 1 Einführung, Messungen, Abschätzungen l1.1 Das Wesen der Wissenschaft 41.2 Modelle, Theorien und Gesetze 41.3 Messungen und Messfehler; signifikante Stellen 51.4 Einheiten, Standards und das Sl-System 81.5 Umrechnungseinheiten 111.6 Größenordnung: Schnelle Abschätzung 121.7 Einheiten und Einheitenüberprüfung 16Zusammenfassung 17Verständnisfragen 17Aufgaben 18

Kapitel 2 Beschreibung von Bewegungen - Kinematik in einer Raumrichtung 23

2.1 Bezugssystem und Weg 252.2 Durchschnittsgeschwindigkeit 272.3 Momentangeschwindigkeit 282.4 Beschleunigung 312.5 Bewegung bei konstanter Beschleunigung ....'. 352.6 Problemlösungen 382.7 Der freie Fall 422.8 Einsatz der Integralrechnung; Ungleichförmige Beschleunigung 49Zusammenfassung 50Verständnisfragen 51Aufgaben 52

Kapitel 3 Kinematik in zwei Raumrichtungen; Vektoren 613.1 Vektoren und Skalare 633.2 Vektoraddition - Grafische Methoden 633.3 Subtraktion von Vektoren und Multiplikation eines Vektors mit einem Skalar 653.4 Vektoraddition in Komponentenschreibweise 663.5 Einheitsvektoren 713.6 Bewegung in zwei und drei Raumrichtungen 723.7 Wurfbewegung 743.8 Lösung von Aufgaben mit Wurfbewegungen 773.9 Gleichförmige Kreisbewegung 843.10 Relativgeschwindigkeit 87Zusammenfassung 90Verständnisfragen 91Aufgaben 92

Inhaltsverzeichnis

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7.17.2

7.3

7.4

7.5

I

VIII

Kapitel 44.1 Kraft.

Dynamik: Die Newton'schen Axiome 103". 105

4.2 Das erste Newton'sche Axiom ; >... 1064.3 Masse : 1074.4 Das zweite Newton'sche Axiom 1084.5 Das dritte Newton'sche Axiom 1114.6 Gewicht - Die Gravitationskraft 1154.7 Das Lösen von Aufgaben mit den Newton'schen Axiomen: Kräfteparallelogramme 1184.8 Problemlösung — Allgemeine Herangehensweise 127Zusammenfassung 128Verständnisfragen .' 129Aufgaben 131

Kapitel 5 Weitere Anwendungen der Newton'schen Axiome 1415.1 Anwendungen der Newton'schen Axiome - Reibung 1435.2 Dynamik der gleichförmigen Kreisbewegung : 1525.3 Erhöhte und nicht erhöhte Straßenkurven 1575.4 Ungleichförmige Kreisbewegung 1605.5 Geschwindigkeitsabhängige Kräfte; Endgeschwindigkeit .- 161Zusammenfassung : 164Verständnisfragen • 164Aufgaben 165

Kapitel 6 Gravitation und das Newton'sche Gravitationsgesetz 175

6.1 Das Newton'sche Gravitationsgesetz 1776.2 Vektorielle Form des Newton'schen Gravitationsgesetzes 1806.3 Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche - Gepphysikalische Anwendungen 1816.4 Satelliten und „Schwerelosigkeit" .' 1846.5 Kepler'sche Gesetze und Newton'sches Gravitationsgesetz 1886.6 Gravitationsfeld 1936.7 Fundamentale Wechselwirkungen 1946.8 Schwere Masse — Träge Masse — Äquivalenzprinzip 1946.9 Gravitation als Raumkrümmung — Schwarze Löcher 195Zusammenfassung 196Verständnisfragen 197Aufgaben 198

Kapitel 7 Arbeit und Energie 205

Durch eine konstante Kraft verrichtete Arbeit 207Skalarprodukt zweier Vektoren 212Durch eine veränderliche Kraft verrichtete Arbeit 213Arbeit und Kinetische Energie 216Kinetische Energie bei sehr hohen Geschwindigkeiten 222

Zusammenfassung 223Verständnisfragen 223Aufgaben 224

Kapitel 8 Energieerhaltung 233

8.1 Konservative und nichtkonservative Kräfte r 2358.2 Potentielle Energie 2378 3 Mechanische Energie und ihre Erhaltung . . . . 242

Inhaltsverzeichnis

8.4 Anwendungen des Energieerhaltungssatzes der Mechanik • 2438.5 Der Energieerhaltungssatz 2518.6 Energieerhaltung mit dissipativen Kräften - Problemlösungen 2538.7 Potentielle Energie und Fluchtgeschwindigkeit 2558.8 Leistung 2588.9 Potentielle Energie - Stabiles und labiles Gleichgewicht 261Zusammenfassung 263Verständnisfragen 263Aufgaben 265

Kapitel 9 Impuls und Stöße 275

9.1 Impuls und seine Beziehung zur Kraft 2779.2 Impulserhaltung 2799.3 Stöße und Kraftstoß 2839.4 Energie- und Impulserhaltung bei Stößen 2869.5 Elastische Stöße in einer Raumrichtung 2879.6 Inelastische Stöße 2909.7 Stöße in zwei oder drei Raumrichtungen 2929.8 Massenmittelpunkt 2949.9 Massenmittelpunkt und Translationsbewegung 3009.10 Systeme mit veränderlicher Masse; Raketenantrieb 303Zusammenfassung 306Verständnisfragen 306Aufgaben 308

Kapitel 10 Drehbewegung um eine feste Achse 321

10.1 Winkelgrößen 32310.2 Bewegungsgleichungen für gleichförmig beschleunigte Drehbewegungen 32710.3 Rollbewegung (ohne Gleiten) 32810.4 Vektorielle Beschaffenheit von Winkelgrößen 33110.5 Drehmoment 33110.6 Drehdynamik; Drehmoment und Trägheitsmoment 33410.7 Problemlösungen für drehdynamische Aufgabenstellungen 33610.8 Bestimmung von Trägheitsmomenten 34110.9 Drehimpuls und Drehimpulserhaltung 34310.10 Kinetische Energie der Drehbewegung 34810.11 Drehbewegung plus Translationsbewegung - Rollbewegung 35010.12 Warum wird eine rollende Kugel langsamer? 359Zusammenfassung 360Verständnisfragen 361Aufgaben 362

Kapitel 11 Allgemeine Drehbewegung 375

11.1 Vektorprodukt (Kreuzprodukt) 37711.2 Der Drehmomentvektor 37811.3 Drehimpuls eines Massenpunktes 38011.4 , Drehimpuls und Drehmoment eines Systems; Allgemeine Bewegung 381lli'5 Drehimpuls und Drehmoment eines starren Körpers 38311.6 Dynamisches Ungleichgewicht 38611.7 Drehimpulserhaltung ~ 38711.8 Der Kreisel 390

IX

Inhaltsverzeichnis

11.9 Rotierende Bezugssysteme; Trägheitskräfte : 39111.10 Die Corioliskraft ; 392Zusammenfassung 395Verständnisfragen 396Aufgaben 397

Kapitel 12 Statisches Gleichgewicht; Elastizität und Bruch 40512.1 Statik - Untersuchung von Kräften im Gleichgewicht '.'. ' 40712.2 Gleichgewichtsbedingungen 40712.3 Aufgabenstellungen in der Statik — Lösungen 41012.4 Stabilität und Gleichgewichtslage '. • 41712.5 Elastizität und Elastizitätsmodule — Spannung und Dehnung 41812.6 Bruch 42212.7 Fachwerke und Brücken 42612.8 Bögen und Kuppeln 430Zusammenfassung 433 .Verständnisfragen 433Aufgaben : 434

Kapitel 13 Fluide: Gase und Flüssigkeiten 44913.1 Dichte und relative Dichte • : 45113.2 Druck in Fluiden 45213.3 Atmosphärendruck und Manometerdruck 45613.4 Pascal'sches Prinzip 45713.5 Messgeräte für die Druckmessung 45813.6 Auftrieb und Archimedisches Prinzip 46013.7 Fluide in Bewegung - Massenstrom und Kontkiuitätsgleichung 46413.8 Bernoulli'sche Gleichung .''. 46713.9 Anwendungen des Bernoulli'schen Gesetzes —

von Torricelli zu Segelbooten, Tragflächen und dem Blutkreislauf • 46913.10 Viskosität , 47213.11 Strömung in Rohren - Poiseuille'sche Gleichung 47313.12 Oberflächenspannung und Kapillarität 47413.13 Pumpen und das Herz 476Zusammenfassung 477Verständnisfragen 478Aufgaben 480

Kapitel 14 Schwingungen 48914.1 Schwingungen einer Feder 49114.2 Harmonische Schwingung 49314.3 Energie in einem harmonischen Oszillator 49914.4 Zusammenhang zwischen harmonischer Schwingung und gleichförmiger Kreisbewegung 50114.5 Das Fadenpendel 50214^6 Das physikalische Pendel und das Torsionspendel 50414.7 Gedämpfte harmonische Schwingung 50514;8 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 509Zusammenfassung 512Verständnisfragen 512Aufgaben 513

<

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 15 Wellen und Wellenausbreitung 523

15.1 Eigenschaften von Wellen 52615.2 Wellenarten 52715.3 Energietransport in Wellen 53215.4 Mathematische Beschreibung der Wellenausbreitung 53415.5 Die Wellengleichung 53715.6 Das Superpositionsprinzip 53915.7 Reflexion und Transmission 54115.8 Interferenz 54215.9 Stehende Wellen; Resonanz 54415.10 Brechung 54815.11 Beugung 549Zusammenfassung 550Verständnisfragen 551Aufgaben 552

Kapitel 16 Schall 559

16.1 Schalleigenschaften 56116.2 Mathematische Darstellung longitudinaler Wellen 56316.3 Intensität von Schall; Dezibel 56416.4 Schallquellen: Schwingende Saiten und Luftsäulen 56816.5 Klangqualität und Geräusche 57516.6 Interferenz von Schallwellen; Schwebungen 57516.7 Doppler-Effekt 57816.8 Mach-Wellen und Überschallknall 58216.9 Anwendungen: Sonar, Ultraschall und Ultraschall-Abbildung 584Zusammenfassung 585Verständnisfragen , 586Aufgaben ' 587

Kapitel 17 Temperatur, Wärmeausdehnung und ideales Gasgesetz 597

17.1 Die Atomtheorie der Materie 59917.2 Temperatur und Thermometer 60117.3 Thermisches Gleichgewicht und der nullte Hauptsatz der Wärmelehre 60317.4 Wärmeausdehnung 60417.5 Mechanische Spannungen aufgrund der Wärmeausdehnung 60917.6 Die Gasgesetze und die absolute Temperatur 60917.7 Das ideale Gasgesetz 61117.8 Probkmlösung mit dem idealen Gasgesetz 61217.9 Ideales Gasgesetz und Avogadro-Konstante 61417.10 Temperaturskala des idealen Gases - Ein Standard 615Zusammenfassung 616Verständnisfragen 617Aufgaben 618

Kapitel 18 Kinetische Gastheorie 625

18.1 Das ideale Gasgesetz und die molekulare Interpretation der Temperatur 62718.2 Molekulare Geschwindigkeitsverteilung 63118.3 Reale Gase und Phasenänderungen 63418.4 Dampfdruck und Luftfeuchte ~ 63618.5 Van der Waals'sche Zustandsgieichung 639

XI

Inhaltsverzeichnis

18.6 Mittlere freie Weglänge 64018.7 Diffusion 642Zusammenfassung 644Verständnisfragen 644Aufgaben 645

Kapitel 19 Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 651

19.1 Was genau ist Wärme? 65319.2 Innere Energie 65519.3 Spezifische Wärmekapazität 65619.4 Wärmemessung - Problemlösungen 65719.5 Latente Wärme 65919.6 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 66319.7 Anwendungen des ersten Hauptsatzes; Arbeitsberechnung 66519.8 Wärmekapazität für Gase und die Gleichverteilung der Energie 66919.9 Adiabatische Expansion eines Gases 67319.10 Wärmetransport: Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung 675Zusammenfassung 680Verständnisfragen 681Aufgaben 683

Kapitel 20 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 693

20.1 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik — Einführung 69520.2 Wärmekraftmaschinen 69620.3 Reversible und irreversible Prozesse; der Carnot-Prozess 69920.4 Kältemaschinen, Klimaanlagen und Wärmepumpen 70520.5 Entropie 70720.6 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 70920.7 Aus Ordnung wird Unordnung 71420.8 Energieverfügbarkeit; Wärmetod 71520.9 Statistische Interpretation der Entropie und des zweiten Hauptsatzes 71620.10 Thermodynamische Temperaturskala; absoluter Nullpunkt

und der dritte Hauptsatz der Thermodynamik 718Zusammenfassung 720Verständnisfragen 720Aufgaben 722

Kapitel 21 Elektrische Ladung und elektrisches Feld 729

21.1 Statisch'e Elektrizität; elektrische Ladung und ihre Erhaltung 73121.2 Elektrische Ladung im Atom 73221.3 Isolatoren und metallische Leiter 73321.4 Influenz; das Elektrometer 73321.5 Das Coulomb'sche Gesetz 73421.6 Dal; elektrische Feld 74021.7 Berechnungen des elektrischen Feldes kontinuierlicher Ladungsverteilungen 74421.8 Feldlinien 74821.9 Elektrische Felder und metallische Leiter 75021.10 Bewegung einer Punktladung in einem elektrischen Feld 75121.11 Elektrische Dipole 753Zusammenfassung ~ 755Verständnisfragen 756Aufgaben 757

XII

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 22 Das Gauss'sche Gesetz 767

22.1 Der elektrische Fluss 76922.2 Das Gauß'sche Gesetz 77222.3 Anwendungen des Gauß'schen Gesetzes 77522.4 Experimentelle Grundlagen des Gauß'schen und des Coulomb'schen Gesetzes 780Zusammenfassung 781Verständnisfragen 782Aufgaben 783

Kapitel 23 Das elektrische Potential 789

23.1 Elektrisches Potential und Potentialdifferenz 79123.2 Beziehung zwischen elektrischem Potential und elektrischem Feld 79523.3 Das elektrische Potential einer Punktladung 79723.4 Das Potential beliebiger Ladungsverteilungen 80023.5 Äquipotentialflächen 80123.6 Elektrische Dipole 80223.7 Bestimmung von E aus <p 80423.8 Die elektrostatische potentielle Energie und das Elektronenvolt 80523.9 Die Kathodenstrahlröhre: Fernseher, Computerbildschirm und Oszilloskop 807Zusammenfassung 809Verständnisfragen 810Aufgaben 811

Kapitel 24 Kapazität, Dielektrika und elektrische Energiespeicher 819

24.1 Kondensatoren 82124.2 Bestimmung der Kapazität 82224.3 Kondensatoren in Reihen- und Parallelschaltungen 82524.4 Speicherung elektrischer Energie 82924.5 Dielektrika 83024.6 Molekulare Beschreibung von Dielektrika 833Zusammenfassung 836Verständnisfragen 837Aufgaben 838

Kapitel 25 Elektrische Ströme und der elektrische Widerstand 847

25.1 Die elektrische Batterie 84925.2 Der elektrische Strom 85125.3 Widerstände und das Ohm'sche Gesetz 85225.4 Der spezifische elektrische Widerstand 85525.5 Die elektrische Leistung 85825.6 Die elektrische Leistung in Haushaltsstromkreisen 86025.7 Wechselstrom 86225.8 Mikroskopische Beschreibung des elektrischen Stroms: Stromdichte und Driftgeschwindigkeit 8642R.9 Supraleitung 86725.10 Gefährdungen durch Elektrizität; Kriechströme 868Zusammenfassung 871Verständnisfragen 872Aufgaben 873

XIII

Inhaltsverzeichnis

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Kapitel 26 Gleichstromkreise 879

26.1 Quellenspannung und Klemmenspannung 88126.2 Widerstände in Reihen- und Parallelschaltung 7 88326.3 Die Kirchhoff'sehen Regeln 88926.4 Schaltkreise mit Widerstand und Kondensator (RC-Schaltkreise) 89526.5 Gleichstrom-Amperemeter und Voltmeter 90026.6 Wandler und Thermoelemente 903Zusammenfassung • 905Verständnisfragen 905Aufgaben 907

Kapitel 27 Magnetismus 917

27.1 Magnete und Magnetfelder ' 91927.2 Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder 92127.3 Die Kraft auf einen elektrischen Strom im Magnetfeld; Definition von B 92227.4 Die Kraft auf eine bewegte elektrische Ladung in einem Magnetfeld: Lorentz-Kraft 92527.5 Das auf eine Leiterschleife wirkende Drehmoment und das magnetische Dipolmoment "... 92927.6 Anwendungen: Galvanometer, Motoren und Lautsprecher 93127.7 Das Elektron: Entdeckung und Eigenschaften 93327.8 Der Hall-Effekt 93527.9 Massenspektrometer 937Zusammenfassung 938Verständnisfragen 938Aufgaben 940

Kapitel 28 Erzeugung von Magnetfeldern 949

28.1 Das Magnetfeld eines geraden Leiters , 95128.2 Die Kraft zwischen zwei parallelen Drähten ."'. 95228.3 Messvorschriften für das Ampere und das Coulomb -.... 95428.4 Das Ampere'sche Gesetz 95428.5 Das Magnetfeld einer Spule und eines Toroids ' 95928.6 Das Biot-Savart-Gesetz 96228.7 Magnetische Materialien — Ferromagnetismus 96628.8 Elektromagneten und Spulen 96728.9 Magnetfelder in magnetischen Materialien; Hysterese 96828.10 Paramagnetismus und Diamagnetismus 970Zusammenfassung 971Verständnisfragen 972Aufgaben 973

Kapitel 29 Elektromagnetische Induktion und das Faraday'sche Gesetz 981

2*9.1 Die Induktionsspannung 98329.2 Das Faraday'sche Induktionsgesetz und die Lenz'sche Regel 98429.3 Induktion einer Spannung in einem bewegten Leiter ' 98829.4 Elektrische Generatoren 99029.5 Gegenspannung und Gegendrehmoment; Wirbelströme '. 99229.6'' Transformatoren und Stromübertragung 995•29.7 Ein sich ändernder magnetischer Fluss erzeugt ein Magnetfeld 99829.8 Anwendungen des Induktionsgesetzes: Tonsysteme, Datenspeicher und Seismografen 1000Zusammenfassung 1002

Inhaltsverzeichnis

Verständnisfragen 1002Aufgaben 1004

Kapitel 30 Induktivität und elektromagnetische Schwingungen 101130.1 Gegeninduktivität 101330.2 Selbstinduktivität 101530.3 Energiespeicherung im Magnetfeld 101830.4 LR-Stromkreise 101930.5 LC-Stromkreise und elektromagnetische Oszillationen 102230.6 LC-Stromkreis mit Widerstand (LRC-Stromkreis) 1024Zusammenfassung 1026Verständnisfragen 1026Aufgaben 1027

Kapitel 31 Wechselstromkreise 1033

31.1 Einleitung: Wechselstromkreise 103531.2 Widerstand im Wechselstromkreis 103531.3 Induktionsspule im Wechselstromkreis 103631.4 Kondensator im Wechselstromkreis 103831.5 LRC-Wechselstromkreise in Reihenschaltung 104031.6 Resonanz im Wechselstromkreis 104431.7 Impedanzanpassung 104531.8 Drehstrom 1046Zusammenfassung 1048Verständnisfragen 1049Aufgaben 1049

Kapitel 32 Die Maxwell'schen Gleichungen und elektromagnetische Wellen 1055

32.1 Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld.Das Ampere'sche Gesetz und der Verschiebungsstrom 1057

32.2 Das Gauß'sche Gesetz für den Magnetismus 106132.3 Die Maxwell'schen Gleichungen 106232.4 Erzeugung elektromagnetischer Wellen 106232.5 Elektromagnetische Wellen,

Ableitung ihrer Ausbreitungs geschwindigkeit aus den Maxwell'schen Gleichungen 106532.6 Licht als elektromagnetische Welle und das elektromagnetische Spektrum 106832.7 Die Energie in elektromagnetischen Wellen und der Poynting-Vektor 107132.8 Strahlungsdruck 107332.9 Radio und Fernsehen 1075Zusammenfassung 1078Verständnisfragen 1079Aufgaben 1080

Kapitel 33 Reflexion und Brechung 1085

33.1 Strahlenoptik 108733.2 Lichtgeschwindigkeit und Brechungsindex 108833.3 Reflexion; Abbildung am ebenen Spiegel 108933.4 Abbildung an sphärischen Spiegeln 109333.5 Brechung: Das Snellius'sche Gesetz 110133.6 Sichtbares Spektrum und Dispersion 110333.7 Totalreflexion und Faseroptik 1104

XV

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33.8 Brechung an einer sphärischen Oberfläche 1107Zusammenfassung : 1110Verständnisfragen 1110Aufgaben "..... '..: 1112

Kapitel 34 Linsen und optische Instrumente 1119

34.1 Dünne Linsen, Aufbau des Strahlenganges 112134.2 Die Linsengleichung ; . . . : 112534.3 Linsensysteme 112934.4 Linsenmachergleichung 113134.5 Kameras 113434.6 Das menschliche Auge; Korrekturlinsen 113734.7 Vergrößerungsgläser ; 114034.8 Fernrohre 114234.9 Das Mikroskop 114534.10 Abbildungsfehler von Linsen und Spiegeln '. 1147Zusammenfassung 1149Verständnisfragen 1150Aufgaben : 1151

Kapitel 35 Die Wellennatur des Lichts; Interferenz 1159

35.1 Huygens-Prinzip und Beugung 116135.2 Huygens-Prinzip und Brechungsgesetz 116235.3 Interferenz - Das Young'sche Doppelspaltexperiment 116435.4 Kohärenz 116835.5 Die Intensität im Interferenzmuster des Doppelspalts 116935.6 Interferenz in dünnen Schichten ..'. 117335.7 Das Michelson-Interferometer 117735.8 Die Lichtstärke 1178Zusammenfassung 1179Verständnisfragen 1180Aufgaben 1180

Kapitel 36 Beugung und Polarisation 1185

36.1 Beugung am Einfachspalt 118836.2 Intensität im Beugungsmuster des Einfachspalts 119036.3 Beugung am Doppelspalt 119336.4 Beschränkung der Auflösung; kreisförmige Offnungen 119536.5 Auflösung von Teleskopen und Mikroskopen; der A-Grenzfall 1197

A 36.6 Auflösungsvermögen des menschlichen Auges und sinnvolle Vergrößerung 119936.7 Beugungsgitter 119936.8 ^Spektrometer und Spektroskopie 120136.9 Linienbreite und Auflösungsvermögen eines Beugungsgitters : 1203

y36.10 Röntgenstrahlen und Röntgenbeugung 120536.11 Polarisation 120736.12 Die Streuung des Lichts an der Atmosphäre 1211Zusammenfassung 1212Verständnisfragen 1213Aufgaben 1214

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 37 Spezielle Relativitätstheorie . . :. 1221

37.1 Galilei-Newton'sches Relativitätsprinzip .• 122337.2 Das Michelson-Morley-Experiment •.- : 122637.3 Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie - .' 122937.4 Gleichzeitigkeit 123137.5 Zeitdilatation und das Zwillingsparadoxon •.'...' 123337.6 Längenkontraktion , 7..-. . . . . . . 123737.7 Die vierdimensionale Raumzeit • .' 124037.8 Galilei- und Lorentz-Transformationen .- 124037.9 Relativistischer Impuls und relativistische Masse 124537.10 Grenzgeschwindigkeit •..'... 124737.11 Energie und Masse; E = mc2 124837.12 Doppier-Verschiebung des Lichts 125237.13 Die Auswirkungen der.speziellen Relativitätstheorie 1253Zusammenfassung 1254Verständnisfragen 1255Aufgaben • 1256

Kapitel 38 Frühe Quantentheorie und Atommodelle 1263

38.1 Die Planck'sche Quantenhypothese 126538.2 Photonentheorie des Lichts und der photoelektrische Effekt 126838.3 Photonen und der Compton-Effekt 127238.4 Photonenwechselwirkungen; Paarerzeugung 127438.5 Welle-Teilchen-Dualismus; das Komplementaritätsprinzip ,.. 127638.6 Die Wellennatur der Materie 127638.7 Elektronenmikroskope , 127938.8 Frühe Atommodelle 128038.9 Atomspektren: Schlüssel zur Struktur des Atoms 128238.10 Das Bohr'sche Atommodell ' 128438.11 Die Anwendung der de Broglie'schen Hypothese auf Atome 1291Zusammenfassung 1292Verständnisfragen 1293Aufgaben 1295

Kapitel 39 Quantenmechanik 1301

39.1 Die Quantenmechanik: Eine neue Theorie 130439.2 Die Wellenfunktion und ihre Interpretation; das Doppelspaltexperiment 130439.3 Die Heisenberg'sche Unschärferelation 130639.4 Philosophische Konsequenzen; Wahrscheinlichkeit vs. Determinismus 131039.5 Die Schrödingergleichung in einer Dimension — zeitunabhängige Form 131239.6 Die zeitabhängige Schrödingergleichung 131439.7 Freie Teilchen; Ebene Wellen und Wellenpakete 131639.8 Teilchen in einem unendlich tiefen Potentialtopf (einem festen Kasten) 131739.9 Endlicher Potentialtopf 132139.10 Tunneln durch eine Potentialbarriere '. , 1323Zusammenfassung 1327Verständnisfragen 1327Aufgaben 1328

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Inhaltsverzeichnis * , ,/ r *

Kapitel 40 Quantenmechanik von Atomen ' 1333

40.1 Quantenmechanische Sicht auf Atome 133540.2 Das Wasserstoffatom: Schrödingergleichung und Quantenzahlen . .• • 133640.3 Die Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms .• 134040.4 Komplexe Atome; das Pauli-Prinzip : . . . ' . . . . . : . 134340.5 Das'Periodensystem der Elemente . . . . • . . : . . : . . . . . . : 134440.6 Röntgenspektren und Ordnungszahl 134740.7 Magnetische Dipolmomente; Gesamtdrehimpuls '.•....; 134940.8 Fluoreszenz und Phosphoreszenz ' 135340.9 Laser ; '..; 135440.10 Holographie 1357Zusammenfassung 1360Verständnisfragen • ; : . . . . 1360Aufgaben : 1362

Kapitel 41 Moleküle und Festkörper 1367

41.1 Molekülbindungen 136941.2 Potentielle Energie von Molekülen 137241.3 Schwache (van-der-Waals)-Bindungen 137541.4 Molekülspektren 137741.5 Bindungen in Festkörpern .' 138541.6 Elektronentheorie der Metalle ; 138641.7 Das Energiebändermodell für Kristalle 139041.8 Halbleiter und Dotierung •. 139441.9 Halbleiterdioden 7..: '. 139541.10 Transistoren und integrierte Schaltkreise 1397Zusammenfassung t 1399Verständnisfragen .' ; 1400Aufgaben ! 1401

Kapitel 42 Kernphysik und Radioaktivität 1407

42.1 Struktur und Eigenschaften des Atomkerns ' 140942.2 Bindungsenergie und Kernkräfte 141242.3 Radioaktivität 141542.4 Alphazerfall 141742.5 Betazerfall 141942.6 Gammazerfall 142242.7 Erhaltung der Nukleonenzahl und weitere Erhaltungssätze .' 142242.8 Halbwertszeit und Zerfallsrate ' 142342.9 Zerfallsreihen 1426'42.10 Die Radiokarbonmethode 142842.11 Strahlungsmessung .' 1430Zusammenfassung 1431Verständnisfragen 1432Aufgaben 1432

Kapitel 43 Kernenergie; Auswirkungen und Anwendungsmöglichkeiten der Strahlung 1437

43.1 Kernreaktionen und Transmutation von Elementen 143943.2 Der Wirkungsquerschnitt ~ 144243.3 Kernspaltung; Kernreaktoren 144443.4 Fusion • 1450

Inhaltsverzeichnis

43.5 Durchgang der Strahlung durch Materie; Strahlungsschäden 145643.6 Strahlungsmessung - Dosimetrie 145743.7 Strahlentherapie 146043.8 Indikatoren 146143.9 Bildgebung durch Tomographie 146143.10 Kernspinresonanz (NMR) und bildgebende Kernspintomographie (MRI) 1464Zusammenfassung 1467Verständnisfragen 1468Aufgaben 1469

Kapitel 44 Elementarteilchen 1475

44.1 Hochenergetische Teilchen 147744.2 Teilchenbeschleuniger und Detektoren 147844.3 Anfänge der Elementarteilchenphysik - Teilchenaustausch 148444.4 Teilchen und Antiteilchen 148744.5 Wechselwirkungen von Teilchen und Erhaltungssätze 148844.6 Teilchenklassifikation 149044.7 Stabilität von Teilchen und Resonanzen 149144.8 Seltsame Teilchen 149344.9 Quarks 149544.10 Das „Standardmodell": Quantenchromodynamik (QCD) und die elektroschwache Theorie 149844.11 Die große vereinheitlichte Theorie 1500Zusammenfassung 1503Verständnisfragen 1504Aufgaben 1504

Kapitel 45 Astrophysik und Kosmologie 1509

45.1 Sterne und Galaxien , 151145.2 Sternentwicklung: Die Geburt und der Tod von Sternen 151645.3 Allgemeine Relativitätstheorie: Die Schwerkraft und die Krümmung des Raumes 152345.4 Das expandierende Universum 152845.5 Der Urknall und der kosmische Mikrowellenhintergrund 153245.6 Das kosmologische Standardmodell: Die Frühgeschichte des Universums 153445.7 Die Zukunft des Universums 1538Zusammenfassung 1542Verständnisfragen 1543Aufgaben 1544

Anhang . 1549

A Mathematische Formeln 1550B Ableitungen und Integrale 1552C Gravitationskraft und sphärische Masseverteilung 1554D Ausgewählte Isotope 1557E Lösungen zu den Aufgaben mit ungerader Nummerierung 1561F Physikalische Größen: Verwendete Symbole und ihre Einheiten 1585G Index 1590

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