Halliday Physik (eBook)

Stephan W. Koch lehrt Physik in Marburg und ist häufig als Gastwissenschaftler an der Universität von Arizona, Tucson/USA. Er hat in Frankfurt Physik studiert, 1979 promoviert und sich, nach Forschungsaufenthalten bei den IBM Research Labs, 1983 habilitiert. Anschließend ging er in die USA, wo er ab 1989 Full Professor an der University of Arizona in Tucson war. 1993 folgte er einem Ruf an die Uni Marburg, blieb aber bis heute Adjunct Professor in Arizona. 1997 erhielt Herr Koch den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 1999 den Max-Planck-Forschungspreis der Humboldt Stiftung und Max-Planck-Gesellschaft. Seit mehreren Jahren ist er als Herausgeber und Berater für Fachzeitschriften aktiv.

Cover 1
Vorwort zur deutschen Ausgabe 7
Zum Aufbau des Buches 8
Inhaltsverzeichnis 9
1 Messung und Maßeinheiten 15
1.1 Grundsätzliches zu Messungen 15
1.1.1 Dinge messen 16
1.1.2 Das Internationale Einheitensystem SI 16
1.1.3 Einheiten umwandeln 17
1.1.4 Länge 18
1.2 Zeit 20
1.2.1 Die zwei Seiten der Zeit 20
1.3 Masse 22
1.3.1 Das Urkilogramm 22
1.3.2 Ein zweites Massennormal 22
1.3.3 Dichte 22
1.4 Zusammenfassung 23
1.5 Aufgaben 24
2 Geradlinige Bewegung 27
2.1 Ort, Verschiebung und mittlere Geschwindigkeit 27
2.1.1 Bewegung 28
2.1.2 Ort und Verschiebung 28
2.1.3 Durchschnittsgeschwindigkeit 29
2.2 Momentangeschwindigkeit 33
2.2.1 Momentangeschwindigkeit 33
2.3 Beschleunigung 35
2.3.1 Beschleunigung 35
2.4 Konstante Beschleunigung 38
2.4.1 Konstante Beschleunigung: Ein Sonderfall 39
2.4.2 Konstante Beschleunigung: ein anderer Blickwinkel 43
2.5 Der freie Fall 44
2.5.1 Der freie Fall 45
2.6 Zusammenfassung 47
2.7 Fragen 48
2.8 Aufgaben 49
3 Vektoren 55
3.1 Vektoren und ihre Eigenschaften 55
3.1.1 Vektoren und Skalare 56
3.1.2 Geometrische Addition von Vektoren 56
3.1.3 Komponenten von Vektoren 59
3.2 Einheitsvektoren und Vektoraddition 62
3.2.1 Einheitsvektoren 62
3.2.2 Komponentenweise Addition von Vektoren 63
3.2.3 Vektoren und physikalische Gesetze 67
3.3 Die Multiplikation von Vektoren 67
3.3.1 Die Multiplikation von Vektoren 68
3.4 Felder 72
3.4.1 Größen mit mehreren Variablen 72
3.5 Partielle Ableitungen 74
3.5.1 Wie man Felder ableitet 74
3.6 Vektorableitungen 76
3.6.1 Der Gradient 76
3.6.2 Die Divergenz 77
3.6.3 Die Rotation 78
3.6.4 Zweite Ableitungen 78
3.7 Komplexe Zahlen und Funktionen 79
3.7.1 Erweiterung des reellen Zahlenbereichs 80
3.8 Zusammenfassung 82
3.9 Fragen 83
3.10 Aufgaben 85
4 Bewegung in zwei und drei Dimensionen 91
4.1 Ort und Verschiebung 91
4.1.1 Ort und Verschiebung 92
4.2 Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit 94
4.2.1 Mittlere und Momentangeschwindigkeit 94
4.3 Durchschnittsbeschleunigung und Momentanbeschleunigung 96
4.3.1 Veränderliche Geschwindigkeiten 97
4.4 Wurfbewegungen 99
4.4.1 Flugbahnen 99
4.4.2 Analyse der Wurfbewegung 101
4.5 Die gleichförmige Kreisbewegung 106
4.5.1 Konstanter Betrag, variable Richtung 107
4.5.2 Beweis von Gleichung 4.30 107
4.6 Relativbewegung in einer Dimension 109
4.6.1 Bezugssysteme 110
4.7 Relativbewegung in zwei Dimensionen 112
4.7.1 Mehr als eine Dimension 112
4.8 Zusammenfassung 114
4.9 Fragen 115
4.10 Aufgaben 118
5 Kraft und Bewegung – I 125
5.1 Das erste und das zweite Newtonsche Gesetz 125
5.1.1 Die Newtonsche Mechanik 126
5.1.2 Das erste Newtonsche Gesetz 127
5.1.3 Kraft 128
5.1.4 Masse 129
5.1.5 Das zweite Newtonsche Gesetz 130
5.2 Einige besondere Kräfte 135
5.2.1 Einige besondere Kräfte 136
5.3 Die Newtonschen Gesetze in der Praxis 140
5.3.1 Das dritte Newtonsche Gesetz 141
5.3.2 Anwendung der Newtonschen Gesetze 142
5.4 Zusammenfassung 150
5.5 Fragen 151
5.6 Aufgaben 153
6 Kraft und Bewegung – II 159
6.1 Reibung 159
6.1.1 Reibung 160
6.1.2 Eigenschaften der Reibung 162
6.2 Strömungswiderstand und Endgeschwindigkeit 165
6.2.1 Strömungswiderstand und Endgeschwindigkeit 166
6.3 Gleichförmige Kreisbewegung 169
6.3.1 Gleichförmige Kreisbewegung 169
6.4 Scheinkräfte 175
6.4.1 Nichtinertialsysteme 176
6.5 Zusammenfassung 179
6.6 Fragen 180
6.7 Aufgaben 182
7 Kinetische Energie und Arbeit 189
7.1 Energie 189
7.1.1 Kinetische Energie 189
7.1.2 Arbeit 191
7.2 Arbeit und kinetische Energie 192
7.2.1 Arbeit und kinetische Energie 193
7.3 Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit 197
7.3.1 Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit 198
7.4 Von einer Federkraft verrichtete Arbeit 202
7.4.1 Von einer Federkraft verrichtete Arbeit 203
7.5 Von einer allgemeinen veränderlichen Kraft verrichtete Arbeit 206
7.5.1 Von einer allgemeinen veränderlichen Kraft verrichtete Arbeit 207
7.6 Leistung 211
7.6.1 Leistung 212
7.7 Zusammenfassung 214
7.8 Fragen 215
7.9 Aufgaben 218
8 Potenzielle Energie und Energieerhaltung 225
8.1 Potenzielle Energie 225
8.1.1 Arbeit und potenzielle Energie 226
8.1.2 Wegunabhängigkeit von konservativen Kräften 228
8.1.3 Berechnung der potenziellen Energie 230
8.2 Der Energieerhaltungssatz der Mechanik 233
8.2.1 Der Energieerhaltungssatz der Mechanik 234
8.3 Grafische Darstellung der potenziellen Energie 237
8.3.1 Potenzialkurven 238
8.4 Von einer äußeren Kraft an einem System verrichtete Arbeit 242
8.4.1 Von einer äußeren Kraft an einem System verrichtete Arbeit 243
8.5 Energieerhaltung 246
8.5.1 Energieerhaltung 247
8.6 Zusammenfassung 252
8.7 Fragen 253
8.8 Aufgaben 255
9 Systeme von Teilchen 265
9.1 Der Schwerpunkt 265
9.1.1 Der Schwerpunkt 266
9.2 Das zweite Newtonsche Gesetz für ein Teilchensystem 270
9.2.1 Das zweite Newtonsche Gesetz für ein Teilchensystem 271
9.3 Der Impuls 275
9.3.1 Der Impuls eines einzelnen Teilchens 275
9.3.2 Der Impuls eines Teilchensystems 276
9.4 Stoßprozesse: Der Kraftstoß 277
9.4.1 Einzelne Stöße 277
9.4.2 Stoßserien 279
9.5 Die Impulserhaltung 281
9.5.1 Die Impulserhaltung 282
9.6 Inelastische eindimensionale Stöße 286
9.6.1 Inelastische eindimensionale Stöße 286
9.6.2 Vollständig inelastische eindimensionale Stöße 287
9.6.3 Die Geschwindigkeit des Schwerpunkts 287
9.7 Elastische eindimensionale Stöße 289
9.7.1 Stöße auf ein ruhendes Objekt 289
9.7.2 Stöße auf ein bewegtes Objekt 291
9.8 Zweidimensionale Stöße 293
9.8.1 Zweidimensionale Stöße 293
9.9 Systeme mit veränderlicher Masse: Eine Rakete 294
9.9.1 Raketen 294
9.10 Äußere Kräfte und Änderungen der inneren Energie 297
9.10.1 Körper, die nicht starr sind 297
9.10.2 Herleitung von Gl. 9.84 298
9.11 Zusammenfassung 300
9.12 Fragen 302
9.13 Aufgaben 304
10 Die Rotation ausgedehnter Körper 315
10.1 Die Variablen der Rotation 315
10.1.1 Die Variablen der Rotation 317
10.1.2 Sind Winkelgrößen Vektoren? 323
10.2 Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung 324
10.2.1 Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung 324
10.3 Beziehungen zwischen den Variablen für lineare Bewegung und Rotation 327
10.3.1 Beziehungen zwischen den Variablen für lineare Bewegung und Rotation 327
10.4 Die kinetische Energie der Rotation 332
10.4.1 Die kinetische Energie der Rotation 332
10.5 Die Berechnung des Trägheitsmoments 333
10.5.1 Die Berechnung des Trägheitsmoments 334
10.6 Das Drehmoment 338
10.6.1 Das Drehmoment 339
10.7 Das zweite Newtonsche Gesetz für die Rotation 340
10.7.1 Das zweite Newtonsche Gesetz für die Rotation 340
10.8 Arbeit und kinetische Energie der Rotation 344
10.8.1 Arbeit und kinetische Energie der Rotation 345
10.9 Zusammenfassung 349
10.10 Fragen 351
10.11 Aufgaben 353
11 Rollbewegung, Drehmoment und Drehimpuls 361
11.1 Die Rollbewegung 361
11.1.1 Die Rollbewegung als Mischung aus Translation und Rotation 362
11.1.2 Die Rollbewegung als reine Rotation 363
11.2 Kräfte und die kinetische Energie der Rollbewegung 363
11.2.1 Die kinetische Energie der Rollbewegung 364
11.2.2 Die Kräfte bei der Rollbewegung 365
11.3 Das Jo-Jo 368
11.3.1 Das Jo-Jo 368
11.4 Eine erweiterte Definition des Drehmoments 369
11.4.1 Ein erweiterter Blick auf das Drehmoment 369
11.5 Der Drehimpuls 371
11.5.1 Der Drehimpuls 372
11.6 Das zweite Newtonsche Gesetz in Winkelschreibweise 374
11.6.1 Das zweite Newtonsche Gesetz in Winkelschreibweise 374
11.7 Der Drehimpuls eines starren Körpers 377
11.7.1 Der Drehimpuls eines Systems von Teilchen 378
11.7.2 Der Drehimpuls eines rotierenden starren Körpers 379
11.8 Die Erhaltung des Drehimpulses 380
11.8.1 Die Erhaltung des Drehimpulses 381
11.9 Die Präzession eines Kreisels 388
11.9.1 Die Präzession eines Kreisels 388
11.10 Zusammenfassung 390
11.11 Fragen 391
11.12 Aufgaben 393
12 Gleichgewicht und Elastizität 401
12.1 Gleichgewicht 401
12.1.1 Gleichgewicht 402
12.1.2 Bedingungen für das Gleichgewicht 403
12.1.3 Das Gravizentrum 404
12.2 Beispiele für statische Gleichgewichte 406
12.2.1 Beispiele für statische Gleichgewichte 407
12.3 Elastizität 414
12.3.1 Unterbestimmte Strukturen 415
12.3.2 Elastizität 416
12.4 Zusammenfassung 421
12.5 Fragen 421
12.6 Aufgaben 423
13 Gravitation 433
13.1 Das Newtonsche Gravitationsgesetz 433
13.1.1 Das Newtonsche Gravitationsgesetz 434
13.2 Gravitation und das Superpositionsprinzip 436
13.2.1 Gravitation und das Superpositionsprinzip 436
13.3 Die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche 439
13.3.1 Die Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche 439
13.4 Die Gravitation innerhalb der Erde 442
13.4.1 Die Gravitation innerhalb der Erde 443
13.5 Die potenzielle Energie der Gravitation 444
13.5.1 Die potenzielle Energie der Gravitation 445
13.6 Planeten und Satelliten: Die Keplerschen Gesetze 450
13.6.1 Planeten und Satelliten: Die Keplerschen Gesetze 450
13.7 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie 453
13.7.1 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie 454
13.8 Einstein und die Gravitation 457
13.8.1 Das Äquivalenzprinzip 457
13.8.2 Die Krümmung des Raums 457
13.9 Zusammenfassung 459
13.10 Fragen 460
13.11 Aufgaben 462
14 Fluide 469
14.1 Fluide, Dichte und Druck 469
14.1.1 Was ist ein Fluid? 470
14.1.2 Dichte und Druck 470
14.2 Ruhende Fluide 473
14.2.1 Ruhende Fluide 473
14.3 Druckmessung 476
14.3.1 Druckmessung 476
14.4 Das Pascalsche Prinzip 478
14.4.1 Das Pascalsche Prinzip 478
14.5 Das archimedische Prinzip 479
14.5.1 Das archimedische Prinzip 480
14.6 Die Kontinuitätsgleichung 484
14.6.1 Ideale Fluide in Bewegung 484
14.6.2 Die Kontinuitätsgleichung 485
14.7 Die Bernoulli-Gleichung 489
14.7.1 Die Bernoulli-Gleichung 489
14.8 Zusammenfassung 493
14.9 Fragen 494
14.10 Aufgaben 495
15 Schwingungen 503
15.1 Harmonische Schwingungen 503
15.1.1 Harmonische Schwingungen 505
15.1.2 Das Kraftgesetz einer harmonischen Schwingung 508
15.2 Die Energie einer harmonischen Schwingung 512
15.2.1 Die Energie einer harmonischen Schwingung 512
15.3 Das Torsionspendel 514
15.3.1 Das Torsionspendel 515
15.4 Pendel und Kreisbewegungen 516
15.4.1 Pendel 517
15.4.2 Harmonische Schwingungen und die gleichförmige Kreisbewegung 521
15.5 Gedämpfte harmonische Schwingungen 523
15.5.1 Gedämpfte harmonische Schwingungen 524
15.6 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 528
15.6.1 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 528
15.7 Das Foucaultsche Pendel 532
15.7.1 Das Foucaultsche Pendel 532
15.8 Zusammenfassung 535
15.9 Fragen 536
15.10 Aufgaben 539
16 Wellen – I 545
16.1 Transversalwellen 545
16.1.1 Arten von Wellen 546
16.1.2 Transversal- und Longitudinalwellen 547
16.1.3 Wellenlänge und Frequenz 548
16.1.4 Die Geschwindigkeit einer fortlaufenden Welle 550
16.2 Die Wellengeschwindigkeit eines gespannten Seils 556
16.2.1 Die Wellengeschwindigkeit eines gespannten Seils 556
16.3 Energie und Leistung einer sich ausbreitenden Seilwelle 558
16.3.1 Energie und Leistung einer fortlaufenden Seilwelle 559
16.4 Die Wellengleichung 561
16.4.1 Die Wellengleichung 561
16.5 Die Interferenz von Wellen 563
16.5.1 Das Superpositionsprinzip für Wellen 564
16.5.2 Die Interferenz von Wellen 564
16.6 Darstellung von Wellen durch Zeiger 568
16.6.1 Zeiger 568
16.7 Stehende Wellen und Resonanz 570
16.7.1 Stehende Wellen 571
16.7.2 Stehende Wellen und Resonanz 573
16.8 Zusammenfassung 577
16.9 Fragen 578
16.10 Aufgaben 580
17 Wellen – II 587
17.1 Die Schallgeschwindigkeit 587
17.1.1 Schallwellen 587
17.1.2 Die Schallgeschwindigkeit 588
17.2 Die Ausbreitung von Schallwellen 591
17.2.1 Die Ausbreitung von Schallwellen 591
17.3 Interferenz 594
17.3.1 Interferenz 595
17.4 Schallintensität und Schallpegel 597
17.4.1 Schallintensität und Schallpegel 598
17.5 Musikalische Töne 601
17.5.1 Musikalische Töne 602
17.6 Schwebungen 606
17.6.1 Schwebungen 606
17.7 Der Doppler-Effekt 608
17.7.1 Der Doppler-Effekt 608
17.8 Überschallgeschwindigkeit und Stoßwellen 614
17.8.1 Überschallgeschwindigkeit und Stoßwellen 614
17.9 Zusammenfassung 615
17.10 Fragen 616
17.11 Aufgaben 618
18 Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 625
18.1 Temperatur 625
18.1.1 Temperatur 626
18.1.2 Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik 626
18.1.3 Die Messung von Temperaturen 627
18.2 Die Celsius- und die Fahrenheit-Skala 629
18.2.1 Die Celsius- und die Fahrenheit-Skala 629
18.3 Wärmeausdehnung 632
18.3.1 Wärmeausdehnung 632
18.4 Die Absorption von Wärme 635
18.4.1 Temperatur und Wärme 636
18.4.2 Die Aufnahme von Wärme durch Festkörper und Flüssigkeiten 637
18.5 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 642
18.5.1 Wärme und Arbeit: Eine ausführlichere Betrachtung 643
18.5.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 645
18.5.3 Einige Beispiele für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik 647
18.6 Mechanismen der Wärmeübertragung 649
18.6.1 Mechanismen der Wärmeübertragung 650
18.7 Zusammenfassung 655
18.8 Fragen 656
18.9 Aufgaben 658
19 Die kinetische Gastheorie 665
19.1 Ein neuer Blick auf Gase 665
19.1.1 Die Avogadro-Konstante 666
19.2 Ideale Gase 667
19.2.1 Ideale Gase 668
19.3 Druck, Temperatur und gemittelte Geschwindigkeiten 671
19.3.1 Druck, Temperatur und Mittelwerte von Geschwindigkeiten 672
19.4 Kinetische Translationsenergie 675
19.4.1 Kinetische Translationsenergie 675
19.5 Die mittlere freie Weglänge 676
19.5.1 Die mittlere freie Weglänge 676
19.6 Die Verteilungsfunktion der Molekülgeschwindigkeiten 678
19.6.1 Die Verteilung der Molekülgeschwindigkeiten 679
19.7 Die molare Wärmekapazität idealer Gase 683
19.7.1 Die molare Wärmekapazität idealer Gase 684
19.8 Freiheitsgrade und molare Wärmekapazität 688
19.8.1 Freiheitsgrade und molare Wärmekapazität 689
19.8.2 Die Quantenmechanik macht sich bemerkbar 691
19.9 Die adiabatische Expansion eines idealen Gases 692
19.9.1 Die adiabatische Expansion idealer Gase 692
19.10 Reale Gase 697
19.10.1 Reale Gase 698
19.11 Zusammenfassung 700
19.12 Fragen 702
19.13 Aufgaben 704
20 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 709
20.1 Entropie 709
20.1.1 Irreversible Prozesse und Entropie 710
20.1.2 Entropieänderungen 711
20.1.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 716
20.2 Entropie in Aktion: Thermodynamische Maschinen 717
20.2.1 Thermodynamische Maschinen 718
20.3 Kältemaschinen und reale Maschinen 723
20.3.1 Kältemaschinen 724
20.3.2 Der Wirkungsgrad von realen Maschinen 725
20.4 Eine statistische Interpretation der Entropie 727
20.4.1 Eine statistische Interpretation der Entropie 727
20.5 Zusammenfassung 732
20.6 Fragen 733
20.7 Aufgaben 734
21 Elektrische Ladung 741
21.1 Elektromagnetismus 741
21.1.1 Elektrische Ladung 743
21.1.2 Leiter und Isolatoren 744
21.1.3 Das Coulomb-Gesetz 746
21.2 Die elektrische Ladung ist quantisiert 754
21.2.1 Ladung ist quantisiert 754
21.3 Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgröße 756
21.3.1 Ladung ist eine Erhaltungsgröße 756
21.4 Zusammenfassung 757
21.5 Fragen 758
21.6 Aufgaben 760
22 Elektrische Felder 765
22.1 Das elektrische Feld 765
22.1.1 Das elektrische Feld 766
22.1.2 Elektrische Feldlinien 767
22.2 Das elektrische Feld einer Punktladung 768
22.2.1 Das elektrische Feld einer Punktladung 769
22.3 Das elektrische Feld eines Dipols 771
22.3.1 Das elektrische Feld eines elektrischen Dipols 772
22.4 Elektrisches Feld einer linearen Ladungsverteilung 774
22.4.1 Das elektrische Feld einer linearen Ladungsverteilung 775
22.5 Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe 780
22.5.1 Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe 780
22.6 Punktladung im elektrischen Feld 782
22.6.1 Punktladung im elektrischen Feld 782
22.7 Ein Dipol in einem elektrischen Feld 784
22.7.1 Ein Dipol im elektrischen Feld 785
22.8 Zusammenfassung 788
22.9 Fragen 789
22.10 Aufgaben 791
23 Der Gaußsche Satz 797
23.1 Das Coulombsche Gesetz in neuem Licht 797
23.1.1 Das Coulombsche Gesetz in neuem Licht 798
23.1.2 Der Fluss 799
23.1.3 Der Fluss eines elektrischen Felds 800
23.2 Der Gaußsche Satz 803
23.2.1 Der Gaußsche Satz 804
23.2.2 Gaußscher Satz und Coulombsches Gesetz 808
23.3 Eigenschaften eines geladenen, isolierten Leiters 809
23.3.1 Geladene isolierte Leiter 809
23.3.2 Ein isolierter Leiter mit einem Hohlraum 810
23.3.3 Der Grenzfall eines nicht existierenden Körpers 810
23.3.4 Das äußere elektrische Feld 811
23.4 Eine Anwendung des Gaußschen Satzes: Zylindersymmetrie 813
23.4.1 Eine Anwendung des Gaußschen Satzes: Zylindersymmetrie 813
23.5 Eine Anwendung des Gaußschen Satzes: Ebene Symmetrie 815
23.5.1 Eine Anwendung des Gaußschen Satzes: Ebene Symmetrie 815
23.6 Eine Anwendung des Gaußschen Satzes: Kugelsymmetrie 818
23.6.1 Eine Anwendung des Gaußschen Satzes: Kugelsymmetrie 819
23.7 Zusammenfassung 821
23.8 Fragen 821
23.9 Aufgaben 823
24 Das elektrische Potenzial 831
24.1 Das elektrische Potenzial 831
24.1.1 Elektrisches Potenzial und elektrische potenzielle Energie 832
24.2 Äquipotenzialflächen 837
24.2.1 Äquipotenzialflächen 837
24.2.2 Die Berechnung des Potenzials aus dem Feld 838
24.3 Das Potenzial von Punktladungen 841
24.3.1 Das Potenzial einer Punktladung 841
24.3.2 Das Potenzial einer Gruppe von Punktladungen 843
24.4 Das Potenzial eines elektrischen Dipols 844
24.4.1 Das Potenzial eines elektrischen Dipols 845
24.5 Das Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung 846
24.5.1 Das Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung 847
24.6 Die Berechnung des elektrischen Felds aus dem elektrischen Potenzial 849
24.6.1 Die Berechnung des elektrischen Felds aus dem elektrischen Potenzial 850
24.7 Die elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen 851
24.7.1 Die elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen 852
24.8 Das Potenzial eines geladenen, isolierten leitenden Körpers 855
24.8.1 Das Potenzial eines geladenen, isolierten leitenden Körpers 855
24.9 Zusammenfassung 857
24.10 Fragen 858
24.11 Aufgaben 859
25 Kapazität 865
25.1 Kondensatoren und ihre Anwendungen 865
25.1.1 Kapazität 866
25.2 Die Berechnung der Kapazität 868
25.2.1 Kapazität typischer Kondensatoren 868
25.3 Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren 873
25.3.1 Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren 874
25.4 In einem elektrischen Feld gespeicherte Energie 879
25.4.1 In einem elektrischen Feld gespeicherte Energie 880
25.5 Kondensator mit Dielektrikum 883
25.5.1 Kondensator mit Dielektrikum 883
25.5.2 Dielektrika – auf atomarem Niveau betrachtet 886
25.6 Dielektrika und Gaußscher Satz 887
25.6.1 Dielektrika und Gaußscher Satz 888
25.7 Zusammenfassung 891
25.8 Fragen 892
25.9 Aufgaben 893
26 Elektrischer Strom und Widerstand 899
26.1 Ladung in Bewegung: Elektrischer Strom 899
26.1.1 Elektrischer Strom 900
26.2 Die Stromdichte 903
26.2.1 Die Stromdichte 903
26.3 Widerstand und spezifischer Widerstand 907
26.3.1 Widerstand und spezifischer Widerstand 908
26.4 Das Ohmsche Gesetz 912
26.4.1 Das Ohmsche Gesetz 913
26.4.2 Das Ohmsche Gesetz – mikroskopisch betrachtet 914
26.5 Elektrische Leistung in Stromkreisen 916
26.5.1 Elektrische Leistung in Stromkreisen 917
26.5.2 Halbleiter 919
26.5.3 Supraleiter 920
26.6 Zusammenfassung 922
26.7 Fragen 923
26.8 Aufgaben 925
27 Stromkreise 931
27.1 Unverzweigte Stromkreise 931
27.1.1 Ladungen „pumpen“ 933
27.1.2 Arbeit, Energie und Spannung 933
27.1.3 Berechnung des Stroms in einem unverzweigten Stromkreis 935
27.1.4 Weitere unverzweigte Stromkreise 937
27.1.5 Potenzialdifferenzen 939
27.2 Verzweigte Stromkreise 942
27.2.1 Verzweigte Stromkreise 943
27.3 Amperemeter und Voltmeter 951
27.3.1 Amperemeter und Voltmeter 952
27.4 RC-Kreise 952
27.4.1 RC-Kreise 953
27.5 Zusammenfassung 958
27.6 Fragen 958
27.7 Aufgaben 960
28 Magnetfelder 967
28.1 Magnetfelder und die Definition von 967
28.1.1 Wie entsteht ein magnetisches Feld? 968
28.1.2 Die Definition von 969
28.2 Gekreuzte Felder: Die Entdeckung des Elektrons 973
28.2.1 Gekreuzte Felder: Die Entdeckung des Elektrons 973
28.3 Gekreuzte Felder: Der Hall-Effekt 975
28.3.1 Gekreuzte Felder: Der Hall-Effekt 976
28.4 Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn 979
28.4.1 Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn 980
28.5 Zyklotron und Synchrotron 984
28.5.1 Zyklotron und Synchrotron 984
28.6 Die magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht 987
28.7 Das Drehmoment auf eine stromdurchflossene Drahtschleife 989
28.7.1 Das Drehmoment auf eine stromdurchflossene Drahtschleife 990
28.8 Das magnetische Dipolmoment 992
28.8.1 Das magnetische Dipolmoment 992
28.9 Zusammenfassung 994
28.10 Fragen 995
28.11 Aufgaben 997
29 Magnetfelder aufgrund von Strömen 1003
29.1 Das Magnetfeld um einen Strom 1003
29.1.1 Das Magnetfeld um einen Strom 1004
29.2 Die Kraft zwischen parallelen Strömen 1011
29.2.1 Die Kraft zwischen parallelen Strömen 1011
29.3 Das Ampèresche Gesetz 1013
29.3.1 Das Ampèresche Gesetz 1013
29.4 Zylinder- und Ringspulen 1017
29.4.1 Zylinder- und Ringspulen 1017
29.5 Eine stromführende Spule als magnetischer Dipol 1020
29.5.1 Eine stromführende Spule als magnetischer Dipol 1020
29.6 Zusammenfassung 1023
29.7 Fragen 1023
29.8 Aufgaben 1025
30 Induktion und Induktivität 1031
30.1 Das Faradaysche Gesetz und die Lenzsche Regel 1031
30.1.1 Zwei symmetrische Situationen 1032
30.1.2 Zwei Experimente 1033
30.1.3 Das Faradaysche Induktionsgesetz 1033
30.1.4 Die Lenzsche Regel 1036
30.2 Induktion und Energietransfer 1040
30.2.1 Induktion und Energietransfer 1040
30.3 Induzierte elektrische Felder 1043
30.3.1 Induzierte elektrische Felder 1044
30.4 Induktivität 1048
30.4.1 Induktivität 1049
30.5 Selbstinduktion 1050
30.5.1 Selbstinduktion 1050
30.6 RL-Kreise 1052
30.6.1 RL-Kreise 1052
30.7 Energiespeicherung im Magnetfeld 1056
30.7.1 Energiespeicherung im Magnetfeld 1056
30.8 Die Energiedichte eines Magnetfelds 1058
30.8.1 Die Energiedichte eines Magnetfelds 1058
30.9 Gegeninduktion 1059
30.9.1 Gegeninduktion 1060
30.10 Zusammenfassung 1063
30.11 Fragen 1064
30.12 Aufgaben 1066
31 Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom 1075
31.1 LC-Schwingungen 1075
31.1.1 LC-Schwingungen: Eine qualitative Betrachtung 1076
31.1.2 Die Analogie zwischen elektrischen und mechanischen Oszillatoren 1080
31.1.3 LC-Schwingungen: Eine quantitative Diskussion 1080
31.2 Gedämpfte Schwingungen in einem RLC-Kreis 1084
31.2.1 Gedämpfte Schwingungen in einem RLC-Kreis 1085
31.3 Erzwungene Schwingungen 1086
31.3.1 Wechselstrom 1087
31.3.2 Erzwungene Schwingungen 1088
31.3.3 Drei einfache Stromkreise 1089
31.4 Der Reihen-RLC-Kreis 1096
31.4.1 Der Reihen-RLC-Kreis 1097
31.5 Leistung in Wechselstromkreisen 1102
31.5.1 Leistung in Wechselstromkreisen 1102
31.6 Transformatoren 1105
31.6.1 Transformatoren 1106
31.7 Zusammenfassung 1110
31.8 Fragen 1112
31.9 Aufgaben 1113
32 Magnetismus und Materie 1119
32.1 Der Gaußsche Satz für Magnetfelder 1119
32.1.1 Der Gaußsche Satz für Magnetfelder 1120
32.2 Induzierte magnetische Felder 1121
32.2.1 Induzierte magnetische Felder 1121
32.3 Der Verschiebungsstrom und die Maxwell-Gleichungen 1124
32.3.1 Der Verschiebungsstrom 1125
32.3.2 Die Maxwell-Gleichungen 1128
32.4 Magnete 1130
32.4.1 Magnete 1130
32.5 Der Magnetismus von Elektronen 1132
32.5.1 Der Magnetismus von Elektronen 1133
32.5.2 Magnetische Materialien 1137
32.6 Diamagnetismus 1138
32.6.1 Diamagnetismus 1138
32.7 Paramagnetismus 1140
32.7.1 Paramagnetismus 1140
32.8 Ferromagnetismus 1142
32.8.1 Ferromagnetismus 1143
32.9 Zusammenfassung 1146
32.10 Fragen 1148
32.11 Aufgaben 1150
33 Elektromagnetische Wellen 1155
33.1 Elektromagnetische Wellen 1155
33.1.1 Maxwells Regenbogen 1156
33.1.2 Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen: Eine qualitative Betrachtung 1157
33.1.3 Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen: Eine quantitative Betrachtung 1160
33.2 Energietransport und Poynting-Vektor 1165
33.2.1 Energietransport und Poynting-Vektor 1166
33.3 Der Strahlungsdruck 1168
33.3.1 Der Strahlungsdruck 1169
33.4 Polarisation 1171
33.4.1 Polarisation 1171
33.5 Reflexion und Brechung 1176
33.5.1 Reflexion und Brechung 1177
33.6 Totalreflexion 1183
33.6.1 Totalreflexion 1183
33.7 Polarisation durch Reflexion 1184
33.7.1 Polarisation durch Reflexion 1185
33.8 Zusammenfassung 1186
33.9 Fragen 1187
33.10 Aufgaben 1189
34 Abbildungen 1197
34.1 Bilder und ebene Spiegel 1197
34.1.1 Zwei Arten von Bildern 1198
34.1.2 Ebene Spiegel 1199
34.2 Kugelspiegel 1201
34.2.1 Kugelspiegel 1202
34.2.2 Abbildungen an Kugelspiegeln 1203
34.3 Sphärische brechende Flächen 1207
34.3.1 Sphärische brechende Flächen 1207
34.4 Dünne Linsen 1210
34.4.1 Dünne Linsen 1211
34.5 Optische Instrumente 1217
34.5.1 Optische Instrumente 1218
34.6 Drei Herleitungen 1221
34.6.1 Die Gleichung für den Kugelspiegel (Gl. 34.4) 1221
34.6.2 Die Linsengleichung (Gl. 34.8) 1222
34.6.3 Die Gleichungen für dünne Linsen (Gln. 34.9 und 34.10) 1223
34.7 Zusammenfassung 1224
34.8 Fragen 1225
34.9 Aufgaben 1227
35 Interferenz 1233
35.1 Licht als Welle 1233
35.1.1 Das Huygenssche Prinzip 1234
35.2 Beugung am Doppelspalt 1239
35.2.1 Beugung 1239
35.2.2 Der Doppelspaltversuch 1240
35.3 Interferenz und Intensität 1246
35.3.1 Kohärenz 1246
35.3.2 Die Intensitäten bei der Interferenz am Doppelspalt 1247
35.4 Interferenz an dünnen Schichten 1251
35.4.1 Interferenz an dünnen Schichten 1251
35.5 Das Michelson-Interferometer 1259
35.5.1 Das Michelson-Interferometer 1259
35.6 Zusammenfassung 1260
35.7 Fragen 1261
35.8 Aufgaben 1263
36 Beugung 1269
36.1 Beugung am Einzelspalt 1269
36.1.1 Beugung und die Wellentheorie des Lichts 1270
36.1.2 Beugung am Einzelspalt: Die Lage der Minima 1271
36.2 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt 1274
36.2.1 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt: Eine qualitative Betrachtung 1275
36.2.2 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt: Eine quantitative Betrachtung 1276
36.3 Beugung an einer kreisrunden Öffnung 1279
36.3.1 Beugung an einer kreisrunden Öffnung 1280
36.4 Beugung am Doppelspalt 1283
36.4.1 Beugung am Doppelspalt 1284
36.5 Beugungsgitter 1287
36.5.1 Beugungsgitter 1288
36.6 Beugungsgitter: Dispersion und Auflösungsvermögen 1291
36.6.1 Dispersion 1291
36.6.2 Auflösungsvermögen 1292
36.6.3 Die Herleitung von Gl. 36.30 1292
36.6.4 Die Herleitung von Gl. 36.32 1293
36.6.5 Ein Vergleich zwischen Dispersion und Auflösungsvermögen 1293
36.7 Röntgenbeugung 1295
36.7.1 Röntgenbeugung 1295
36.8 Zusammenfassung 1297
36.9 Fragen 1298
36.10 Aufgaben 1300
37 Relativitätstheorie 1307
37.1 Gleichzeitigkeit und Zeitdilatation 1307
37.1.1 Die Postulate 1309
37.1.2 Die Messung von Ereignissen 1310
37.1.3 Die Relativität der Gleichzeitigkeit 1311
37.1.4 Die Relativität der Zeit 1313
37.2 Die Relativität der Länge 1318
37.2.1 Die Relativität der Länge 1319
37.3 Die Lorentz-Transformation 1322
37.3.1 Die Lorentz-Transformation 1323
37.3.2 Einige Folgen aus den Lorentz-Gleichungen 1325
37.4 Die Relativität der Geschwindigkeiten 1328
37.4.1 Die Relativität der Geschwindigkeiten 1328
37.5 Der Doppler-Effekt für Lichtwellen 1329
37.5.1 Der Doppler-Effekt für Lichtwellen 1329
37.6 Impuls und Energie 1333
37.6.1 Eine neue Sicht auf den Impuls 1334
37.6.2 Eine neue Sicht auf die Energie 1335
37.7 Zusammenfassung 1340
37.8 Fragen 1341
37.9 Aufgaben 1343
38 Photonen und Materiewellen 1349
38.1 Das Photon: Teilchen des Lichts 1349
38.1.1 Das Photon: Teilchen des Lichts 1350
38.2 Der photoelektrische Effekt 1351
38.2.1 Der photoelektrische Effekt 1352
38.3 Photonenimpuls, Compton-Verschiebung und Lichtinterferenz 1355
38.3.1 Photonen besitzen einen Impuls 1356
38.3.2 Licht als Wahrscheinlichkeitswelle 1359
38.4 Die Geburtsstunde der Quantenphysik 1362
38.4.1 Die Geburtsstunde der Quantenphysik 1362
38.5 Elektronen und Materiewellen 1364
38.5.1 Elektronen und Materiewellen 1365
38.6 Die Schrödinger-Gleichung 1368
38.6.1 Die Schrödinger-Gleichung 1369
38.7 Die Heisenbergsche Unschärferelation 1371
38.7.1 Die Heisenbergsche Unschärferelation 1372
38.8 Reflexion an einer Potenzialschwelle 1373
38.8.1 Reflexion an einer Potenzialschwelle 1373
38.9 Der Tunneleffekt 1375
38.9.1 Der Tunneleffekt 1376
38.10 Zusammenfassung 1379
38.11 Fragen 1380
38.12 Aufgaben 1381
39 Mehr über Materiewellen 1387
39.1 Die Energie eines Elektrons in einer Elektronenfalle 1387
39.1.1 Seil- und Materiewellen 1388
39.1.2 Eindimensionale Elektronenfallen 1389
39.2 Die Wellenfunktionen eines Elektrons in einem Kastenpotenzial 1394
39.2.1 Die Wellenfunktionen eines Elektrons in einem Kastenpotenzial 1395
39.3 Das eindimensionale endliche Kastenpotenzial 1399
39.3.1 Ein Elektron in einem endlichen Kastenpotenzial 1400
39.4 Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen 1402
39.4.1 Elektronenfallen in der Praxis 1403
39.4.2 Die theoretische Analyse zwei- und dreidimensionaler Potenzialtöpfe 1405
39.5 Das Wasserstoffatom 1407
39.5.1 Das Wasserstoffatom als Elektronenfalle 1408
39.5.2 Das Bohrsche Atommodell 1409
39.5.3 Die Schrödinger-Gleichung und das Wasserstoffatom 1412
39.6 Zusammenfassung 1420
39.7 Fragen 1422
39.8 Aufgaben 1423
40 Atome 1429
40.1 Eigenschaften von Atomen 1429
40.1.1 Eigenschaften von Atomen 1431
40.1.2 Der Elektronenspin 1433
40.1.3 Drehimpulse und magnetische Momente 1434
40.2 Das Stern-Gerlach-Experiment 1436
40.2.1 Das Stern-Gerlach-Experiment 1437
40.3 Kernspinresonanz 1440
40.3.1 Kernspinresonanz 1440
40.4 Das Pauli-Prinzip 1442
40.4.1 Das Pauli-Prinzip 1442
40.4.2 Mehrere Elektronen in kastenförmigen Potenzialtöpfen 1442
40.5 Der Aufbau des Periodensystems 1446
40.5.1 Der Aufbau des Periodensystems 1447
40.6 Röntgenstrahlung 1449
40.6.1 Röntgenstrahlen und Ordnungszahlen 1450
40.7 Laser 1454
40.7.1 Laser und Laserlicht 1454
40.7.2 Das Funktionsprinzip von Lasern 1456
40.8 Zusammenfassung 1459
40.9 Fragen 1461
40.10 Aufgaben 1461
41 Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern 1467
41.1 Die elektrischen Eigenschaften von Metallen 1467
41.1.1 Die elektrischen Eigenschaften von Festkörpern 1468
41.1.2 Die Energieniveaus in einem kristallinen Festkörper 1469
41.1.3 Nichtleiter 1472
41.1.4 Metalle 1473
41.2 Halbleiter und Dotierung 1480
41.2.1 Halbleiter 1481
41.2.2 Dotierung 1483
41.3 pn-Übergänge und Transistoren 1486
41.3.1 Der pn-Übergang 1487
41.3.2 Der Halbleiter-Gleichrichter 1488
41.3.3 Anwendungen des pn-Übergangs 1489
41.3.4 Der Transistor 1492
41.4 Zusammenfassung 1494
41.5 Fragen 1495
41.6 Aufgaben 1496
42 Kernphysik 1501
42.1 Die Entdeckung des Atomkerns 1501
42.1.1 Die Entdeckung des Atomkerns 1501
42.2 Einige Eigenschaften von Atomkernen 1503
42.2.1 Einige Eigenschaften von Atomkernen 1504
42.3 Der radioaktive Zerfall 1511
42.3.1 Radioaktiver Zerfall 1511
42.4 Der Alpha-Zerfall 1515
42.4.1 Der Alpha-Zerfall 1516
42.5 Der Beta-Zerfall 1518
42.5.1 Der Beta-Zerfall 1518
42.6 Radiometrische Altersbestimmung 1522
42.6.1 Radiometrische Altersbestimmung 1522
42.7 Maße für Strahlungsdosen 1523
42.7.1 Maße für Strahlungsdosen 1524
42.8 Kernmodelle 1525
42.8.1 Kernmodelle 1525
42.9 Zusammenfassung 1528
42.10 Fragen 1529
42.11 Aufgaben 1530
43 Kernenergie 1539
43.1 Kernspaltung 1539
43.1.1 Der grundlegende Prozess 1540
43.1.2 Ein Modell der Kernspaltung 1543
43.2 Kernreaktoren 1545
43.2.1 Kernreaktoren 1546
43.3 Ein natürlicher Kernreaktor 1550
43.3.1 Ein natürlicher Kernreaktor 1550
43.4 Thermonukleare Fusion: Der grundlegende Prozess 1552
43.4.1 Thermonukleare Fusion: Der grundlegende Prozess 1553
43.5 Thermonukleare Fusion in der Sonne und anderen Sternen 1555
43.5.1 Thermonukleare Fusion in der Sonne und anderen Sternen 1555
43.6 Kontrollierte thermonukleare Fusion 1558
43.6.1 Kontrollierte thermonukleare Fusion 1558
43.7 Zusammenfassung 1561
43.8 Fragen 1562
43.9 Aufgaben 1563
44 Quarks, Leptonen und der Urknall 1569
44.1 Grundzüge der Teilchenphysik 1569
44.1.1 Teilchen, Teilchen und nochmals Teilchen 1570
44.1.2 Ein typischer Teilchenprozess 1574
44.2 Leptonen, Hadronen und Strangeness 1578
44.2.1 Leptonen 1578
44.2.2 Hadronen 1580
44.2.3 Noch ein Erhaltungssatz 1582
44.2.4 Der Achtfache Weg 1583
44.3 Quarks und Austauschteilchen 1584
44.3.1 Das Quarkmodell 1585
44.3.2 Die fundamentalen Kräfte und die Austauschteilchen 1588
44.4 Kosmologie 1591
44.4.1 Der Teil und das Ganze 1592
44.4.2 Das Universum dehnt sich aus 1592
44.4.3 Die kosmische Hintergrundstrahlung 1594
44.4.4 Dunkle Materie 1594
44.4.5 Der Urknall 1595
44.4.6 Ein Rückblick 1598
44.5 Zusammenfassung 1599
44.6 Fragen 1599
44.7 Aufgaben 1600
Anhang 1607
A Das Internationale Einheitensystem (SI) 1608
B Astronomische Daten 1610
C Umrechnungsfaktoren 1611
D Mathematische Formeln 1613
E Eigenschaften der Elemente 1617
F Antworten auf die Kontrollfragen und Fragen 1620
G Stichwortverzeichnis 1628
EULA 1643

"Die von Stephan W. Koch herausgegebene Übersetzung der erweiterten zehnten Auflage von 'Fundamentals of Physics' bietet mit 3,9 kg Physik-Wissen und 2,1 kg Übungsmaterial ein Schwergewicht geballten Wissens, nicht nur für Studierende sondern auch für allgemein Physik-Interessierte."
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