Inhalt
Der Mensch war schon immer neugierig darauf, die ihn umgebende Welt zu ergründen, und sucht nach Wegen, die verwirrende Vielfalt von Ereignissen, die er beobachtet, zu ordnen, beispielsweise das Blau des Himmels, die Änderung des Klangs, wenn ein Auto vorüberfährt, das Wiegen der Bäume im Wind, den Sonnenauf- und -untergang oder den Flug eines Vogels. Bei der Suche nach Erkenntnis gibt es verschiedene Herangehensweisen: Eine davon ist die Religion, eine andere die Kunst und eine dritte die Wissenschaft. In der Wissenschaft unterscheidet man zwischen Naturwissenschaften wie der Physik und Geisteswissenschaften wie der Philosophie. Die Physik hat es sich zum Ziel gesetzt, die Grundgesetze des Universums und ihre Wirkungsweise zu beschreiben. Sie behandelt Kategorien wie Materie und Energie, Raum und Zeit. Wie andere Wissenschaften auch, ist die Physik auf eine ganz spezifische und rationale Weise organisiert. Der Physiker will die Realität beschreiben, erklären und vorhersagen, indem er Modelle aufstellt, diese überprüft und miteinander verknüpft. Dabei bedient er sich Hypothesen, reproduzierbarer Experimente, Beobachtungen und wieder neuer Hypothesen. Das Ergebnis ist eine Reihe von Grundprinzipien und Gesetzmäßigkeiten, die die Erscheinungen in der uns umgebenden Welt beschreiben. Mithilfe dieser Gesetzmäßigkeiten können sowohl exotische Phänomene wie die dunkle Energie als auch ganz alltägliche Dinge beschrieben werden. Wie wir bald sehen werden, lassen sich mit Grundkenntnissen der Physik zahlreiche Fragen beantworten, mit denen wir häufig konfrontiert sind: Weshalb ist der Himmel blau? Wie schweben Astronauten im Weltraum? Wie funktioniert ein CD-Spieler? Weshalb klingt eine Oboe anders als eine Flöte? Warum benötigt ein Hubschrauber zwei Rotoren? Weshalb fühlen sich Metall gegenstände bei gleicher Temperatur kälter an als solche aus Holz? In diesem Buch werden wir zeigen, wie sich diese und viele weitere Fragen ausgehend von physikalischen Prinzipien beantworten lassen. Dabei werden Sie die bekannten Gebiete der Physik wie Mechanik (die Untersuchung der Bewegung von Körpern), Schall, Licht, Wärme, Elektrizität, Magnetismus, Atom- und Kernphysik wiederfinden. Darüber hinaus werden Sie nützliche Vorgehensweisen zur Lösung physikalischer Aufgabenstellungen erlernen.
Gliederung
Teil 1: Physikalische Größen und Messungen
- Kapitel 1: Physikalische Messungen und Größen
Teil 2: Mechanik
- Kapitel 2: Mechanik von Massepunkten
- Kapitel 3: Die Newton'schen Axiome
- Kapitel 4: Weitere Anwendungen der Newton'schen Axiome
- Kapitel 5: Energie und Arbeit
- Kapitel 6: Der Impuls
- Kapitel 7: Teilchensysteme
- Kapitel 8: Drehbewegungen
- Kapitel 9: Mechanik deformierbarer Körper
- Kapitel 10: Fluide
Teil 3: Schwingungen und Wellen
- Kapitel 11: Schwingungen
- Kapitel 12: Wellen
Teil 4: Thermodynamik
- Kapitel 13: Temperatur und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik
- Kapitel 14: Die kinetische Gastheorie
- Kapitel 15: Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik
- Kapitel 16: Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik
- Kapitel 17: Wärmeübertragung
Teil 5: Elektrizität und Magnetismus
- Kapitel 18: Das elektrische Feld 1 - diksrete Ladungsverteilungen
- Kapitel 19: Das elektrische Feld 2 - kontinuierliche Ladungsverteilungen
- Kapitel 20: Das elektrische Potenzial
- Kapitel 21: Die Kapazität
- Kapitel 22: Elektrischer Strom - Gleichstromkreise
- Kapitel 23: Das Magnetfeld
- Kapitel 24: Quellen des Magnetfelds
- Kapitel 25: Die Magnetische Induktion
- Kapitel 26: Wechselstromkreise
- Kapitel 27: Die Maxwell'schen Gleichungen - Elektromagnetische Wellen
Teil 6: Optik
- Kapitel 28: Eigenschaften des Lichts
- Kapitel 29: Geometrische Optik
- Kapitel 30: Interferenz un Beugung
Teil 7: Einsteins Relativitätstheorien
- Kapitel 31: Die Relativitätstheorien
Teil 8: Quantenmechanik
- Kapitel 32: Einführung in die Quantenphysik
- Kapitel 33: Anwendungen der Schrödingergleichung
Teil 9: Atome und Moleküle
- Kapitel 34: Atome
- Kapitel 35: Moleküle
Teil 10: Festkörperphysik
- Kapitel 36: Festkörper
- Kapitel 37: Elektrische Eigenschaften von Festkörpern
Teil 11: Kern- und Teilchenphysik
- Kapitel 38: Kernphysik
- Kapitel 39: Teilchenphysik
Anhänge
Teil 2: Mechanik
Die Grundmerkmale jeder Bewegung, die Verschiebung, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung, spielen in der Physik eine ganz wichtige Rolle. Tatsächlich war das Bestreben, die Bewegung von Körpern zu beschreiben, vor mehr als 400 Jahren die Geburtsstunde der Physik. Die Bewegung und die damit zusammenhängenden Konzepte der Kraft und der Masse bilden den Gegenstand der Mechanik. Im Rahmen der Mechanik werden wir uns zunächst der Kinematik zuwenden, die sich mit der Charakterisierung der Bewegung beschäftigt. Die Kinematik ist eine wesentliche Grundlage für das Verständnis des vorliegenden Buchs. Die Bewegung zieht sich durch die gesamte Physik. Die Kinematik bildet die Grundlage, um zu verstehen, in welcher Weise die Bewegung durch Kräfte und Massen beeinflusst wird.
Kapitel 2: Mechanik von Massepunkten
Tipler et al.
- 2.1 Verschiebung
- 2.2 Geschwindigkeit
- 2.3 Beschleunigung
- 2.4 Gleichförmig beschleunigte Bewegung in einer Dimension
- 2.5 Gleichförmig beschleunigte Bewegung in mehreren Dimensionen
- + Zusammenfassung & Aufgaben
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wollen wir uns mit der Kinematik einfacher Bewegungen beschäftigen. In diesem Zusammenhang werden wir die exakten Definitionen von Begriffen wie Verschiebung, Geschwindigkeit, Geschwindigkeitsbetrag und Beschleunigung einführen, die umgangssprachlich zur Beschreibung von Bewegungen herangezogen werden. Insbesondere werden wir den wichtigen Spezialfall der gleichförmig beschleunigten Bewegung betrachten und als Anwendungen den schrägen Wurf und die Kreisbewegung näher untersuchen.
Kapitel 8: Drehbewegungen
Tipler et al.
- 8.1 Kinematik der Drehbewegung: Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung
- 8.2 Die kinetische Energie der Drehbewegung
- 8.3 Berechnung von Trägheitsmomenten
- 8.4 Das Drehmoment
- 8.5 Gleichgewicht und Stabilität
- 8.6 Der Drehimpuls
- 8.7 Die Drehimpulserhaltung
- 8.8 Rollende Körper
- 8.9 Der Kreisel
- + Zusammenfassung & Aufgaben
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden wir Dreh- und Rollbewegungen untersuchen sowie die Unterschiede und Gemeinsamkeiten zu linearen Bewegungen aufzeigen. Zunächst behandeln wir die Rotation um eine feststehende Achse, anschließend Rotationen um Punkte. Danach beschäftigen wir uns mit den Rollbewegungen mit und ohne Schlupf. Zum Schluss behandeln wir den Kreisel als Anwendung einer allgemeinen Drehbewegung, bei der sich die Drehachse im Raum bewegt. Drehbewegungen sind allgegenwärtig: Die Erde rotiert um ihre Achse, genauso wie Propeller, Antriebswellen in Autos und Eisläufer bei einer Pirouette sich um ihre Achsen drehen. In diesem Kapitel werden wir Gesetze für die Drehbewegung entwickeln, die den Gesetzen der vorangegangenen Kapitel ähnlich sind.
Kapitel 9: Mechanik deformierbarer Körper
Tipler et al.
- 9.1 Spannung und Dehnung
- 9.2 Kompression
- 9.3 Scherung
- 9.4 Zusammenhang zwischen E, K, G und µ
- 9.5 Elastische Energie und Hysterese
- 9.6 Biegung
- + Zusammenfassung & Aufgaben
Zusammenfassung
Im Folgenden werden wir Verformungen und elastische Kräfte betrachten, die auftreten, wenn reale Körper unter mechanischer Spannung stehen. Seile und Taue, die wir bereits in den vergangenen Kapiteln benutzt haben, sind nur zwei Beispiele für deformierbare Körper. Auch andere Festkörper wie z. B. Holzbalken oder sogar Stahlträger können sich aufgrund äußerer Krafteinwirkungen verformen. Je nach Richtung der Krafteinwirkung, können sie gedehnt, gestaucht, gedreht oder gebogen werden. Wie man die Auswirkungen dieser Verformungen physikalisch beschreibt, werden wir in diesem Kapitel untersuchen.
Teil 5: Elektrizität und Magnetismus
Noch vor 150 Jahren gab es kaum mehr als ein paar elektrische Lampen, doch inzwischen sind wir in unserem Alltag extrem abhängig von der Elektrizität geworden. Obgleich aber die Elektrizität erst seit jüngster Zeit breit genutzt wird, reicht die Erforschung der Elektrizität weit in die Geschichte zurück und ist viel älter als die ersten elektrischen Glühlampen. Beobachtungen der elektrischen Anziehung können bis zu den alten Griechen zurückverfolgt werden. Sie beobachteten, dass Bernstein nach dem Reiben beispielsweise mit Katzenfell kleine Objekte wie Stroh oder Federn anzog. Das Wort "elektrisch" kommt von elektron, dem griechischen Wort für "Bernstein". Schon vor 2000 Jahren war im antiken Griechenland bekannt, dass bestimmte Steine (heute Magnetit genannt) Eisenstückchen anziehen. Schriftliche Überlieferungen belegen die Verwendung von Magneten zur Navigation bereits im 12. Jahrhundert. Im Rahmen der Elektrizität und des Magnetismus werden wir uns zunächst der Elektrizität zuwenden, die sich mit der Charakterisierung der Ladungsverteilungen und des Potenzial beschäftigt. Der Magnetismus ist eine wesentliche Grundlage für das Verständnis elektromagnetischer Wellen. Die zeitliche Veränderung der Felder zieht sich durch die moderne Physik. Die Maxwell'schen Gleichungen bilden die Grundlage, vieler moderner Experimente und beeinflussten die Entdeckung der Relativitätstheorien von Albert Einstein.
Kapitel 20: Das elektrische Potenzial
Tipler et al.
- 20.1 Die Potenzialdifferenz
- 20.2 Das Potenzial eines Punktladungssystems
- 20.3 Die Berechnung des elektrischen Feldes aus dem Potential
- 20.4 Die Berechnung des elektrischen Potenzials kontinuierliche Ladungsverteilungen
- 20.5 Äquipotentialflächen
- 20.6 Die elektrische Energie
- + Zusammenfassung & Aufgaben
Zusammenfassung
Im vorliegenden Kapitel wollen wir die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld und dem elektrischen Potenzial formulieren und das elektrische Potenzial verschiedener Ladungsverteilungen berechnen. Außerdem werden wir die elektrische Energie eines Punktladungssystems und eines Systems geladener Leiter berechnen.In Kapitel 5 haben wir die potenzielle Energie der Gravitation eingeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass diese sowohl in konzeptioneller Hinsicht als auch für praktische Berechnungen außerordentlich nützlich ist. Dies trifft ebenso auf die elektrische Energie zu, die wir in diesem Kapitel einführen werden. In diesem Zusammenhang wird auch der Begriff des elektrischen Felds weiterentwickelt. Dabei werden wir sehen, wie das elektrische Feld, das wir in Kapitel 18 und 19 kennen gelernt haben, mithilfe des elektrischen Potenzials beschrieben werden kann. Da das elektrische Potenzial ein skalares Feld ist, ist es in vielen Fällen leichter zu handhaben als das elektrische Feld selbst, das ein Vektorfeld ist.
Kapitel 22: Elektrischer Strom - Gleichstromkreise
Tipler et al.
- 22.1 Elektrischer Strom und die Bewegung von Ladungsträgern
- 22.2 Widerstand und Ohm'sches Gesetz
- 22.3 Energetische Betrachtung elektrischer Stromstärke
- 22.4 Zusammenschaltung von Widerständen
- 22.5 Die Kirchhoff'schen Regeln
- 22.6 RC-Stromkreise
- + Zusammenfassung & Aufgaben
Zusammenfassung
In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit Gleichstromkreisen, d. h. Stromkreisen, in denen sich die Stromrichtung nicht ändert. Zu solchen Stromkreisen gehört eine Gleichspannungsquelle (eine Batterie), die mit Widerständen und Kondensatoren verbunden sein kann. In Kapitel 26 werden wir uns Wechselstromkreisen (Kreisen, in denen sich die Stromrichtung ständig ändert) zuwenden. Wenn wir Licht einschalten, verbinden wir die Glühlampe mit den Polen einer Spannungsquelle, zwischen denen eine Potenzialdifferenz - eine elektrische Spannung - besteht. Diese Potenzialdifferenz bewirkt, dass elektrische Ladungen durch den Glühdraht fließen, ähnlich wie Wasser, das infolge des Druckunterschieds durch einen Gartenschlauch strömt, sobald wir den Wasserhahn aufdrehen. Einen Fluss elektrischer Ladungen bezeichnet man als elektrischen Strom. Wir denken dabei normalerweise an Ladungsträger, die sich durch einen leitfähigen Draht bewegen. Weniger alltägliche Beispiele sind der Elektronenstrahl einer Bildröhre und der Ionenstrahl in einem Teilchenbeschleuniger.