Inhalt
- Klassische Mechanik
- Thermodynamik
- Elektrizität und Magnetismus
- Optik
- Moderne Physik
- Das Physikalische Praktikum
Klassische Mechanik
Grundlagen
In diesem Kapitel wird die Newton’sche Mechanik eingeführt, und zentrale Begriffe wie Kraftund Masse werden definiert und untersucht. Es ist kein Zufall, dass so ziemlich jedes Physikbuch, das man finden kann, mit der Mechanik anfängt. Zum einen hat die moderne Physik ihre historischen Wurzeln in der Erforschung der Bewegung von Körpern („Kinematik“), zum anderen lernen wir hier auf (vergleichsweise) intuitive Art wichtige Werkzeuge der Mathematik kennen, die in der gesamten Physik Anwendung finden.
Translationsbewegungen
Hier lernt ihr eines der wichtigsten Prinzipien der Physik kennen, das viel zu oft unter den Tisch fällt, und auf dem eine Menge Vereinfachungen und Rechenwege basieren. Dies gilt nicht nur in der Mechanik, sondern insbesondere auch im Bereich des Elektromagnetismus. Es kommt aus der Vektorrechnung und ist für die Translationsbewegung unfassbar praktisch, z. B. wenn wir einen schiefen Wurf berechnen wollen. Das Superpositionsprinzip, oder Überlagerungsprinzip, besagt, dass sich Phänomene in verschiedene Richtungen aufteilen können.
Kräfte und Bewegung im Kraftfeld
Inertialsysteme, wie sie in Abschnitt 1.3 beschrieben sind, sind für uns ganz streng genommen nicht alltäglich. Denn: Keiner von uns ist in einem Inertialsystem, wir erfahren durch die Erde ständig eine Schwerkraft.
Energie und Arbeit
Dadurch, dass der Begriff „Energie“ ständig in unserem Alltagsleben vorkommt, ist seine physikalische Definition umso wichtiger für euch als Nebenfachstudierende; oft kommt es zu ungewollten und ungünstigen Verwechslungen oder Verwirrung, die in den Klausuren Punkte kostet.
Der Stoß
Nun fangen endlich Dinge an, miteinander zu interagieren. Das finden selbst Physiker interessant. Und zwar geht es beim Stoß hauptsächlich um Impulsübertrag. Wir unterscheiden hierbei allgemein zwischen dem elastischen und dem inelastischen Stoß. Der Unterschied hierbei ist hauptsächlich, dass beim inelastischen Stoß die Bewegungsenergie nicht komplett erhalten bleibt; genauer gesagt wird dabei ein Anteil der Bewegungsenergie in Verformungsenergie oder „Kopplungsenergie“ umgewandelt. So sind Stöße sind für Physiker natürlich nicht nur auf dem Billardtisch interessant.
Physik ausgedehnter Körper und Rotation
In diesem Kapitel gehen wir nun zum ersten Mal weg von der Physik der Massenpunkte und hin zu Masseverteilungen oder Ansammlungen von Massenpunkten, die starr miteinander verbunden sind. Daraus ergeben sich verschiedene neue Phänomene, die es zu beherrschen gilt.
Schwingungen und Wellen
Wir kommen endlich zu einem Lieblingsthema vieler Physiker. Hier dreht sich alles um Vorgänge, die schwingen und irgendwie periodisch sind. Dabei wird Energie ständig von einer Form in eine andere umgewandelt, und zwar im Idealfall ohne Verluste. In der Praxis kommt so etwas natürlich nicht vor, aber inzwischen sollte klar sein, dass Physiker erst einmal idealisieren, um ein Problem anzugehen, und sich dann um eventuelle Abweichungen vom Idealfall kümmern.
Physik der Fluide: Hydrostatik und -dynamik
Hydrostatik und -dynamik klingen fürs Erste sehr fancy; sie sind es auch! Vor allem die Hydrodynamik gehört eigentlich zu den komplexesten Teilgebieten der Physik: unlösbare Differenzialgleichungssysteme und viel Funktionentheorie! Für euch gestaltet sich die Lehre der statischen und dynamischen Flüssigkeiten jedoch sehr einfach, und außerdem gibt es viele Parallelen zu der Physik anderer Teilgebiete, die ihr vielleicht schon kennt.
Spezielle Relativitätstheorie
Wir kommen jetzt zu einem der am wenigsten intuitiven Teile der Physik. Das Grundpostulat der speziellen Relativitätstheorie ist vielleicht vielen anekdotisch bekannt: Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Art Tempolimit im Universum. Warum das so ist und warum sich daraus allerlei verrückte Effekte ableiten, soll hier gezeigt werden. Dazu muss gesagt werden: Auch wenn hier von einer „Theorie“ die Rede ist, heißt das nicht, dass das Ganze unbewiesener Firlefanz ist. Die Relativitätstheorie ist auf unglaubliche Präzision mit Experimenten getestet und hält – bisher – jedem Vergleich mit der Natur stand.
Thermodynamik
Temperatur und Wärme
Thermodynamik wird in manchen Texten auch „Wärmelehre“ genannt. Es geht also viel um Temperatur und was eine Temperaturänderung in verschiedenen Stoffen oder Körpern bewirkt. Eine ganz alltägliche Erscheinung wäre zum Beispiel, dass Eis ab einer gewissen Temperatur anfängt, zu schmelzen. Die Thermodynamik beschäftigt sich aber auch mit der Theorie von Gasen und z. B. damit, wie diese auf sogenannte Zustandsänderungen reagieren. Daraus ergeben sich auch ganz fundamentale Erkenntnisse, wie z. B. dass man kein Perpetuum Mobilebauen kann, also eine Maschine, die Energie aus dem „Nichts“ erzeugt. Euch sind viele Größen der Thermodynamik aus dem Alltag bekannt: Temperatur, Druck und Volumen begegnen uns ständig.
Gase
Nun wollen wir uns überlegen, wie wir Gase am besten beschreiben können. Die Thermodynamik befasst sich nämlich zu großen Teilen explizit mit Gasen. Der Grund hierfür ist, dass Gase meistens viel empfindlicher auf thermodynamische Zustandsänderungenreagieren als beispielsweise feste Stoffe. Eine Art von Zustandsänderungen haben wir schon ausführlich besprochen, ohne dass ihr es gemerkt habt: Denn die Änderung der Temperatur eines Körpers fällt auch darunter (nicht aber die Änderung des Aggregatzustandes; wir sprechen hier nur von Gasen). Jetzt wollen wir aber auch andere Parameter variieren und uns anschauen, wie Gase darauf reagieren.
Zustandsänderungen und Kreisprozesse
Wir haben jetzt endlich alle Werkzeuge zusammen, um Zustandsänderungen zu betrachten. Dabei wollen wir sehen, wie sich Gase unter Änderungen ihrer Parameter verhalten. Wir betrachten hier ausschließlich ideale Gase, da diese einerseits eine sehr gute Nährung für viele reale Gase darstellen, und weil sie durch die simple ideale Gasgleichung beschrieben werden. Eine kompliziertere Herangehensweise würden unsere Erkenntnis nicht verbessern.
Kinetische Gastheorie
Wir haben am Anfang der Thermodynamik die Temperatur und Energiebilanz ausführlich besprochen. Aber: Wie hängen die beiden denn mathematisch zusammen? Warum können einige Stoffe oder Körper mehr Wärmeenergie aufnehmen bei einer kleineren Temperaturänderung? Warum verhalten sich Gase und Festkörper so unterschiedlich? Dafür ist es notwendig, sich die inneren, mikroskopischen Vorgänge in den entsprechenden Stoffen klarzumachen. In der Physik spricht man vom mikroskopischen Modell der Thermodynamik; denn, wie wir im Kapitel 11 erfahren haben, braucht man im Grunde diese mikroskopische Erklärung (fast) nicht, um trotzdem sinnvoll Gase beschreiben zu können.
Elektrizität und Magnetismus
Elektrostatik
Mit dem Stichwort „Elektrizität“ verbinden viele von euch sicher vor allem die allseits beliebte Steckdose und den Fernseher, Computer oder Kühlschrank, die man daran anschließen kann. Darüber hinaus wird sie euch vielleicht vom Anschluss der Lampe in eurem Studentenzimmer und der Tatsache, dass, wenn ihr eine Leitung angebohrt habt, der Elektriker kommen muss, in schmerzlicher Erinnerung sein.
Elektrodynamik
Die Freude sollte euch an diesem Punkt ins Gesicht geschrieben stehen, denn wir kommen von der Statik zur Dynamik! Und was bedeutet das? Wir haben fließende elektrische Ströme, also sich bewegende Elektronen. Das heißt das Ladungssystem, das wir betrachten, bewegt sich mit der Zeit. Das kommt in der Realität auch viel häufiger vor, im Gegensatz zum recht langweiligen statischen Fall. Es war allerdings wichtig, statisch zu beginnen, um euch mit den Grundkonzepten vertraut zu machen! Im Folgenden kommen auch Widerstände und die allseits erwarteten Stromkreise ins Spiel. Anfangs behandeln wir sogenannten Gleichstrom, der meistens in Endgeräten fließt und kommen nach Abhandlung magnetischer Phänomene zum Konzept des Wechselstroms, wie er aus der Steckdose kommt.
Magnetismus
Bevor wir uns weiter mit der Elektrodynamik beschäftigen, wollen wir zunächst die Eigenschaften des Magnetismus beleuchten. Ist Magnetismus nicht etwas anderes als Elektrizität? Ja und nein. Auf der einen Seite wissen wir schon intuitiv, wie sich ein magnetisches Element in einem Magnetfeld verhält – sei es bei einem Kompass im Erdmagnetfeld, bei dem sich die Nadel ausrichtet oder bei einem Kühlschrankmagneten in der Küche, der direkt am Kühlschrank oder auf sonstigen magnetisierbaren Oberflächen haften bleibt.
Elektromagnetische Wellen
Schauen wir uns die Antenne in Form des gerade besprochenen offenen Schwingkreises nochmals an. Wegen des Schwingungsprozesses beobachten wir eine ständige Ladungsumpolung in Form eines elektrischen Dipols. Dieser offene Schwingkreis nennt sich auch Hertz’scher Dipol. Jedes Mal, wenn diese Umpolung geschieht, ändert sich auch die Richtung der elektrischen und der magnetischen Feldlinien.
Optik
Geometrische Optik
Nachdem wir uns schon im vorigen Kapitel ausführlich mit elektromagnetischen Wellen beschäftigt haben, legen wir unser Augenmerk jetzt auf deren Teil, der uns (und fast jedes andere Lebewesen) offensichtlich auch alltäglich betrifft: das sichtbare Licht. In diesem und den darauffolgenden Kapiteln werdet ihr also das Wichtigste über Brechung, Abbildungen, Mikroskope, Spektroskopie und die sagenumwobene Interferenz erfahren, um danach Fragen wie „Warum ist der Himmel blau?“ oder „Wieso schimmert eine CD in Regenbogenfarben?“ souverän beantworten zu können… oder auch einfach nur, um die nächste Klausur zu meistern.
Welleneigenschaften des Lichts
In der Elektrodynamik wurde ja schon erklärt, dass Licht aus Wellen besteht. Doch wie kommt es, dass wir nahezu fehlerlos mit Strahlen konstruieren können, wie im vorigen Kapitel? Wellen und Strahlen sind doch etwas völlig Unterschiedliches? Nun ja, in der Physik ist es häufig eine Frage der Genauigkeit und der Skala, auf der man Dinge betrachten will. Die Strahlenoptik bzw. die geometrische Optik ist dabei ein Spezialfall, der vor allem für sichtbares Licht im Alltag häufig ausreicht.
Beugung am Spalt und am Gitter
Interferenzphänomene werden meist mithilfe von Spalt- oder Gitterexperimenten demonstriert. Bei diesen wird in der Regel monochromatisches (d. h. Lichtwellen einer einzigen Wellenlänge) und kohärentes Licht, heutzutage einfach durch Laser erzeugt, auf einen oder mehrere kleine Spaltblenden gerichtet und das Interferenzmuster auf einem Schirm hinter dem Spalt oder Gitter beobachtet.
Das Lichtmikroskop
Ein Musterbeispiel für eine optische Abbildung mit einem optischen System aus mehreren Linsen findet man in einem Lichtmikroskop, bei dem durch geschicktes Platzieren der beiden Linsen eine sehr hohe Vergrößerung erreicht wird. Das Mikroskop ist eines der Instrumente, das viele von euch im Laufe des Studiums oder, je nach Berufswahl, auch danach tatsächlich anwenden werden. Daher wird es häufig „ausgeschlachtet“, sowohl in den Vorlesungen als auch in Klausuren, weshalb wir ihm einen eigenen Abschnitt widmen. Auch sind die Formeln, die dort zur Anwendung kommen, nicht unbedingt einfach aus den grundlegenden Abbildungsgleichungen herzuleiten.
Moderne Physik
Quantenmechanik
Endlich sind wir bei der sogenannten Modernen Physik angekommen. Was genau meinen wir eigentlich damit? Ist jetzt alles, was wir bisher gemacht haben, veraltet und irrelevant? Mit Moderner Physik meint man in der Regel die Physik der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts; sie schließt sowohl die fundamental neuartigen, bahnbrechenden und schockierenden Erkenntnisse der Quantenmechanik als auch die hier bereits behandelte Relativitätstheorie ein. Es war die Zeit von großen Namen wie Albert Einstein (der in unzähligen Bereichen der Theorie seine Finger im Spiel hatte und schließlich für ein Quantenphänomen, den Photoeffekt, den Nobelpreis erhielt), Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, Niels Bohr, Max Planck und Erwin Schrödinger, den „Vätern“ der Quantenmechanik.
Atom- und Molekülphysik
Auch wenn man denken könnte, dass es bei der Atomphysik um Atombomben und Atomkraftwerke geht (was vielmehr Teil der Kernphysik im Bereich Kernspaltung ist) hat das Folgende damit nichts zu tun! Wir wollen stattdessen endlich ein paar Fäden mit Hinblick auf verschiedene Anwendungen zusammenführen. Dabei wollen wir die halbklassische (was das bedeutet, werden wir gleich sehen) Theorie des sogenannten Bohr’schen Atommodells mit der Quantenmechanik vereinigen, um eine Theorie der Physik der Atomhüllen und der Moleküle zu entwerfen. Dies führt uns zur Orbitaltheorie und zu den Atom- und Molekülspektren, die in den Naturwissenschaften von großer Bedeutung sind. In der Quantenmechanik hatten wir schon die Lösung der Schrödinger-Gleichung für Potenzialtöpfe angesprochen.
Kernphysik
Bisher haben wir vor allem Prozesse in der Atomphysik betrachtet, bei denen die Elektronen um den Kern wichtig waren. Über den Kern an sich haben wir bisher aber noch recht wenig gesagt. Wir hatten zwar schon erwähnt, dass der Atomkern in Form des Kernspins I und der Wechselwirkung zwischen Kern und Elektronen in Form der Hyperfeinstrukturaufspaltung noch zu äußerst geringen Verschiebungen der spektralen Energieniveaus führt. Allerdings haben wir die genaue Beschreibung wegen der geringen Auswirkung des Effekts außen vor gelassen. Im Folgenden interessieren wir uns nun für den Aufbau der Kerne und den Zerfall instabiler Kerne, die sogenannte Radioaktivität.
Festkörperphysik
Nachdem wir nun schon so viel über Atome und Moleküle gelernt haben, wollen wir noch einen Blick darauf werfen, wie sich diese in Festkörpern verhalten. Natürlich kann man Festkörper ganz fundamental wieder mit den Methoden der Quantenmechanik und den zugehörigen Wellenfunktionen beschreiben. Besonders anschaulich ist in diesem Zusammenhang in einem Festkörpergitter die regelmäßige Anordnung von Potenzialtöpfen, die die unzähligen Atomrümpfe darstellen. Wir wollen aber eine phänomenologischere Betrachtung wählen, um wenigstens ein paar Eigenschaften von Festkörpern zu lernen, die ein spannendes Forschungsgebiet darstellen.
Das Physikalische Praktikum
Grundlagen
Als Nebenfächler werden die meisten von euch im Laufe der ersten Semester mit einem physikalischen Pflichtpraktikum konfrontiert. Meistens genießt dieses den Ruf, dass arme Nebenfächler (für die Physik scheinbar unwichtig ist) von teuflischen Tutoren (die an euch ihren Frust ablassen) bei langweiligen Versuchen (die man nie wieder im Leben braucht) zu Tode gequält werden (indem man sein Versuchsprotokoll gefühlte zehn Mal korrigieren muss). Versetzt ihr euch in den Standpunkt der Tutoren, dann könnt ihr euch sicher vorstellen, dass dieser ungefähr wie folgt aussieht: Unmotivierten Banausen (die nicht einsehen wollen, dass die Physik einen wichtigen Teil ihrer Naturwissenschaft darstellt) wird von unterbezahlten Weltverbesserern (ja, irgendwie wollen wir euch wirklich missionieren) mit (zugegebenermaßen nicht immer) beispielhaften Versuchen wissenschaftlich korrektes Experimentieren (wenn nötig, durch anregende Verbesserungsvorschläge) beigebracht.
Beispielversuch: Messung der Elementarladung
In diesem Kapitel wollen wir nun einen typischen Versuch mit euch durchgehen. Zu diesem Zweck haben wir einen nicht allzu umfangreichen Versuch gewählt, und zwar die Bestimmung der Elementarladung nach Millikan. Dieser wurde unter anderem hierfür im Jahr 1923 mit dem Physiknobelpreis belohnt.