Physik für Bachelors

von: Johannes Rybach

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2013

ISBN: 9783446436008

Sprache: Deutsch

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Physik für Bachelors

	Inhaltsverzeichnis	9
	1 EINSTIEG	13
	1.1 Motivation	13
	1.2 Physikalische Größen	13
	1.3 Maßsystem und Standards	14
	1.4 Größenordnungen	17
	1.5 Messgenauigkeit	18
	1.6 Vektoren und Koordinaten	20
	Zusammenfassung: Einstieg	22
	Testfragen und Übungsaufgaben	22
	2 MECHANIK	24
	2.1 Kinematik	24
	2.1.1 Eindimensionale Bewegungen	24
	2.1.1.1 Geschwindigkeit	24
	2.1.1.2 Beschleunigung	26
	2.1.1.3 Bewegungsgleichung	26
	2.1.1.4 Der freie Fall	27
	2.1.2 Bewegungen in zwei und drei Dimensionen	29
	2.1.2.1 Überlagerung eindimensionaler Bewegungen	29
	2.1.2.2 Bezugssysteme und Transformationen	30
	Zusammenfassung: Kinematik	31
	2.2 Dynamik	32
	2.2.1 Newtonsche Axiome	32
	2.2.1.1 Trägheitsgesetz	32
	2.2.1.2 Aktionsgesetz	33
	2.2.1.3 Reaktionsgesetz	33
	2.2.2. Folgerungen aus den Newtonschen Axiomen	33
	2.2.2.1 Kraft und Impuls	33
	2.2.2.2 Abgeschlossenes System und Impulserhaltungssatz	34
	2.2.3 Mechanische Kräfte	35
	2.2.3.1 Trägheitskraft	35
	2.2.3.2 Gewichtskraft	35
	2.2.3.3 Federkraft und Hookesches Gesetz	37
	2.2.3.4 Reibungskraft	37
	Zusammenfassung: Dynamik	38
	2.3 Arbeit, Energie und Leistung	38
	2.3.1 Mechanische Arbeit	39
	2.3.2 Potenzielle Energie	39
	2.3.3 Kinetische Energie	40
	2.3.4 Energieerhaltungssatz der Mechanik	40
	2.3.5 Stoßgesetze	41
	2.3.6 Leistung und Wirkungsgrad	42
	Zusammenfassung: Arbeit, Energie und Leistung	44
	2.4 Kinematik und Dynamik der Kreisbewegung	44
	2.4.1 Grundbegriffe der Kreisbewegung	44
	2.4.2 Radialbeschleunigung	45
	2.4.3 Radialkräfte	47
	2.4.4 Coriolis-Beschleunigung und -Kraft	47
	Zusammenfassung: Kreisbewegung	49
	2.5 Rotation starrer Körper	50
	2.5.1 Drehmoment	50
	2.5.2 Schwerpunkt, Gleichgewicht und Statik	51
	2.5.3 Trägheitsmoment	52
	2.5.4 Rotationsenergie und Drehimpuls	54
	Zusammenfassung: Rotation starrer Körper	55
	2.6 Schwingungen und Wellen	56
	2.6.1 Freie ungedämpfte Schwingungen	56
	2.6.2 Freie gedämpfte Schwingungen	59
	2.6.3 Erzwungene Schwingungen	59
	2.6.4 Überlagerung von Schwingungen	61
	2.6.4.1 Räumliche Überlagerung	61
	2.6.4.2 Zeitliche Überlagerung	62
	2.6.4.3 Gekoppelte Schwingungen	62
	2.6.5 Harmonische Wellen	63
	Zusammenfassung: Schwingungen und Wellen	65
	2.7 Gravitation und Himmelsmechanik	65
	2.7.1 Keplersche Gesetze	65
	2.7.2 Newtonsches Gravitationsgesetz	66
	2.7.3 Gravitationsfeld	68
	2.7.4 Ergebnisse der Einsteinschen Relativitätstheorien	69
	2.7.4.1 Spezielle Relativitätstheorie	69
	2.7.4.2 Allgemeine Relativitätstheorie	72
	Zusammenfassung: Gravitation und Himmelsmechanik	73
	2.8 Flüssigkeiten und Gase	74
	2.8.1 Druck	74
	2.8.1.1 Kolbendruck	74
	2.8.1.2 Schweredruck	74
	2.8.1.3 Luftdruck	75
	2.8.1.4 Auftrieb	76
	2.8.2 Oberflächenspannung	77
	2.8.3 Strömungen	78
	2.8.3.1 Reibungsfreie Strömungen	78
	2.8.3.2 Viskose Strömungen	79
	Zusammenfassung: Flüssigkeiten und Gase	81
	Testfragen und Übungsaufgaben zur Mechanik	82
	3 THERMODYNAMIK	86
	3.1 Temperatur	86
	3.1.1 Skalen und Fixpunkte	86
	3.1.2 Thermische Ausdehnung	87
	3.1.3 Temperaturmessung	89
	Zusammenfassung: Temperatur	90
	3.2 Wärme	91
	3.2.1 Wärmekapazität	91
	3.2.2 Aggregatzustände	92
	3.2.3 Wärmetransport	95
	3.2.3.1 Konvektion	96
	3.2.3.2 Wärmeleitung	96
	3.2.3.3 Wärmestrahlung	98
	Zusammenfassung: Wärme	101
	3.3 Ideale Gase	101
	3.3.1 Molare Größen	101
	3.3.2 Zustandsgleichung	102
	3.3.3 Kinetische Gastheorie	104
	3.3.3.1 Druck	104
	3.3.3.2 Temperatur und Energie	105
	3.3.3.3 Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung und Boltzmann-Faktor	106
	Zusammenfassung: Ideale Gase	107
	3.4 Zustandsänderungen und erster Hauptsatz	107
	3.4.1 Volumenänderungsarbeit	107
	3.4.2 Erster Hauptsatz	108
	3.4.3 Zustandsänderungen	109
	3.4.3.1 Isotherme Zustandsänderung	109
	3.4.3.2 Isochore Zustandsänderung	110
	3.4.3.3 Isobare Zustandsänderung	110
	3.4.3.4 Adiabatische Zustandsänderung	111
	Zusammenfassung: Zustandsänderungen und erster Hauptsatz	113
	3.5 Kreisprozesse und zweiter Hauptsatz	113
	3.5.1 Kreisprozess von Carnot	113
	3.5.2 Reversibilität und Wirkungsgrad	115
	3.5.3 Kreisprozesse bei Motoren	117
	3.5.4 Zweiter Hauptsatz	117
	3.5.5 Entropie	119
	Zusammenfassung: Kreisprozesse und zweiter Hauptsatz	122
	Testfragen und Übungsaufgaben zur Thermodynamik	122
	4 ELEKTRIZITÄT UND MAGNETISMUS	125
	4.1 Elektrostatik	125
	4.1.1 Elektrische Ladungen und die Coulomb-Kraft	125
	4.1.2 Elektrisches Feld	127
	4.1.3 Potenzial und Spannung	129
	4.1.4 Kondensator und Kapazität	131
	4.1.4.1 Plattenkondensator	131
	4.1.4.2 Dielektrikum im Kondensator	132
	4.1.4.3 Kondensator als Energiespeicher	134
	Zusammenfassung: Elektrostatik	135
	4.2 Strom und Widerstand	135
	4.2.1 Stromstärke und Stromdichte	136
	4.2.2 Widerstand	137
	4.2.3 Stromkreise und Stromverzweigungen	140
	Zusammenfassung: Strom und Widerstand	143
	4.3 Magnetfeld	144
	4.3.1 Magnetische Phänomene	144
	4.3.2 Strom und Magnetfeld	145
	4.3.3 Materie im Magnetfeld	147
	4.3.4 Strom und magnetische Kraft	149
	4.3.5 Lorentz-Kraft	150
	Zusammenfassung: Magnetfeld	153
	4.4 Elektromagnetische Induktion	153
	4.4.1 Induktion durch Bewegung	153
	4.4.2 Induktionsgesetz	154
	4.4.3 Lenzsche Regel	155
	4.4.4 Selbstinduktion	156
	4.4.5 Energie des Magnetfeldes	158
	Zusammenfassung: Elektromagnetische Induktion	158
	4.5 Wechselstrom	159
	4.5.1 Generator und Transformator	159
	4.5.2 Wechselstromwiderstand	161
	4.5.3 Phasenbeziehungen im Wechselstromkreis	162
	Zusammenfassung: Wechselstrom	164
	4.6 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen	164
	4.6.1 Schwingkreis	165
	4.6.2 Maxwellsche Gleichungen	166
	4.6.3 Elektromagnetische Wellen	168
	4.6.3.1 Abstrahlung	168
	4.6.3.2 Ausbreitung	168
	4.6.3.3 Eigenschaften	170
	Zusammenfassung: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen	172
	4.7 Grundlagen der Elektronik	172
	4.7.1 Elektronen im Vakuum	172
	4.7.1.1 Glühelektrischer Effekt	172
	4.7.1.2 Beschleunigung im elektrischen Feld	173
	4.7.1.3 Ablenkung im magnetischen Feld	175
	4.7.2 Elektronen in Gasen	175
	4.7.3 Ladungen in Flüssigkeiten	176
	4.7.4 Elektronen in Metallen	178
	4.7.5 Ladungsträger in Halbleitern	179
	4.7.5.1 Eigenleitung	179
	4.7.5.2 Störstellenleitung	179
	4.7.5.3 pn-Übergang	180
	4.7.5.4 Halbleiterdioden	180
	4.7.5.5 Transistoren	181
	Zusammenfassung: Grundlagen der Elektronik	182
	Testfragen und Übungsaufgaben zu Elektrizität und Magnetismus	183
	5 OPTIK	187
	5.1 Grundlagen der Strahlenoptik	187
	5.1.1 Lichtausbreitung	187
	5.1.2 Reflexion	189
	5.1.3 Brechung und Totalreflexion	190
	Zusammenfassung: Grundlagen der Strahlenoptik	193
	5.2 Strahlenoptische Abbildungen	194
	5.2.1 Eigenschaften von Linsen	194
	5.2.2 Abbildungen mit Linsen	195
	5.2.3 Linsensysteme und Abbildungsfehler	197
	Zusammenfassung: Strahlenoptische Abbildungen	198
	5.3 Strahlenoptische Instrumente	198
	5.3.1 Kamera und Auge	198
	5.3.2 Fernrohre	200
	5.3.3 Mikroskop	202
	Zusammenfassung: Strahlenoptische Instrumente	203
	5.4 Grundlagen der Wellenoptik	203
	5.4.1 Interferenz und Kohärenz	204
	5.4.2 Wellenausbreitung	206
	5.4.3 Beugung	207
	Zusammenfassung: Grundlagen der Wellenoptik	208
	5.5 Anwendungen der Wellenoptik	209
	5.5.1 Beugungsbegrenztes Auflösungsvermögen	209
	5.5.2 Beugungsgitter	210
	5.5.3 Holografie	212
	5.5.4 Interferometrie	213
	Zusammenfassung: Anwendungen der Wellenoptik	215
	5.6 Polarisationsoptik	215
	5.6.1 Grundbegriffe	215
	5.6.2 Erzeugung polarisierten Lichtes	216
	5.6.3 Anwendungen polarisierten Lichtes	218
	Zusammenfassung: Polarisationsoptik	219
	Testfragen und Übungsaufgaben zur Optik	219
	6 QUANTEN UND ATOME	222
	6.1 Welle-Teilchen-Dualismus	222
	6.1.1 Quantenoptik	222
	6.1.1.1 Fotoeffekt	222
	6.1.1.2 Eigenschaften von Photonen	225
	6.1.1.3 Compton-Effekt	225
	6.1.2 Materiewellen	226
	6.1.3 Heisenbergsche Unschärferelation	227
	Zusammenfassung: Welle-Teilchen-Dualismus	229
	6.2 Atomhülle	230
	6.2.1 Rutherfordsches Planetenmodell	230
	6.2.2 Bohrsches Atommodell	230
	6.2.3 Quantenzahlen und das Pauli-Prinzip	232
	6.2.4 Wellenmodell und Quantenmechanik	234
	Zusammenfassung: Atomhülle	238
	6.3 Quanten-Emission und -Absorption	238
	6.3.1 Atomspektren	238
	6.3.2 Laser	241
	6.3.2.1 Stimulierte Emission	241
	6.3.2.2 Besetzungsumkehr	241
	6.3.2.3 Resonator	242
	6.3.2.4 Rubin- und Helium-Neon-Laser	242
	6.3.2.5 Eigenschaften und Anwendungen	243
	6.3.3 Röntgenstrahlung	245
	6.3.3.1 Bremsspektrum	245
	6.3.3.2 Charakteristisches Röntgenspektrum	245
	6.3.3.3 Anwendungen	246
	Zusammenfassung: Quanten-Emission und -Absorption	247
	6.4 Festkörper	247
	6.4.1 Bindung und Struktur	247
	6.4.2 Bändermodell	249
	6.4.3 Fermi-Energie	249
	6.4.4 Elektronen- und Löcherleitung	250
	6.4.5 Halbleiter-Bauelemente	252
	Zusammenfassung: Festkörper	253
	6.5 Atomkern	253
	6.5.1 Nukleonen	253
	6.5.2 Masse und Massendefekt	255
	6.5.3 Radioaktivität	257
	6.5.3.1 Strahlungen	257
	6.5.3.2 Kernumwandlungen	258
	6.5.3.3 Aktivität und Dosis	260
	6.5.3.4 Strahlungsnachweis	262
	6.5.4 Kernenergie	263
	6.5.4.1 Kernspaltung	263
	6.5.4.2 Kernfusion	265
	Zusammenfassung: Atomkern	267
	Testfragen und Übungsaufgaben zu Quanten und Atome	268
	Anhang	271
	Antworten zu den Testfragen und Musterlösungen zu den Übungsaufgaben	271
	Kapitel 1	271
	Kapitel 2	273
	Kapitel 3	286
	Kapitel 4	291
	Kapitel 5	299
	Kapitel 6	305
	Nützliche mathematische Beziehungen	311
	1. Algebra	311
	2. Geometrie	312
	3. Trigonometrie	312
	4. Infinitesimalrechnung	313
	Quellen- und Literaturverzeichnis	314
	Verzeichnis der Bildquellen und Bildautoren	316
	Sachwortverzeichnis	317

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