I Einführung

1 Was ist „Physik“? Wege physikalischer Erkenntnisgewinnung 20

2 Physikalische Größen, Einheiten, Dimensionen, Gleichungen 22

2.1 Größen, Einheiten, Dimensionen 22
2.2 Physikalische Gleichungen 24
2.3 Das neue SI-Einheitensystem 25

II Teilchen

Mechanik der Punktmasse und des starren Körpers. Stoffe

3 Kinematik der Punktmasse 28

3.1 Raum, Zeit, Bezugssystem 28
3.2 Die gleichförmige Bewegung 30
3.3 Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung 31
3.4 Freier Fall. SenkrechterWurf 34
3.5 Allgemeine Definition von Geschwindigkeit und Beschleunigung. Ungleichmäßig beschleunigte Bewegung 36
3.6 Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektoren. Zusammengesetzte Bewegungen (Superposition) 39
3.7 Die gleichförmige Kreisbewegung 41
3.8 Die ungleichförmige Kreisbewegung 45
3.9 Bewegung auf beliebig krummliniger Bahn 47

4 Dynamik der Punktmasse 49

4.1 Der Kraftbegriff in der Physik. Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften. Statisches Gleichgewicht 49
4.2 Das Trägheitsgesetz (1. NEWTONsches Axiom) 51
4.3 Das Grundgesetz der Dynamik (2. NEWTONsches Axiom)52
4.4 Träge und schwere Masse. Gewichtskraft. Radialkraft 53
4.5 Kraftstoß. Impuls (Bewegungsgröße) 55
4.6 Lösung der Bewegungsgleichung für konstante Kraft. Die Wurfbewegung 58
4.7 DasWechselwirkungsgesetz (3. NEWTONsches Axiom) 61
4.8 Reibungskräfte 62

5 Bewegte Bezugssysteme 66

5.1 Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme. Trägheitskräfte 66
5.2 Gleichförmig rotierende Bezugssysteme. Zentrifugalkraft, CORIOLIS-Kraft 69
5.3 Inertialsysteme. Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik 72

6 Grundzüge der speziellen Relativitätstheorie 74

6.1 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die LORENTZ-Transformation 74
6.2 Folgerungen aus der LORENTZ-Transformation 78
6.3 Relativistische Bewegungsgleichung 79

7 Arbeit und Energie 81

7.1 Arbeit 81
7.2 Leistung. Wirkung 85
7.3 Der Energiebegriff. Potenzielle und kinetische Energie 86
7.4 Das Gesetz von der Erhaltung der Energie (Energiesatz) 87
7.5 Äquivalenz von Masse und Energie 89

8 Gravitation 91

8.1 Die KEPLERschen Gesetze der Planetenbewegung und das Gravitationsgesetz 91
8.2 Arbeit gegen die Schwerkraft. Kosmische Geschwindigkeiten 94

9 Dynamik der Punktmassen-Systeme 96

9.1 Impulserhaltungssatz. Massenmittelpunkt 96
9.2 Die Gesetze des Stoßes 98
9.3 Raketenantrieb 103

10 Statik des starren Körpers 105

10.1 Freiheitsgrade des starren Körpers 105
10.2 Kräfte am starren Körper. Drehmoment. Gleichgewichtsbedingungen 105
10.3 Kräftepaar 110
10.4 Der Schwerpunkt 110
10.5 Arten des Gleichgewichts 113

11 Dynamik des starren Körpers 114

11.1 Bewegung eines frei beweglichen Körpers bei Einwirkung einer Kraft 114
11.2 Kinetische Energie der Drehbewegung.Massenträgheitsmoment 114
11.3 Arbeit und Leistung bei der Drehbewegung. Grundgesetz der Dynamik 117
11.4 Der Drehimpuls (Drall). Drehimpulserhaltungssatz 119
11.5 Kreiselbewegungen. Freie Achsen 121
11.6 Bewegung des symmetrischen Kreisels 123

12 Die Zustandsformen der Stoffe 126

12.1 Einteilung der Stoffe. Aggregatzustände 126
12.2 Der kristalline Aufbau der Festkörper 127
12.3 Bindungsarten 130

III Kontinua

13 Mechanik der deformierbaren Medien

13 Der deformierbare feste Körper 132
13.1 Elastische Verformung. HOOKEsches Gesetz 132
13.2 Querkontraktion. Kompressibilität 134
13.3 Elastisches Verhalten bei Scherbeanspruchung 135
13.4 Der einachsige Spannungszustand 136
13.5 Dreiachsiger Spannungs- und Dehnungszustand 137
13.6 Zusammenhang zwischen Schubmodul, Elastizitätsmodul und POISSONscher Querkontraktionszahl 138
13.7 Plastische Verformung. Spannungs-Dehnungs-Diagramm 139
13.8 Härte fester Körper 141

14 Ruhende Flüssigkeiten und Gase 142

14.1 Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck) 142
14.2 Schweredruck. Auftrieb. Schwimmstabilität 143
14.3 Druck in Gasen. Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Dichte 147
14.4 Schweredruck in Gasen. Barometrische Höhenformel 148
14.5 Erscheinungen an Grenzflächen. Kohäsion und Adhäsion 150
14.6 Spezifische Oberflächenenergie, Oberflächenspannung 150
14.7 Benetzung und Kapillarwirkung 152

15 Strömende Flüssigkeiten und Gase (Strömungsmechanik) 154

15.1 Das Strömungsfeld. Kennzeichnung und Einteilung von Strömungen 154
15.2 Strömungen idealer Flüssigkeiten und Gase. Kontinuitätsgleichung 156
15.3 Die BERNOULLIsche Gleichung. Druckmessung 158
15.4 Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase. Laminare Strömung 162
15.5 Gesetze von HAGEN-POISEUILLE und STOKES 163
15.6 Umströmung durch reale Flüssigkeiten und Gase. REYNOLDS-Zahl 165
15.7 Die Bewegungsgleichung eines Fluids 167

IV Wärme

Thermodynamik und Gaskinetik

16 Verhalten der Körper bei Temperaturänderung 172

16.1 Die Temperatur und ihreMessung 172
16.2 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper 174
16.3 Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderungen der Gase. Der absolute Nullpunkt 176
16.4 Die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases 179

17 Der I. Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz) 182

17.1 Wärmemenge und Wärmekapazität 182
17.2 Innere Energie eines Systems. Formulierung des I. Hauptsatzes 184
17.3 Spezifische Wärmekapazität des idealen Gases. Kalorische Zustandsgleichung 186
17.4 Anwendung des I. Hauptsatzes auf spezielle Zustandsänderungen des idealen Gases 188
17.5 Zustandsänderungen des idealen Gases in offenen Systemen. Technische Arbeit. Enthalpie 193

18 Kinetische Gastheorie 195

18.1 Die Masse der Atome und Moleküle 195
18.2 Druck und mittlere quadratische Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Grundgleichung der kinetischen Gastheorie 196
18.3 Die Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle 199
18.4 Molekularenergie und Temperatur. Wärmekapazität der Körper 202
18.5 Stoßzahl und mittlere freie Weglänge 205
18.6 Gemische idealer Gase. Gesetz von DALTON 206

19 Der II. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) 208

19.1 Der CARNOT-Kreisprozess. Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und Wärmepumpe 208
19.2 Thermodynamische Temperatur 212
19.3 Reversible und irreversible Vorgänge. II. Hauptsatz 213
19.4 Entropie 215
19.5 Entropieänderung des idealen Gases. Irreversible Prozesse 220
19.6 Entropie und Wahrscheinlichkeit 222
19.7 III. Hauptsatz (Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts) 225

20 Reale Gase. Phasenumwandlungen 226

20.1 Die VAN-DER-WAALSsche Zustandsgleichung. Gasverflüssigung 226
20.2 JOULE-THOMSON-Effekt. Erzeugung tiefer Temperaturen 229
20.3 Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Sieden und Verdunsten 231
20.4 Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase. Koexistenz dreier Phasen 236
20.5 Lösungen. Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung 239

21 Ausgleichsvorgänge 241

21.1 Wärmeleitung 241
21.2 Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konvektion 244
21.3 Diffusion 246

V. Felder

Gravitation. Elektrizität und Magnetismus

22 Das Gravitationsfeld 250

22.1 Nahwirkungstheorie. Der Feldbegriff 250
22.2 Gravitationsfeldstärke, Gravitationspotenzial 252
22.3 Massen als Senken des Gravitationsfeldes 255
22.4 Grundaussagen der allgemeinen Relativitätstheorie 257

23 Das elektrostatische Feld 259

23.1 Die elektrische Ladung. Ladungsnachweis 259
23.2 Ladungen als Quellen bzw. Senken des elektrischen Feldes 261
23.3 Kraftwirkungen des elektrischen Feldes. Elektrische Feldstärke 262
23.4 Elektrostatisches Potenzial. Spannung 265
23.5 Elektrische Ladungen auf Leitern. Influenz 267
23.6 Elektrischer Fluss, Flussdichte 268
23.7 Das elektrische Zentralfeld (Punktladung und Punktladungssystem) 270
23.8 Kapazität. Kondensatoren 272

24 Das elektrische Feld in Isolatoren (Dielektrika)275

24.1 Elektrische Polarisation der Dielektrika. Piezoelektrizität 275
24.2 Permittivität (Dielektrizitätskonstante), elektrische Suszeptibilität 276
24.3 Verhalten von D und E an der Grenzfläche zweier Medien 278
24.4 Energieinhalt des elektrischen Feldes 280

25 Der Gleichstromkreis 282

25.1 Das stationäre elektrische Feld in einem Leiter 282
25.2 Stromstärke, Spannung, Widerstand. OHMsches Gesetz 282
25.3 Schaltungen und Messmethoden 285
25.4 Arbeit und Leistung elektrischer Gleichströme 291

26 Elektrische Leitungsvorgänge in Festkörpern und Flüssigkeiten 292

26.1 Klassische Theorie der freien Elektronen in Metallen 292
26.2 Thermoelektrische Effekte 294
26.3 Elektrokinetische Effekte 296
26.4 Elektrolytische Stromleitung. FARADAYsche Gesetze 296
26.5 Elektrochemische Spannungsquellen 298

27 Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum und in Gasen 300

27.1 Bewegung freier Ladungsträger im elektrischen Feld 300
27.2 Ladungsträgerinjektion, Katodenstrahlen 302
27.3 Gasentladungen 303
27.4 Plasmaströme 306

28 Das magnetostatische Feld der Dipole und Gleichströme 307

28.1 Analogien und Unterschiede zum elektrostatischen Feld 307
28.2 Kraftwirkungen desmagnetischen Feldes aufmagnetische Dipole. Magnetische Feldstärke 308
28.3 DasMagnetfeld eines geraden Stromleiters. Durchflutungsgesetz 309
28.4 Einfache Feldberechnungen 311
28.5 Magnetische Flussdichte (Induktion) 313
28.6 Kraftwirkungen desmagnetischen Feldes auf Stromleiter 314
28.7 Bewegung freier Ladungsträger im magnetischen Feld. LORENTZ-Kraft 316
28.8 Galvano- und thermomagnetische Effekte. HALL-Effekt. Quanten-HALLEffekt 318

29 Das magnetische Feld in Stoffen 320

29.1 Magnetische Polarisation der Stoffe 320
29.2 Magnetisierung der Ferromagnetika. Hysterese 321
29.3 Der magnetische Kreis. Entmagnetisierung 323

30 Elektromagnetische Induktion 326

30.1 Das FARADAYsche Induktionsgesetz 326
30.2 Selbstinduktion 328
30.3 Energieinhalt des magnetischen Feldes 330
30.4 Elektromagnetische Induktion in einem bewegten Leiter 331

31 Der Wechselstromkreis 333

31.1 Wechselspannung,Wechselstrom, Dreiphasenstrom 333
31.2 Arbeit und Leistung elektrischer Wechselströme 335
31.3 Wechselstromwiderstände. OHMsches Gesetz für Wechselstrom 337
31.4 Der Transformator 343
31.5 AnharmonischeWechselströme in der Elektronik 344
31.6 Gleichrichter und Verstärker. Elektronische Bauelemente 345

32 Die maxwellschen Gleichungen 349

32.1 Wirbel desmagnetischen Feldes. Verschiebungsstrom 349
32.2 Wirbel des elektrischen Feldes. Wirbelströme 350
32.3 Elektromagnetisches Feld. System der MAXWELLschen Gleichungen 352
32.4 Relativistische Elektrodynamik 353

VI Wellen

Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen

33 Mechanische Schwingungen 356

33.1 Lineare Federschwingungen 356
33.2 Energiebilanz des harmonischen Oszillators 359
33.3 Drehschwingungen360
33.4 Pendelschwingungen 362
33.5 Freie gedämpfte Schwingungen 364
33.6 Erzwungene Schwingungen 367

34 Elektrische Schwingungen 371

34.1 Der geschlossene Schwingkreis 371
34.2 Strom- und Spannungsresonanz 373
34.3 Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen 376

35 Überlagerung harmonischer Schwingungen 378

35.1 Überlagerung zweier Schwingungen längs gleicher Richtung 378
35.2 Gekoppelte Schwingungen 380
35.3 Überlagerung zweier Schwingungen längs aufeinander senkrechter Richtungen 383
35.4 Überlagerung von harmonischen zu anharmonischen Schwingungen 386
35.5 Nichtlineare Schwingungen. Deterministisches Chaos 388

36 Allgemeine Wellenlehre 392

36.1 Zusammenhang von Schwingungen und Wellen 392
36.2 Die eindimensionale Wellengleichung und ihre allgemeine Lösung 395
36.3 Transversal- und Longitudinalwellen 396
36.4 Stehende Wellen. Eigenschwingungen 399
36.5 Wellenausbreitung in ausgedehnten Medien 402

37 Schallwellen (Akustik) 405

37.1 Wellenausbreitung im Schallfeld. Phasengeschwindigkeit 405
37.2 Schallfeldgrößen 407
37.3 Schallquellen. Ton, Klang, Geräusch 409
37.4 Schallempfänger und Gehör. Schallpegel und Lautstärke 410
37.5 Stehende Schallwellen 412
37.6 DOPPLER-Effekt 414
37.7 MACHscher Kegel 416

38 Elektromagnetische Wellen 417

38.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entlang von Leitungen 417
38.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum 419
38.3 Erzeugung und Nachweis elektromagnetischer Wellen 423
38.4 Die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen (H. HERTZ, 1888) 425
38.5 Das elektromagnetische Spektrum 426

39 Einfluss von Stoffen auf die Wellenausbreitung 429

39.1 Absorption und Streuung 429
39.2 Phasengeschwindigkeit und Dispersion. Gruppengeschwindigkeit 430
39.3 HUYGENSsches Prinzip 434
39.4 Reflexion und Brechung (Refraktion). Totalreflexion 435
39.5 Optische Dispersion. Prisma, Spektral- und Körperfarben 438

40 Strahlenoptik (Geometrische Optik) 441

40.1 Lichtstrahlen. FERMATsches Prinzip 441
40.2 Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen 443
40.3 Abbildung durch Spiegel (ebener und gekrümmte Spiegel) 445
40.4 Abbildung durch Linsen (dünne und dicke Linsen, Linsensysteme) 450
40.5 Das Auge und der Sehvorgang 456
40.6 Optische Geräte zur Sehwinkelvergrößerung (Lupe,Mikroskop, Fernrohr) 456
40.7 Abbildungsfehler 459

41 Wellenoptik 460

41.1 Interferenz. Interferenzbedingungen 460
41.2 Interferenzen gleicher Neigung und gleicher Dicke 462
41.3 Beugung (Diffraktion). Das Beugungsphänomen 464
41.4 FRAUNHOFERsche Beugung am Spalt und an der Lochblende 466
41.5 Auflösungsvermögen optischer Geräte. Holografie 469
41.6 FRAUNHOFERsche Beugung am Strichgitter 472
41.7 Spektrometer 474
41.8 Beugung von RÖNTGENstrahlen am Raumgitter der Kristalle 475
41.9 Polarisation. Polarisation des Lichts durch Reflexion und Brechung 479
41.10 Polarisation durch Doppelbrechung 482
41.11 Interferenz des polarisierten Lichts 484
41.12 Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts 487
41.13 Nichtlineare Optik 489

VII Quanten

Struktur und Eigenschaften der Materie

42 Die Gesetze der Strahlung 492

42.1 Das Wesen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung) 492
42.2 Strahlungsphysikalische Größen 493
42.3 Emission und Absorption von Strahlung. KIRCHHOFFsches Strahlungsgesetz 495
42.4 Das PLANCKsche Strahlungsgesetz 497
42.5 Folgerungen aus dem PLANCKschen Strahlungsgesetz 498
42.6 Lichttechnische Größen (Photometrie) 501
42.7 Zusammenhang zwischen strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Größen 504

43 Der Welle-Teilchen-Dualismus der Mikroobjekte 505

43.1 Die Teilchennatur des Lichts. Lichtquanten (Photonen) 505
43.2 Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt) 506
43.3 Der COMPTON-Effekt 509
43.4 Rückstoß durch Quantenemission. MÖSSBAUER-Effekt 510
43.5 DieWellennatur der Teilchen 512
43.6 Das HEISENBERGsche Unbestimmtheitsprinzip (Unschärferelation) 515

44 Atombau und Spektren 518

44.1 Die Streuexperimente von LENARD und RUTHERFORD.Das RUTHERFORDsche Atommodell 518
44.2 Das Spektrum des Wasserstoffatoms 520
44.3 Das BOHRsche Atommodell 522
44.4 Die Spektren der Alkaliatome. Bahndrehimpulsquantenzahl 526
44.5 Richtungsquantelung des Bahndrehimpulses der Elektronen 529
44.6 Das magnetische Bahnmoment der Elektronen. BOHRsches Magneton 530
44.7 Elektronenspin und magnetisches Spinmoment. Die Feinstruktur der Atomspektren 531
44.8 Mehrelektronensysteme 533
44.9 Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld (ZEEMAN-Effekt) 534
44.10 Das PAULI-Prinzip und das Periodensystem der Elemente 536
44.11 Die RÖNTGENspektren und ihre Deutung 540
44.12 Absorption und Streuung von RÖNTGENstrahlen 542
44.13 Induzierte Emission.Maser und Laser 546

45 Wellenmechanik 549

45.1 Die SCHRÖDINGER-Gleichung 549
45.2 Elektron im Kastenpotenzial 551
45.3 Das wellenmechanische Bild des Atoms 553
45.4 Der Tunneleffekt 555

46 Elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern 557

46.1 Elektrische Leitfähigkeit. DasModell des Elektronengases 557
46.2 Bändermodell des Festkörpers.Metalle, Halbleiter, Isolatoren 558
46.3 Elektrische Ströme in Halbleitern. Eigenleitung, Störstellenleitung 562
46.4 Der pn-Übergang 565
46.5 Halbleiterdiode, Transistor 567
46.6 Magnetische Eigenschaften. Dia- und Paramagnetismus 569
46.7 Ferromagnetismus, Antiferro- und Ferrimagnetismus 571
46.8 Supraleitung. Der JOSEPHSON-Effekt 574
46.9 Supraflüssigkeit 577

47 Atomkerne 578

47.1 Masse, Ladung und Zusammensetzung der Kerne 578
47.2 Isotope 579
47.3 Isobare, Isotone, Nuklide, Isomere 580
47.4 Massendefekt und Bindungsenergie der Kerne 580
47.5 Stabilitätskriterien. Kernsystematik 582
47.6 Kernkräfte 585
47.7 Kernmodelle 586

48 Die natürliche Radioaktivität 588

48.1 Der α-Zerfall der schweren Kerne 588
48.2 Der β-Zerfall. Gammastrahlung 589
48.3 Das Zerfallsgesetz. Spezifische Aktivität 591
48.4 Radioaktive Zerfallsreihen und radioaktives Gleichgewicht 593
48.5 Dosimetrie und biologischeWirkung ionisierender Strahlung 594

49 Künstliche Kernumwandlungen 597

49.1 Arten künstlicher Kernumwandlungen 597
49.2 Massen- und Energiebilanz von Kernreaktionen.Wirkungsquerschnitt 598
49.3 Kernspaltung. Gewinnung von Kernspaltungsenergie 599
49.4 Arten von Kernreaktoren602
49.5 Kernfusion 603

50 Elementarteilchen 605

50.1 Entwicklung zum Teilchen-„Zoo“ 605
50.2 Erhaltungssätze für Baryonenladung, Leptonenladung, Isospin, Strangeness und Hyperladung 606
50.3 Die elementaren Teilchen: Leptonen und Quarks 608
50.4 Zusammengesetzte Elementarteilchen. Hadronen 610
50.5 Die elementaren Kräfte (Wechselwirkungen). Feldquanten 611
50.6 Standardmodell der Teilchenphysik. Vereinheitlichte Theorie der elementaren Kräfte 613
50.7 Kosmologie. Dunkle Materie und Dunkle Energie 614

A ANHANG: Fehlerrechnung (Messabweichungen) 616

A.1 Arten und Ursachen von Messabweichungen 616
A.2 Ermittlung von Messergebnis und Messabweichung 617
A.3 Zufallsstreuung von Messwerten 619
A.4 Fehlerfortpflanzung 623
A.5 Geradenausgleich (lineare Regression). Korrelation 625

Bildquellenverzeichnis 628
Lösungen der Aufgaben 629
Index 635