1 Einleitung 1

1.1 Was ist Physik? 1

1.2 Struktur und Wechselwirkung 3
1.2.1 Teilchen 4
1.2.2 Kraft und Packung 7

1.3 Messen 9
1.3.1 Maßsysteme 9
1.3.2 Größen und ihre Fehler 11
Kasten 1: Diagramme und Tabellen 14


2 Mechanik der Massenpunkte 16

2.1 Kinematik 16
2.1.1 Begriffe der Bahnbewegung 16
2.1.2 Geradlinige Bewegungen 17
2.1.3 Würfe 20
2.1.4 Kreisbewegung 22

2.2 Dynamik der Massenpunkte 24
2.2.1 Impuls und Trägheit 24
2.2.2 Kraft 25
2.2.3 Rückstoß und Rakete 27
2.2.4 Kraftquellen 29
2.2.5 Reibungskräfte 32
Kasten 2: Verblüffende Flächen 35
2.2.6 Trägheitskräfte 35
Kasten 3: Coriolis, d' Alembert und das Wetter 39

2.3 Energie 40
2.3.1 Arbeit und Leistung 41
2.3.2 Energiearten 42
2.3.3 Stöße 44

2.4 Feld und Potential 46
2.4.1 Schwerefeld an Erdoberfläche 47
2.4.2 Gravitationsfeld 48

2.5 Planetenbewegung 50
2.5.1 Keplersche Gesetze 51


3 Mechanik der starren Körper 53

3.1 Statik 53
3.1.1 Gleichgewicht 53
3.1.2 Handhabung der Gleichgewichtsbedingungen 55
3.1.3 Hebel und Schwerpunkt 57
Kasten 4: Wirtshausschilder 60

3.2 Dynamik starrer Körper 62
3.2.1 Rotation starrer Körper 63
3.2.2 Trägheitsmomente 65
3.2.3 Kreisel 69

3.3 Relativistische Mechanik 74
3.3.1 Bezugssysteme 74
3.3.2 Länge und Zeit 76
3.3.3 Masse, Impuls, Energie 77
3.3.4 Zur Allgemeinen Relativitätstheorie 79


4 Schwingungen 81

4.1 Freie Schwingungen 81
4.1.1 Der harmonische Oszillator 81
4.1.2 Oszillatoren 83
4.1.3 Überlagerung von Schwingungen 85
Kasten 5: FOURIER-Reihe und -Integral 87
4.1.4 Gekoppelte und kontinuierliche Schwinger 90
4.1.5 Gedämpfte freie Schwingungen 92

4.2 Schwinger mit Anregung 95
4.2.1 Erzwungene Schwingung 96
Kasten 6: Von schädlichen und nützlichen Resonanzen in Technik und Musik 100
4.2.2 Nichtlinearität und Chaos 101


5 Deformation von Materie 103

5.1 Deformation fester Körper 103
5.1.1 Materialgrößen 103
Kasten 7: Vom Biegen und Knicken 106
5.1.2 Reale Werkstoffe 109
5.1.3 Spannungsverteilung und Bruch 111

5.2 Ruhende Flüssigkeiten und Gase 112
5.2.1 Druck 112
5.2.2 Schweredruck 113
Kasten 8: Von Diamanten und Meteoriten 114
5.2.3 Auftrieb und Schwimmen 117
5.2.4 Grenz- und Oberflächen 119

5.3 Strömungen 123
5.3.1 Strömung idealer Fluide 123
Kasten 9: Quellen und Wirbel 124
5.3.2 Laminare Strömung 127
Kasten 10: Farben und Schmelzen 129
5.3.3 Turbulente Strömung 131

5.4 Viskoelastizität 133


6 Mechanik und Wärme 136

6.1 Temperatur und ihre Auswirkungen 136
6.1.1 Wärmekapazität von Flüssigkeiten und Festkörpern 137
6.1.2 Wärmeausdehnung 139
6.1.3 Verhalten der Gase 141

6.2 Statistische Gastheorie 142
6.2.1 Mittelwerte 142
Kasten 11: Vom leeren Raum 145
6.2.2 Verteilungen 146


7 Thermodynamik 150

7.1 Hauptsätze 150
7.1.1 Der Erste Hauptsatz 150
7.1.2 Kreisprozesse 152
7.1.3 Der Zweite Hauptsatz 154
7.1.4 Entropie 156

7.2 Phasenübergänge in Einstoffsystemen 157
7.2.1 Verdampfen 158
7.2.2 Weitere Umwandlungen 160
7.2.3 Keime und Kinetik 162

7.3 Mehrstoffsysteme 163
7.3.1 Lösungen 164
7.3.2 Feste Mischungen 166


8 Wärme und ihr Transport 170
8.1 Wärmetransport 170
8.1.1 Wärmestrahlung 171
8.1.2 Wärmeleitung 174
Kasten 12: Treibhausklima 175
8.1.3 Konvektion und latente Wärme 180

8.2 Weitere Transportvorgänge 182
8.2.1 Diffusion 182


9 Elektrisches Feld 185

9.1 Elektrostatisches Feld im leeren Raum 186
9.1.1 Ladung Feldstärke, Potential 186
9.1.2 Felder mehrerer Punktladungen 188
9.1.3 Felder von geladenen Leitern 191
9.1.4 Kapazitäten 194

9.2 Dielektrika 196
9.2.1 Phänomenologische Beschreibung 196
9.2.2 Mechanismen der Polarisation 199
9.2.3 Polarisationseffekte 201
Kasten 13: Flaschen, Dosen, Chips und Wickel 203


10 Elektrischer Strom 205

10.1 Phänomenologische Beschreibung 205
10.1.1 Strom und Widerstand 205

10.2 Leitungsmechanismen 207
10.2.1 Festkörper 207
10.2.2 Strom über Grenzflächen 210
10.2.3 Flüssigkeiten 213
10.2.4 Galvanische Elemente 214
10.2.5 Gase 217


11 Magnetismus 222

11.1 Magnetisches Feld im leeren Raum 222
11.1.1 Kraft und Feld 222
11.1.2 Magnetfelder von verschiedenen Leitern 225
11.1.3 Magnetische Momente 229
Kasten 14: Eisenerz und Abfallgruben 231
11.1.4 Das Magnetfeld der Erde 231

11.2 Materie im Magnetfeld 234
11.2.1 Dia- und Paramagnetismus 235
11.2.2 Domänen in magnetischen Stoffen 236

11.2.3 Magnetische Kenngrößen 239

11.2.4 Magnetischer Kreis 242
Kasten 15: Von langen Dünnen und kurzen Dicken 245


12 Zeitabhängige elektromagnetische Vorgänge 247

12.1 Induktion 247
12.1.1 Induktionsgesetz 247
Kasten 16: Schirme 250
12.1.2 Induktivität 251

12.2 Schaltungen 254
12.2.1 Ein- und Ausschalten 254
12.2.2 Wechselstrom 256
12.2.3 Schwingkreise 259

12.3 MAXWELLsche Gleichungen 262


13 Wellen 264

13.1 Allgemeine Wellenlehre 264
13.1.1 Auslenkung und Ausbreitung 264
13.1.2 Geschwindigkeiten 266
13.1.3 Überlagerung 270
13.1.4 Bewegung von Quelle und Empfänger : 273
13.1.5 Brechung und Reflexion 275
13.1.6 Beugung 277
Kasten 17: Der Erde Kern 278

13.2 Akustik 281
13.2.1 Schallfeldgrößen 281
13.2.2 Schallempfinden 284
Kasten 18: Vom Tuten und Blasen 286

13.3 Elektromagnetische Wellen 287
13.3.1 Erzeugung 288
13.3.2 Ausbreitung 291


14 Optik 295

14.1 Strahlenoptik 295
14.1.1 Spiegeloptik 295
14.1.2 Brechung an Grenzflächen 299
Kasten 19: Lichtwellenleiter 300
Kasten 20: Regenbogen, Halo und Fata Morgana 303
14.1.3 Linsenoptik 302
14.1.4 Einige optische Instrumente 308

14.2 Wellenoptik 311
14.2.1 Polarisation 311
14.2.2 Interferenz 316

14.3 Licht und Farbe 320
14.3.1 Photometrie 320
Kasten 21: Räumliche Bilder 321
14.3.2 Farbe und ihre Messung 324


15 Quantenphysik 327

15.1 Wellen und Quanten 327
15.1.1 Lichtquanten 327
15.1.2 Materiewellen 329
15.1.3 Gebundene Zustände 333

15.2 Atomphysik 337
15.2.1 Wasserstoff und Ähnliches 338
15.2.2 Atombau und Periodensystem 341
15.2.3 Röntgenstrahlen 345
Kasten 22: Spurensuche 348
15.2.4 Moleküle 349
15.2.5 Laser 351
Kasten 23: Licht und Werkzeug 354

15.3 Kernphysik 354
15.3.1 Aufbau und Eigenschaften 355
15.3.2 Instabile Kerne 358
Kasten 24: Radioaktive Uhren 364
15.3.3 Strahlen- und Kerntechnik 365


16 Festkörperphysik 370

16.1 Aufbau der Festkörper 370
16.1.1 Bindungen 370
16.1.2 Kristallstruktur 373
Kasten 25: Vom Sandkorn zum Wafer 377
16.1.3 Defekte 378
16.1.4 Kristallstrukturanalyse 381
16.1.5 Überstruktur, Gefüge, Verbund 384
16.1.6 Flüssigkristalle 386

16.2 Gitterschwingungen 388
16.2.1 Wärmekapazität und -ausdehnung 388
16.2.2 Phononen 390

16.3 Elektronen in Festkörpern 391
16.3.1 Klasseneinteilung 391
16.3.2 Supraleiter 395


17 Halbleiterphysik 399

17.1 Homogene Halbleiter 399
171.1 Eigenleitung 399
Kasten 26: Zustandsdichte der Elektronen im Leitungsband 402
17.1.2 Störstellenleitung 403
17.1.3 Bauelemente 406

17.2 Heterogene Halbleiter 409
17.2.1 Der pn-Übergang 409
17.2.2 Die pn-Gleichrichter-Diode 412
17.2.3 Dioden mit Tunnelstrom 413
17.2.4 Dioden mit Licht 416
Kasten 27: Photovoltaik 419
17.2.5 Transistoren 420
Kasten 28: Planartechnik 425


Anhang 427

Anhang 1: Physikalische Konstanten 427

Anhang 2: Einige Unirechnungsfaktoren zu unüblichen, in der Technik aber noch auftretenden Einheiten 428

Anhang 3: Einheiten mit Namen von Personen oder Dingen 429

Anhang 4: Einige mathematische Hilfsmittel 432

Anhang 5: Einige physikalische Fachwörter in Englisch und Französisch 434

Anhang 6: Abkürzungen für wichtige Kunststoffe 441

Anhang 7: Literaturhinweise 442

Anhang 8: Lösungen zu den Übungsaufgaben 443

Anhang 9: Periodensystem der Elemente (s. hinterer Buchdeckel) 451


Stichwortverzeichnis 452

Personenverzeichnis 458