1 Einheitensysteme 1
1.1 Physikalische Größen und Einheiten 1
1.2 Meßgenauigkeit und Meßfehler 3
1.3 Die Dimension einer physikalischen Größe 5
1.4 Rechnen mit physikalischen Größen 6
Zusammenfassung 9
Essay: Hans Christian von Baeyer, Fermis Lösung 10
Aufgaben 13


Teil 1 Mechanik

2 Bewegung in einer Dimension 19
2.1 Durchschnittsgeschwindigkeit 20
2.2 Momentangeschwindigkeit 23
2.3 Beschleunigung 26
2.4 Integration 28
2.5 Bewegung mit konstanter Beschleunigung 31
Zusammenfassung 37
Aufgaben 38

3 Bewegung in zwei und drei Dimensionen 43
3.1 Verschiebungsvektor und Vektoraddition 43
3.2 Vektoraddition in Komponentenschreibweise 45
3.3 Einheitsvektoren und Multiplikation von Vektoren mit Skalaren 47
3.4 Der Geschwindigkeitsvektor 48
3.5 Der Beschleunigungsvektor 50
3.6 Relativgeschwindigkeit 52
3.7 Wurfbewegungen 53
3.8 Kreisbewegung 61
Zusammenfassung 64
Aufgaben 66

4 Die Newtonschen Axiome 71
4.1 Das erste Newtonsche Axiom: das Trägheitsgesetz 72
4.2 Kraft, Masse und das zweite Newtonsche Axiom 74
4.3 Die Gewichtskraft 78
4.4 Das dritte Newtonsche Axiom 80
4.5 Kräfte in der Natur 82
4.6 Anwendungen zur Lösung von Bewegungsproblemen 86
Zusammenfassung 93
Aufgaben 95

5 Die Newtonschen Axiome II: Anwendungen 99
5.1 Reibung 99
5.2 Strömungswiderstand 109
5.3 Bewegungsprobleme im Fall von mehreren miteinander verbundenen Körpern 110
5.4 Scheinkräfte 114
5.5 Numerische Methoden 118
Zusammenfassung 121
Aufgaben 123

6 Arbeit und Energie 129
6.1 Arbeit und kinetische Energie: Bewegung in einer Dimension bei konstanter Kraft 130
6.2 Arbeit bei veränderlicher Kraft 134
6.3 Arbeit und Energie in drei Dimensionen 137
6.4 Die potentielle Energie 142
6.5 Potentielle Energie und Gleichgewicht in einer Dimension 147
6.6 Die Erhaltung der mechanischen Energie 150
6.7 Der verallgemeinerte Energiesatz der Mechanik 158
6.8 Energieerhaltung 163
6.9 Leistung 165
Zusammenfassung 167
Aufgaben 170

7 Teilchensysteme und Impulserhaltung 177
7.1 Der Massenmittelpunkt 177
7.2 Bewegung des Massenmittelpunkts 182
7.3 Impulserhaltung 185
7.4 Das Massenmittelpunktsystem als Bezugssystem 190
7.5 Kinetische Energie eines Systems von Teilchen 192
7.6 Stöße in einer Dimension 195
7.7 Stöße in drei Dimensionen 203
7.8 Kraftstoß und zeitliches Mittel einer Kraft 206
7.9 Raketenantrieb 210
Zusammenfassung 213
Essay: Ralph A. Llewellyn, Die Entdeckung des Neutrinos 216
Aufgaben 219

8 Drehbewegungen 225
8.1 Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung 225
8.2 Drehmoment und Trägheitsmoment 229
8.3 Die kinetische Energie der Drehbewegung 234
8.4 Berechnung von Trägheitsmomenten 236
8.5 Der Drehimpuls 242
8.6 Rollende Körper 249
8.7 Der Vektorcharakter der Drehgrößen und das Kreuzprodukt 256
8.8 Statistisches und dynamisches Ungleichgewicht 262
8.9 Kreiselbewegungen 263
Zusammenfassung 265
Aufgaben 267

9 Statisches Gleichgewicht des starren Körpers 279
9.1 Gleichgewichtsbedingungen 279
9.2 Der Schwerpunkt 281
9.3 Einige Beispiele für statisches Gleichgewicht 283
9.4 Kräftepaare 287
9.5 Stabilität des Gleichgewichtes 288
Zusammenfassung 291
Aufgaben 292

10 Gravitation 299
10.1 Die Keplerschen Gesetze 299
10.2 Das Newtonsche Gravitationsgesetz 303
10.3 Messung der Gravitationskonstanten 309
10.4 Schwere und träge Masse 311
10.5 Verlassen von gebundenen Bahnen um die Erde 312
10.6 Potentielle Energie, Gesamtenergie und Umlaufbahnen 318
10.7 Das Gravitationsfeld einer Kugelschale und einer Vollkugel 321
Zusammenfassung 327
Essay: A.P. French, Isaac Newton (1642-1727) 329
Aufgaben 333

11 Mechanik deformierbarer Körper 339
11.1 Dichte 339
11.2 Spannung und Dehnung 342
11.3 Druck in einer Flüssigkeit 345
11.4 Auftrieb und Archimedisches Prinzip 349
11.5 Oberflächenspannung und Kapillarität 353
11.6 Fluiddynamik und Bernoulli-Gleichung 356
11.7 Viskose Strömung 362
Zusammenfassung 365
Essay: Robert G. Hunt, Die Aerodynamik des Radfahrens 368
Aufgaben 371


Teil 2 Schwingungen und Wellen

12 Schwingungen 379
12.1 Harmonische Schwingungen 379
12.2 Harmonische Schwingung und Kreisbewegung 387
12.3 Energiebilanz bei harmonischen Schwingungen 388
12.4 Massen an senkrecht aufgehängten Federn 392
12.5 Pendel 394
12.6 Bewegungen in der Nähe von Gleichgewichtspunkten 400
12.7 Gedämpfte Schwingungen 401
12.8 Erzwungene Schwingung und Resonanz 406
Zusammenfassung 409
Essay: James S. Walker, Chaos - eine ordentliche Unordnung 411
Aufgaben 416

13 Mechanische Wellen 423
13.1 Wellenberge 424
13.2 Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen 429
13.3 Harmonische Wellen 431
13.4 Energieübertragung durch Wellen 434
13.5 Superposition und Interferenz harmonischer Wellen 435
13.6 Stehende Wellen 438
13.7 Überlagerung stehender Wellen 446
13.8 Wellengleichung 448
Zusammenfassung 451
Aufgaben 454

14 Akustik 459
14.1 Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen 459
14.2 Harmonische Schallwellen 462
14.3 Wellen in drei Dimensionen: Intensität 466
14.4 Interferenz: Schwebungen 470
14.5 Stehende Schallwellen 476
14.6 Harmonische Analyse und Synthese 481
14.7 Wellenpakete und Dispersion 483
14.8 Reflexion, Brechung und Beugung 484
14.9 Der Doppler-Effekt 487
Zusammenfassung 493
Essay: Jack L. Flinner, Seismische Wellen 497
Aufgaben 502


Teil 3 Thermodynamik

15 Temperatur 509
15.1 Temperaturskalen 509
15.2 Gasthermometer und die absolute Temperatur 512
15.3 Thermische Ausdehnung 514
15.4 Die Zustandsgleichung für ideale Gase 518
15.5 Die molekulare Deutung der Temperatur: die kinetische Gastheorie 522
15.6 Die Van-der-Waals-Gleichung 528
15.7 Phasendiagramme 530
Zusammenfassung 533
Aufgaben 535

16 Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 539
16.1 Wärmekapazität und spezifische Wärme 540
16.2 Phasenübergänge und latente Wärme 543
16.3 Wärmeübertragung 546
16.4 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 554
16.5 Die innere Energie eines idealen Gases 557
16.6 Volumenarbeit und das P-V-Diagramm eines Gases 559
16.7 Wärmekapazitäten und der Gleichverteilungssatz 562
16.8 Adiabatische Zustandsänderung 568
Zusammenfassung 571
Essay: Jerrold H. Krenz, Der Energiehaushalt der Erde
und die globale Erwärmung 575
Aufgaben 579

17 Die Verfügbarkeit der Energie 585
17.1 Wärmekraftmaschinen und der Zweite Hauptsatz 586
17.2 Kältemaschinen und der Zweite Hauptsatz 590
17.3 Die Gleichwertigkeit der Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes 591
17.4 Der Carnot-Wirkungsgrad 592
17.5 Wärmepumpen 597
17.6 Entropie und Unordnung 599
17.7 Entropie und Wahrscheinlichkeit 605
17.8 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 607
Zusammenfassung 608
Aufgaben 610


Teil 4 Elektrizität und Magnetismus

18 Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen 617
18.1 Elektrische Ladung 618
18.2 Leiter, Nichtleiter und Influenz 621
18.3 Das Coulombsche Gesetz 623
18.4 Das elektrische Feld 627
18.5 Elektrische Feldlinien 632
18.6 Bewegungen von Punktladungen in elektrischen Feldern 635
18.7 Elektrische Dipole in elektrischen Feldern 636
Zusammenfassung 638
Aufgaben 640

19 Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen 645
19.1 Berechnung des elektrischen Feldes mit Hilfe des Coulombschen Gesetzes 646
19.2 Das Gaußsche Gesetz 654
19.3 Berechnung des elektrischen Feldes mit Hilfe des Gaußschen Gesetzes 658
19.4 Ladung und Feld auf den Oberflächen von leitenden Gegenständen 669
19.5 Mathematische Herleitung des Gaußschen Gesetzes 674
Zusammenfassung 675
Aufgaben 677

20 Das elektrische Potential 681
20.1 Elektrisches Potential und Potentialdifferenz 681
20.2 Das Potential eines Systems von Punktladungen 685
20.3 Elektrostatische potentielle Energie 690
20.4 Berechnung des elektrischen Potentials kontinuierlicher Ladungsverteilungen 691
20.5 Elektrisches Feld und Potential 698
20.6 Äquipotentialflächen, Ladungsfluß und dielektrischer Durchschlag 704
Zusammenfassung 710
Essay: Richard Zallen, Elektrostatik und Xerographie 713
Aufgaben 715

21 Kapazität, Dielektrika und elektrostatische Energie 721
21.1 Der Plattenkondensator 722
21.2 Der Zylinderkondensator 724
21.3 Dielektrika 725
21.4 Die Speicherung elektrischer Energie 729
21.5 Zusammenschaltung von Kondensatoren 733
Zusammenfassung 739
Aufgaben 740

22 Elektrischer Strom 747
22.1 Strom und die Bewegung von Ladungen 747
22.2 Widerstand und Ohmsches Gesetz 751
22.3 Die Energie des elektrischen Stroms 756
22.4 Zusammenschaltung von Widerständen 761
22.5 Ein mikroskopisches Modell der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen 765
Zusammenfassung 769
Essay: Elizabeth Pflegl Nickles, Reizleitung in Nervenzellen 772
Aufgaben 776

23 Gleichstromkreise 781
23.1 Die Kirchhoffsehen Regeln 782
23.2 RC-Kreise 790
23.3 Amperemeter, Voltmeter und Ohmmeter 798
Zusammenfassung 801
Aufgaben 803

24 Das Magnetfeld 811
24.1 Die magnetische Kraftwirkung 812
24.2 Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld 818
24.3 Das auf Leiterschleifen und Magnete ausgeübte Drehmoment 827
24.4 Der Hall-Effekt 831
Zusammenfassung 835
Aufgaben 837

25 Die Quellen des magnetischen Feldes 843
25.1 Das magnetische Feld einer bewegten Punktladung 844
25.2 Das magnetische Feld von Strömen: Das Gesetz von Biot und Savart 848
25.3 Die Definition des Ampere 858
25.4 Das Amperesche Gesetz 860
Zusammenfassung 866
Aufgaben 869

26 Magnetische Induktion 875
26.1 Der magnetische Fluß 876
26.2 Induktionsspannung und Faradaysches Gesetz 877
26.3 Die Lenzsche Regel 881
26.4 Induktionsspannung durch Bewegung 883
26.5 Wirbelströme 887
26.6 Generatoren und Motoren 889
26.7 Induktivität 891
26.8 LR-Kreise 895
26.9 Die Energie des Magnetfelds 898
Zusammenfassung 900
Essay: Syun-Ichi Akasofu, Das Polarlicht 903
Aufgaben 907

27 Magnetismus in Materie 915
27.1 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität 916
27.2 Atomare magnetische Momente 920
27.3 Paramagnetismus 922
27.4 Ferromagnetismus 925
27.5 Diamagnetismus 928
Zusammenfassung 930
Aufgaben 933

28 Wechselstromkreise 937
28.1 Wechselspannung an einem Widerstand 938
28.2 Wechselströme in Spulen und Kondensatoren 943
28.3 Zeigerdiagramme 949
28.4 LC- und LCR-Kreise ohne Wechselspannungsquelle 950
28.5 LCR-Kieise mit Wechselspannungsquelle - erzwungene Schwingungen 955
28.6 Der Transformator 965
28.7 Gleichrichtung und Verstärkung 969
Zusammenfassung 973
Essay: John Dentler, Elektromotoren 976
Aufgaben 985

29 Maxwellsche Gleichungen und elektromagnetische Wellen 991
29.1 Der Maxwellsche Verschiebungsstrom 992
29.2 Die Maxwellschen Gleichungen 995
29.3 Die Wellengleichung für elektromagnetische Wellen 998
29.4 Energie und Impuls einer elektromagnetischen Welle 1002
29.5 Das elektromagnetische Spektrum 1007
Zusammenfassung 1011
Essay: C.W.F. Everitt, James Clerk Maxwell (1831-1879) 1013
Aufgaben 1016


Teil 5 Optik

30 Licht 1023
30.1 Die Lichtgeschwindigkeit 1025
30.2 Die Ausbreitung des Lichts: das Huygenssche Prinzip 1028
30.3 Reflexion 1030
30.4 Brechung 1032
30.5 Das Fermatsche Prinzip 1042
30.6 Polarisation 1044
Zusammenfassung 1050
Essay: Robert Greenler, Jenseits des (sichtbaren) Regenbogens 1051
Aufgaben 1053

31 Geometrische Optik 1059
31.1 Ebene Spiegel 1059
31.2 Sphärische Spiegel 1062
31.3 Durch Brechung erzeugte Bilder 1068
31.4 Dünne Linsen 1071
31.5 Abbildungsfehler 1081
Zusammenfassung 1083
Aufgaben 1085

32 Optische Instrumente 1089
32.1 Das Auge 1089
32.2 Die Lupe 1093
32.3 Die Kamera 1095
32.4 Das Mikroskop 1098
32.5 Das Teleskop 1099
Zusammenfassung 1104
Aufgaben 1106

33 Interferenz und Beugung 1109
33.1 Phasendifferenz und Kohärenz 1109
33.2 Interferenz an dünnen Schichten 1111
33.3 Das Michelson-Interferometer 1114
33.4 Das Interferenzmuster an einem Doppelspalt 1116
33.5 Vektoraddition von harmonischen Wellen 1120
33.6 Interferenzmuster bei drei oder mehr äquidistanten Quellen 1122
33.7 Beugungsmuster an einem Einzelspalt 1125
33.8 Interferenz- und Beugungsmuster beim Doppelspalt 1130
33.9 Fraunhofersche und Fresnelsche Beugung 1131
33.10 Beugung und Auflösung 1132
33.11 Beugungsgitter 1135
Zusammenfassung 1139
Aufgaben 1141


Teil 6 Moderne Physik

34 Relativitätstheorie 1149
34.1 Das Newtonsche Relativitätsprinzip 1150
34.2 Das Michelson-Morley-Experiment 1152
34.3 Die Einsteinschen Postulate 1156
34.4 Die Lorentz-Transformation 1157
34.5 Uhrensynchronisation und Gleichzeitigkeit 1164
34.6 Der Doppler-Effekt 1168
34.7 Das Zwillingsparadoxon 1169
34.8 Die Geschwindigkeitstransformation 1171
34.9 Relativistischer Impuls 1174
34.10 Relativistische Energie und Masse-Energie-Äquivalenz 1176
34.11 Allgemeine Relativitätstheorie 1183
Zusammenfassung 1186
Aufgaben 1189

35 Ursprünge der Quantentheorie 1195
35.1 Strahlung des schwarzen Körpers und Plancksches Wirkungsquantum 1197
35.2 Der photoelektrische Effekt 1199
35.3 Röntgenstrahlung 1202
35.4 Compton-Streuung 1204
35.5 Energiequantisierung in Atomen und Bohrsches Atommodell 1206
35.6 Welleneigenschaften des Elektrons und Quantenmechanik 1212
Zusammenfassung 1216
Aufgaben 1218

36 Quantenmechanik 1221
36.1 Wellenfunktionen von Teilchen 1221
36.2 Wellenpakete 1225
36.3 Die Unschärferelation 1230
36.4 Der Welle-Teilchen-Dualismus 1233
36.5 Die Schrödinger-Gleichung 1234
36.6 Das Teilchen im Kastenpotential 1237
36.7 Das Teilchen in einem Potentialtopf mit endlich hohen Wänden 1241
36.8 Erwartungswerte 1244
36.9 Der quantenmechanische harmonische Oszillator 1246
36.10 Reflexion und Transmission an einem Potentialwall 1249
36.11 Die Schrödinger-Gleichung in drei Dimensionen 1253
36.12 Die Schrödinger-Gleichung für zwei identische Teilchen 1255
Zusammenfassung 1257
Aufgaben 1260

37 Atome 1265
37.1 Das Wasserstoffatom 1266
37.2 Die Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms 1270
37.3 Magnetische Momente und der Elektronenspin 1275
37.4 Der Stern-Gerlach-Versuch 1277
37.5 Die Addition der Drehimpulse und die Spin-Bahn-Kopplung 1279
37.6 Das Periodensystem 1282
37.7 Spektren im sichtbaren und im Röntgen-Bereich 1289
37.8 Absorption, Streuung und stimulierte Emission 1292
37.9 Der Laser 1293
Zusammenfassung 1298
Essay: DJ. Wineland, Atomfallen und Laserkühlung 1300
Aufgaben 1306

38 Moleküle 1309
38.1 Die chemische Bindung 1310
38.2 Mehratomige Moleküle 1317
38.3 Energieniveaus und Spektren zweiatomiger Moleküle 1322
Zusammenfassung 1330
Aufgaben 1332

39 Festkörper 1335
39.1 Die Struktur von Festkörpern 1336
39.2 Das klassische Konzept des Elektronengases und seine Grenzen 1344
39.3 Das Fermi-Elektronengas 1345
39.4 Die Quantentheorie der elektrischen Leitung 1353
39.5 Das Bändermodell der Festkörper 1356
39.6 Dotierte Halbleiter 1359
39.7 Halbleiterübergangsschichten und ihre Anwendungen 1361
39.8 Supraleitung 1367
Zusammenfassung 1372
Essay: Samuel J. Williamson, SQUIDs 1376
Essay: Ellen D. Williams, Raster-Tunnel-Mikroskopie 1380
Aufgaben 1383

40 Kernphysik 1389
40.1 Eigenschaften der Kerne 1390
40.2 Kernspinresonanz 1396
40.3 Radioaktivität 1398
40.4 Kernreaktionen 1403
40.5 Kernspaltung, Kernfusion und Kernreaktionen 1405
40.6 Wechselwirkung von Teilchen mit Materie 1413
Zusammenfassung 1418
Aufgaben 1421

41 Elementarteilchen 1425
41.1 Hadronen und Leptonen 1425
41.2 Spin und Antiteilchen 1428
41.3 Erhaltungssätze 1431
41.4 Das Quark-Modell 1434
41.5 Feldquanten 1438
41.6 Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung 1439
41.7 Das Standardmodell 1439
41.8 Große Vereinheitlichte Theorien 1441
Zusammenfassung 1442
Aufgaben 1443

42 Astrophysik und Kosmologie 1445
42.1 Unser Stern, die Sonne 1446
42.2 Die Sterne 1453
42.3 Die Entwicklung der Sterne 1457
42.4 Kataklysmische Ereignisse 1460
42.5 Endzustände der Sterne 1463
42.6 Galaxien 1466
42.7 Gravitation und Kosmologie 1472
42.8 Kosmogenesis 1474
Zusammenfassung 1478
Aufgaben 1480


Weiterführende Literatur 1483

Namen- und Sachverzeichnis 1485