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Umschlagtext
Der Schwerpunkt dieser Einführung liegt in der knappen und geschlossenen Darstellung. Im Interesse der Betonung wesentlicher physikalischer Zusammenhänge und Querverbindungen wurde eine Auswahl der Stoffgebiete vorgenommen. Besonders die begrifflichen Grundlagen werden ausführlich erläutert, die physikalisch-anschauliche Bedeutung mathematischer Beziehungen herausgearbeitet sowie diverse physikalische Problemlösungsmethoden vorgestellt.
Der Hauptteil des Buches beschäftigt sich mit der klassischen Physik; ausgehend von Elektrodynamik und Optik erfolgt auch eine Darstellung von Grundzügen der Relativitätsmechanik und der Quantenmechanik. Die vorliegende Einführung eignet sich auch als Ausgangspunkt für die Beschäftigung mit weiterführenden Gebieten der Physik. Rezension
In der Oberstufenphysik und im Physikstudium dominieren keineswegs die Themen der modernen Physik, die wir mit Einstein u.a. verbinden, sondern die Themengebiete der klassischen Physik, die wir mit Newton u.a. verbinden. Die Disziplinen sind Mechanik, Wärmelehre, Akustik, Optik, Elektrizitätslehre, Magnetismus, Atomphysik etc. Diese Einführung in die Physik bietet das gesamte Basiswissen, das für den Beginn des Physikstudiums in der klassischen Physik erforderlich ist. Es werden aber auch abschließend in Kap. 6 und 7 die Grundzüge der Relativitäts- und Quantenmechanik skizziert. Das Buch basiert auf Einführungsvorlesungen zur Physik an der Universität Wien. Besonders die begrifflichen Grundlagen werden ausführlich erläutert und die physikalisch-anschauliche Bedeutung mathematischer Beziehungen herausgearbeitet.
Jens Walter, lehrerbibliothek.de Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 13
1.1 Entwicklung des physikalischen Weltbildes 13 1.2 Bedeutung der Physik in verschiedenen Wissensgebieten und Anwendungen 16 1.3 System und Modell 17 1.4 Der Messvorgang 18 1.5 Physikalische Größen und Einheiten 19 1.6 Messgenauigkeit 23 2 Mechanik 31 2.1 Mechanik von Massenpunkten 31 2.1.1 Kinematik von Massenpunkten 31 2.1.2 Dynamik von Massenpunkten, Erhaltungssätze 39 2.1.3 Wechselwirkungskräfte 58 2.1.3.1 Gravitationswechselwirkung, Newton'sches Gravitationsgesetz 59 2.1.3.2 Molekulare Wechselwirkung und harmonischer Oszillator 69 2.2 Bewegte Bezugssysteme, Trägheitskräfte 72 2.2.1 Translation von Bezugssystemen 73 2.2.2 Rotation von Bezugssystemen 76 2.3 Streuvorgänge 82 2.4 Mechanik starrer Körper 92 2.4.1 Statik starrer Körper 93 2.4.2 Dynamik der Rotation starrer Körper 98 2.4.3 Rotation starrer Körper um feste Achsen 103 2.4.4 Rotation starrer Körper um freie Achsen, Kreiselbewegung 111 2.5 Mechanik fester Körper, Elastizitätslehre 118 2.5.1 Deformationen (Verzerrungen) fester Körper 118 2.5.2 Spannungen in festen Körpern 120 2.5.3 Elastische Eigenschaften isotroper und anisotroper Festkörper 122 2.5.4 Spezielle elastische Verformungen isotroper Festkörper 125 2.5.5 Oberflächeneigenschaften fester Körper 128 2.5.5.1 Härte von Festkörpern 128 2.5.5.2 Reibung von Festkörpern 129 2.6 Mechanik von Flüssigkeiten und Gasen 132 2.6.1 Mechanik ruhender Flüssigkeiten und Gase (Hydrostatik) 132 2.6.2 Oberflächeneigenschaften ruhender Flüssigkeiten 137 2.6.3 Mechanik strömender Flüssigkeiten und Gase (Hydrodynamik) 140 2.6.3.1 Grundbegriffe 140 2.6.3.2 Erhaltung der Masse, Kontinuitätsgleichung 141 2.6.3.3 Strömung reibungsfreier Fluide 144 2.6.3.4 Strömung zäher Fluide 149 3 Schwingungen und Wellen 155 3.1 Grundbegriffe 155 3.2 Schwingungen 156 3.2.1 Ungedämpfte Schwingungen 156 3.2.2 Überlagerung ungedämpfter Schwingungen 158 3.2.3 Gedämpfte Schwingungen 161 3.2.4 Erzwungene Schwingungen 164 3.2.5 Gekoppelte Schwingungen 167 3.3 Wellen 168 3.3.1 Grundbegriffe 168 3.3.2 Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen 171 3.3.3 Wellengleichung 174 3.3.4 Ausbreitung und Überlagerung von Wellen 175 3.3.5 Dopplereffekt 176 3.3.6 Mechanische Wellen in elastisch deformierbaren Medien 179 3.4 Musikalische Akustik 183 3.4.1 Lautstärke 183 3.4.2 Tonhöhe, Klangfarbe und Intervalle 184 3.4.3 Tonsysteme 187 4 Thermodynamik 193 4.1 Grundlagen 193 4.2 Temperatur und Temperaturskalen 194 4.2.1 Temperaturmessung, Celsius-Skala 195 4.2.2 Zustandsgleichung idealer Gase, Kelvin-Skala 195 4.3 Wärmemenge und mechanische Energie 197 4.4 Kinetik idealer Gase 199 4.4.1 Kinetische Berechnung des Gasdruckes 199 4.4.2 Kinetische Definition der Temperatur 202 4.4.3 Brown'sche Bewegung 203 4.4.4 Maxwell-Boltzmann'sche Geschwindigkeitsverteilung 205 4.4.5 Mittlere freie Weglänge 209 4.5 Wärmekapazität 210 4.5.1 Wärmekapazität von idealen Gasen 211 4.5.2 Wärmekapazität fester Körper 214 4.6 Transportvorgänge 216 4.6.1 Impulstransport 216 4.6.2 Massetransport 217 4.6.3 Wärmetransport 220 4.6.3.1 Wärmeleitung 220 4.6.3.2 Wärmetransport durch Konvektion 222 4.6.3.3 Wärmestrahlung 223 4.7 Energieaustausch thermodynamischer Systeme, Hauptsätze der Thermodynamik 227 4.7.1 Grundbegriffe 227 4.7.2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik 228 4.7.3 Spezielle Zustandsänderungen idealer Gase 229 4.7.3.1 Isochore Zustandsänderungen 229 4.7.3.2 Isobare Zustandsänderungen 229 4.7.3.3 Isotherme Zustandsänderungen 230 4.7.3.4 Adiabatische Zustandsänderungen 231 4.7.4 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 233 4.7.5 Kreisprozesse in idealen Gasen 234 4.7.6 Entropie und dritter Hauptsatz der Thermodynamik 237 4.7.7 Statistische Interpretation der Entropie 241 4.7.8 Thermodynamische Potenziale, Gleichgewichtsbedingungen 245 4.8 Reale Gase 246 4.8.1 Van der Waals'sche Zustandsgleichung 247 4.8.2 Phasenübergänge 248 5 Elektrodynamik 253 5.1 Grundbegriffe 253 5.2 Elektrostatik 254 5.2.1 Grundlagen, Coulomb'sches Kraftgesetz, Gauß'sches Gesetz 254 5.2.2 Elektrische Felder statischer Ladungsverteilungen, Influenz 261 5.2.3 Kondensatoren 267 5.2.4 Energiedichte des elektrischen Feldes 276 5.2.5 Elektrische Dipole 278 5.2.6 Isolierende Stoffe (Dielelektrika) im elektrischen Feld 281 5.2.7 Freie Ladungen und dielektrische Verschiebung 286 5.3 Elektrische Ströme 295 5.3.1 Grundbegriffe 295 5.3.2 Erhaltung der Ladung, Kontinuitätsgleichung 297 5.3.3 Leitfähigkeit elektrischer Leiter, Ohm'sches Gesetz 298 5.3.4 Gleichstromnetzwerke 300 5.3.5 Stromleistung 304 5.3.6 Schaltvorgänge bei Kondensatoren 306 5.3.7 Stromleitung in materiellen Medien 309 5.3.7.1 Stromleitung in Festkörpern, elektrische Kontaktspannungsreihe 309 5.3.7.2 Stromleitung in Flüssigkeiten, elektrochemische Spannungsreihe 315 5.3.7.3 Stromleitung in Gasen 318 5.4 Magnetostatik 320 5.4.1 Grundlagen, Ampere'sches Gesetz, Quellfreiheit 320 5.4.2 Magnetfelder elektrischer Ströme, Biot-Savart'sches Gesetz 327 5.4.3 Magnetfelder spezieller stromdurchflossener Leiter, Spulen 330 5.4.4 Kräfte auf Ladungen im Magnetfeld, Lorentz-Kraft 337 5.4.5 Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern 339 5.5 Zeitabhängige elektromagnetische Felder 340 5.5.1 Zeitabhängige Magnetfelder, Faraday'sches Induktionsgesetz 340 5.5.2 Induktivität von Leiteranordnungen, Spulen 345 5.5.3 Schaltvorgänge bei Spulen 347 5.5.4 Energiedichte des magnetischen Feldes 350 5.5.5 Zeitabhängige elektrische Felder, Maxwell'scher Verschiebungsstrom 352 5.5.6 Magnetische Dipole 356 5.5.7 Materielle Medien (Magnetika) im magnetischen Feld 358 5.5.8 Freie Ströme und magnetische Feldstärke 365 5.5.9 Grundgleichungen der Elektrodynamik 370 5.6 Elektromagnetische Schwingungen 372 5.6.1 Wechselspannung und Wechselstrom 372 5.6.2 Drehstrom 376 5.6.3 Transformator 377 5.6.4 Komplexe Impedanz 380 5.6.5 Impedanzen spezieller Wechselstromwiderstände 382 5.6.6 Spezielle Wechselstromschaltungen, Resonanzerscheinungen 385 5.7 Elektromagnetische Wellen 389 5.7.1 Elektromagnetische Schwingkreise 389 5.7.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellenfelder 392 5.7.2.1 Wellenausbreitung in Abwesenheit freier Ladungen und Ströme 393 5.7.2.2 Wellenausbreitung in Anwesenheit freier Ladungen und Ströme 395 5.7.3 Ebene elektromagnetische Wellen im Vakuum 397 5.7.4 Energietransport in elektromagnetischen Wellen 400 6 Optik 403 6.1 Grundlagen 404 6.2 Strahlungsmessung und Fotometrie 406 6.3 Grundprinzipe der Optik 411 6.4 Strahlenoptik 412 6.4.1 Grundbegriffe 412 6.4.2 Reflexion des Lichtes 414 6.4.3 Abbildung durch Spiegel 414 6.4.4 Brechung des Lichtes 418 6.4.5 Lichtbrechung an einem Prisma 420 6.4.6 Abbildung durch dünne Linsen 422 6.4.7 Abbildungsfehler 430 6.4.8 Optische Instrumente 431 6.4.8.1 Kamera und Projektor 431 6.4.8.2 Lupe und Mikroskop 432 6.4.8.3 Fernrohr und Spiegelteleskop 432 6.5 Wellenoptik 433 6.5.1 Interferenz und Kohärenz 434 6.5.2 Interferometrie 438 6.5.2.1 Zweistrahlinterferenz 438 6.5.2.2 Vielstrahlinterferenz 441 6.5.3 Fraunhofer'sche Beugung 447 6.5.3.1 Fraunhofer'sche Beugung an einem einfachen Spalt 447 6.5.3.2 Fraunhofer'sche Beugung an einer kreisförmigen Öffnung 452 6.5.3.3 Fraunhofer'sche Beugung an einem Doppelspalt 452 6.5.3.4 Fraunhofer'sche Beugung an einem Gitter 455 6.5.4 Fresnel'sche Beugung 457 6.5.5 Auflösungsvermögen optischer Instrumente 459 6.5.5.1 Auflösungsvermögen eines Fernrohrs 460 6.5.5.2 Auflösungsvermögen eines Mikroskops 461 6.5.5.3 Auflösungsvermögen eines Gitterspektrometers 463 6.5.6 Reflexion und Polarisation des Lichtes 463 6.5.7 Optik anisotroper Medien und Doppelbrechung 467 7 Grundzüge der Relativitätsmechanik 475 7.1 Elektromagnetische Felder in verschiedenen Inertialsystemen 475 7.2 Grundprinzipe der speziellen Relativitätsmechanik 478 7.3 Gleichzeitigkeit 479 7.4 Zeitdilatation 481 7.5 Längenkontraktion 485 7.6 Lorentz-Transformation 487 7.7 Minkowski-Diagramme 490 7.8 Geschwindigkeitsaddition 494 7.9 Masse und Energie 495 8 Grundzüge der Quantenmechanik 499 8.1 Teilchennatur elektromagnetischer Wellen 499 8.2 Quantenzustände von Atomen 502 8.3 Wellennatur von Teilchen 505 8.4 Die Schrödinger-Gleichung 507 8.5 Beschreibung quantenmechanischer Zustände und Messgrößen 508 8.6 Die Heisenberg'sche Unschärferelation 510 8.7 Aufbau von Atomen 512 Physikalische Konstanten und Einheiten im Überblick 515 Sachregister 519 |