1 Die Physik - eine Naturwissenschaft 7

1.1 Die Entwicklung der Physik als Wissenschaft 8

1.2 Denk- und Arbeitsweisen in der Physik 15
1.2.1 Begriffe und Größen in der Physik 15
1.2.2 Gesetze, Modelle und Theorien in der Physik 19
1.2.3 Erkenntniswege in der Physik 23
1.2.4 Tätigkeiten in der Physik 28
1.2.5 Lösen physikalisch-mathematischer Aufgaben 35
1.2.6 Vorbereiten, Durchführen und Auswerten physikalischer Experimente 41


2 Mechanik 49

2.1 Grundeigenschaften von Körpern und Stoffen 50
2.1.1 Volumen, Masse und Dichte 50
2.1.2 Teilchenanzahl, Stoffmenge und Aufbau der Stoffe 51
2.2 Kinematik 56
2.2.1 Beschreibung von Bewegungen 56
2.2.2 Gleichförmige geradlinige Bewegungen 61
2.2.3 Gleichförmige Kreisbewegungen 62
2.2.4 Gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegungen 64
2.2.5 Der freie Fall 66
2.2.6 Überlagerung von Bewegungen 68

2.3 Dynamik 75
2.3.1 Kräfte und ihre Wirkungen 75
2.3.2 Die newtonschen Gesetze 80
2.3.3 Arten von Kräften 83

2.4 Energie, mechanische Arbeit und Leistung 90
2.4.1 Energie und Energieerhaltung 90
2.4.2 Die mechanische Arbeit 94
2.4.3 Die mechanische Leistung 97
2.4.4 Der Wirkungsgrad 98

2.5 Mechanik starrer Körper 99
2.5.1 Statik starrer Körper 99
2.5.2 Kinematik rotierender starrer Körper 101
2.5.3 Dynamik rotierender starrer Körper 104

2.6 Impuls und Drehimpuls 108
2.6.1 Kraftstoß, Impuls und Impulserhaltungssatz 108
2.6.2 Unelastische und elastische Stöße 115
2.6.3 Der Drehimpuls und seine Erhaltung 119

2.7 Gravitation 122
2.7.1 Das Gravitationsgesetz 122
2.7.2 Gravitationsfelder 128

2.8 Mechanische Schwingungen und Wellen 136
2.8.1 Entstehung und Beschreibung mechanischer Schwingungen 136
2.8.2 Überlagerung von Schwingungen 145
2.8.3 Entstehung und Beschreibung mechanischer Wellen 146
2.8.4 Ausbreitung und Eigenschaften mechanischer Wellen 150
2.8.5 Akustik 156


Ergänzungen und Vertiefungen:
GALILEI und die Bewegungsge-setze 67
Physik und Sport 72
Physik und Straßenverkehr 86
Kräfte beim Schwimmen und Fliegen 89
Höhepunkte der bemannten Weltraumfahrt 126
HOHMANN-Bahnen und Swing-by-Manöver 135
Zusammensetzung von Wellen und FouRiER-Analyse 155
Physik und Musik 158
Ultraschall und seine Anwendung 160

Das Wichtigste im Überblick:
Kinematik 74
Dynamik 121
Gravitation, Schwingungen und Wellen 161

Aufgaben zur Mechanik 162


3 Thermodynamik 175

3.1 Betrachtungsweisen und Modelle in der Thermodynamik 176
3.1.1 Die phänomenologische Betrachtungsweise 176
3.1.2 Die kinetisch-statistische Betrachtungsweise 177

3.2 Thermisches Verhalten von Körpern und Stoffen 179
3.2.1 Temperatur, innere Energie und Wärme 179
3.2.2 Wärmeübertragung 182
3.2.3 Volumen- und Längenänderung von Körpern 188
3.2.4 Aggregatzustände und ihre Änderungen 190
3.2.5 Die Gasgesetze 194

3.3 Kinetische Theorie der Wärme 198
3.3.1 Der atomare Aufbau der Stoffe 198
3.3.2 Kinetische Gastheorie 201

3.4 Hauptsätze der Thermodynamik 211
3.4.1 Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik 211
3.4.2 Kreisprozesse 222
3.4.3 Der 2. und 3. Hauptsatz der Thermodynamik 231

3.5 Temperaturstrahlung und Strahlungsgesetze 240


Ergänzungen und Vertiefungen:
Wärmequellen im All-die Sterne 186
Wärmekraftwerke 227
Reale Kreisprozesse 229
Selbstorganisation -Grundlage der Evolution 237
Der Mensch als thermodynamisches System 238
Der Treibhauseffekt-eine Lebensnotwendigkeit 244

Das Wichtigste im Überblick:
Thermisches Verhalten von Körpern und Stoffen 193
Thermodynamisches Verhalten von Gasen 210
Haupt-sätze der Thermodynamik und Kreisprozesse 239
Die Sonne - ein glü-hender Gasball 246

Aufgaben zur Thermodynamik 248


4 Elektrizitätslehre und Magnetismus 253

4.1 Das elektrische Feld 254
4.1.1 Elektrische Ladungen 254
4.1.2 Elektrische Felder 260
4.1.3 Geladene Teilchen in elektrischen Feldern 272

4.2 Das magnetische Feld 277
4.2.1 Magnetische Felder von Dauer- und Elektromagneten 277
4.2.2 Beschreibung magnetischer Felder durch Feldgrößen 280
4.2.3 Geladenen Teilchen und Stoffe in magnetischen Feldern 283

4.3 Elektromagnetische Induktion 293
4.3.1 Grundlagen der elektromagnetischen Induktion 293
4.3.2 Das Induktionsgesetz 297
4.3.3 Lenzsches Gesetz und Selbstinduktion 299
4.3.4 Generatoren 303
4.3.5 Transformatoren 305

4.4 Der Gleichstromkreis 309

4.5 Elektrische Leitungsvorgänge 316
4.5.1 Elektrische Leitungsvorgänge in Metallen 316
4.5.2 Elektrische Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten 322
4.5.3 Elektrische Leitungsvorgänge in Gasen 323
4.5.4 Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum 325
4.5.5 Elektrische Leitungsvorgänge in Halbleitern 326
4.5.6 Analoge und digitale Signalverarbeitung 335

4.6 Wechselstromkreis 341
4.6.1 Größen zur Beschreibung eines sinusförmigen Wechselstromes 341
4.6.2 Ohmsche, induktive und kapazitive Widerstände im Wechselstromkreis 344
4.6.3 Zusammenwirken von Widerständen im Wechselstromkreis 348

4.7 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 352
4.7.1 Elektromagnetische Felder 352
4.7.2 Elektromagnetische Schwingungen 356
4.7.3 Hertzsche Wellen 360
4.7.4 Das Spektrum elektromagnetischer Wellen 368


Ergänzungen und Vertiefungen:
Bestimmung der Elementarla-dung 273
Elektrische Erscheinungen in der Atmosphäre 288
Riesen-beschleunigerfür kleinste Teilchen 290
Der Mensch-ein elektrisches Wesen 314
Supraleitung-Entdeckung, Erklärung, Anwendung 321
Touchsreens - Bildschirme mit Gefühl 337
Der Scanner - eine Mög-lichkeit zur digitalen Bilderzeugung 338

Das Wichtigste im Überblick:
Elektrische Felder 276
Magnetische Felder und elektromagnetische Induktion 308
Gleichstromkreis und elektrische Leitungsvorgänge 339
Elektrische Bauelemente 340
Wechselstromkreis, elektromagnetische Schwingungen und Wellen 370

Aufgaben zur Elektrizitätslehre 371


5 Optik 381

5.1 Modelle für das Licht 382
5.1.1 Das Modell Lichtstrahl 382
5.1.2 Das Modell Lichtwelle 383

5.2 Ausbreitung des Lichtes in Stoffen und im Vakuum 384
5.2.1 Die Lichtgeschwindigkeit 384
5.2.2 Reflexion und Brechung von Licht 386
5.2.3 Streuung und Absorption von Licht 395

5.3 Bilder und optische Geräte 396
5.3.1 Bildentstehung an Spiegeln und Linsen 396
5.3.2 Optische Geräte 406

5.4 Beugung und Interferenz von Licht 410

5.5 Polarisation von Licht 423

5.6 Licht und Farben 427
5.6.1 Spektren und Spektralanalyse 427
5.6.2 Mischung von Farben 429


Ergänzungen und Vertiefungen:
Die Lichtgeschwindigkeit - eine fun-damentale Naturkonstante 385
Refraktoren und Spiegelteleskope 404
Eine alternative Beschreibungsmöglichkeit - das Zeigermodell 420

Das Wichtigste im Überblick:
Strahlenoptik 409
Wellenoptik 431

Aufgaben zur Optik 432


6 Quantenphysik 437

6.1 Quanteneffekte bei elektromagnetischer Strahlung 438
6.1.1 Der äußere lichtelektrische Effekt 438
6.1.2 Energie, Masse und Impuls von Photonen 442
6.1.3 Röntgenstrahlung 444

6.2 Interferenz von Quantenobjekten 452

6.3 Komplementarität und Unbestimmtheit 458
6.3.1 Komplementarität bei Doppelspalt-Experimenten 458
6.3.2 Unbestimmtheit von Ort und Impuls 464


Ergänzungen und Vertiefungen:
Komplementarität am Interferometer: Ein Experiment von 1991 462

Das Wichtigste im Überblick: Quantenphysik 468

Aufgaben zur Quantenphysik 469


7 Atom- und Kernphysik 473

7.1 Physik der Atomhülle 474
7.1.1 Grundexperimente der Atomphysik 474
7.1.2 Atommodelle 477
7.1.3 Die Energieniveaus der Atomhülle im physikalischen Experiment 486
7.1.4 Spontane und induzierte Emission 488

7.2 Physik des Atomkerns 492
7.2.1 Atomkerne, Radioaktivität und radioaktive Strahlung 492
7.2.2 Kernmodelle 506
7.2.3 Kernenergie 509
7.2.4 Elementarteilchen 514


Ergänzungen und Vertiefungen:
SCHRÖDINGER-Gleichung und Psi-Funktion 484
Der CD-Player-Laserphysik im Alltag 490
Kernfusion 512
Das Standardmodell 516

Das Wichtigste im Überblick:
Physik der Atomhülle 491
Physik des Atomkerns 518

Aufgaben zur Atom- und Kernphysik 519


8 Spezielle Relativitätstheorie 523

8.1 Von der klassischen Physik zur Relativitätstheorie 524
8.1.1 Die klassischen Vorstellungen von Raum und Zeit 524
8.1.2 Inertialsysteme und das galileische Relativitätsprinzip 525
8.1.3 Das MlCHELSON-MORLEY-Experiment 528

8.2 Grundaussagen der speziellen Relativitätstheorie 530

8.3 Relativistische Kinematik 532

8.4 Relativistische Dynamik 543

8.5 Ausblick auf die allgemeine Relativitätstheorie 549


Ergänzungen und Vertiefungen:
MiNKOwsKi-Diagramme 538,
Satellitengestützte Funknavigation 540

Das Wichtigste im Überblick:
Spezielle Relativitätstheorie (STR) 551

Aufgaben zur speziellen Relativitätstheorie 552


9 Ausblick auf weitere Teilgebiete der Physik 555


A Anhang 559
Nuklidkarte 560
Periodensystem der Elemente 562
Physikalische Kon-stanten 563
Größen, Einheiten und Beziehungen zwischen den Einhei-ten 564
Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems 569

Register 570