1 Mechanik 9

1.1 Kinematik 9
1.1.1 Bewegung entlang einer Geraden 9
1.1.2 Bewegung im Raum 11
1.2 Dynamik 15
1.2.1 Newtonsche Axiome 15
1.2.2 Dynamik starrer Körper 18
1.3 Kräfte – ein Überblick 21
1.3.1 Fundamentale Kräfte 21
1.3.2 Nichtfundamentale Kräfte 23
1.3.3 Scheinkräfte 25
1.4 Erhaltungssätze 27
1.4.1 Arbeit und Energie 27
1.4.2 Impuls und Drehimpuls 30

2 Thermodynamik 33

2.1 Ideale Gase 33
2.2 Temperatur 35
2.3 Wärmeleitung 37
2.4 Zustandsänderungen 38

3 Elektrizität und Magnetismus 47

3.1 Elektrostatik 47
3.1.1 Elektrische Ladung 47
3.1.2 Coulombsches Gesetz 47
3.1.3 Elektrische Feldstärke 49
3.1.4 Spannung und Potenzial 50
3.1.5 Kondensatoren 52
3.2 Stationäre elektrische Ströme 55
3.2.1 Elektrischer Strom 55
3.2.2 Elektrischer Widerstand 56
3.3 Magnetostatik 60
3.3.1 Magnetfelder 60
3.3.2 Kraftwirkung von Magnetfeldern 62
3.4 Elektromagnetische Induktion 63
3.4.1 Induktionsgesetz 63
3.4.2 Selbstinduktion 65
3.4.3 Wechselstromgenerator 67

4 Schwingungen 69

4.1 Freie harmonische Schwingungen 69
4.2 Freie gedämpfte Schwingungen 73
4.3 Erzwungene Schwingungen 75

5 Wellen 81

5.1 Wellenausbreitung entlang einer Linie 81
5.2 Wellenausbreitung im Raum 83
5.3 Wellentypen 84
5.4 Pegel 85
5.5 Signalausbreitung 87
5.6 Reflexion und Brechung 90
5.7 Beugung 91
5.8 Stehende Wellen 93

6 Optik 97

6.1 Geometrische Optik 97
6.1.1 Spiegel 97
6.1.2 Lichtbrechung und Linsen 100
6.1.3 Optische Instrumente 105
6.2 Wellenoptik 110
6.2.1 Kohärentes Licht 110
6.2.2 Interferenz an dünnen Schichten 110
6.2.3 Optische Gitter 112
6.2.4 Polarisiertes Licht 114
6.3 Quantenoptik 116
6.3.1 Wärmestrahlung 116
6.3.2 Fotoeffekt 118
6.3.3 Compton-Effekt 120
6.3.4 Abschirmung von Röntgenstrahlung 122
6.3.5 Materiewellen 124

7 Atome 127

7.1 Aufbau der Atome 127
7.2 Atomhülle 128
7.2.1 Stationäre Bahnen 128
7.2.2 Periodensystem der Elemente 131
7.2.3 Atomanregung 132
7.2.4 LASER 134
7.2.5 Röntgenstrahlung 136
7.3 Atomkerne 138
7.3.1 Aufbau der Atomkerne 138
7.3.2 Kernprozesse 139
7.4 Moleküle 142
7.4.1 Molekülbindung 142
7.4.2 Molekülanregung 144

8 Festkörper 151

8.1 Aufbau von Festkörpern 151
8.1.1 Ionenkristalle 151
8.1.2 Valenzkristalle 152
8.1.3 Metalle 153
8.1.4 Kristalline und amorphe Festkörper 153
8.2 Elektrische Leitfähigkeit 154
8.2.1 Metalle und Nichtleiter 154
8.2.2 Halbleiter 156
8.3 Elektronische Bauelemente 158
8.3.1 Halbleiterdioden 158
8.3.2 Transistoren 161

Anhang 165

A Modelle 165
B Mathematische Hilfsmittel 167
B.1 Vektorrechnung 167
B.2 Felder 169
B.3 Differenzial- und Integralrechnung 170
B.4 Differenzialgleichungen 176
B.5 Polarkoordinaten 177
B.6 Sonstiges 178
C Maßeinheiten und Naturkonstanten 179
C.1 Internationales Einheitensystem 179
C.2 Physikalische Konstanten 181
D Messen und Auswerten 183
D.1 Fehlerrechnung 183
D.2 Messergebnisse 187

Literatur 190
Sachwortverzeichnis 191