Physik - eine Naturwissenschaft 5
Was ist Physik? 5

1 Aufbau und Eigenschaften der Körper 6
1.1 Wie entsteht ein physikalisches Gesetz? 6
1.2 Ein Körper - was ist das physikalisch? 7
1.3 Jeder Körper nimmt einen Raum ein 8
1.4 Jeder Körper hat eine Masse 10
1.5 Jeder Stoff hat eine Dichte 11
1.6 Jeder Körper besteht aus kleinsten Teilchen - den Atomen oder Molekülen 12
1.7 Kräfte zwischen den kleinsten Teilchen 13
1.8 Wie fest ist ein "fester Körper"? 14

2 Mechanik - Kraft, Arbeit, Leistung 15
2.1 Kräfte und ihre Wirkungen 15
2.2 Kraftmessung 16
2.2.1 Wie kann man Kräfte vergleichen? 16
2.2.2 Zusammensetzen von Kräften 17
2.2.3 Zerlegen von Kräften 18
2.2.4 Gewichtskraft und Masse 18
2.3 Reibung 20
2.4 Kraftwandler 22
2.5 Arbeit und Energie 24
2.5.1 Mechanische Arbeit 24
2.5.2 Ohne Energie keine Arbeit 25
2.6 Leistung 27
2.7 Hebel und Drehmoment 28
2.8 Schwerpunkt und Gleichgewicht 30

3 Mechanik der Flüssigkeiten 31
3.1 Eigenschaften von Flüssigkeiten 31
3.2 Druck und Druckmessung 33
3.2.1 Wie entsteht Druck? 33
3.2.2 Druckübertragung - Hydraulik 35
3.3 Schweredruck in Flüssigkeiten 37
3.3.1 Schweredruck und Wassertiefe 37
3.3.2 Anwendungen des Schweredrucks 39
3.4 Auftrieb 40

4 Mechanik der Gase 43
4.1 Eigenschaften der Gase 43
4.2 Das Gesetz von Boyle und Mariotte 44
4.3 Der Luftdruck 46
4.4 Vakuum 48
4.5 Der Luftdruck bestimmt das Wetter 50
4.6 Auftrieb im Luftmeer 52

5 Wärme 53
5.1 Temperatur und Temperaturmessung 53
5.1.1 Warm oder kalt? 53
5.1.2 Festlegung einer Temperaturskala 54
5.1.3 Temperatur und Teilchenbewegung 56
5.2 Die Energieform Wärme 57
5.2.1 Was ist Wärme? 57
5.2.2 Messung der Wärme 59
5.3 Ausdehnung der Körper beim Erwärmen 62
5.3.1 Volumenänderung bei Flüssigkeiten 62
5.3.2 Ausdehnung fester Körper 63
5.3.3 Verhalten gasförmiger Körper 65
5.4 Änderung der Aggregatzustände 66
5.4.1 Zustandsarten - Übergänge 66
5.4.2 Schmelzen und Erstarren 66
5.4.3 Verdampfen und Kondensieren 68
5.4.4 Druckabhängigkeit der Siedetemperaturen 69
5.5 Wärmetransport 70
5.5.1 Arten des Wärmeübergangs 70
5.5.2 Konvektion 71
5.5.3 Wärmeleitung 72
5.5.4 Wärmestrahlung 73
5.5.5 Der Kühlschrank als Wärmepumpe 74
5.6 Warme- und Verbrennungskraftmaschinen 75
5.6.1 Geschichtliche Entwicklung 75
5.6.2 Verbrennungskraftmaschinen 75
5.6.3 Turbinen 76
5.6.4 Dampfkraftwerk 78

6 Optik 79
6.1 Ausbreitung des Lichts 79
6.1.1 Lichtquellen - Lichtstrahlen 79
6.1.2 Lichtgeschwindigkeit 81
6.1.3 Anwendungen der Strahlenvorstellung 82
6.2 Lichtmessung 86
6.3 Reflexion 87
6.3.1 Reflexion am ebenen Spiegel - Reflexionsgesetz 87
6.3.2 Reflexion an gekrümmten Spiegeln 88
6.3.3 Technische Anwendungen 90
6.4 Brechung und Dispersion 91
6.4.1 Geknickte Lichtstrahlen 91
6.4.2 Untersuchung der Brechung 92
6.4.3 Anwendungen 94
6.5 Optische Linsen 96
6.5.1 Linsen erzeugen Bilder - Linsenformen 96
6.5.2 Strahlengang bei dünnen Linsen 97
6.5.3 Beziehungen zwischen Bild und Gegenstand - Linsenformel 99
6.5.4 Das Auge 100
6.5.5 Linsensysteme 101
6.6 Optische Geräte 102
6.6.1 Bedeutung der optischen Geräte 102
6.6.2 Projektoren - Fotoapparate 103
6.6.3 Mikroskope - Fernrohre 105
6.7 Spektren und Farben 106
6.7.1 Sichtbares und unsichtbares Licht 106
6.7.2 Wiedervereinigung von Spektralfarben 107
6.7.3 Farben 108
6.7.4 Anwendungen 110

7 Mechanik - Bewegungen 111
7.1 Geradlinige Bewegung 111
7.1.1 Momentan- und Durchschnittsgeschwindigkeit 111
7.1.2 Gleichförmige Bewegung 112
7.1.3 Geschwindigkeit hat eine Richtung 113
7.1.4 Beschleunigte Bewegung 114
7.1.5 Wie lang ist der Anhalteweg? 116
7.1.6 Galilei untersucht die beschleunigte Bewegung an einer Fallrinne 117
7.1.7 Freier Fall 118
7.1.8 Wurf 119
7.2 Kraft und Energie 120
7.2.1 Kraft 120
7.2.2 Kraft und Gegenkraft Trägheit 121
7.2.3 Die Energieformen der Mechanik 122
7.2.4 Energieumwandlung an der schiefen Ebene 124
7.3 Kreisbewegung 126
7.3.1 Zentripetalkraft 126
7.3.2 Satelliten umkreisen die Erde 128
7.3.3 Unsere Eide im Weltall 131
7.4 Strömungen 132
7.4.1 Strömende Flüssigkeiten 132
7.4.2 Strömende Gase 133
7.4.3 Fliegen 134

8 Verkehr und Verkehrssicherheit 135
8.1 Flugverkehr 135
8.2 Sicherheit im Straßenverkehr 136
8.3 Schienenverkehr 138

9 Magnetismus 139
9.1 Magnete 139
9.2 Magnetisches Feld 140
9.3 Anwendungen 141
9.4 Elementarmagnete 142

10 Elektrizität 143
10.1 Elektrischer Strom 143
10.1.1 Stromkreis 143
10.1.2 Leiter und Isolatoren 144
10.1.3 Vom Elektrizitätswerk zur Glühlampe 145
10.1.4 Wirkungen des elektrischen Stroms 146
10.1.5 Gefahren des elektrischen Stroms - Schutzmaßnahmen 147
10.2 Elektromagnetismus 148
10.2.1 Magnetfelder stromdurchflossener Leiter 148
10.2.2 Anwendungen 149
10.3 Elektrische Ladung - elektrische Spannung 151
10.3.1 Elektrische Ladung 151
10.3.2 Elektrisches Feld 153
10.3.3 Elektrische Spannung 155
10.3.4 Spannungserzeugung 157
10.4 Stromstärke, Spannung, Widerstand 158
10.4.1 Elektrische Stromstärke 158
10.4.2 Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke 160
10.4.3 Elektrische Widerstände 162
10.5 Schaltungen mit Widerständen 164
10.5.1 Reihenschaltung von Widerständen 164
10.5.2 Parallelschaltung von Widerständen 166
10.5.3 Spannungsteiler (Potentiometer) 168
10.6 Arbeit und Leistung 169
10.6.1 Elektrische Arbeit 169
10.6.2 Elektrische Leistung 170
10.7 Wie arbeitet ein Elektromotor? 171
10.7.1 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld 171
10.7.2 Spule im Magnetfeld 172
10.7.3 Gleichstrommotor 173
10.8 Wechselstrom 175
10.8.1 Spannungserzeugung durch Induktion 175
10.8.2 Generatoren 178
10.8.3 Transformatoren 180
10.9 Verteilung und Umwandlung elektrischer Energie 182
10.10 Kondensatoren und Spulen 186
10.10.1 Kondensator an Gleichspannung 186
10.10.2 Kondensator an Wechselspannung 188
10.10.3 Spule an Gleichspannung 189
10.10.4 Spule an Wechselspannung 190
10.11 Stromleitung in Materie 191
10.11.1 Stromleitung in Metallen 191
10.11.2 Stromleitung in Flüssigkeiten 192
10.11.3 Elektrochemische Spannungsquellen 194
10.11.4 Stromleitung in Gasen 196
10.12 Elektronenröhren 198
10.12.1 Vakuumdiode 198
10.12.2 Triode 199
10.12.3 Elektronenstrahlablenkung durch elektrische Felder - Oszilloskop 200
10.12.4 Elektronenstrahlablenkung durch magnetische Felder - Fernsehbildröhre 202

11 Elektronik 203
11.1 Halbleiter als Baustoffe für elektronische Bauelemente 203
11.2 Halbleiter im Stromkreis 204
11.3 Eigenleitung in Halbleitern 205
11.4 Dotierte Halbleiter und Störstellenleitung 206
11.5 Zusammenwirken von n- und p-dotierten Halbleiterkristallen 206
11.6 Gleichrichterschaltungen 208
11.7 Dioden und Licht 209
11.8 Dei Transistor 210
11.8.1 Aufbau und Eigenschaften 210
11.8.2 Der Transistor als Verstärker 211
11.8.3 Der Transistor als Schalter 211
11.9 Der Feldeffekt-Transistor 212
11.10 Einfache Transistorschaltungen 212
11.11 Vom Einzeltransistor zur integrierten Schaltung 214

12 Steuern und Regeln 215
12.1 Steuern und Regeln im Straßenverkehr 215
12.2 Steuern 216
12.3 Regeln 218
12.4 Grundlagen der Schaltalgebra 221
12.5 Logische Verknüpfungen 222
12.6 Elektronisch addieren 224
12.7 Digitaltechnik als Anwendung logischer Schaltungen 226

13 Schwingungen und Wellen 227
13.1 Mechanische Schwingungen 227
13.1.1 Der periodische Bewegungsablauf 227
13.1.2 Beschreibung von Schwingungen 228
13.1.3 Die harmonische Schwingung 229
13.1.4 Eigenfrequenz 230
13.1.5 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 230
13.1.6 Gedämpfte Schwingungen 232
13.1.7 Ungedämpfte Schwingungen 233
13.2 Mechanische Wellen 234
13.2.1 Entstehung mechanischer Wellen 234
13.2.2 Ausbreitung mechanischer Wellen 235
13.2.3 Querwellen und Längswellen 236
13.3 Akustik 237
13.3.1 Schallerzeugung 237
13.3.2 Ausbreitung des Schalles 238
13.3.3 Sind Schallwellen Querwellen oder Längswellen? 238
13.3.4 Wahrnehmung des Schalles 240
13.3.5 Erzeugung von Tönen und Klängen mit Musikinstrumenten 241
13.3.6 Speicherung von Schall 242
13.4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 243
13.4.1 Drahtlos senden und empfangen 243
13.4.2 Kondensator und Spule bilden einen Schwingkreis 244
13.4.3 Erzwungene elektromagnetische Schwingungen und Resonanz 246
13.4.4 Hochfrequente Schwingungen (HF) 246
13.4.5 Fernwirkung elektromagnetischer Schwingungen 247
13.4.6 Schwingender Dipol und elektromagnetische Wellen 248
13.4.7 Senden und Empfangen von Informationen 249
13.4.8 Vergleich zwischen einem mechanischen Pendel und dem "Elektronenpendel" 250

14 Nachrichtentechnik 251
14.1 Codieren und Übertragen von Nachrichten 251
14.2 Speichern von Nachrichten 253
14.3 Telefon 254
14.4 Rundfunk 256
14.5 Fernsehen 258
14.6 Nachrichtenübertragung im Menschen 260

15 Atom- und Kernphysik? 261
15.1 Der Aufbau der Atome 261
15.2 Vorgänge in der Atomhülle 264
15.3 Strahlen aus dem Atomkern 269
15.4 Der radioaktive Zerfall 272
15.5 Wie arbeitet ein Kernreaktor? 274
15.6 Strahlenbelastung Strahlenschutz 276

16 Physik und Medizin 277
16.1 Der Blutdruck 277
16.2 EKG, EEG, Endoskopie 278
16.3 Röntgen - Blick in den Menschen 279
16.4 Bestrahlungen 280

17 Physik und Sport 281
17.1 Was kann ein Sportler leisten? 281
17.2 Leichtathletik 282
17.3 Sport mit dem Ball 283
17.4 Auf tausendstel Sekunden 284

18 Energie 285
18.1 Energie sparen 285
18.2 Energieversorgung eines Hauses 286
18.3 Umwandlung der Energie 288
18.4 Erhaltung der Energie 290
18.5 Perpetuum mobile 292
18.6 Die Energieversorgung der Bundesrepublik Deutschland 293
18.7 Sonnenenergie 294
18.8 Energiequellen der Zukunft 296