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Halliday Physik, 2. Auflage (Bachelor Edition)

Halliday Physik, 2. Auflage (Bachelor Edition)

David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Stephan W. Koch (Translation Editor)

ISBN: 978-3-527-68279-9

Dec 2014

986 pages

Select type: O-Book

Description

Halliday Physik Bachelor-Edition – damit Ihr Nebenfach zum Lieblingsfach wird!

Die Bachelor-Edition ist ideal für Studienanfänger und Studenten technisch orientierter Studiengänge, z.B. Studenten der Ingenieurwissenschaften, technischen Optik oder Medizintechnik. Hier wird Physik nicht als abstrakte Fachwissenschaft betrieben, sondern anschaulich dargestellt und in einen praxisnahen Kontext eingebettet. Bereits bei den Kapiteleinstiegen werden konkrete Anwendungen hervorgehoben. Die Texte sind anschaulich und leicht zu lesen, und viele Verständnisfragen unterstützen den Lernprozess.

Das Buch deckt folgende Teilgebiete ab:

• Mechanik
• Schwingungen und Wellen
• Thermodynamik
• Elektrostatik und -dynamik
• Optik
• Moderne Physik

Zu jedem Themenkomplex gibt es durchgerechnete Beispielaufgaben. Tipps zur Herangehensweise an Aufgabenstellungen sowie Zusammenfassungen sind ideal für die Prüfungsvorbereitung. Viele weitere Aufgaben und anschauliches Zusatzmaterial sind über den Physiktrainer auf www.halliday.de frei zugänglich.

Das können Sie erwarten

• durchgerechnete Beispielaufgaben zu jedem Themenkomplex
• strategische Tipps zur Herangehensweise an physikalische Aufgabenstellungen
• kurze, präzise Zusammenfassungen im Glossarstil
• Kennzeichnung von mathematischen Inhalten, die optional sind
• hochwertige Ausstattung, komplett vierfarbig

öä1--15 Mechanik

16--18 Schwingungen und Wellen

19--21 Thermodynamik

22--34 Elektrostatik und Elektrodynamik

35--37 Optik

38--42 Jenseits der klassischen Physik

1 Messung und Maßeinheiten

1-1 Dinge messen 2

1-2 Das internationale Einheitensystem SI 2

1-3 Einheiten umwandeln 3

1-4 Länge 5

1-5 Zeit 6

1-6 Masse 9

Zusammenfassung 10

2 Geradlinige Bewegung

2-1 Bewegung 12

2-2 Ort und Verschiebung 12

2-3 Durchschnittsgeschwindigkeit 13

2-4 Momentangeschwindigkeit 16

2-5 Beschleunigung 19

2-6 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung: Ein Sonderfall 22

2-7 Ein weiterer Zugang zur gleichm¨aßig beschleunigten Bewegung 25

2-8 Der freie Fall 26

Zusammenfassung 29

3 Vektoren

3-1 Vektoren und Skalare 32

3-2 Geometrische Addition von Vektoren 32

3-3 Komponenten von Vektoren 34

3-4 Einheitsvektoren 39

3-5 Vektoren komponentenweise addieren 40

3-6 Vektoren und physikalische Gesetze 42

3-7 Multiplikation von Vektoren 43

3-8 Felder 47

3-9 Partielle Ableitungen 48

3-10 Der Gradient 50

3-11 Die Divergenz 51

3-12 Die Rotation 51

3-13 Zweite Ableitungen 52

3-14 Komplexe Zahlen und Funktionen 53

Zusammenfassung 55

4 Bewegung in zwei und drei Dimensionen

4-1 Bewegung in zwei oder drei Dimensionen 58

4-2 Ort und Verschiebung 58

4-3 Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit 60

4-4 Durchschnittsbeschleunigung und Momentanbeschleunigung 62

4-5 Wurfbewegungen 65

4-6 Analyse der Wurfbewegung 66

4-7 Die gleichförmige Kreisbewegung 73

4-8 Relativbewegung in einer Dimension 75

4-9 Relativbewegung in zwei Dimensionen 77

Zusammenfassung 79

5 Die Newtonschen Gesetze der Mechanik

5-1 Wodurch wird Beschleunigung verursacht? 82

5-2 Das erste Newtonsche Gesetz 82

5-3 Kraft 83

5-4 Masse 85

5-5 Das zweite Newtonsche Gesetz 86

5-6 Einige besondere Kräfte 92

5-7 Das dritte Newtonsche Gesetz 97

5-8 Anwendung der Newtonschen Gesetze 98

Zusammenfassung 106

6 Kraft und Bewegung

6-1 Reibung 110

6-2 Eigenschaften der Reibung 111

6-3 Strömungswiderstand und Endgeschwindigkeit 116

6-4 Gleichförmige Kreisbewegung 119

Zusammenfassung 125

7 Kinetische Energie und Arbeit

7-1 Energie 128

7-2 Arbeit 129

7-3 Arbeit und kinetische Energie 130

7-4 Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit 134

7-5 Von einer Federkraft verrichtete Arbeit 139

7-6 Von einer allgemeinen veränderlichen Kraft verrichtete Arbeit 143

7-7 Leistung 146

Zusammenfassung 148

8 Potenzielle Energie und Energieerhaltung

8-1 Potenzielle Energie 152

8-2 Wegunabhängigkeit von konservativen Kräften 153

8-3 Berechnung der potenziellen Energie 156

8-4 Der Energieerhaltungssatz der Mechanik 159

8-5 Grafische Darstellung der potenziellen Energie 163

8-6 An einem System verrichtete Arbeit 166

8-7 Energieerhaltung 171

Zusammenfassung 173

9 Systeme von Teilchen

9-1 Ein besonderer Punkt 176

9-2 Der Schwerpunkt 176

9-3 Das zweite Newtonsche Axiom für ein Teilchensystem 181

9-4 Der Impuls eines Teilchens 185

9-5 Der Impuls eines Teilchensystems 185

9-6 Die Impulserhaltung 187

9-7 Systeme mit veränderlicher Masse: Eine Rakete 191

9-8 ¨Außere Kräfte und ¨Anderungen der inneren Energie 194

Zusammenfassung 196

10 Stoßprozesse

10-1 Was ist ein Stoß? 200

10-2 Kraftstoß und Impuls 201

10-3 Impuls und kinetische Energie bei Stoßprozessen 204

10-4 Inelastische eindimensionale Stöße 205

10-5 Elastische eindimensionale Stöße 209

10-6 Zweidimensionale Stöße 213

Zusammenfassung 215

11 Die Rotation

11-1 Translation und Rotation 218

11-2 Rotationsvariable 218

11-3 Sind Winkelgrößen Vektoren? 222

11-4 Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung 223

11-5 Beziehungen zwischen den Variablen für lineare Bewegung und Rotation 226

11-6 Die kinetische Energie der Rotation 229

11-7 Berechnung des Trägheitsmoments 230

11-8 Das Drehmoment 233

11-9 Das zweite Newtonsche Axiom für die Rotation 234

11-10 Arbeit und kinetische Energie der Rotation 238

Zusammenfassung 242

12 Rollen, Drehmoment und Drehimpuls

12-1 Rollen 246

12-2 Die kinetische Energie der Rollbewegung 248

12-3 Kräfte bei der Rollbewegung 249

12-4 Ein Jo-Jo 251

12-5 Eine erweiterte Definition des Drehmoments 252

12-6 Der Drehimpuls 254

12-7 Das zweite Newtonsche Axiom in Winkelschreibweise 256

12-8 Der Drehimpuls eines Teilchensystems 258

12-9 Der Drehimpuls eines rotierenden starren Körpers 259

12-10 Die Erhaltung des Drehimpulses 262

Zusammenfassung 269

13 Gleichgewicht und Elastizität 13-1 Gleichgewicht 272

13-2 Bedingungen für das Gleichgewicht 273

13-3 Das Gravitationszentrum 274

13-4 Beispiele für statische Gleichgewichte 276

13-5 Unterbestimmte Strukturen 283

13-6 Elastizität 284

Zusammenfassung 289

14 Gravitation

14-1 Die Gravitationskraft in unserem Kosmos 292

14-2 Das Newtonsche Gravitationsgesetz 292

14-3 Gravitation und das Superpositionsprinzip 294

14-4 Die Gravitation in der N¨ahe der Erdoberfläche 297

14-5 Die Gravitation innerhalb der Erde 300

14-6 Die potenzielle Energie der Gravitation 301

14-7 Planeten und Satelliten: Die Keplerschen Gesetze 306

14-8 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie 310

Zusammenfassung 312

15 Fluide

15-1 Was ist ein Fluid? 316

15-2 Dichte 316

15-3 Druck 316

15-4 Ruhende Fluide 318

15-5 Druckmessung 321

15-6 Das Pascalsche Prinzip 322

15-7 Das Archimedische Prinzip 324

15-8 Ideale Fluide in Bewegung 327

15-9 Die Kontinuitätsgleichung 328

15-10 Die Bernoulli-Gleichung 331

Zusammenfassung 335

16 Schwingungen

16-1 Schwingungen 338

16-2 Harmonische Schwingungen 338

16-3 Das Kraftgesetz der harmonischen Schwingung 341

16-4 Die Energie der harmonischen Schwingung 345

16-5 Das Torsionspendel 347

16-6 Pendel 348

16-7 Harmonische Schwingungen und die gleichförmige Kreisbewegung 354

16-8 Gedämpfte harmonische Schwingungen 355

16-9 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 357

16-10 Das Foucaultsche Pendel 358

Zusammenfassung 359

17 Wellen

17-1 Wellen und Teilchen 362

17-2 Wellenarten 362

17-3 Transversale und longitudinale Wellen 363

17-4 Wellenlänge und Frequenz 364

17-5 Die Geschwindigkeit einer fortlaufenden Welle 366

17-6 Die Wellengeschwindigkeit für ein gespanntes Seil 370

17-7 Energie und Leistung einer fortlaufenden Seilwelle 372

17-8 Das Superpositionsprinzip für Wellen 375

17-9 Die Interferenz von Wellen 375

17-10 Darstellung einer Welle durch einen Vektor 379

17-11 Stehende Wellen 380

17-12 Stehende Wellen und Resonanz 383

Zusammenfassung 385

18 Schallwellen

18-1 Schallwellen 388

18-2 Die Schallgeschwindigkeit 388

18-3 Ausbreitung von Schallwellen 391

18-4 Interferenz 394

18-5 Schallintensität und Schallpegel 396

18-6 Musikalische Töne 400

18-7 Schwebungen 402

18-8 Der Doppler-Effekt 404

18-9 Überschallgeschwindigkeiten und Schockwellen 408

Zusammenfassung 409

19 Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik

19-1 Thermodynamik 412

19-2 Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik 412

19-3 Temperaturmessung 413

19-4 Die Celsius- und die Fahrenheit-Skalen 415

19-5 Wärmeausdehnung 417

19-6 Temperatur und Wärme 419

19-7 Die Wärmeaufnahme bei Festkörpern und Flüssigkeiten 420

19-8 Wärme und Arbeit: Eine ausführlichere Betrachtung 426

19-9 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 428

19-10 Einige Beispiele für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik 429

Zusammenfassung 431

20 Die kinetische Gastheorie

20-1 Gase unter einem neuen Blickwinkel 434

20-2 Die Avogadro-Zahl 434

20-3 Ideale Gase 435

20-4 Druck, Temperatur und mittlere Geschwindigkeit 438

20-5 Die kinetische Translationsenergie 441

20-6 Die mittlere freie Weglänge 442

20-7 Die Verteilungsfunktion der Molek¨ulgeschwindigkeiten 444

20-8 Die molaren spezifischen Wärmen idealer Gase 448

Zusammenfassung 452

21 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

21-1 Gerichtete Prozesse 456

21-2 Entropienderungen 457

21-3 Derzweite Hauptsatz der Thermodynamik 461

21-4 Die Entropie in Aktion: Maschinen 462

21-5 Die Entropie in Aktion: K¨altemaschinen 468

21-6 Die Wirkungsgrade realer Maschinen 469

21-7 Eine statistische Interpretation der Entropie 470

Zusammenfassung 474

22 Elektrische Ladung

22-1 Elektromagnetismus 478

22-2 Elektrische Ladung 478

22-3 Leiter und Isolatoren 480

22-4 Das Coulombsche Gesetz 481

Zusammenfassung 489

23 Elektrische Felder

23-1 Ladungen und Kr¨afte - genauer betrachtet 492

23-2 Das elektrische Feld 492

23-3 Elektrische Feldlinien 493

23-4 Das elektrische Feld einer Punktladung 495

23-5 Das Feld eines elektrischen Dipols 497

23-6 Das elektrische Feld einer linearen Ladungsverteilung 498

23-7 Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe 503

23-8 Verhalten einer Punktladung in einem elektrischen Feld 504

23-9 Verhalten eines Dipols in einem elektrischen Feld 507

Zusammenfassung 510

24 Der Gaußsche Satz

24-1 Das Coulombsche Gesetz in neuem Licht 512

24-2 Fluss 512

24-3 Fluss eines elektrischen Felds 513

24-4 Der Gaußsche Satz 517

24-5 Gaußscher Satz und Coulombsches Gesetz 519

24-6 Eigenschaften eines geladenen, isolierten Leiters 520

Zusammenfassung 524

25 Elektrisches Potenzial

25-1 Elektrische potenzielle Energie 526

25-2 Elektrisches Potenzial 527

25-3 ¨Aquipotenzialfl¨achen 530

25-4 Berechnung des Potenzials aus dem Feld 531

25-5 Potenzial einer Punktladung 533

25-6 Potenzial einer Gruppe von Punktladungen 535

25-7 Potenzial eines elektrischen Dipols 536

25-8 Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung 538

25-9 Berechnung des elektrischen Felds aus dem elektrischen Potenzial 540

25-10 Elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen 542

25-11 Potenzial eines geladenen, isolierten leitenden Krpers 544

Zusammenfassung 545

26 Kapazität

26-1 Kondensatoren und ihre Anwendungen 548

26-2 Kapazität  548

26-3 Berechnung der Kapazität 550

26-4 Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren 554

Zusammenfassung 556

27 Elektrischer Strom und Widerstand

27-1 Ladung in Bewegung: Elektrische Str¨ome 560

27-2 Elektrischer Strom 560

27-3 Stromdichte 563

27-4 Widerstand und spezifischer Widerstand 567

27-5 Ohmsches Gesetz 570

27-6 Das Ohmsche Gesetz - mikroskopisch betrachtet 572

27-7 Elektrische Leistung in Stromkreisen 574

27-8 Halbleiter 576

27-9 Supraleiter 577

Zusammenfassung 579

28 Stromkreise

28-1 "Pumpen“ von Ladung 582

28-2 Arbeit, Energie und Spannung 582

28-3 Der einfache Stromkreis 584

28-4 Widerstände im einfachen Stromkreis 586

28-5 Potenzialdifferenzen 588

28-6 Verzweigte Stromkreise 591

28-7 Amperemeter und Voltmeter 599

28-8 Stromkreise mit Kondensator 599

Zusammenfassung 603

29 Magnetfelder

29-1 Das Magnetfeld 606

29-2 Definition von B 606

29-3 Gekreuzte Felder: Die Entdeckung des Elektrons 611

29-4 Gekreuzte Felder: Der Hall-Effekt 612

29-5 Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn 615

29-6 Zyklotron und Synchrotron 620

29-7 Magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht 622

29-8 Drehmoment auf eine stromdurchflossene Drahtschleife 624

29-9 Magnetisches Dipolmoment 627

Zusammenfassung 629

30 Magnetfelder aufgrund von Strömen

30-1 Das Magnetfeld eines Stroms 632

30-2 Die Kraft zwischen parallelen Strömen 638

30-3 Das Ampèresche Gesetz 639

Zusammenfassung 643

31 Induktion und Induktivität 31-1 Zwei symmetrische Situationen 646

31-2 Zwei Experimente 646

31-3 Das Faradaysche Induktionsgesetz 647

31-4 Die Lenzsche Regel 650

31-5 Induktion und Energietransfer 653

31-6 Induzierte elektrische Felder 656

31-7 Induktivität 660

31-8 Selbstinduktion 661

Zusammenfassung 663

32 Magnetismus und Materie

32-1 Magnete 666

32-2 Der Gaußsche Satz für Magnetfelder 666

32-3 Der Erdmagnetismus 667

32-4 Der Magnetismus von Elektronen 668

32-5 Magnetische Materialien 672

32-6 Diamagnetismus 673

32-7 Paramagnetismus 674

32-8 Ferromagnetismus 676

32-9 Induzierte magnetische Felder 679

32-10 Der Verschiebungsstrom 682

Zusammenfassung 684

33 Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom

33-1 Neue Physik - alte Mathematik 688

33-2 LC-Schwingungen: Eine qualitative Diskussion 688

33-3 Die Analogie: Elektrischer und mechanischer Schwingkreis 691

33-4 LC-Schwingungen: Eine quantitative Diskussion 692

33-5 Gedämpfte Schwingungen in einem RLC-Kreis 696

33-6 Wechselstrom 698

33-7 Erzwungene Schwingungen 699

33-8 Drei einfache Stromkreise 699

33-9 Der in Reihe geschaltete RLC-Kreis 706

33-10 Die Leistung in Wechselstromkreisen 710

33-11 Transformatoren 713

Zusammenfassung 717

34 Die Maxwell-Gleichungen

34-1 Maxwells Regenbogen 720

34-2 Die Maxwell-Gleichungen 721

34-3 Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen 723

34-4 Energietransport und Poynting-Vektor 730

34-5 Der Strahlungsdruck 733

34-6 Polarisation 736

34-7 Reflexion und Brechung 740

34-8 Innere Totalreflexion 746

34-9 Polarisation durch Reflexion 748

Zusammenfassung 749

35 Abbildungen

35-1 Zwei Arten von Bildern 752

35-2 Ebene Spiegel 753

35-3 Kugelspiegel 754

35-4 Abbildungen an Kugelspiegeln 756

35-5 Sphärische brechende Fl¨achen 759

Zusammenfassung 764

36 Interferenz

36-1 Interferenz 766

36-2 Licht als Welle 766

36-3 Beugung 770

36-4 Der Doppelspaltversuch von Young 771

36-5 Kohärenz 774

36-6 Intensitäten bei der Interferenz am Doppelspalt 775

36-7 Interferenz an d¨unnen Schichten 779

36-8 Das Michelson-Interferometer 785

Zusammenfassung 786

37 Beugung

37-1 Beugung und die Wellentheorie des Lichts 790

37-2 Beugung am Einzelspalt: Lokalisierung der Minima 791

37-3 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt - qualitative Betrachtung 794

37-4 Intensitäten bei der Beugung am Einzelspalt - quantitative Betrachtung 796

37-5 Beugung an einer kreisrunden Öffnung 798

37-6 Beugung am Doppelspalt 801

37-7 Beugungsgitter 804

37-8 Beugungsgitter: Dispersion und Auflösungsvermögen 807

37-9 Röntgenbeugung 810

Zusammenfassung 812

38 Relativitätstheorie

38-1 Womit beschäftigt sich die Relativitätstheorie? 814

38-2 Die Postulate 814

38-3 Messung von Ereignissen 816

38-4 Die Relativität der Gleichzeitigkeit 817

38-5 Die Relativität der Zeit 819

38-6 Die Relativität der Länge 824

38-7 Die Lorentz-Transformation 826

38-8 Einige Folgen aus den Lorentz-Gleichungen 828

Zusammenfassung 831

39 Photonen und Materiefelder

39-1 Eine neue Welt 834

39-2 Das Photon: Teilchen des Lichts 834

39-3 Der photoelektrische Effekt 836

39-4 Photonen haben einen Impuls 839

39-5 Licht als Wahrscheinlichkeitswelle 843

39-6 Elektronen und Materiewellen 845

39-7 Die Schrödinger-Gleichung 848

39-8 Die Heisenbergsche Unschärferelation 851

39-9 Der Tunneleffekt 852

39-10 Das Plancksche Strahlungsgesetz 855

Zusammenfassung 856

40 Mehrüber Materiewellen

40-1 Der Aufbau der Atome 860

40-2 Wellen auf einem Seil und Materiewellen 860

40-3 Die eindimensionale Elektronenfalle 861

40-4 Das Elektron im Kastenpotenzial 865

40-5 Das Elektron im endlichen Kastenpotenzial 869

40-6 Realisierung von Elektronenfallen 872

40-7 Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen 874

40-8 Das Bohrsche Modell des Wasserstoffatoms 876

Zusammenfassung 886

41 Atome und Radioaktivität

41-1 Einige Eigenschaften von Atomen 890

41-2 Der Spin des Elektrons 892

41-3 Drehimpulse und magnetische Dipolmomente 893

41-4 Das Stern-Gerlach-Experiment 895

41-5 Kernspinresonanz 898

41-6 Die Entdeckung des Atomkerns 899

41-7 Einige Eigenschaften von Atomkernen 900

41-8 Radioaktiver Zerfall 905

41-9 Radiometrische Zeitmessung 911

41-10 Maße für Strahlungsdosen 912

Zusammenfassung 913

42 Metalle, Halbleiter und Isolatoren

42-1 Festkörper 918

42-2 Die elektrischen Eigenschaften von Festkörpern 918

42-3 Die Energieniveaus in einem kristallinen Festkörper 919

42-4 Nichtleiter 920

42-5 Metalle 921

42-6 Halbleiter 927

42-7 Dotierte Halbleiter 929

42-8 Der pn-Übergang 932

42-9 Der Halbleiter-Gleichrichter 934

42-10 Anwendungen des pn-Übergangs 935

42-11 Der Transistor 938

Zusammenfassung 939

Anhang

A Das Internationale Einheitensystem (SI) 942

B Astronomische Daten 944

C Umrechnungsfaktoren 945

D Mathematische Formeln 947

E Eigenschaften der Elemente 951

F Ergebnisse der Kontrollfragen 954

G Bildquellenverzeichnis 957

H Index 959