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Physik II für Dummies

Physik II für Dummies

Steven Holzner, Regine Freudenstein (Translator)

ISBN: 978-3-527-70719-5

Sep 2011

399 pages

Select type: Paperback

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Über den Autor 7

Widmung 7

Danksagung 7

Über die Übersetzer 7

Einleitung 19

Über dieses Buch 19

Schreibweisen in diesem Buch 20

Was Sie nicht unbedingt lesen müssen 20

Voraussetzungen 20

Der Aufbau dieses Buches 21

Teil I: Grundlagen der Physik 21

Teil II: Arbeit hält warm: Mechanik und Wärmelehre 21

Teil III: Feldarbeit: Elektrizität und Magnetismus 21

Teil IV: Wellenreiten: Licht und Schall 21

Teil V: Moderne Physik 22

Teil VI: Der Top-Ten-Teil 22

Symbole in diesem Buch 22

Nun kann es losgehen! 22

Teil I Grundlagen der Physik 23

Kapitel 1 Die Welt verstehen: Physik II, die Fortsetzung 25

Mechanik und Wärmelehre 25

Elektrizität und Magnetismus 25

Elektrische Ladungen und elektrische Felder 26

Einen Schritt weiter: der Magnetismus 26

Wechselstromkreise: Wechselspiel zwischen elektrischen

und magnetischen Feldern 27

Das ist die perfekte Welle 27

Alles über Schallwellen 28

Die Natur des Lichts 28

Spielen mit Licht: Reflexion und Brechung 29

Bilderzeugung: Linsen und Spiegel 29

Interferenz: wenn Licht mit Licht wechselwirkt 30

Die moderne Physik: ein weit verzweigtes Feld 31

Die Schwarzkörperstrahlung: Wärme bedeutet Helligkeit 31

Die Relativitätstheorie: natürlich gilt E = mc2 31

Identitätsprobleme: der Welle-Teilchen-Dualismus 32

Das αβγ der Strahlung 32

Kapitel 2 Startvorbereitungen 33

Mathematik und Messungen: Überblick über die grundlegenden Kenntnisse 33

Die Maßsysteme MKS und CGS 33

Einheiten umrechnen 34

Vereinfachung durch Exponentialschreibweise 37

Auffrischung der Algebra-Kenntnisse 38

Verwendung der Trigonometrie 38

Beschränkung auf signifikante Stellen 40

Auffrischung Ihrer Physik-Kenntnisse 41

Mit Vektoren den Weg weisen 41

Bewegung: Geschwindigkeit und Beschleunigung 42

Zwang ausüben: eine Frage der Kraft 43

Karussell fahren: die Kreisbewegung 43

Strömende Elektronen: Schaltkreise 45

Teil II Arbeit hält warm: Mechanik und Wärmelehre 47

Kapitel 3 Mechanik 49

Bewegung pur: Kinematik 49

Geradeaus: Translationsbewegungen 50

Immer dasselbe: Energie- und Impulserhaltungssatz 51

Beispiel: Stöße 52

Kreisverkehr: Kreisbewegungen 54

Auf die Kraft kommt es an: Dynamik 59

Arbeit und weitere Größen 63

Drehbewegungen 67

Vergleich von Translation und Rotation 73

Kapitel 4 Manche mögen’s heiß: Wärmelehre 75

Brauchen wir dicke Pullover? Temperatur und Wärme 75

Temperaturmessung 75

Volumen und Längenausdehnung 77

36 Grad und es wird noch heißer: Wärme und Wärmemengen 80

Whiskey on the Rocks: Phasenübergänge 81

Gut Versteckt: latente Wärme 82

Langsam warm werden: Wärmetransport 83

Grundlagen des Wärmetransports 83

Vorsicht: der Griff ist heiß! Die Wärmeleitung 84

Nur heiße Luft: die Konvektion 86

Die Sonne spüren: Strahlung 86

Nichts als heiße Luft: Thermodynamik von Gasen 86

Nicht gerade wenig: Avogadrozahl 87

Ideal: das Gasgesetz 87

Ganz schön schnell: Energie und Geschwindigkeit von Gasmolekülen 90

Die vier Hauptsätze der Thermodynamik 92

Null, aber wichtig: der »nullte« Hauptsatz 92

Der 1. Hauptsatz 92

Der 2. Hauptsatz 98

Der 3. Hauptsatz 100

Teil III Feldarbeit: Elektrizität und Magnetismus 103

Kapitel 5 Ganz schön geladen: die Elektrizität 105

Elektrische Ladungen 105

Nichts geht verloren: Ladung bleibt erhalten 105

Messung elektrischer Ladung 106

Gegensätze ziehen sich an: abstoßende und anziehende Kräfte 106

Ganz schön geladen 108

Statische Elektrizität: Aufbau überschüssiger Ladung 108

Auflademethoden 109

Eine Frage des Materials: Leiter und Isolatoren 111

Das Coulomb’sche Gesetz: die Berechnung der Kräfte zwischen Ladungen 111

Elektrische Felder: eine Einführung 112

Geladene Flächen: Grundlegendes über Felder 112

Elektrische Felder von geladenen Körpern 114

Gleichmäßige elektrische Felder: der Parallel-Platten-Kondensator 115

Abschirmung: das elektrische Feld innerhalb von Leitern 117

Spannung: das Potential erkennen 118

Die Grundlagen elektrischer Potentiale 119

Arbeit aufwenden, um Ladungen zu bewegen 120

Berechnung des elektrischen Potentials von Ladungen 121

Äquipotentialflächen von Punktladungen und geladenen Flächen 122

Gespeicherte Ladung: Kondensatoren und Dielektrika 124

Die gespeicherte Ladung eines Kondensators 124

Zusätzliche Kapazität durch Dielektrika 124

Berechnung der Energie von Kondensatoren mit Dielektrika 125

Kapitel 6 Magnetismus ist anziehend 127

Alles über Magnetismus: die Verbindung zwischen Magnetismus und Elektrizität 127

Elektronenschleifen: Permanentmagnete und magnetische Materialien 128

Von Norden nach Süden oder von Pol zu Pol 129

Die Definition des magnetischen Feldes 131

Sie müssen sich schon bewegen: magnetische Kräfte auf Ladungen 132

Die Größe der magnetischen Kraft 132

Die Rechte-Hand-Regel 133

Pure Faulheit: Magnetfelder vermeiden Arbeit 134

Im Kreis herum: geladene Teilchen in Magnetfeldern 134

Magnetische Kräfte auf elektrische Ströme 139

Von der Geschwindigkeit zum Strom: Strom in die Formel

für die magnetische Kraft bringen 139

Das Drehmoment: in Elektromotoren Strom den Dreh geben 141

Zurück zur Quelle: Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrischen Strom 143

Erzeugung eines Magnetfeldes durch einen Leitungsdraht 144

In das Zentrum rücken: Magnetfelder von Stromschleifen 146

Schleifen aneinanderreihen: die Erzeugung von gleichmäßigen Feldern durch Zylinderspulen 148

Kapitel 7 Wechselströme und Wechselspannungen 151

Wechselstromkreise und Widerstände 151

Das Ohm’sche Gesetz für Wechselspannung 152

Durchschnittlich: der quadratische Mittelwert von Strom und Spannung 153

In Phase: die Verbindung von Widerständen und Wechselspannungsquellen 154

Wechselspannung und Kondensatoren: Speicherung von Ladung im elektrischen Feld 155

Der Blindwiderstand 156

Nicht in Phase: der Strom eilt der Spannung voraus 157

Erhaltung der Leistung 159

Wechselspannung und Induktionsspulen: im magnetischen Feld Energie speichern 159

Das Faraday’sche Gesetz: das Prinzip der Induktion 160

Der induktive Widerstand 164

Hintendran: der Strom eilt der Spannung nach 165

Wettrennen zwischen Strom und Spannung: die RLC-Reihenschaltung 166

Die Impedanz: das Verhältnis von Strom und Spannung bei Bauelementen 167

Nacheilen oder Vorauseilen: die Größe der Phasenverschiebung 170

Das ist Spitze: Berechnung des maximalen Stromes in einer

RLC-Reihenschaltung 172

Den Blindwiderstand ausschalten 172

Bestimmung der Resonanzfrequenz 173

Halbleiter und Dioden 174

Dotierung von Halbleitern 174

Teil IV Wellenreiten: Licht und Schall 175

Kapitel 8 Erforschung der Wellen 177

Wellen: Transport von Energie 177

Auf und ab: Transversalwellen 178

Vorwärts und wieder zurück: Longitudinalwellen 179

Eigenschaften von Wellen: so arbeitet eine Welle 179

Bestandteile einer Welle 179

Mathematische Beschreibung einer Welle 181

Den Sinus betrachten: graphische Darstellung von Wellen 183

Wenn Wellen zusammenstoßen: das Verhalten von Wellen 186

Kapitel 9 Hören Sie sich das an 187

Schwingen, um gehört zu werden: Schallwellen als Schwingungen 187

Die Lautstärke vergrößern: Druck, Kraft und Intensität 189

Unter Druck: Messung der Amplitude von Schallwellen 190

Die Intensität des Schalls 191

Berechnung der Schallgeschwindigkeit 193

Schnell: die Schallgeschwindigkeit in Gasen 194

Schneller: die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten 196

Am schnellsten: die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern 197

Das Verhalten von Schallwellen 198

Ein Echo zurückwerfen: Reflexion von Schallwellen 199

Im selben Raum: die Interferenz von Schallwellen 200

Die Beugung von Schallwellen 208

Kommen und Gehen mit dem Doppler-Effekt 209

Die Schallgrenze durchbrechen: Druckwellen 211

Kapitel 10 Es werde Licht: wenn sich Elektrizität und Magnetismus vereinen 215

Es werde Licht: Erzeugung und Empfang von Wellen 215

Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes 215

Ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld hinzufügen 217

Der Empfang von Radiowellen 219

Den Regenbogen betrachten: das elektromagnetische Spektrum 221

Das elektromagnetische Spektrum unter der Lupe 221

Frequenz und Wellenlänge des Lichts 222

Unschlagbar: die Spitzengeschwindigkeit des Lichts 223

Das erste erfolgreiche Experiment zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit 224

Die theoretische Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit 226

Die Energiedichte von Licht 228

Bestimmung der momentanen Energie 228

Die durchschnittliche Energiedichte des Lichts 231

Kapitel 11 Brechung und Linsen 233

Mit Strahlen geht es einfacher 233

Die Verlangsamung des Lichts: der Brechungsindex 235

Berechnung der Verlangsamung 235

Die Ablenkung berechnen: das Snellius‘sche Brechungsgesetz 236

Der Regenbogen: Wellenlängen trennen 238

Lichtbrechung und Reflexion nach innen 239

Es kommt wieder zurück: die Totalreflexion 240

Polarisiertes Licht: es wird teilweise reflektiert 242

Linsen erzeugen Bilder 244

Gegenstände und Bilder 245

Im Brennpunkt: Sammel- und Zerstreuungslinsen 245

Darstellung von Strahlengängen 248

Mathematische Beschreibung von Abbildung und Vergrößerung 251

Die Linsengleichung 252

Die Gleichung für die Vergrößerung 254

Stärkere Vergrößerung durch die Kombination von Linsen 256

Mikroskope und Fernrohre 257

Winkelvergrößerung 259

Kapitel 12 Der Schein fällt zurück: Reflexion und Spiegel 261

Reflexion an ebenen Spiegeln 261

Bestimmung der Winkel 262

Erzeugung von Bildern durch ebene Spiegel 262

Die Größe eines Spiegels 264

Gekrümmte Spiegel 266

Der Hohlspiegel 267

Kleiner und kleiner: konvexe Spiegel 270

Zusammenfassung in Zahlen: Gleichungen zur Beschreibung

sphärischer Spiegel 272

Die Spiegelgleichung 272

Größer oder kleiner: die Vergrößerung 274

Kapitel 13 Licht und Schatten: Interferenz und Beugung 277

Wenn Wellen zusammentreffen: die Interferenz von Licht 277

Wellen in Phase: konstruktive Interferenz 278

Es wird dunkel: destruktive Interferenz 280

Interferenz: Erzeugung von kohärentem Licht 282

Der Doppelspalt 282

Benzintropfen in einer Pfütze: Interferenzen an dünnen Schichten 286

Beugung am Einzelspalt: Interferenz von Elementarwellen 290

Das Huygens’sche Prinzip: die Beugung am Spalt 290

Die Streifen im Beugungsmuster 292

Berechnung eines Beugungsmusters 294

Viele Spalte: das Beugungsgitter 295

Trennung der Farben anhand von Beugungsgittern 295

Beugung am Gitter: ein Beispiel 296

Sehen Sie klar: Auflösungsvermögen und Beugung an einem Loch 297

Teil V Moderne Physik 301

Kapitel 14 Hören Sie auf Einstein: die spezielle Relativitätstheorie 303

Los geht’s: Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie 304

Betrachten Sie Ihren Ausgangspunkt: Bezugssysteme 304

Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie 306

Die spezielle Relativitätstheorie 307

Die Zeit verlangsamen: Zeitdilatation 308

Die Länge verkürzen: Längenkontraktion 313

Der Impuls nahe der Lichtgeschwindigkeit 316

Es ist soweit: E = mc2 318

Die Ruheenergie: die Energie, die auf der Masse beruht 318

Die kinetische Energie eines Körpers 320

Die potentielle Energie übergehen 322

Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit addieren 323

Kapitel 15 Energie und Materie: sowohl Wellen als auch Teilchen 325

Die Strahlung schwarzer Körper: Entdeckung der Teilchennatur des Lichts 325

Die Aufregung um die Schwarzkörperstrahlung 326

Diskret werden: das Planck’sche Wirkungsquantum 327

Lichtpakete: Fortschritt durch den photoelektrischen Effekt 327

Die Erklärung des photoelektrischen Effekts 328

Einstein als Retter: die Einführung der Photonen 329

Die kinetische Energie der Elektronen 330

Der sofortige Austritt der Elektronen 331

Ein Zahlenbeispiel zum photoelektrischen Effekt 332

Zusammenstöße: Überprüfung der Teilchennatur des Lichts anhand des Compton-Effekts 333

Die De-Broglie-Wellenlänge: Beobachtung der Wellennatur der Materie 336

Interferierende Elektronen: Bestätigung von de Broglies Vorschlag 336

Berechnung der Wellenlänge verschiedener Teilchen 337

Keine Gewissheit: die Heisenberg’sche Unschärferelation 339

Die Unschärfe bei der Elektronenbeugung 339

Herleitung der Unschärferelation 339

Berechnung von Unschärfen 342

Kapitel 16 Feine Details: die Struktur der Atome 345

Beschreibung der Atome: das Planeten-Modell 345

Die Rutherford-Streuung: die Entdeckung des Atomkerns durch die Streuung von Alpha-Teilchen 346

Zusammenstürzende Atome: Infragestellung des Rutherford’schen Planetenmodells 347

Antwort auf die Infragestellung: diskret werden mit Linienspektren 347

Überarbeitung des Planetenmodells des Wasserstoffatoms: das Bohr’sche Modell 350

Berechnung der erlaubten Elektronenenergien 352

Berechnung der erlaubten Radien 353

Bestimmung der Rydberg-Konstante anhand des Linienspektrums von Wasserstoff 355

Darstellung im Energieniveauschema 356

Begründung für die Quantisierung: De Broglie überdenkt das Bohr’sche Modell 357

Die Elektronenkonfiguration: die Quantenphysik und das Atom 358

Die vier Quantenzahlen 358

Zahlenverarbeitung: die Anzahl der Quantenzustände 360

Mehrelektronenatome: das Pauli-Prinzip 362

Kurzschreibweise der Elektronenkonfiguration 364

Kapitel 17 Kernphysik und Radioaktivität 367

Die Struktur des Atomkerns 367

Die Rolle der Chemie: Ordnungszahl und Massenzahl 368

Anzahl der Neutronen: Isotope eines Elementes 369

Ach, wie klein: das Volumen und der Radius des Atomkerns 370

Berechnung der Dichte des Kerns 371

Die starke Wechselwirkung: Sie hält die Kerne zusammen 371

Die abstoßende Kraft zwischen den Protonen 372

Die starke Wechselwirkung 372

Bestimmung der Bindungsenergie des Kerns 373

Von α bis γ: die verschiedenen Arten des radioaktiven Zerfalls 375

Freisetzung von Helium: der Alpha-Zerfall 376

Gewinnung von Protonen: der Beta-Zerfall 377

Emission von Photonen: der Gamma-Zerfall 378

Griff zum Geiger-Zähler: die Halbwertszeit und radioaktiver Zerfall 379

Die Halbwertszeit 380

Zerfallsraten: Aktivität eines Stoffes 381

Teil VI Der Top-Ten Teil 383

Kapitel 18 Zehn Experimente, die die Welt verändert haben 385

Michelsons Messung der Lichtgeschwindigkeit 385

Das Doppelspaltexperiment von Young: Licht ist eine Welle 386

Der photoelektrische Effekt 386

Die Entdeckung von Materiewellen durch Davisson und Germer 387

Röntgenstrahlen 387

Marie Curie und die Radioaktivität 387

Rutherfords Entdeckung des Atomkerns 388

Der Stern-Gerlach-Versuch 388

Das Atomzeitalter: der erste Atommeiler 388

Bestätigung der speziellen Relativitätstheorie 389

Kapitel 19 Zehn Online-Rechner 391

Vektor-Rechnung 391

Zentripetalbeschleunigung einer Kreisbewegung 391

Die in einem Kondensator gespeicherte Energie 392

Elektrische Resonanzfrequenz 392

Kapazitiver Blindwiderstand 392

Induktiver Blindwiderstand 393

Umrechnung von Frequenz und Wellenlänge 393

Längenkontraktion 393

Der relativistische Faktor 393

Berechnung von Halbwertszeiten 394

Stichwortverzeichnis 395