Halliday Physik für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge (E-Book) von David Halliday

1 Bewegung

1.1 Ort, Verschiebung und mittlere Geschwindigkeit 1

1.2 Momentangeschwindigkeit 4

1.3 Beschleunigung 5

1.4 Konstante Beschleunigung 8

1.5 Der freie Fall 12

1.6 Zwei und drei Raumdimensionen 14

1.7 Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit 15

1.8 Durchschnittsbeschleunigung und Momentanbeschleunigung 18

1.9 Wurfbewegungen 19

1.10 Die gleichformige Kreisbewegung 24

1.11 Relativbewegung in einer Dimension 26

1.12 Relativbewegung in zwei Dimensionen 28

1.13 Zusammenfassung 29

1.14 Fragen 31

2 Kraft und Bewegung

2.1 Das erste und das zweite NewtonscheGesetz 35

2.2 Einige besondere Krafte 42

2.3 Die Newtonschen Gesetze in der Praxis 47

2.4 Reibung 50

2.5 Stromungswiderstand und Endgeschwindigkeit 54

2.6 Gleichformige Kreisbewegung 56

2.7 Scheinkrafte 58

2.8 Zusammenfassung 61

2.9 Fragen 63

3 Kinetische Energie und Arbeit

3.1 Energie 69

3.2 Arbeit und kinetische Energie 71

3.3 Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit 74

3.4 Von einer Federkraft verrichtete Arbeit 76

3.5 Von einer allgemeinen veranderlichen Kraft verrichtete Arbeit 80

3.6 Leistung 83

3.7 Zusammenfassung 85

3.8 Fragen 86

4 Potenzielle Energie und Energieerhaltung

4.1 Potenzielle Energie 89

4.2 Der Energieerhaltungssatz derMechanik 94

4.3 Grafische Darstellung der potenziellen Energie 98

4.4 Von einer auseren Kraft an einem SystemverrichteteArbeit 101

4.5 Energieerhaltung 104

4.6 Zusammenfassung 107

4.7 Fragen 109

5 Systeme von Teilchen

5.1 Der Schwerpunkt 113

5.2 Das zweite Newtonsche Gesetz fur ein Teilchensystem 116

5.3 Der Impuls 119

5.4 Stosprozesse: Der Kraftstos 121

5.5 Die Impulserhaltung 125

5.6 Inelastische eindimensionale Stose 127

5.7 Elastische eindimensionale Stose 129

5.8 Zweidimensionale Stose 132

5.9 Systeme mit veranderlicher Masse: Eine Rakete 133

5.10 Ausere Krafte und Anderungen der inneren Energie 136

5.11 Zusammenfassung 138

5.12 Fragen 139

6 Die Rotation ausgedehnter Körper

6.1 Die Variablen der Rotation 143

6.2 Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung 148

6.3 Beziehungen zwischen den Variablen fur lineare Bewegung und Rotation 149

6.4 Die kinetische Energie der Rotation 152

6.5 Die Berechnung des Tragheitsmoments 154

6.6 Das Drehmoment 156

6.7 Das zweite Newtonsche Gesetz fur die Rotation 158

6.8 Arbeit und kinetische Energie der Rotation 159

6.9 Zusammenfassung 162

6.10 Fragen 164

7 Rollbewegung, Drehmoment und Drehimpuls

7.1 Die Rollbewegung 167

7.2 Krafte und die kinetische Energie der Rollbewegung 169

7.3 Das Jo-Jo 172

7.4 Eine erweiterte Definition des Drehmoments 173

7.5 Der Drehimpuls 175

7.6 Das zweite Newtonsche Gesetz in Winkelschreibweise 177

7.7 Der Drehimpuls eines starren Korpers 179

7.8 Die Erhaltung des Drehimpulses 182

7.9 Die Prazession eines Kreisels 185

7.10 Zusammenfassung 187

7.11 Fragen 188

8 Gleichgewicht und Elastizität

8.1 Gleichgewicht 191

8.2 Beispiele fur statische Gleichgewichte 195

8.3 Elastizitat 198

8.4 Zusammenfassung 203

8.5 Fragen 203

9 Gravitation

9.1 Das Newtonsche Gravitationsgesetz 207

9.2 Gravitation und das Superpositionsprinzip  210

9.3 Die Gravitation in der Nahe der Erdoberflache 211

9.4 DieGravitation innerhalb der Erde 214

9.5 Die potenzielle Energie der Gravitation 216

9.6 Planeten und Satelliten: DieKeplerschen Gesetze 220

9.7 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie 223

9.8 Einstein und die Gravitation 225

9.9 Zusammenfassung 227

9.10 Fragen 229

10 Fluide

10.1 Fluide,Dichte und Druck 233

10.2 Ruhende Fluide 235

10.3 Druckmessung 238

10.4 Das Pascalsche Prinzip 240

10.5 Das archimedische Prinzip 241

10.6 DieKontinuitatsgleichung 245

10.7 Die Bernoulli-Gleichung 248

10.8 Zusammenfassung 251

10.9 Fragen 252

11 Schwingungen

11.1 Harmonische Schwingungen 255

11.2 Die Energie einer harmonischen Schwingung 260

11.3 Das Torsionspendel 262

11.4 Pendel und Kreisbewegungen 264

11.5 Gedampfte harmonische Schwingungen 269

11.6 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 271

11.7 Das Foucaultsche Pendel 273

11.8 Zusammenfassung 274

11.9 Fragen 275

12 Wellen I

12.1 Transversalwellen 279

12.2 DieWellengeschwindigkeit eines gespannten Seils 285

12.3 Energie und Leistung einer sich ausbreitenden Seilwelle 288

12.4 Die Wellengleichung 290

12.5 Die Interferenz von Wellen 293

12.6 Darstellung von Wellen durch Zeiger 297

12.7 Stehende Wellen und Resonanz 298

12.8 Zusammenfassung 304

12.9 Fragen 305

13 Wellen II

13.1 Die Schallgeschwindigkeit 307

13.2 Die Ausbreitung von Schallwellen 310

13.3 Interferenz 314

13.4 Schallintensitat und Schallpegel 316

13.5 Musikalische Tone 319

13.6 Schwebungen 322

13.7 Der Doppler-Effekt 323

13.8 Uberschallgeschwindigkeit und Stoswellen 328

13.9 Zusammenfassung 329

13.10 Fragen 330

14 Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik

14.1 Temperatur 333

14.2 Die Celsius- und die Fahrenheit-Skala 336

14.3 Warmeausdehnung 339

14.4 Die Absorption von Warme 341

14.5 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 347

14.6 Mechanismen der Warmeubertragung 353

14.7 Zusammenfassung 358

14.8 Fragen 359

15 Die kinetische Gastheorie

15.1 Ein neuer Blick aufGase 363

15.2 Ideale Gase 364

15.3 Druck, Temperatur und gemittelte Geschwindigkeiten 368

15.4 Kinetische Translationsenergie 371

15.5 Diemittlere freie Weglange 372

15.6 Die Verteilungsfunktion der Molekulgeschwindigkeiten 374

15.7 Die molare Warmekapazitat idealer Gase 377

15.8 Freiheitsgrade und molare Warmekapazitat 382

15.9 Die adiabatische Expansion eines idealen Gases 385

15.10 RealeGase 389

15.11 Zusammenfassung 392

15.12 Fragen 393

16 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

16.1 Entropie 397

16.2 Entropie in Aktion: Thermodynamische Maschinen 402

16.3 Kaltemaschinenund reale Maschinen 407

16.4 Eine statistische Interpretation der Entropie 411

16.5 Zusammenfassung 414

16.6 Fragen 416

17 Elektrische Ladung

17.1 Elektromagnetismus 419

17.2 Die elektrische Ladung ist quantisiert 426

17.3 Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgrose 427

17.4 Zusammenfassung 429

17.5 Fragen 429

18 Elektrische Felder

18.1 Das elektrische Feld 433

18.2 Das elektrische Feld einer Punktladung 436

18.3 Das elektrische Feld eines Dipols 438

18.4 Elektrisches Feld einer linearen Ladungsverteilung 440

18.5 Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe 444

18.6 Punktladung imelektrischen Feld 446

18.7 EinDipol in einemelektrischen Feld 448

18.8 Zusammenfassung 451

18.9 Fragen 452

19 Der Gaußsche Satz

19.1 Das Coulombsche Gesetz in neuem Licht 455

19.2 Der Gaussche Satz 458

19.3 Eigenschaften eines geladenen, isolierten Leiters 462

19.4 Eine Anwendung des Gausschen Satzes: Zylindersymmetrie 465

19.5 Eine Anwendung des Gausschen Satzes: Ebene Symmetrie 466

19.6 Eine Anwendung des Gausschen Satzes: Kugelsymmetrie 469

19.7 Zusammenfassung 471

19.8 Fragen 472

20 Das elektrische Potenzial

20.1 Das elektrische Potenzial 475

20.2 Aquipotenzialflachen 479

20.3 Das Potenzial von Punktladungen 482

20.4 Das Potenzial eines elektrischen Dipols 485

20.5 Das Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung 487

20.6 Die Berechnung des elektrischen Felds aus demelektrischen Potenzial 490

20.7 Die elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen 492

20.8 Das Potenzial eines geladenen, isolierten leitendenKorpers 493

20.9 Zusammenfassung 495

20.10 Fragen 497

21 Kapazität

21.1 Kondensatoren und ihre Anwendungen 499

21.2 Die Berechnung der Kapazitat 502

21.3 Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren 506

21.4 In einem elektrischen Feld gespeicherte Energie 511

21.5 Kondensatormit Dielektrikum 513

21.6 Dielektrika und Gausscher Satz 517

21.7 Zusammenfassung 519

21.8 Fragen 520

22 Elektrischer Stromund Widerstand

22.1 Ladung in Bewegung: Elektrischer Strom 523

22.2 Die Stromdichte 525

22.3 Widerstand und spezifischer Widerstand 528

22.4 Das Ohmsche Gesetz 532

22.5 Elektrische Leistung in Stromkreisen 536

22.6 Zusammenfassung 541

22.7 Fragen 542

23 Stromkreise

23.1 Unverzweigte Stromkreise 545

23.2 Verzweigte Stromkreise 554

23.3 Amperemeter und Voltmeter 558

23.4RC-Kreise 559

23.5 Zusammenfassung 563

23.6 Fragen 564

24 Magnetfelder

24.1 Magnetfelder und die Definition vonB 567

24.2 Gekreuzte Felder:

Die Entdeckung des Elektrons 572

24.3 Gekreuzte Felder: DerHall-Effekt 574

24.4 Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn 576

24.5 Zyklotronund Synchrotron 580

24.6 Die magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht 582

24.7 Das Drehmoment auf eine stromdurchflossene Drahtschleife 584

24.8 Dasmagnetische Dipolmoment 587

24.9 Zusammenfassung 589

24.10 Fragen 590

25 Magnetfelder aufgrund von Strömen

25.1 Das Magnetfeld umeinen Strom 593

25.2 Die Kraft zwischen parallelen Stromen 598

25.3 Das Amperesche Gesetz 599

25.4 Zylinder- und Ringspulen 603

25.5 Eine stromfuhrende Spule alsmagnetischer Dipol 606

25.6 Zusammenfassung 609

25.7 Fragen 609

26 Induktion und Induktivität

26.1 Das Faradaysche Gesetz und die Lenzsche Regel 613

26.2 Induktion und Energietransfer 619

26.3 Induzierte elektrische Felder 622

26.4 Induktivitat 625

26.5 Selbstinduktion 627

26.6RL-Kreise 629

26.7 Energiespeicherung im Magnetfeld 632

26.8 Die Energiedichte eines Magnetfelds 634

26.9 Gegeninduktion 635

26.10 Zusammenfassung 637

26.11 Fragen 638

27 Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom

27.1LC-Schwingungen 641

27.2 Gedampfte Schwingungen in einemRLC-Kreis 647

27.3 Erzwungene Schwingungen 649

27.4 Der Reihen-RLC-Kreis 657

27.5 Leistung in Wechselstromkreisen 662

27.6 Transformatoren 664

27.7 Zusammenfassung 668

27.8 Fragen 669

28 Magnetismus und Materie

28.1 Der Gaussche Satz fur Magnetfelder 671

28.2 Induziertemagnetische Felder 673

28.3 Der Verschiebungsstrom und die Maxwell-Gleichungen 675

28.4 Magnete 678

28.5 Der Magnetismus von Elektronen 680

28.6 Diamagnetismus 687

28.7 Paramagnetismus 688

28.8 Ferromagnetismus 691

28.9 Zusammenfassung 694

28.10 Fragen 696

29 Elektromagnetische Wellen

29.1 Elektromagnetische Wellen 699

29.2 Energietransport und Poynting-Vektor 707

29.3 Der Strahlungsdruck 710

29.4 Polarisation 712

29.5 Reflexion und Brechung 716

29.6 Totalreflexion 721

29.7 Polarisation durch Reflexion 723

29.8 Zusammenfassung 724

29.9 Fragen 726

30 Abbildungen

30.1 Bilder und ebene Spiegel 729

30.2 Kugelspiegel 733

30.3 Spharische brechende Flachen 738

30.4 Dunne Linsen 740

30.5 Optische Instrumente 747

30.6 Drei Herleitungen 751

30.7 Zusammenfassung 753

30.8 Fragen 754

31 Interferenz

31.1 Licht als Welle 757

31.2 Beugung am Doppelspalt 761

31.3 Interferenzund Intensitat 766

31.4 Interferenz an dunnen Schichten 770

31.5 Das Michelson-Interferometer 776

31.6 Zusammenfassung 777

31.7 Fragen 778

32 Beugung

32.1 Beugung am Einzelspalt 781

32.2 Intensitaten bei der Beugung am Einzelspalt 785

32.3 Beugung an einer kreisrunden Offnung 789

32.4 Beugung am Doppelspalt 792

32.5 Beugungsgitter 795

32.6 Beugungsgitter: Dispersion und Auflosungsvermogen 799

32.7 Rontgenbeugung 801

32.8 Zusammenfassung 804

32.9 Fragen 805

33 Relativitätstheorie

33.1 Gleichzeitigkeitund Zeitdilatation 807

33.2 Die Relativitat der Lange 816

33.3 Die Lorentz-Transformation 818

33.4 Die Relativitat der Geschwindigkeiten 822

33.5 Der Doppler-Effekt fur Lichtwellen 823

33.6 Impuls und Energie 827

33.7 Zusammenfassung 833

33.8 Fragen 834

34 Photonen und Materiewellen

34.1 Das Photon: Teilchen des Lichts 837

34.2 Der photoelektrische Effekt 839

34.3 Photonenimpuls, Compton-Verschiebung und Lichtinterferenz 842

34.4 Die Geburtsstunde der Quantenphysik 848

34.5 Elektronenund Materiewellen 850

34.6 Die Schrodinger-Gleichung 854

34.7 Die Heisenbergsche Unscharferelation 857

34.8 Reflexion an einer Potenzialschwelle 858

34.9 Der Tunneleffekt 860

34.10 Zusammenfassung 863

34.11 Fragen 865

35 Mehr über Materiewellen

35.1 Die Energie eines Elektrons in einer Elektronenfalle 867

35.2 Die Wellenfunktionen eines Elektrons in einem Kastenpotenzial 871

35.3 Das eindimensionale endliche Kastenpotenzial 875

35.4 Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen 876

35.5 DasWasserstoffatom 880

35.6 Zusammenfassung 891

35.7 Fragen 892

36 Atome

36.1 Eigenschaften von Atomen 895

36.2 Das Stern-Gerlach-Experiment 901

36.3 Kernspinresonanz 904

36.4 Das Pauli-Prinzip 906

36.5 DerAufbau des Periodensystems 908

36.6 Rontgenstrahlung 911

36.7 Laser 915

36.8 Zusammenfassung 920

36.9 Fragen 921

37 Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern

37.1 Die elektrischen Eigenschaften von Metallen 923

37.2 Halbleiter und Dotierung 930

37.3 pn-Ubergange und Transistoren 935

37.4 Zusammenfassung 943

37.5 Fragen 944

Anhang

A Das Internationale Einheitensystem (SI) 948

B AstronomischeDaten 951

C Umrechnungsfaktoren 952

D Mathematische Formeln 954

E Eigenschaften der Elemente 959

F Antworten auf die Kontrollfragen und Fragen 962

G Stichwortverzeichnis 970

Das Halliday-Lehrbuch Physik für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge bietet einen Überblick über den Stoff typischer Experimentalphysik-Vorlesungen. Dementsprechend wurde der Stoff auf die Bedürfnisse dieser Studierenden zugeschnitten und gestrafft. Außerdem stellt jedes Kapitel einen ausgeprägten Praxisbezug her, um die Anwendung physikalischer Konzepte zu illustrieren.

Für die dritte Auflage wurden die Kapitel nicht nur überarbeitet, sondern didaktisch neu strukturiert: die Lerninhalte sind nun in Modulen organisiert, wobei jede Einheit die Lernziele explizit aufführt und die Schlüsselkonzepte zusammenfasst. So können Studentinnen und Studenten zielgerichtet lernen und den Lernerfolg nach der Lektüre selbst überprüfen.

Das Übungsbuch hilft bei der Durchdringung des Stoffs der einführenden Experimentalphysik-Vorlesungen für Nebenfachstudierende. Es enthält mehr als 750 Aufgaben mit ausführlichenb Lösungen aus allen Kapiteln des Lehrbuchs. Dabei stammen die Aufgaben aus allen Themenbereichen der Experimentalphysik und reichen von Standardaufgaben, die jeder können muss, bis hin zu weiterführenden Aufgaben für Fortgeschrittene.

Stephan W. Koch lehrt Physik in Marburg und ist häufig als Gastwissenschaftler an der Universität von Arizona, Tucson/USA. Er hat in Frankfurt Physik studiert, 1979 promoviert und sich, nach Forschungsaufenthalten bei den IBM Research Labs, 1983 habilitiert. Anschließend ging er in die USA, wo er ab 1989 Full Professor an der University of Arizona in Tucson war. 1993 folgte er einem Ruf an die Uni Marburg, blieb aber bis heute Adjunct Professor in Arizona. 1997 erhielt Herr Koch den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 1999 den Max-Planck-Forschungspreis der Humboldt-Stiftung und Max-Planck-Gesellschaft. Seit mehreren Jahren ist er als Herausgeber und Berater für Fachzeitschriften aktiv.