Physik für Dummies (E-Book) von Steven Holzner

Über den Autor 9

Einführung 23

Über dieses Buch 23

Konventionen in diesem Buch 23

Was Sie nicht lesen müssen 24

Törichte Annahmen über den Leser 24

Wie dieses Buch aufgebaut ist 24

Teil I: Die Grundlagen 24

Teil II: Mögen die Kräfte der Physik mit Ihnen sein 25

Teil III: Energie und Arbeit 25

Teil IV: Alles über Wärme 25

Teil V: Elektrischer Strom und Magnete 25

Teil VI: Der Top-Ten-Teil 25

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 26

Wie es weitergeht 26

Teil I Die Grundlagen27

Kapitel 1 Mit Physik die Welt verstehen29

Womit sich die Physik beschäftigt 29

Mit Bewegung fängt es an 30

Überall ist Energie 31

Warm und gemütlich 32

Vom Blitzschlag zum Laserstrahl 32

Verrückt, verrückter Physik! 33

Kapitel 2 Die Grundlagen verstehen35

Nicht erschrecken, es ist nur Physik 36

Messen und Voraussagen 37

Die Einheiten im Auge behalten 38

Von Meter zu Ellen und zurück: Einheiten umrechnen 39

Nieder mit den Nullen: Die wissenschaftliche Schreibweise 41

Die Genauigkeit von Messwerten 42

Ziffern, die zählen 42

Fehler zugeben 43

Etwas einfache Algebra 44

und noch ein bisschen Trigonometrie 45

Kapitel 3 Geschwindigkeit ist keine Hexerei47

Strecken und Entfernungen 48

Achsen gliedern die Welt 49

Von der Strecke zur Geschwindigkeit 50

Was ist eigentlich Geschwindigkeit? 51

Ein Blick auf den Tacho: Momentangeschwindigkeit 52

Gleichmäßig voran: Konstante Geschwindigkeit 52

Stop-and-go: Wechselnde Geschwindigkeit 52

Mittelmaß: Durchschnittsgeschwindigkeit 52

Mittlere gegen konstante Geschwindigkeit 53

Schneller oder langsamer: Beschleunigung 54

Die Definition der Beschleunigung 55

Die Einheit der Beschleunigung 55

Positive und negative Beschleunigungen 57

Mittlere und momentane Beschleunigung 57

Konstante und variable Beschleunigung 57

Die Beziehung zwischen Beschleunigung, Zeit und Strecke 58

Eine nahe liegende Beziehung 58

Noch mehr Geschwindigkeit 59

Die Beziehung zwischen Geschwindigkeit, Beschleunigung und Strecke 61

Kapitel 4 Richtungsweisend: Wo geht es lang?63

Vektoren verstehen 63

Orientierungshilfe: Das Vektorprinzip 64

Von A nach B: Vektoren addieren 65

Neue Wege gehen: Vektoren subtrahieren 66

Zahlenspiele mit Vektoren 67

Vektoren und ihre Komponenten 69

Komponenten von Vektoren aus Beträgen und Winkeln bestimmen 69

Beträge und Winkel aus Vektorkomponenten bestimmen 71

Vektoren enträtseln 73

Strecken sind auch Vektoren 74

Noch ein Vektor: Geschwindigkeit 75

Einer geht noch: Beschleunigung 75

Im Bann der Schwerkraft: Der freie Fall 77

Teil II Mögen Die Kräfte Der Physik Mit Ihnen Sein 81

Kapitel 5 Ziehen und Schieben: Kräfte83

Kräfte walten überall 83

Bühne frei für das erste newtonsche Gesetz 84

In Schwung kommen: Masse und Trägheit 85

Maße für Masse 86

Darf ich vorstellen: Das zweite newtonsche Gesetz 86

Krafteinheit 87

Resultierende Kräfte 87

Das große Finale: Das dritte newtonsche Gesetz 92

Reibung und das dritte newtonsche Gesetz 93

Winkel und Kräfte im dritten newtonschen Gesetz 95

Im Gleichgewicht 97

Kapitel 6 Auf der schiefen Bahn: Geneigte Ebenen und Reibung 101

Nur nicht runterziehen lassen: Gravitation 101

Rolltreppe abwärts: Die schiefe Ebene 102

Winkelzüge 103

Beschleunigung macht Spaß 105

Reibereien 105

Reibung und Normalkraft 106

Der Reibungskoeffizient 106

Haften und Gleiten 108

Mit Reibung bergauf 109

Schwerkraft und Flugbahnen 114

Hoch hinaus: Die Maximalhöhe 114

In höchste Höhen: Flugzeit 115

Hin und zurück: Die gesamte Flugdauer 115

Ein Schuss in einem beliebigen Winkel 116

Kapitel 7 Ringelreihen und Kettenkarussell: Kreisbewegungen119

Immer rundherum: Gleichförmige Kreisbewegung 120

Richtungsänderung: Die Zentripetalbeschleunigung 121

Unter dem Einfluss der Zentripetalbeschleunigung 122

Der Betrag der Zentripetalbeschleunigung 122

Wie am Schnürchen: Zentripetalkraft 122

Mit Vollgas durch die Kurve: Die Zentripetalkraft hilft 124

Winkelkoordinaten: Entfernung, Geschwindigkeit, Beschleunigung 126

Der Apfel fällt nicht weit vom Stamm: Das newtonsche Gravitationsgesetz 128

Gravitation an der Erdoberfläche: Die Erdbeschleunigung 129

Kreisbahnen und das Gravitationsgesetz 130

Rundherum: Vertikale Kreisbewegung 134

Teil III Energie Und Arbeit137

Kapitel 8 Physik in Aktion 139

Es ist nicht so, wie Sie denken 139

Arbeit messen 140

Gewichte stemmen 140

Zug um Zug 141

Negative Arbeit 142

Mit Schwung voran: Kinetische Energie 143

Eine Formel für die kinetische Energie 144

Kinetische Energie in der Praxis 145

Das wahre Leben: Resultierende Kräfte 147

Energievorrat: Potenzielle Energie 148

Der Kampf gegen die Schwerkraft 149

Bäumchen, wechsle dich! Die Umwandlung von kinetischer in potenzielle Energie 150

Am Scheideweg: Konservative und nicht-konservative Kräfte 150

Vorwärts, rückwärts, rundherum: Energieerhaltung 152

Wie im freien Fall 153

Hoch hinaus 154

Arbeite schneller, die Leistung zählt! 154

Leistung messen 155

Was Leistung sonst noch bedeutet 156

Kapitel 9 Schwungvoll: Impuls und Kraftstoß157

Rempelei: Der Kraftstoß 157

Impulse geben 159

Der Zusammenhang zwischen Impuls und Kraftstoß 160

Noch einmal Poolbillard: Kraftstoß und Impuls 161

Kraftvoll durch den Regen 162

Impulserhaltung 163

Geschwindigkeit im Griff: Impulserhaltung in der Praxis 164

Impulserhaltung und Schussgeschwindigkeit 165

Auto gegen Auto: Elastische und inelastische Stöße 167

Kapitel 10 Wie mans dreht und wendet: Rotationsbewegungen173

Von der geradlinigen Bewegung zur Rotation 173

Die Tangentialbewegung 174

Die Tangentialgeschwindigkeit 174

Die Tangentialbeschleunigung 176

Die Zentripetalbeschleunigung 177

Vektoren und Rotationsbewegungen 178

Der Vektor der Winkelgeschwindigkeit 178

Der Vektor der Winkelbeschleunigung 179

Drehen und Wenden: Das Drehmoment 180

Die Drehmomentgleichung 181

Hebelarme verstehen 183

Drehmomente bestimmen 183

Das Drehmoment als Vektor 185

Nicht wackeln: Rotationsgleichgewicht 186

Flagge zeigen: Immer schön im Gleichgewicht 186

Ein Rotationsgleichgewicht mit Reibung 188

Kapitel 11 Immer rundherum: Dynamik von Rotationsbewegungen191

Das zweite newtonsche Gesetz in Rotation 191

Tangentialbeschleunigung und Winkelbeschleunigung 193

Das Trägheitsmoment 193

Das Trägheitsmoment unter der Lupe 194

Angewandte Trägheit: Drehmomente im CD-Player 195

Winkelbeschleunigung und Drehmoment: Noch ein Beispiel 197

Arbeit und kinetische Energie bei Rotationsbewegungen 198

In der Tretmühle: Arbeit bei Rotationen 198

Kinetische Energie bei Rotationsbewegungen 200

Die kinetische Energie der Rotation auf einer Rampe 201

Nicht zu bremsen: Der Drehimpuls 203

Die Drehimpulserhaltung 204

Satellitenbahnen: Die Drehimpulserhaltung in der Praxis 204

Kapitel 12 Hin und her, hin und her: Harmonische Bewegungen207

Federkraft: Das hookesche Gesetz 207

Immer schön nachfedern 208

Das hookesche Gesetz und die Richtung der Kraft 209

Die einfache harmonische Bewegung 209

Senkrecht und waagerecht 210

Ein genauerer Blick auf die harmonische Bewegung 211

Die Kreisfrequenz einer Masse an einer Feder 217

Die Energie in einfachen harmonischen Bewegungen 219

Schwingende Pendel 221

Teil IV Alles Über Wärme223

Kapitel 13 Heiß auf Thermodynamik225

Der Sprung ins warme Wasser 225

Das Thermometer sagt Celsius 226

US-Thermometer sagen Fahrenheit 226

Das Thermometer sagt Kelvin 226

Es wird warm: Längenausdehnung 227

Noch ein Koeffizient 228

Ein Beispiel für Gleisarbeiter 229

Es bleibt warm: Volumenausdehnung 230

Mit dem (Wärme-)Strom schwimmen 230

Die Phase ändert sich, die Temperatur nicht 233

Phasenumwandlung: Das Eis ist gebrochen! 233

Gut versteckt: Latente Wärme 234

Kapitel 14 Hier, nimm meine Jacke: Wärmeübertragung237

In Wallung versetzt: Konvektion 237

Autsch, das war heiß! Wärmeleitung 239

Wovon die Wärmeleitung abhängt 239

Die Gleichung für die Wärmeleitung anwenden 241

Warme Strahlung 242

Die Strahlung ist da, auch wenn man sie nicht sieht 242

Schwarze Körper 244

Das Geheimnis der Avogadro-Zahl 245

Das Gasgesetz wird geschmiedet 246

Ein Beispiel: Der Druck eines idealen Gases 248

Alternativen: Die Gesetze von Boyle-Mariotte und Gay-Lussac 248

Gasmoleküle habens eilig 249

Die Geschwindigkeit von Luftmolekülen 250

Die kinetische Energie eines idealen Gases 250

Kapitel 15 Wärme trifft Arbeit: Die Hauptsätze der Thermodynamik253

Das thermische Gleichgewicht erreichen: Nullter Hauptsatz 253

Wärme und Arbeit erhalten: Der erste Hauptsatz 254

Energieerhaltung mit Zahlen 255

Die Zustände ändern sich 256

Vom Umgang mit spezifischen Wärmekapazitäten 262

Wohin die Wärme fließt: Der zweite Hauptsatz 263

Arbeit aus Wärme mit Wärmekraftmaschinen 264

Vom Wirkungsgrad einer Dampfmaschine 264

Man kann nicht alles haben, sagt Carnot 265

Kälter gehts nicht: Der dritte (und absolut letzte) Hauptsatz 267

Teil V Elektrischer Strom Und Magnete269

Kapitel 16 Wie elektrisiert271

Plus oder minus? Die Ladung von Elektron und Proton 271

Ziehen und Schieben: Elektrische Kräfte 272

Das coulombsche Gesetz 272

Abstand halten 273

Die Geschwindigkeit von Elektronen 274

Kräfte zwischen mehreren Ladungen 274

Wirkung aus der Ferne: Elektrische Felder 276

Aus allen Richtungen: Felder von Punktladungen 277

Ganz schön geladen: Das elektrische Feld im Plattenkondensator 278

Die Spannung hochdrehen 280

Berechnung der elektrischen potenziellen Energie 280

Spannung ist Potenzial 282

Das elektrische Potenzial bleibt erhalten 283

Das elektrische Potenzial von Punktladungen 284

Aufladen, was die Kapazität hergibt 285

Kapitel 17 Ständig unter Strom289

Der lange Marsch der Elektronen: Strom 289

Strom definieren 290

Strom in Batterien berechnen 290

Widerstandsfähig: Das ohmsche Gesetz 291

Der Strom durch einen Widerstand 291

Ganz spezifische Widerstände 292

Leistung lohnt sich 293

Schön der Reihe nach: Reihenschaltungen 293

Alles auf einmal: Parallelschaltungen 294

Maschendraht und Knoten: Die kirchhoffschen Regeln 295

Anwendung der Maschenregel 296

Rechnen mit vielen Maschen 297

Kondensatoren im Kreis 299

Kondensatoren in Parallelschaltung 299

Kondensatoren in Reihenschaltung 300

Kondensator plus Widerstand gleich RC-Schaltkreis 302

Kapitel 18 Überaus anziehend: Magnetismus305

Anziehen und Abstoßen 305

Die Wirkung auf bewegte Ladungen 307

Die Stärke magnetischer Kräfte 308

Gebogene Bahnen: Ladungen im Magnetfeld 309

Magnetfelder arbeiten nicht 310

aber sie wirken trotzdem! 310

Ströme verbiegen 312

Kräfte auf Ströme 312

Rotierende Schleifen 313

Das Magnetfeld eines Drahts 315

Magnetfelder in Leiterschleifen 317

Schön gleichmäßig: Magnetfelder von Spulen 319

Kapitel 19 Spannende Ströme321

Eine Spannung wird induziert 321

Spannende Bewegung im Magnetfeld 322

Induktionsspannung und Fläche 323

Faraday und der Fluss 324

Richtige Vorzeichen: Die lenzsche Regel 326

Induktivitäten 328

Auf und ab: Wechselstromkreise 329

Harmonische Sinusspannung 330

Im Gleichschritt durch den Widerstand 330

Am Kondensator eilt der Strom voraus 331

An der Spule trödelt der Strom 334

Dreifache Herausforderung: RCL-Stromkreise 336

Kapitel 20 Linsen und Spiegel im Rampenlicht339

Alles über Spiegel legeipS rebü sellA 339

Licht wird abgelenkt 340

Licht brechen mit Snellius 340

Gemessene und gefühlte Tiefe 341

Spieglein, Spieglein an der Wand 343

Hohlspiegel wirken vergrößernd 343

Konvexe Spiegel wirken verkleinernd 348

Mit Linsen sieht man besser 349

Sammellinsen wirken vergrößernd 349

Zerstreuungslinsen wirken verkleinernd 353

Teil VI Der Top-Ten-Teil 355

Kapitel 21 Alles ist relativ(istisch)357

Die Natur behandelt alle gleich 357

Licht ist immer gleich schnell 358

Bei hoher Geschwindigkeit dehnt sich die Zeit 359

Raumfahrer altern langsamer 359

Bei hoher Geschwindigkeit schrumpft die Länge 360

Materie ist gleich Energie 360

Materie plus Antimaterie gleich bumm 361

Die Sonne verliert an Masse 361

Es geht nicht schneller 362

Und Newton hat trotzdem recht! 362

Kapitel 22 Zehn wilde Theorien365

Ganz klein und ganz anders 365

Hier und da zugleich 366

Gravitation krümmt den Raum 367

Schwarze Löcher halten Licht fest 367

Gehts noch kleiner? 368

Explosive Mischung: Materie und Antimaterie 368

Auch nicht schlecht: Supernovae 369

Vom Urknall zum Endknall 369

Dunkle Bedrohung 369

Zukunftsphysik 370

Anhang: Lösungen 371

Glossar 387

Stichwortverzeichnis 391

Von Ampere bis Zentripetalkraft alles, was Sie über Physik wissen müssen

Lässt Thermodynamik Sie kalt? Stößt Magnetismus Sie ab? Oder springt der Funke der Elektrizität einfach nicht auf Sie über? Kein Problem,Physik für Dummies entführt auch die, die damit eigentlich nichts am Hut haben, in die faszinierende Welt der Physik. Steven Holzner stellt Ihnen physikalische Phänomene vor und erklärt die dahinterstehenden Naturgesetzte samt der notwendigen mathematischen Grundlagen. Egal ob Energie, Wärme oder Licht, alles wird mit ausführlichen Beispielen und anschaulichen Abbildungen erläutert.

Sie erfahren

• Wie Sie mit potenzieller Energie, Reibungskoeffizient und Widerstand richtig rechnen
• Was Newton, Coulomb und Hooke herausgefunden haben
• Was Sie über elektrischen Strom, Spannung und Magnetismus wissen sollten

Steven Holzner lehrte Physik an der Cornell University und unterrichtete am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Er ist Autor zahlreicher Bücher, darunterQuantenphysik für Dummies.