Description
Book SynopsisDas 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.
Trade Review"Halliday Physik ist ein didaktisch hervorragend gestaltetes Lehrbuch."
Prof. Dr. Franz Sachslehner, Universität Wien
Table of Contents1 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
23.4 RC-Kreise 559
23.5 Zusammenfassung 563
23.6 Fragen 564
24 Magnetfelder
24.1 Magnetfelder und die Definition von ⃗B 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
26.6 RL-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
27.1 LC-Schwingungen 641
27.2 Gedampfte Schwingungen in einem RLC-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
