Description
Book SynopsisAlles ist Physik und natürlich müssen sich angehende Ingenieure damit beschäftigen. Die Physik fällt Ihnen schwer? Ihnen fehlen die mathematischen Grundlagen? Keine Panik! Dieses Buch wird Ihnen helfen. Es enthält alles, was Sie über Mechanik, Thermodynamik, Elektrizität, Magnetismus, Optik, Atom-, Kern- und Festkörperphysik wissen sollten, um im Studium zu bestehen - und die mathematischen Grundlagen dazu. Schritt für Schritt hilft Ihnen dieses Buch über die mathematischen und physikalischen Hürden. Da Ihnen zahlreiche Beispiele vorgerechnet werden, werden Sie sich in der Welt der Physik bald immer sicherer fühlen.
Table of ContentsÜber den Autor 7
Danksagung 7
Einleitung 19
Über dieses Buch 19
Konventionen in diesem Buch 19
Törichte Annahmen über die Leser 19
Wie dieses Buch aufgebaut ist 20
Teil I: Mechanik 20
Teil II: Thermodynamik 20
Teil III: Elektrizitätslehre und Magnetismus 20
Teil IV: Optik 20
Teil V: Atomphysik 21
Teil VI: Kernphysik 21
Teil VII: Festkörperphysik 21
Teil VIII: Der Top-Ten-Teil 21
Anhang 21
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 21
Wie es weitergeht 22
TEIL I MECHANIK 23
Kapitel 1 Mathematische Buddelkiste 25
Physikalische Größen und Einheiten 25
Welche Einheit hat die Größe 26
Rechnenmit Skalaren 27
Mit Vektoren rechnen 28
Addition von Vektoren 29
Zerlegung von Vektoren 30
Länge eines Vektors 31
Skalarprodukt von Vektoren 31
Vektorprodukt von Vektoren 33
Trigonometrische Funktionen 35
Komplexe Zahlen 37
Differentiation 40
Integration 43
Einige theoretische Betrachtungen 43
Praktisches Integrieren 46
Reihenentwicklungen 48
Kapitel 2 Kräfte Schaffen Bewegung 51
Bewegungen – gerade und im Kreis 51
Wie schnell darf es sein? 51
Alles dreht sich im Kreis 53
Vektoren können Kreisbewegungen beschreiben 55
Bewegung im Schwerefeld 56
Newton und Kepler waren genial 58
Das newtonsche Gravitationsgesetz 59
Keplers Gesetze 60
Kräfte und Axiome bestimmen die Mechanik 62
Erstes newtonsche Axiom 63
Zweites newtonsches Axiom 63
Der Drehimpuls 66
Drittes newtonsches Axiom 70
Kapitel 3 Arbeit und Energie 73
Arbeit müssen alle leisten 73
Leistung ist Arbeit pro Zeit 78
Energie geht uns alle an 78
Potenzielle Energie 78
Kinetische Energie 79
Rotationsenergie 79
Energie einer gespannten Feder 80
Kapitel 4 Erhaltungssätze und ihre Folgen 83
Energieerhaltung 83
und Impulserhaltung 85
Elastischer Stoß 85
Inelastischer Stoß 86
Managerpendel 87
Stoßprobleme in einer Ebene 88
und Drehimpulserhaltung auch 90
Kapitel 5 Alles schwingt 93
Ungedämpfte Schwingungen 93
Pendel als Prototyp für Schwingungen 93
Anfangsbedingungen sind manchmal mühsam 100
Wenn das Pendelmal weit ausschlägt 103
Gedämpfte Schwingung berechnen 104
Schwingungen können auch erzwungen werden 108
Inhaltsverzeichnis 13
Kapitel 6 Wellen schlagen .115
Die Wellengleichung macht‘s 115
Wellenmachen sich breit 117
Wenn Wellen sich überlagern 122
Konstruktiv oder destruktiv 122
Stehende Wellen 123
Wellen reisen in Gruppen 124
Fourier 126
Kapitel 7 Alles ist relativ .129
Transformationen machen fit 129
Schneller geht’s nicht 131
Gleichzeitigkeit geht verloren 134
Länge, Geschwindigkeit, Masse und Energie 135
Längen verkürzen sich 135
Geschwindigkeiten addieren sich seltsam 135
Massen nehmen zu 137
TEIL II THERMODYNAMIK 139
Kapitel 8 Temperatur: Warm und Kalt .141
Celsius, Fahrenheit und Kelvin 141
Das ideale Gas 143
Die Freiheit eines Moleküls 145
Ein, zwei, , ganz viele Teilchen 145
Druck, Volumen und Temperatur halten zusammen 147
Jeder mit seiner Geschwindigkeit 149
Reale Gase: so sieht die Wirklichkeit aus 152
Kapitel 9 Zustände ändern sich 155
in idealen Gasen 155
Temperaturveränderungen 156
Isochoren: gleiche Volumina – keine Arbeit 157
Isothermen: die Temperatur verändert sich nicht 158
Adiabatische Prozesse 159
Isobarer Prozess: der Druck bleibt konstant 160
und in realen Gasen 161
Wärmekapazität: je kleiner desto wärmer 163
Kapitel 10 Unordnung nimmt von selber zu 167
Entropie als thermodynamische Größe 167
Entropie als statistische Größe 171
Mit Enthalpie Gase verschieben 173
Kapitel 11 Aus Wärme Kraft erzeugen .177
Der Otto-Motor läuft rund 177
Der Carnot-Prozess ist optimal 179
Der Stirling-Motor ohne interne Verbrennung 186
Kapitel 12 Flüssigkeiten in Bewegung 191
Druckveränderung durch Schwerkraft 191
Statische Flüssigkeiten 191
Schweredruck in Gasen 194
Sich gemeinsam fortbewegen: Viskosität und Strömungen 195
Brownsche Bewegung in Flüssigkeiten 195
Strömende Flüssigkeiten 198
Strömungen mit Reibung 200
Strömungen mit höherer Geschwindigkeit 205
TEIL III ELEKTRIZITäTSLEHRE UND MAGNETISMUS .209
Kapitel 13 Ladungen ohne Bewegung 211
Coulombgesetz 211
Elektrische Felder 215
Elektrischer Fluss 219
Elektrische Felder in Materie 223
Mit Spannung zur Spannung 225
Kondensator 226
Kapitel 14 Elektrische Ströme .233
Ströme panda rei (alles fließt) 233
Kirchhoffsche Gesetze 237
Auf- und Entladen von Kondensatoren 242
Kapitel 15
Magnetfelder und Ströme .247
Magnetfelder 247
im Vakuum 247
und in Materie 249
Ströme erzeugen Magnetfelder 251
Ampèresches Durchflutungsgesetz 253
Kräfte zwischen Strömen 255
Leiterschaukel 255
Biot–Savartsches Gesetz 257
Magnetfelder erzeugen Ströme 258
Wechselspannung und Wechselströme. 261
Ohmsches Gesetz bei Wechselspannungen 262
Der LC Schwingkreis 264
Kapitel 16 Elektromagnetismus .267
Elektrische undmagnetische Felder 267
Ein Transformator für Wechselspannungen 269
Generatoren erzeugen Strom 271
Elektromagnetische Felder im Wechselspiel 273
Maxwells geniale Gleichungen 276
TEIL IV OPTIK .279
Kapitel 17 Licht verbiegen .281
Licht – Welle oder Teilchen? 281
Licht als Welle 282
Licht und Medien 285
Reflexion 285
Snelliussches Brechungsgesetz 287
Totalreflexion 291
Farbzerlegung mit Hilfe des Prismas 292
Linsen und Abbildungen 293
Listingsche Strahlenkonstruktion 296
Kapitel 18 Raffinierte Linsen .301
Aus der Ferne heranholen 301
Winziges ganz groß machen 302
Ganz Winziges ganz groß machen 304
Kapitel 19 Licht spaltet sich auf .309
Beugung am Spalt 309
Interferenz am Doppelspalt 312
Optische Gitter zur Analyse 315
TEIL V ATOMPHYSIK .317
Kapitel 20 Die Welt der Atome .319
Streuversuche an Atomen 319
Die Entdeckung des Photons 322
Diskrete Strahlung 327
Compton-Effekt 329
Kapitel 21 Kern und Kugeln 333
Bohrsches Atommodell 333
Elektronen treffen auf Atome 337
Kapitel 22 Atome im wirklichen Leben .339
Energiesparlampen 339
Wie viel Uhr ist es, bitte? 341
Die Grundlage des Laserschwerts 343
Mit Röntgenstrahlen durchsehen 346
Klein aber fein: die Mikrosonde 348
Kapitel 23 Quantenmechanik 351
Und wieder die Frage: Welle oder Teilchen? 352
Wellenpakete und Unschärferelation 353
Schrödingergleichung: die Königsklasse 357
Elektronen im Wasserstoffatom 362
Die Bedeutung der Quantenzahlen l und ml 368
Pauli-Prinzip und Periodensystem 369
Stern-Gerlach Experiment 371
TEIL VI KERNPHYSIK .373
Kapitel 24 Kerne: kleiner als Atome 375
Kernform 375
Sie bauen sich Atomkerne 379
Wieso hält ein Kern zusammen? 381
Ein Kern wiegt zu wenig 383
Kapitel 25 Plötzlich ist der Kern weg .387
Der Kern spuckt ein großes Teilchen aus 387
Zwei kleine Teilchen entfliehen dem Kern 389
Kerne entsenden Photonen 392
Energie von Alpha, Beta oder Gamma Strahlen 393
Countdown zum Zerfall 394
Kernspaltung und Kernfusion – jetzt wird es heiß 396
Kapitel 26 Anwendungen der Kerne 399
Energieerzeugung mit Kernen 399
Kernspaltung oder »leichter-werdende« Kerne 399
Kernfusion oder »schwerer-werdende« Kerne 402
Strahlungseinheiten. 402
Wirkung der Kernstrahlung 403
Zerfälle zählen 404
TEIL VII FESTKÖRPERPHYSIK .407
Kapitel 27 Atome in Festkörpern .409
Alles hat seine Ordnung 409
Ungeordnete Festkörper 411
Einkristalle und Einheitszellen 412
Basis mit nur einem Atom 414
Basis mit mehr als einem Atom 418
Strukturbestimmungmit Röntgenstrahlung 418
Konstruktive Interferenzen mit der Bragg-Bedingung 420
Auswahlregeln bei der Röntgenstreuung 422
Kapitel 28 Das Gitter bewegt sich .425
Reziproker Raum – eine geniale Erfindung 425
Lineare Kette mit einem Atom in der Basis 428
Lineare Kette mit zwei Atomen in der Basis 431
Ein wirklicher Kristall 435
Kapitel 29 Elektronen im Festkörper 437
So tun als ob es nur Elektronen gäbe 437
Jedes Elektron hat einen Zustand für sich 439
Gefangene Elektronen 443
Elektronen spüren die Atome 444
Elektronen bewegen sich 447
Elektrischer Widerstand 447
Kapitel 30 Halbleiter sind keine halben Leiter 455
Löcher: das Gegenteil von Elektronen 455
Direkt oder indirekt 456
Zu Gast beim Halbleiter 458
Dotierte Halbleiter werden aufgewärmt 462
Alle wollenmobil sein 467
Der p–n Übergang 468
Mit Spannung wird’s spannend 471
Kapitel 31 p–n Übergang in der Praxis .475
Diode – Einbahnstraße für Ströme 475
Sonnenlicht in Strom verwandeln 477
Transistor: elektronischer Schalter für Ströme 480
Eine »umgekehrte« Solarzelle 483
Kohärentes Licht aus Dioden: Halbleiterlaser 485
TEIL VIII DER TOP-TEN-TEIL .489
Kapitel 32 Zehn Ratschläge um Spaß an der Physik zu haben .491
Studieren geht über Probieren 491
Nur das Experiment zählt 491
Selber experimentieren 491
Applets: mit dem Internet arbeiten 491
Experimentieren von zuhause aus 492
Einblick in die theoretische Physik 492
Bücherwürmer 492
Physik vertiefen 492
In andere Dimensionen gehen 492
Für den Kaminsessel 493
Spickzettel 495
Stichwortverzeichnis 497
