physik - springer978-3-642-54166-7/1.pdf · vorwort des verlages warum soll ich mich für dieses...

Physik

Paul A. Tipler � Gene MoscaJenny Wagner (Hrsg.)

Physikfür Wissenschaftler undIngenieure

7. deutsche Auflage

Aus dem Amerikanischen übersetzt vonMichael Basler, Renate Dohmen, Carsten Heinisch,Anna Schleitzer und Michael Zillgitt

Unter Mitarbeit von Christoph Kommer

Paul A. Tipler Gene Mosca

Jenny WagnerInstitut für Theoretische AstrophysikPhilosophenweg 1269120 Heidelberg, Deutschland

ISBN 978-3-642-54165-0 ISBN 978-3-642-54166-7 (eBook)DOI 10.1007/978-3-642-54166-7

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detailliertebibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Springer SpektrumAus dem Amerikanischen übersetzt von Michael Basler, Renate Dohmen, Carsten Heinisch, Anna Schleitzer undMichael Zillgitt unter Berücksichtigung der von Dietrich Pelte herausgegebenen Vorauflage von 2004.Überset-zung und deutsche Adaption der amerikanischen Ausgabe: Physics for Scientists and Engineers. With ModernPhysics. Sixth Edition. By Paul A. Tipler und Gene Mosca. First published in the United States by W.H. Freemanand Company, New York. Copyright © 2008 by W.H. Freeman and Company. All rights reserved. Alle Rechtevorbehalten.© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994, 2004, 2009, 2015Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklichvom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere fürVervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitungin elektronischen Systemen.

DieWiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesemWerk berechtigt auchohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- undMarkenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

Planung und Lektorat: Dr. Vera Spillner, Stefanie AdamRedaktion: Regine Zimmerschied, Dr. Michael Zillgitt, Margit MalyEinbandabbildung: Kristin RiebeEinbandentwurf : deblik Berlin

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe SpringerScience+Business Mediawww.springer-spektrum.de

http://www.springer-spektrum.de

Vorwort des Verlages

Warum soll ich mich für dieses Buch entscheiden?Der Tipler – Physik für Wissenschaftler und Ingenieure von Paul A. Tipler und Gene Mosca – ist seitJahren eines der meistgelesenen Physikbücher in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Der Grunddafür ist sicherlich, dass das Buch alle wesentlichen physikalischen Inhalte des Bachelorstudiums derPhysiker und Ingenieure in einem Band beinhaltet und diese Inhalte besonders anschaulich und gutverständlich erklärt. Darüber hinaus bietet der Tipler eine große Menge an ausführlichen Rechenbei-spielen im Text und viele Übungen mit Lösungen, mit denen Sie das Gelernte unmittelbar vertiefenkönnen. Wer danach noch mehr Aufgaben lösen möchte, kann das ergänzende Übungsbuch erwerben(Mills et al., Bachelor-Trainer Physik), in dem sich weitere Aufgaben und die Lösungen der Aufgabendes vorliegenden Buches befinden.

Was kann ich vom Tipler erwarten?Damit der Tipler auch weiterhin das Lieblingsbuch der Studierenden bleibt, haben wir uns für diedeutschsprachige Neuauflage einiges einfallen lassen: das Buch wurde grundlegend aktualisiert, eswurde noch genauer als zuvor auf die modernen Bachelormodule ausgerichtet – und nicht zuletztfreuen wir uns sehr, dass wir eine große Zahl von Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen anUniversitäten und Instituten in Deutschland, Österreich und der Schweiz gewinnen konnten, ihreForschung und ihr Team in diesem Buch kurz vorzustellen. Der Leser findet daher in entsprechendgekennzeichneten Bereichen immer auch Hinweise darauf, wo das gerade Gelernte Anwendung fin-det. An dieser Stelle einen herzlichen Dank an alle, die sich hier so engagiert beteiligt haben!

Für wen ist der Tipler geeignet?Der Tipler holt die Studierenden bei Abiturkenntnissen im Fach Physik ab – dabei ist das Buch abernicht nur für Schüler und Schülerinnen geeignet, die Physik als ein Vertiefungs- oder Leistungsfachbelegt hatten, sondern insbesondere auch für diejenigen, die aus einem Grundkurs kommen und nunrasch Grundlagen und physikalische Zusammenhänge aufholen müssen. Durch klug gewählte Erklä-rungen und Beispiele gelangt der Studierende so rasch vom Schulwissen auf das von den Universitätenin den Bachelormodulen geforderte Wissensniveau.

Was gibt es an Zusatzinhalten?Im Anhang des Tipler findet sich einen Crashkurs zur Wiederholung der benötigten mathematischenGrundlagen und zum Nachschlagen. Und nicht zuletzt findet man auf der Produktseite des Tipler unterwww.springer.com eine Liste zusammengestellter Fehler, die uns engagierte Leser und Leserinnenzuschicken.

VI Vorwort des Verlages

Ein Dankeschön an das Tipler-Team!Das Lektorat dankt an dieser Stelle Frau Dr. Jenny Wagner, der Herausgeberin der 7. Auflage desTiplers, die viel zur Anpassung des Inhalts an die Bachelormodule beigetragen hat. Ferner danken wirunserer engagierten Redaktion – Herrn Christoph Kommer und Frau Margit Maly –, die mit ihremgroßen Einsatz die Neuauflage um viele neue Bilder, Beiträge und Inhalte ergänzt und bereicherthaben.

Wir wünschen Ihnen nun viel Freude beim Lernen!

So bleibt uns nur noch, Ihnen beim Lesen dieser neuen Auflage viel Freude und viel Erfolg zu wün-schen – aus eigener erfolgreicher Studienerfahrung ist die Lektorin dieses Buches ein erklärter Fanvom Stil des vorliegenden Buches und den verständlichen Erklärungen – und ist überzeugt, dass derTipler auch Ihr Lernen in bester Weise unterstützen und Sie zum Erfolg führen wird.

Dr. Vera Spillner, Lektorin Physik & Astronomie, Springer Spektrum

Vorwort

Physik kennt keine Landesgrenzen. Es gibt keine amerikanische, deutsche oder skandinavische Physik.Menschen aus vielen verschiedenen Nationen haben gemeinsam zur Weiterentwicklung der theoreti-schen und experimentellen Physik beigetragen. Doch der kulturelle Hintergrund, das mathematischeVorwissen und der Wissensstand der Studenten variiert stark, wenn sie ihren ersten Physikkurs an derUniversität belegen. Einige haben einen umfangreichen Physikunterricht in der Schule genossen, an-dere nicht. Manche verfügen über Kenntnisse in Analysis, andere nicht. Der Lehrplan in Deutschlandist nicht der gleiche wie in den Vereinigten Staaten und er ist auch nicht mehr der gleiche wie noch vorein paar Jahren. Aus diesem Grund ist das vorliegende Buch keine reine Übersetzung der englischenVersion mehr, sondern eine Neuauflage, die sich den Besonderheiten der Lehrpläne im deutschsprachi-gen Raum anpasst. JennyWagner hat ihr umfangreiches Wissen der Physik und der deutschsprachigenLehrpläne eingesetzt, um das Buch neu zu strukturieren, die Reihenfolge der Kapitel zu ändern, The-men, die nicht zum Lehrplan gehören wegzulassen und dafür andere Themen auszubauen oder neueinzufügen. Ich bedanke mich daher bei Jenny Wagner für ihre harte Arbeit, dieses Projekt zu ver-wirklichen und ich freue mich, dass der Springer-Verlag es veröffentlicht.

Paul Tipler

Vorwort zur 7. deutschsprachigen Auflage

Seit 1994 ist die Physik für Wissenschaftler und Ingenieure von Paul A. Tipler und Gene Mosca beiSpektrum Akademischer Verlag erschienen, als Übersetzung des bereits damals international einge-führten amerikanischen Lehrbuchs für Bachelor- und Masterstudiengänge. Das Besondere an diesemLehrbuchklassiker ist die ausgefeilte Didaktik einer einfachen Formelsprache und einer konzept-orientierten Argumentation, die Leser zum autonomen Arbeiten mit dem klassischen Lehrbuchstoffder Physik anregt und ein sicheres Grundverständnis der wichtigsten Formeln und ihrer experimentel-len und theoretischen Grundlagen vermittelt.

Zu den didaktischen Elementen gehören:

Eine klare mathematische Sprache, die auf Abitur-Grundkursniveau beginnt und in einem mathe-matischen Crashkurs die nötigen Wissensgrundlagen rekapituliert. Im Verlauf des Buches wird dereinfach gehaltene mathematische Apparat weiter ausgebaut, insbesondere was die Vektorrechnungbetrifft.Ein mathematisch beschreibender Ansatz – die Physik wird aus der Frage entwickelt, welche Ver-änderung eintritt, wenn Messungen zu verschiedenen Zeiten unter unterschiedlichen Bedingungenstattfinden.Instruktive Abbildungen, Warnhinweise zu schwierigen und leicht misszuverstehenden Begriffenoder Gesetzmäßigkeiten und allgemein gültige Vorgehensweisen, die dazu anleiten, eine gewisseKategorie an Aufgaben auf eine bestimmte Art zu lösen. Außerdem enthält jedes Kapitel eine Zu-sammenfassung der wichtigsten Begriffe, Formeln, Gleichungen und Definitionen.Übungen und Verständnisfragen, deren Lösungen am Ende des Kapitels gegeben sind, sowie weiter-führende Aufgaben, die nach Schwierigkeitsgrad sortiert auf die Zusammenfassung am Ende jedesKapitels folgen.Vier verschiedene Beispielkategorien, die jeweils eine einführende Aufgabenstellung enthalten, dieden Sachverhalt beschreibt, gefolgt von der Problembeschreibung, die das physikalische Modellaufstellt und die relevanten Formeln angibt. Anschließend wird eine Schritt-für-Schritt-Lösung prä-sentiert, bevor eine Plausibilitätsprüfung zeigt, dass die Ergebnisse mathematisch konsistent undphysikalisch sinnvoll sind. Beispiele aus der Kategorie der blau hinterlegten Standardbeispielemit ihren ausführlichen Lösungsschritten dienen der Vertiefung des Gelernten, während die Bei-spiele aus der grün hinterlegten Kategorie kürzere Erklärungen beinhalten, da man sie nach derLektüre des Lernstoffes selbstständig durchrechnen können sollte. Die rot hinterlegten Beispielehaben einen starken Bezug zur technischen Praxis oder einer Alltagssituation, die sich mit Hilfe desGelernten beschreiben lässt. Oft enthält die Aufgabenstellung redundante Angaben oder es ist not-wendig, zur Lösung der Aufgabe zusätzliche Informationen heranzuziehen, die nicht gegeben sind.Dadurch führt diese Art Beispiel an die Problemlösung von praktischen Aufgaben in der Wissen-schaft und Technik heran. Die Kategorie der lila hinterlegten Beispiele erfordert gewöhnlich keineRechnungen, sondern möchte grundlegende Begriffe und Gesetzmäßigkeiten miteinander in einenSinnzusammenhang bringen.Weiterführende Beispiele aus dem Kontext der wissenschaftlichen Forschungspraxis, die am Endejedes Kapitels historische oder neue Aspekte des in diesem Kapitel behandelten Themas vorstellenoder eine praktische Anwendung beschreiben. Diese Abschnitte sind optional und dienen zur Mo-tivation und Verdeutlichung, in welchen Bereichen der Wissenschaft und des Alltags physikalischePhänomene eine Rolle spielen.Um die Kapitel für Studierende in Haupt- und Nebenfach klar zu gliedern, wurden Abschnitte,die über den Umfang eines Studiums von Physik als Nebenfach hinausgehen mit einem Stern (*)

X Vorwort zur 7. deutschsprachigen Auflage

gekennzeichnet. Diese Abschnitte und Kapitel sind fakultativ für Studierende mit Nebenfach Physikund können von ihnen übersprungen werden.

Im Gegensatz zu früheren Auflagen, die nur wenig vom amerikanischen Original abwichen, wur-de diese 7. Auflage eigens an die Bachelorlehrpläne im deutschsprachigen Raum angepasst. AlsGrundlage dienten die frei zugänglichen Curricula für Physik als Haupt- und Nebenfach mehrererUniversitäten in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Der Großteil des Inhalts der 6. Auflagekonnte zwar beibehalten werden, erfuhr jedoch eine grundlegende Umstrukturierung. Insbesonderedie klassische Mechanik wurde neu gegliedert, so dass die Reihenfolge der Kapitel in diesem Teilnun auch der Einführung der jeweiligen Konzepte in einer Mechanik-Vorlesung entspricht. Durch dieUmstrukturierung werden allgemeine Konzepte, wie z. B. die gleichförmige Bewegung eines Masse-punkts, anhand von Spezialfällen eingeführt und im selben Kapitel auch auf komplexere, allgemeinereSituationen angewandt. So führt dieses induktive Vorgehen zu einer wesentlich verständlicheren Dar-stellung, die einen systematischen Überblick über einen physikalischen Sachverhalt erlaubt und zurbesseren Festigung des Gelernten beiträgt. Die Eingliederung der Gravitation in die Anwendungsbei-spiele der Newton’schen Gesetze wurde ebenfalls aus diesem Grund vorgenommen. Neu hinzugefügtwurde das Kapitel über Teilchensysteme, um alle Eigenschaften von Ensembles zusammenhängend zubetrachten. Das Kapitel über statisches Gleichgewicht und Elastiziät, das nicht explizit in den aktuel-len Bachelorlehrplänen enthalten ist, wurde ebenfalls grundlegend geändert und um eine ausführlicheBeschreibung der Biegetheorie von Balken erweitert, die in der Art bis jetzt in keinem Lehrbuch ent-halten ist, obwohl es sich dabei um ein grundlegendes Thema des Curriculums handelt. Das Kapitelder Fluidik wurde um die Grundlagen der Navier-Stokes-Gleichung erweitert, um einen allgemeinenAnsatz zur Beschreibung von fließenden Substanzen zu erhalten. Auch die Begriffe der Adhäsion undKohäsion, die in der letzten Auflage fehlten, wurden wieder aufgenommen.

Der thermodynamische Teil wurde zur Herstellung eines besseren Sinnzusammenhangs neu geglie-dert, so dass die mikroskopischen Ursachen der makroskopischen Phänomene ein eigenes Kapitelerhielten, genauso wie die Anwendungen des Wärmetransports.

Die Kapitel über Elektrizität und Magnetismus konnten von der 6. Auflage vollständig übernommenwerden, da sie in ihrem Inhalt und der Darstellungsform mit den aktuellen Bachelorlehrplänen kon-form sind. Auch der Optik-Teil wurde bis auf kleinere Details beibehalten.

Da die moderne Physik in den neuen Bachelorprogrammen auch im Nebenfach immer mehr an Be-deutung gewinnt, wurde der als „moderne Physik“ in der 6. Auflage bezeichnete Abschnitt des Buchesin mehrere Teile aufgespalten, wobei die Kapitel über Einsteins Relativitätstheorien zu einem Teilzusammengefasst wurden. Des weiteren ergaben sich gesonderte Teile zu den Themenkomplexen„Quantenmechanik“, „Atom- und Molekülphysik“, „Festkörperphysik“ und „Kern- und Teilchenphy-sik“.

Die vorhandenen beiden Kapitel zur Quantenmechanik wurden in ein Theorie- und ein Anwen-dungskapitel mit Beispielen umgewandelt und eine ausführliche Diskussion zum Übergang zwischenklassischer Mechanik und Quantenmechanik eingefügt. Sie dienen als Grundlage für die folgendenTeile, die man ebenfalls als Anwendungen der Quantenmechanik auffassen kann.

Während die Atom- und Molekülphysik sich wenig änderte, wurden die Kristallgitterstrukturen derFestkörperphysik zum ersten Mal in dieses Lehrbuch eingefügt und Experimente zur Bestimmungder Struktur von festen Stoffen erklärt. Auch die Kern- und Teilchenphysik musste an den aktuel-len Forschungsstand angepasst werden, da sich vor allem in der Teilchenphysik in den letzten Jahrenerhebliche Neuerungen, wie z. B. die Entdeckung des Higgs-Bosons durch den Large Hadron Col-lider, ergaben. Zudem wurde ein Unterkapitel über moderne Teilchenbeschleuniger und -detektorenhinzugefügt, um den experimentellen Nachweismethoden, die zu diesen Entdeckungen führten, mehrGewicht beizumessen. Besonderes Augenmerk wurde in dieser Auflage auch auf die Auswirkungenvon radioaktiver Strahlung auf den menschlichen Körper gelegt und daher im Kapitel zur Kernphysikein Abschnitt über Dosimetrie ergänzt.

Ich wünsche allen Lesern nun viel Freude mit diesem Buch und hoffe, dass die Neugestaltung Studie-renden aller Fachrichtungen einen guten Einstieg in die Welt der Physik gibt. Paul Tipler und GeneMosca haben auf internationaler Ebene ein einzigartiges Werk für Wissenschaftler und Ingenieure vor-gelegt, dessen Grundidee, Phänomene der Physik in einfacher Form verständlich zu erklären, auch in

Vorwort zur 7. deutschsprachigen Auflage XI

dieser deutschsprachigen Auflage weiterleben soll. Es war eine schmale Gratwanderung mit Kompro-missen, einerseits alle wichtigen Grundlagen für das Hauptstudium zu thematisieren und gleichzeitigdie nötige Übersichtlichkeit und Kürze beizubehalten, die Studierende mit Physik als Nebenfach seitlangem an diesem Buch schätzen. Ich hoffe, die Mischung zwischen Ausführlichkeit und Anschaulich-keit ist gut gelungen, um einerseits Studierenden der Physik die Anwendungsgebiete näher zu bringenund andererseits Studierende mit Physik als Nebenfach zu motivieren, die physikalischen Zusammen-hänge über ihr eigenes Fachgebiet hinaus verstehen zu wollen.

Heidelberg, im Februar 2014 Jenny Wagner

Danksagungen

Ohne die Unterstützung zahlreicher Dozenten, Studierender, Kollegen und Freunde wäre es nie mög-lich gewesen, dieses umfassende Werk in der 7. deutschsprachigen Auflage herauszugeben, wofür ichmich ganz herzlich bei allen bedanken möchte, die in irgendeiner Form zu diesem Buch beigetragenhaben.

Besonderer Dank für diese Auflage gebührt in erster Linie den beiden Autoren Paul Tipler undGeneMosca, die es ermöglichten, ihr Buch so umzugestalten, dass es auch für die neuen Bachelorstu-diengänge in Deutschland, Österreich und der Schweiz gut geeignet ist. Beide standen mir stets mithilfreichen Kommentaren und Anregungen zur Seite und erwiesen mir die Ehre, mich zu in den Kreisder Autoren aufzunehmen.

Auch bei den zahlreichen Dozenten möchte ich mich ganz herzlich dafür bedanken, dass sie mir ihrewertvolle Zeit widmeten, Informationen schnell lieferten und oft auch Bildmaterial kostenfrei zurVerfügung stellten. Ein ganz herzliches Dankeschön geht an Philip Pearle vom Hamilton College,Clinton, USA für die Hilfe bei der Zusammenstellung des Bildmaterials zur Brown’schen Bewegung,an Klaus Hornberger von der Universität Duisburg-Essen für die ausführlichen Informationen zumÜbergang der Quantenmechanik zur klassischen Mechanik und an Heribert Lorenz, Paul Koza unddas gesamte Team der experimentellen Vorlesungsvorbereitung der LMU München, die den Versuchzum Fadenstrahlrohr extra für unsere Bilder durchgeführt und aufgenommen haben.

Für die gute Zusammenarbeit und den unermüdlichen Elan, dieses Buch in Struktur und Layout neuzu gestalten, gilt mein großer Dank dem Team vom Springer-Verlag, Stefanie Adam stellvertretendfür Layout, Satz und Organisation und Vera Spillner für das Lektorat und ihre inhaltlichen Beiträge.

Schließlich möchte ich meinen Freunden und meiner Familie, die mich während dieser schwierigenZeit nicht nur fachlich, sondern auch moralisch unterstützt haben, meinen Dank aussprechen.

Jenny Wagner

Danksagungen

Wir haben uns bei vielen Dozenten, Studenten, Kollegen und Freunden zu bedanken, die zu dieser undauch zu den früheren Auflagen beigetragen haben.

Anthony J. Buffa, emeritierter Professor an der California Polytechnic State University, überprüfteund redigierte die Aufgaben am Ende der einzelnen Kapitel. Außerdem verfasste er hierzu etlicheneue Aufgaben. Laura Runkle verdanken wir die Schlaglichter, die in vielen Kapiteln der Zusammen-fassung vorangestellt sind. Richard Mickey erweiterte den Anhang „Mathematische Grundlagen“ zueinem eigenen Kapitel. David Mills, emeritierter Professor am College of the Redwoods in Kalifor-nien, überarbeitete sehr gründlich das Arbeitsbuch mit den Lösungen aller Aufgaben am Ende dereinzelnen Kapitel.

Die nachfolgend genannten Professoren ließen uns beim Erstellen sowie bei der Prüfung auf Fehler-freiheit des Texts und der Aufgaben ihre unschätzbare Hilfe zuteil werden:

Thomas Foster Southern Illinois UniversityKaramjeet Arya San Jose State UniversityMirley Bala Texas A&M University, Corpus ChristiMichael Crivello San Diego Mesa CollegeCarlos Delgado Community College of Southern NevadaDavid Faust Mt. Hood Community CollegeRobin Jordan Florida Atlantic UniversityJerome Licini Lehigh UniversityDan Lucas University of WisconsinLaura McCullough University of Wisconsin, StoutJeannette Myers Francis Marion UniversityMarian Peters Appalachian State UniversityTodd K. Pedlar Luther CollegePaul Quinn Kutztown UniversityPeter Sheldon Randolph-Macon Woman’s CollegeMichael G. Strauss University of OklahomaBrad Trees Ohio Wesleyan UniversityGeorge Zober Youth Senior High SchoolPatricia Zober Ringgold High School

Viele Dozenten und Studenten haben umfangreiche und hilfreiche Kritiken zu einem oder mehrerenKapiteln geliefert. Für diese wichtigen Beiträge zur Qualität der vorliegenden Auflage danken wir:

Ahmad H. Abdelhadi James Madison UniversityEdward Adelson Ohio State UniversityRoyal Albridge Vanderbilt UniversityJ. Robert Anderson University of Maryland, College ParkToby S. Anderson Tennessee State UniversityWickram Ariyasinghe Baylor UniversityYildirim Aktas University of North Carolina, CharlotteEric Ayars California State UniversityJames Battat Harvard UniversityEugene W. Beier University of PennsylvaniaPeter Beyersdorf San Jose State University

XVI Danksagungen

Richard Bone Florida International UniversityJuliet W. Brosing Pacific UniversityRonald Brown California Polytechnic State UniversityRichard L. Cardenas St. Mary’s UniversityTroy Carter University of California, Los AngelesAlice D. Churukian Concordia CollegeN. John DiNardo Drexel UniversityJianjun Dong Auburn UniversityFivos R. Drymiotis Clemson UniversityMark A. Edwards Hofstra UniversityJames Evans Broken Arrow Senior HighNicola Fameli University of British ColumbiaN. G. Fazleev University of Texas at ArlingtonThomas Furtak Colorado School of MinesRichard Gelderman Western Kentucky UniversityYuri Gershtein Florida State UniversityPaolo Gondolo University of UtahBenjamin Grinstein University of California, San DiegoParameswar Hari University of TulsaJoseph Harrison University of Alabama, BirminghamPatrick C. Hecking Thiel CollegeKristi R. G. Hendrickson University of Puget SoundLinnea Hess Olympic CollegeMark Hollabaugh Normandale Community CollegeDaniel Holland Illinois State UniversityRichard D. Holland II Southern Illinois UniversityEric Hudson Massachusetts Institute of TechnologyDavid C. Ingram Ohio UniversityColin Inglefield Weber State UniversityNathan Israeloff Northeastern UniversityDonald J. Jacobs California State University, NorthridgeErik L. Jensen Chemeketa Community CollegcColin P. Jessop University of Notre DameEd Kearns Boston UniversityAlice K. Kolakowska Mississippi State UniversityDouglas Kurtze Saint Joseph’s UniversityEric T. Lane University of Tennessee at ChattanoogaChristie L. Larochelle Franklin & Marshall CollegeMary Lu Larsen Towson UniversityClifford L. Laurence Colorado Technical UniversityBruce W. Liby Manhattan CollegeRamon E. Lopez Florida Institute of TechnologyNtungwa Maasha Coastal Georgia Community College and University CenterJane H. MacGibbon University of North FloridaA. James Mallmann Milwaukee School of EngineeringRahul Mehta University of Central ArkansasR. A. McCorkle University of Rhode IslandLinda McDonald North Park UniversityKenneth McLaughlin Loras CollegeEric R. Murray Georgia Institute of TechnologyJeffrey S. Olafsen University of KansasRichard P. Olenick University of DallasHalina Opyrchal New Jersey Institute of TechnologyRussell L. Palma Minnesota State University, MankatoTodd K. Pedlar Luther CollegeDaniel Phillips Ohio UniversityEdward Pollack University of Connecticut

Danksagungen XVII

Michael Politano Marquette UniversityRobert L. Pompi SUNY BinghamtonDamon A. Resnick Montana State UniversityRichard Robinett Pennsylvania State UniversityJohn Rollino Rutgers UniversityDaniel V. Schroeder Weber State UniversityDouglas Sherman San Jose State UniversityChristopher Sirola Marquette UniversityLarry K. Smith Snow CollegeGeorge Smoot University of California at BerkeleyZbigniew M. Stadnik University of OttawaKenny Stephens Hardin-Simmons UniversityDaniel Stump Michigan State UniversityJorge Talamantes California State University, BakersfieldCharles G. Torre Utah State UniversityBrad Trees Ohio Wesleyan UniversityJohn K. Vassiliou Villanova UniversityTheodore D. Violett Western State CollegeHai-Sheng Wu Minnesota State University, MankatoAnthony C. Zable Portland Community CollegeUlrich Zurcher Cleveland State University

Auch zahlreiche kritische Anmerkungen zu früheren Auflagen dieses Buchs waren äußerst hilfreich.Hierfür danken wir:

Edward Adelson The Ohio State UniversityMichael Arnett Kirkwood Community CollegeTodd Averett The College of William and MaryYildirim M. Aktas University of North Carolina at CharlotteKaramjeet Arya San Jose State UniversityAlison Baski Virginia Commonwealth UniversityWilliam Bassichis Texas A&M UniversityJoel C. Berlinghieri The CitadelGary Stephen Blanpied University of South CarolinaFrank Blatt Michigan State UniversityRonald Brown California Polytechnic State UniversityAnthony J. Buffa California Polytechnic State UniversityJohn E. Byrne Gonzaga UniversityWayne Carr Stevens Institute of TechnologyGeorge Cassidy University of UtahLay Nam Chang Virginia Polytechnic InstituteI. V. Chivets Trinity College, University of DublinHarry T. Chu University of AkronAlan Cresswell Shippensburg UniversityRobert Coakley University of Southern MaineRobert Coleman Emory UniversityBrent A. Corbin UCLAAndrew Cornelius University of Nevada at Las VegasMark W. Coffey Colorado School of MinesPeter P. Crooker University of HawaiiJeff Culbert London, OntarioPaul Debevec University of IllinoisRicardo S. Decca Indiana University, Purdue UniversityRobert W. Detenbeck University of VermontN. John DiNardo Drexel UniversityBruce Doak Arizona State UniversityMichael Dubson University of Colorado at BoulderJohn Elliott University of Manchester, England

XVIII Danksagungen

William Ellis University of Technology, SydneyColonel Rolf Enger U.S. Air Force AcademyJohn W. Farley University of Nevada at Las VegasDavid Faust Mount Hood Community CollegeMirela S. Fetea University of RichmondDavid Flammer Colorado School of MinesPhilip Fraundorf University of Missouri, Saint LouisTom Furtak Colorado School of MinesJames Garland in PensionJames Garner University of North FloridaIan Gatland Georgia Institute of TechnologyRon Gautreau New Jersey Institute of TechnologyDavid Gavenda University of Texas at AustinPatrick C. Gibbons Washington UniversityDavid GordonWilson Massachusetts Institute of TechnologyChristopher Gould University of Southern CaliforniaNewton Greenberg SUNY BinghamtonJohn B. Gruber San Jose State UniversityHuidong Guo Columbia UniversityPhuoc Ha Creighton UniversityRichard Haracz Drexel UniversityClint Harper Moorpark CollegeMichael Harris University of WashingtonRandy Harris University of California at DavisTina Harriott Mount Saint Vincent, CanadaDieter Hartmann Clemson UniversityTheresa Peggy Hartsell Clark CollegeKristi R. G. Hendrickson University of Puget SoundMichael Hildreth University of Notre DameRobert Hollebeek University of PennsylvaniaDavid Ingram Ohio UniversityShawn Jackson The University of TulsaMadya Jalil University of MalayaMonwhea Jeng University of California, Santa BarbaraJames W. Johnson Tallahassee Community CollegeEdwin R. Jones University of South CarolinaIlon Joseph Columbia UniversityDavid Kaplan University of California, Santa BarbaraWilliam C. Kerr Wake Forest UniversityJohn Kidder Dartmouth CollegeRoger King City College of San FranciscoJames J. Kolata University of Notre DameBoris Korsunsky Northfield Mt. Hermon SchoolThomas O. Krause Towson UniversityEric Lane University of Tennessee, ChattanoogaAndrew Lang University of MissouriDavid Lange University of California, Santa BarbaraDonald C. Larson Drexel UniversityPaul L. Lee California State University, NorthridgePeter M. Levy New York UniversityJerome Licini Lehigh UniversityIsaac Leichter Jerusalem College of TechnologyWilliam Lichten Yale UniversityRobert Lieberman Cornell UniversityFred Lipschultz University of ConnecticutGraeme Luke Columbia UniversityDan MacIsaac Northern Arizona University

Danksagungen XIX

Robert R. Marchini The University of MemphisPeter E. C. Markowitz Florida International UniversityDaniel Marlow Princeton UniversityFernando Medina Florida Atlantic UniversityHoward McAllister University of HawaiiJohn A. McClelland University of RichmondEdward McCliment University of IowaLaura McCullough University of Wisconsin at StoutM. Howard Miles Washington State UniversityMatthew Moelter University of Puget SoundEugene Mosca U.S. Naval AcademyCarl Mungan U.S. Naval AcademyTaha Mzoughi Mississippi State UniversityCharles Niederriter Gustavus Adolphus CollegeJohn W. Norbury University of Wisconsin at MilwaukeeAileen O’Donughue St. Lawrence UniversityJack Ord University of WaterlooJeffry S. Olafsen University of KansasMelvyn Jay Oremland Pace UniversityRichard Packard University of CaliforniaAntonio Pagnamenta University of Illinois at ChicagoGeorge W. Parker North Carolina State UniversityJohn Parsons Columbia UniversityDinko Pocanic University of VirginiaEdward Pollack University of ConnecticutRobert Pompi The State University of New York at BinghamtonBernard G. Pope Michigan State UniversityJohn M. Pratte Clayton College and State UniversityBrooke Pridmore Clayton State CollegeYong-Zhong Qian University of MinnesotaDavid Roberts Brandeis UniversityLyle D. Roelofs Haverford CollegeR. J. Rollefson Wesleyan UniversityLarry Rowan University of North Carolina at Chapel HillAjit S. Rupaal Western Washington UniversityTodd G. Ruskell Colorado School of MinesLewis H. Ryder University of Kent, CanterburyAndrew Scherbakov Georgia Institute of TechnologyBruce A. Schumm University of California, Santa CruzCindy Schwarz Vassar CollegeMesgun Sebhatu Winthrop UniversityBernd Schuttler University of GeorgiaMurray Scureman Amdahl CorporationMarllin L. Simon Auburn UniversityScott Sinawi Columbia UniversityDave Smith University of the Virgin IslandsWesley H. Smith University of WisconsinKevork Spartalian University of VermontZbigniew M. Stadnik University of OttawaG. R. Stewart University of FloridaMichael G. Strauss University of OklahomaKaare Stegavik University of Trondheim, NorwegenJay D. Strieb Villanova UniversityDan Styer Oberlin CollegeChun Fu Su Mississippi State UniversityJeffrey Sundquist Palm Beach Community College, SouthCyrus Taylor Case Western Reserve University

XX Danksagungen

Martin Tiersten City College of New YorkChin-Che Tin Auburn UniversityOscar Vilches University of WashingtonD J Wagner Grove City CollegeGeorge Watson University of DelawareFred Watts College of CharlestonDavid Winter John A. Underwood Austin Community CollegeJohn Weinstein University of MississippiStephen Weppner Eckerd CollegeSuzanne E. Willis Northern Illinois UniversityFrank L. H. Wolfe University of RochesterFrank Wolfs University of RochesterRoy C. Wood New Mexico State UniversityRon Zammit California Polytechnic State UniversityYuriy Zhestkov Columbia UniversityDean Zollman Kansas State UniversityFulin Zuo University of Miami

Natürlich wird eine solche Arbeit niemals fertig. Wir hoffen daher, dass wir von unseren Lesern auchweiterhin Vorschläge und Anregungen erhalten, um nicht nur Fehler beseitigen, sondern den Text unddie Darstellung auch anderweitig verbessern zu können.Wir werden jegliche Hinweise, Anmerkungenoder Fragen, die uns über den Verlag oder per EMail ([email protected]) zugehen, entsprechendbearbeiten und bedanken uns dafür im Voraus.

Schließlich möchten wir uns beim Verlag W. H. Freeman and Company für jegliche Hilfestellung undErmutigung bedanken. Hier seien Susan Brennan, Clancy Marshall, Kharissia Pettus, Georgia LeeHadler, Susan Wein, Trumbull Rogers, Connie Parks, John Smith, Dena Digilio Betz, Ted Szczepan-ski und Liz Geller genannt. Ihre Kreativität und ihr Engagement in jeder Phase der Zusammenarbeitverdienen besonderen Dank.

Für etliche Beiträge sind wir auch unseren Kollegen Larry Tankersley, John Ertel, Steve Montgomeryund Don Treacy zu Dank verpflichtet.

Paul Tipler, Gene Mosca

Kurzinhalt

Die Autoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXV

Teil I Physikalische Größen und Messungen1 Physikalische Größen und Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Teil II Mechanik2 Mechanik von Massepunkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Die Newton’schen Axiome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774 Weitere Anwendungen der Newton’schen Axiome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115 Energie und Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596 Der Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117 Teilchensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2458 Drehbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2819 Mechanik deformierbarer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35110 Fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

Teil III Schwingungen und Wellen11 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41312 Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

Teil IV Thermodynamik13 Temperatur und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . 52914 Die kinetische Gastheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54515 Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56716 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59917 Wärmeübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631

Teil V Elektrizität und Magnetismus18 Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65119 Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen . . . . . . . . . . . . . 68720 Das elektrische Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72521 Die Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76122 Elektrischer Strom – Gleichstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79923 Das Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84524 Quellen des Magnetfelds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87325 Die magnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91326 Wechselstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94727 Die Maxwell’schen Gleichungen – Elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . . . 979

XXII Kurzinhalt

Teil VI Optik28 Eigenschaften des Lichts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100729 Geometrische Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104130 Interferenz und Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085

Teil VII Einsteins Relativitätstheorien31 Die Relativitätstheorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1121

Teil VIII Quantenmechanik32 Einführung in die Quantenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116133 Anwendungen der Schrödinger-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1183

Teil IX Atome und Moleküle34 Atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121135 Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1251

Teil X Festkörperphysik36 Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127737 Elektrische Eigenschaften von Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1287

Teil XI Kern- und Teilchenphysik38 Kernphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131939 *Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1349

Teil XII Anhänge40 Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138141 Mathematische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1391

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1421

Inhaltsverzeichnis

Die Autoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXV

Teil I Physikalische Größen und Messungen

1 Physikalische Größen und Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1 VomWesen der Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Maßeinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Dimensionen physikalischer Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Signifikante Stellen und Größenordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5 Messgenauigkeit und Messfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Teil II Mechanik

2 Mechanik von Massepunkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1 Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2 Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3 Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.4 Gleichförmig beschleunigte Bewegung in einer Dimension . . . . . . . . . . . . 45

2.5 Gleichförmig beschleunigte Bewegung in mehreren Dimensionen . . . . . . . . 54


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3 Die Newton’schen Axiome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.1 Das erste Newton’sche Axiom: Das Trägheitsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.2 Kraft und Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.3 Das zweite Newton’sche Axiom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.4 Gravitationskraft und Gewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.5 Kräftediagramme und ihre Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.6 Das dritte Newton’sche Axiom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.7 Kräfte bei der Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

XXIV Inhaltsverzeichnis

4 Weitere Anwendungen der Newton’schen Axiome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.1 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

4.2 Widerstandskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.3 Trägheits- oder Scheinkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.4 Die Gravitationskraft und die Kepler’schen Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

4.5 Das Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5 Energie und Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

5.1 Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5.2 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5.3 Kinetische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

5.4 Potenzielle Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

5.5 Energieerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

6 Der Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

6.1 Impulserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

6.2 Stoßarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

6.3 Kraftstoß und zeitliches Mittel der Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

6.4 Inelastische Stöße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

6.5 Elastische Stöße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

7 Teilchensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

7.1 Mehrkörperprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

7.2 Der Massenmittelpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

7.3 Massenmittelpunktsbewegung und Impulserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

7.4 Massenmittelpunktsarbeit und Energieerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

7.5 �Stöße im Schwerpunktsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

7.6 Systeme mit veränderlicher Masse und Strahlantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . 268


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

Inhaltsverzeichnis XXV

8 Drehbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

8.1 Kinematik der Drehbewegung:Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

8.2 Die kinetische Energie der Drehbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

8.3 Berechnung von Trägheitsmomenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

8.4 Das Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

8.5 Gleichgewicht und Stabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

8.6 Der Drehimpuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

8.7 Die Drehimpulserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

8.8 Rollende Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

8.9 Der Kreisel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

9 Mechanik deformierbarer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

9.1 Spannung und Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

9.2 Kompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

9.3 Scherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

9.4 Zusammenhang zwischen E, K, G und � . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

9.5 Elastische Energie und Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

9.6 Biegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

10 Fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

10.1 Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

10.2 Druck in einem Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

10.3 Auftrieb und archimedisches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

10.4 Molekulare Phänomene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

10.5 Bewegte Fluide ohne Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

10.6 Bewegte Fluide mit Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

10.7 *Turbulenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

Teil III Schwingungen und Wellen

11 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

11.1 Harmonische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

11.2 Energie des harmonischen Oszillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

XXVI Inhaltsverzeichnis

11.3 Beispiele für schwingende Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424

11.4 Gedämpfte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

11.5 Erzwungene Schwingungen und Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

12 Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

12.1 Einfache Wellenbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

12.2 Periodische Wellen, harmonische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

12.3 Energietransport und Intensität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468

12.4 Der Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474

12.5 Wellenausbreitung an Hindernissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

12.6 Überlagerung von Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488

12.7 Stehende Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496

12.8 *Harmonische Zerlegung und Wellenpakete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518

Teil IV Thermodynamik

13 Temperatur und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . 529

13.1 Temperatur und der Nullte Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530

13.2 Temperaturmessgeräte und Temperaturskalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530

13.3 Thermische Ausdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

14 Die kinetische Gastheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545

14.1 Die Zustandsgleichung für das ideale Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546

14.2 Druck und Teilchengeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

14.3 Der Gleichverteilungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

14.4 Die mittlere freie Weglänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556

14.5 *Die Van-der-Waals-Gleichung und Flüssigkeits-Dampf-Isothermen . . . . . . 558


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563

Inhaltsverzeichnis XXVII

15 Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567

15.1 Wärmekapazität und spezifische Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568

15.2 Phasenübergänge und latente Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571

15.3 Phasendiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574

15.4 Joules Experiment und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . 575

15.5 Die innere Energie eines idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

15.6 Volumenarbeit und das p-V-Diagramm eines Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . 578

15.7 Wärmekapazitäten von Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582

15.8 Wärmekapazitäten von Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583

15.9 Die reversible adiabatische Expansion eines Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596

16 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599

16.1 Wärmekraftmaschinen und der Zweite Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600

16.2 Kältemaschinen und der Zweite Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605

16.3 Der Carnot’sche Kreisprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608

16.4 *Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613

16.5 Irreversibilität, Unordnung und Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614

16.6 Entropie und die Verfügbarkeit der Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620

16.7 Entropie und Wahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621

16.8 *Der Dritte Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627

17 Wärmeübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631

17.1 Wärmeübertragungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632

17.2 Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632

17.3 Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638

17.4 Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646

Teil V Elektrizität und Magnetismus

18 Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651

18.1 Die elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652

18.2 Leiter und Nichtleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654

18.3 Das Coulomb’sche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656

18.4 Das elektrische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662

18.5 Elektrische Feldlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668

18.6 Wirkung von elektrischen Feldern auf Ladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682

XXVIII Inhaltsverzeichnis

19 Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen . . . . . . . . . . . . . 687

19.1 Das Konzept der Ladungsdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688

19.2 Berechnung von E mit dem Coulomb’schen Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . 688

19.3 Das Gauß’sche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699

19.4 Berechnung von E mit dem Gauß’schen Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704

19.5 Diskontinuität von En . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711

19.6 Ladung und Feld auf Leiteroberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711

19.7 *Die Äquivalenz des Gauß’schen und des Coulomb’schen Gesetzes . . . . . . . 714


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719

20 Das elektrische Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725

20.1 Die Potenzialdifferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726

20.2 Das Potenzial eines Punktladungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728

20.3 Die Berechnung des elektrischen Felds aus dem Potenzial . . . . . . . . . . . . . 733

20.4 Die Berechnung des elektrischen Potenzials � kontinuierlicherLadungsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735

20.5 Äquipotenzialflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742

20.6 Die elektrische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756

21 Die Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761

21.1 Die Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762

21.2 Speicherung elektrischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766

21.3 Kondensatoren, Batterien und elektrische Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . 770

21.4 Dielektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778

21.5 Molekulare Betrachtung von Dielektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793

22 Elektrischer Strom – Gleichstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 799

22.1 Elektrischer Strom und die Bewegung von Ladungsträgern . . . . . . . . . . . . 800

22.2 Widerstand und Ohm’sches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804

22.3 Energetische Betrachtung elektrischer Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . 808

22.4 Zusammenschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813

22.5 Die Kirchhoff’schen Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820

22.6 RC-Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 838

Inhaltsverzeichnis XXIX

23 Das Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845

23.1 Die magnetische Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846

23.2 Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . 851

23.3 Das auf Leiterschleifen und Magnete ausgeübte Drehmoment . . . . . . . . . . . 858

23.4 *Der Hall-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 870

24 Quellen des Magnetfelds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873

24.1 Das Magnetfeld bewegter Punktladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874

24.2 Das Magnetfeld von Strömen: Das Biot-Savart’sche Gesetz . . . . . . . . . . . . 875

24.3 Der Gauß’sche Satz für Magnetfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889

24.4 Das Ampère’sche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889

24.5 Magnetismus in Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907

25 Die magnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913

25.1 Der magnetische Fluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914

25.2 Induktionsspannung und Faraday’sches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915

25.3 Die Lenz’sche Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919

25.4 Induktion durch Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923

25.5 Wirbelströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 928

25.6 Induktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 929

25.7 Die Energie des Magnetfelds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931

25.8 RL-Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941

26 Wechselstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947

26.1 Wechselspannung an einem Ohm’schen Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 948

26.2 Wechselstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 951

26.3 Der Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954

26.4 LC- und RLC-Stromkreise ohne Wechselspannungsquelle . . . . . . . . . . . . . 957

26.5 *Zeigerdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 960

26.6 *Erzwungene Schwingungen in RLC-Stromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . 961


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973

XXX Inhaltsverzeichnis

27 Die Maxwell’schen Gleichungen – Elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . . . 979

27.1 Der Maxwell’sche Verschiebungsstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 980

27.2 Die Maxwell’schen Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983

27.3 Die Wellengleichung für elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . 984

27.4 Elektromagnetische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001

Teil VI Optik

28 Eigenschaften des Lichts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007

28.1 Die Lichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1008

28.2 Die Ausbreitung des Lichts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1011

28.3 Reflexion und Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1011

28.4 *Herleitung des Reflexions- und des Brechungsgesetzes . . . . . . . . . . . . . . 1022

28.5 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024

28.6 Lichtspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1029


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037

29 Geometrische Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1041

29.1 Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042

29.2 Linsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053

29.3 Abbildungsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066

29.4 Optische Instrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1067


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1081

30 Interferenz und Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085

30.1 Phasendifferenz und Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086

30.2 Interferenz an dünnen Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1087

30.3 Interferenzmuster beim Doppelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1089

30.4 Beugungsgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093

30.5 Fraunhofer’sche und Fresnel’sche Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096

30.6 Beugungsmuster beim Einzelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097

30.7 *Vektoraddition harmonischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1100

30.8 Beugung und Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114

Inhaltsverzeichnis XXXI

Teil VII Einsteins Relativitätstheorien

31 Die Relativitätstheorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1121

31.1 Das Newton’sche Relativitätsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1122

31.2 Die Einstein’schen Postulate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1123

31.3 Die Lorentz-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124

31.4 Uhrensynchronisation und Gleichzeitigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1131

31.5 Die Geschwindigkeitstransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1137

31.6 *Der relativistische Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1140

31.7 *Die relativistische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1142

31.8 *Minkowski-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1147

31.9 *Die allgemeine Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1149


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156

Teil VIII Quantenmechanik

32 Einführung in die Quantenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1161

32.1 Wellen und Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1162

32.2 Licht als Teilchen: Photonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1162

32.3 Teilchen als Materiewellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1167

32.4 Die Schrödinger-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1170

32.5 Der Welle-Teilchen-Dualismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172

32.6 *Erwartungswerte und klassischer Grenzfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1181

33 Anwendungen der Schrödinger-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1183

33.1 Ein Teilchen im Kasten mit unendlich hohem Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . 1184

33.2 Ein Teilchen im Kasten mit endlich hohem Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . 1187

33.3 Der harmonische Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1189

33.4 Reflexion und Transmission von Elektronenwellen an Potenzialbarrieren . . . . 1192

33.5 *Die Schrödinger-Gleichung in drei Dimensionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1197

33.6 Die Schrödinger-Gleichung für zwei identische Teilchen . . . . . . . . . . . . . . 1200


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1207

XXXII Inhaltsverzeichnis

Teil IX Atome und Moleküle

34 Atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1211

34.1 Das Atom und die Atomspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1212

34.2 Das Bohr’sche Modell des Wasserstoffatoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1213

34.3 Quantentheorie der Atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1217

34.4 Quantentheorie des Wasserstoffatoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1219

34.5 *Spin-Bahn-Kopplung und Feinstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224

34.6 Das Periodensystem der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226

34.7 Spektren im sichtbaren und im Röntgenbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233

34.8 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1237


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1247

35 Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1251

35.1 Die chemische Bindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1252

35.2 *Mehratomige Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1258

35.3 *Energieniveaus und Spektren zweiatomiger Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . 1260

35.4 *Freiheitsgrade und der Gleichverteilungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1272

Teil X Festkörperphysik

36 Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1277

36.1 Die Struktur von Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1278

36.2 Kristallgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1278

36.3 Streuung an periodischen Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1282


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1286

37 Elektrische Eigenschaften von Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1287

37.1 Eine mikroskopische Betrachtung der elektrischen Leitfähigkeit . . . . . . . . . 1288

37.2 Freie Elektronen im Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1290

37.3 Die Quantentheorie der elektrischen Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295

37.4 Das Bändermodell der Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297

37.5 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1299

37.6 *Halbleiterübergangsschichten und Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1301

37.7 *Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1305

37.8 *Die Fermi-Dirac-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1308


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1315

Inhaltsverzeichnis XXXIII

Teil XI Kern- und Teilchenphysik

38 Kernphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1319

38.1 Eigenschaften der Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1320

38.2 Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323

38.3 Kernreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1329

38.4 Kernspaltung und Kernfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1331

38.5 Dosimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1339


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1345

39 *Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1349

39.1 *Hadronen und Leptonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1350

39.2 *Spin und Antiteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1351

39.3 *Erhaltungssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355

39.4 *Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1359

39.5 *Feldquanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1361

39.6 *Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . 1361

39.7 *Das Standardmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1362

39.8 *Moderne Teilchenbeschleuniger und Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1363


Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1376

Teil XII Anhänge

40 Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1381

40.1 Einheiten, Symbole und Umrechnungsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1382

40.2 Wichtige physikalische Größen und Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385

40.3 Die chemischen Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1388

41 Mathematische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1391

41.1 Signifikante Stellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1392

41.2 Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1393

41.3 Direkte und umgekehrte Proportionalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394

41.4 Lineare Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1395

41.5 Quadratische Gleichungen und Zerlegung in Linearfaktoren . . . . . . . . . . . . 1397

41.6 Potenzen und Logarithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1398

41.7 Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1400

41.8 Trigonometrie und Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1402

41.9 Die Binomialentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1408

41.10 Komplexe Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1409

41.11 Differenzialrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1411

41.12 Integralrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1417

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1421

Die Autoren

Paul A. Tipler, geboren in Antigo, Wisconsin, promovierte an der University of Illinois über dieStruktur von Atomkernen. Seine ersten Lehrerfahrungen sammelte er an der Wesleyan University ofConnecticut. Anschließend wurde er Physikprofessor an der Oakland University, wo er maßgeblich ander Weiterentwicklung des Studienlehrplans für Physik beteiligt war. Hier entstanden auch die erstenAusgaben seiner Lehrbücher. Heute lebt er als Emeritus in Berkeley, Kalifornien, und wirkt weiterhinan den Bearbeitungen dieses Physiklehrbuchs für Naturwissenschaftler und Ingenieure mit. Danebenwidmet er sich mehreren Hobbys, darunter Musik (er ist ein ausgezeichneter Jazzpianist), Pokernsowie Wandern und Camping.

Gene Mosca wurde in New York City geboren und wuchs in Shelter Island, New York, auf. Er stu-dierte an der Villanova University, der University of Michigan und der University of Vermont, woer promovierte. Bis zu seiner Emeritierung lehrte er an der U. S. Naval Academy. Seit der fünftenamerikanischen Auflage (der zweiten, die ins Deutsche übersetzt worden war) ist er Mitautor diesesPhysiklehrbuchs.

XXXVI Die Autoren

Die Herausgeberin

JennyWagner (Hrsg.) schloss ihr Studium der Physik, Mathematik und Informatik mit SchwerpunktBildverarbeitung und Modellierung mit einem Diplom über Teilchenphysik am CERN ab. Danachpromovierte sie in Biophysik und beschäftigt sich heute mit der Modellierung von Gravitationslinsenin der Astrophysik.

physik - springer978-3-642-54166-7/1.pdf · vorwort des verlages warum soll ich mich für dieses...

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