Physik II für Dummies

Steven Holzner lehrt seit über zehn Jahren Physik an der Cornell Universität. Er unterrichtete auch am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und hat über 95 Bücher geschrieben, darunter auch »Physik für Dummies« und »Quantenphysik für Dummies«.

• Über den Autor 7Widmung 7Danksagung 7Über die Übersetzer 7Einleitung 19Über dieses Buch 19Schreibweisen in diesem Buch 20Was Sie nicht unbedingt lesen müssen 20Voraussetzungen 20Der Aufbau dieses Buches 21Teil I: Grundlagen der Physik 21Teil II: Arbeit hält warm: Mechanik und Wärmelehre 21Teil III: Feldarbeit: Elektrizität und Magnetismus 21Teil IV: Wellenreiten: Licht und Schall 21Teil V: Moderne Physik 22Teil VI: Der Top-Ten-Teil 22Symbole in diesem Buch 22Nun kann es losgehen! 22Teil I Grundlagen der Physik 23Kapitel 1 Die Welt verstehen: Physik II, die Fortsetzung 25Mechanik und Wärmelehre 25Elektrizität und Magnetismus 25Elektrische Ladungen und elektrische Felder 26Einen Schritt weiter: der Magnetismus 26Wechselstromkreise: Wechselspiel zwischen elektrischenund magnetischen Feldern 27Das ist die perfekte Welle 27Alles über Schallwellen 28Die Natur des Lichts 28Spielen mit Licht: Reflexion und Brechung 29Bilderzeugung: Linsen und Spiegel 29Interferenz: wenn Licht mit Licht wechselwirkt 30Die moderne Physik: ein weit verzweigtes Feld 31Die Schwarzkörperstrahlung: Wärme bedeutet Helligkeit 31Die Relativitätstheorie: natürlich gilt E = mc2 31Identitätsprobleme: der Welle-Teilchen-Dualismus 32Das αβγ der Strahlung 32Kapitel 2 Startvorbereitungen 33Mathematik und Messungen: Überblick über die grundlegenden Kenntnisse 33Die Maßsysteme MKS und CGS 33Einheiten umrechnen 34Vereinfachung durch Exponentialschreibweise 37Auffrischung der Algebra-Kenntnisse 38Verwendung der Trigonometrie 38Beschränkung auf signifikante Stellen 40Auffrischung Ihrer Physik-Kenntnisse 41Mit Vektoren den Weg weisen 41Bewegung: Geschwindigkeit und Beschleunigung 42Zwang ausüben: eine Frage der Kraft 43Karussell fahren: die Kreisbewegung 43Strömende Elektronen: Schaltkreise 45Teil II Arbeit hält warm: Mechanik und Wärmelehre 47Kapitel 3 Mechanik 49Bewegung pur: Kinematik 49Geradeaus: Translationsbewegungen 50Immer dasselbe: Energie- und Impulserhaltungssatz 51Beispiel: Stöße 52Kreisverkehr: Kreisbewegungen 54Auf die Kraft kommt es an: Dynamik 59Arbeit und weitere Größen 63Drehbewegungen 67Vergleich von Translation und Rotation 73Kapitel 4 Manche mögen’s heiß: Wärmelehre 75Brauchen wir dicke Pullover? Temperatur und Wärme 75Temperaturmessung 75Volumen und Längenausdehnung 7736 Grad und es wird noch heißer: Wärme und Wärmemengen 80Whiskey on the Rocks: Phasenübergänge 81Gut Versteckt: latente Wärme 82Langsam warm werden: Wärmetransport 83Grundlagen des Wärmetransports 83Vorsicht: der Griff ist heiß! Die Wärmeleitung 84Nur heiße Luft: die Konvektion 86Die Sonne spüren: Strahlung 86Nichts als heiße Luft: Thermodynamik von Gasen 86Nicht gerade wenig: Avogadrozahl 87Ideal: das Gasgesetz 87Ganz schön schnell: Energie und Geschwindigkeit von Gasmolekülen 90Die vier Hauptsätze der Thermodynamik 92Null, aber wichtig: der »nullte« Hauptsatz 92Der 1. Hauptsatz 92Der 2. Hauptsatz 98Der 3. Hauptsatz 100Teil III Feldarbeit: Elektrizität und Magnetismus 103Kapitel 5 Ganz schön geladen: die Elektrizität 105Elektrische Ladungen 105Nichts geht verloren: Ladung bleibt erhalten 105Messung elektrischer Ladung 106Gegensätze ziehen sich an: abstoßende und anziehende Kräfte 106Ganz schön geladen 108Statische Elektrizität: Aufbau überschüssiger Ladung 108Auflademethoden 109Eine Frage des Materials: Leiter und Isolatoren 111Das Coulomb’sche Gesetz: die Berechnung der Kräfte zwischen Ladungen 111Elektrische Felder: eine Einführung 112Geladene Flächen: Grundlegendes über Felder 112Elektrische Felder von geladenen Körpern 114Gleichmäßige elektrische Felder: der Parallel-Platten-Kondensator 115Abschirmung: das elektrische Feld innerhalb von Leitern 117Spannung: das Potential erkennen 118Die Grundlagen elektrischer Potentiale 119Arbeit aufwenden, um Ladungen zu bewegen 120Berechnung des elektrischen Potentials von Ladungen 121Äquipotentialflächen von Punktladungen und geladenen Flächen 122Gespeicherte Ladung: Kondensatoren und Dielektrika 124Die gespeicherte Ladung eines Kondensators 124Zusätzliche Kapazität durch Dielektrika 124Berechnung der Energie von Kondensatoren mit Dielektrika 125Kapitel 6 Magnetismus ist anziehend 127Alles über Magnetismus: die Verbindung zwischen Magnetismus und Elektrizität 127Elektronenschleifen: Permanentmagnete und magnetische Materialien 128Von Norden nach Süden oder von Pol zu Pol 129Die Definition des magnetischen Feldes 131Sie müssen sich schon bewegen: magnetische Kräfte auf Ladungen 132Die Größe der magnetischen Kraft 132Die Rechte-Hand-Regel 133Pure Faulheit: Magnetfelder vermeiden Arbeit 134Im Kreis herum: geladene Teilchen in Magnetfeldern 134Magnetische Kräfte auf elektrische Ströme 139Von der Geschwindigkeit zum Strom: Strom in die Formelfür die magnetische Kraft bringen 139Das Drehmoment: in Elektromotoren Strom den Dreh geben 141Zurück zur Quelle: Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrischen Strom 143Erzeugung eines Magnetfeldes durch einen Leitungsdraht 144In das Zentrum rücken: Magnetfelder von Stromschleifen 146Schleifen aneinanderreihen: die Erzeugung von gleichmäßigen Feldern durch Zylinderspulen 148Kapitel 7 Wechselströme und Wechselspannungen 151Wechselstromkreise und Widerstände 151Das Ohm’sche Gesetz für Wechselspannung 152Durchschnittlich: der quadratische Mittelwert von Strom und Spannung 153In Phase: die Verbindung von Widerständen und Wechselspannungsquellen 154Wechselspannung und Kondensatoren: Speicherung von Ladung im elektrischen Feld 155Der Blindwiderstand 156Nicht in Phase: der Strom eilt der Spannung voraus 157Erhaltung der Leistung 159Wechselspannung und Induktionsspulen: im magnetischen Feld Energie speichern 159Das Faraday’sche Gesetz: das Prinzip der Induktion 160Der induktive Widerstand 164Hintendran: der Strom eilt der Spannung nach 165Wettrennen zwischen Strom und Spannung: die RLC-Reihenschaltung 166Die Impedanz: das Verhältnis von Strom und Spannung bei Bauelementen 167Nacheilen oder Vorauseilen: die Größe der Phasenverschiebung 170Das ist Spitze: Berechnung des maximalen Stromes in einerRLC-Reihenschaltung 172Den Blindwiderstand ausschalten 172Bestimmung der Resonanzfrequenz 173Halbleiter und Dioden 174Dotierung von Halbleitern 174Teil IV Wellenreiten: Licht und Schall 175Kapitel 8 Erforschung der Wellen 177Wellen: Transport von Energie 177Auf und ab: Transversalwellen 178Vorwärts und wieder zurück: Longitudinalwellen 179Eigenschaften von Wellen: so arbeitet eine Welle 179Bestandteile einer Welle 179Mathematische Beschreibung einer Welle 181Den Sinus betrachten: graphische Darstellung von Wellen 183Wenn Wellen zusammenstoßen: das Verhalten von Wellen 186Kapitel 9 Hören Sie sich das an 187Schwingen, um gehört zu werden: Schallwellen als Schwingungen 187Die Lautstärke vergrößern: Druck, Kraft und Intensität 189Unter Druck: Messung der Amplitude von Schallwellen 190Die Intensität des Schalls 191Berechnung der Schallgeschwindigkeit 193Schnell: die Schallgeschwindigkeit in Gasen 194Schneller: die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten 196Am schnellsten: die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern 197Das Verhalten von Schallwellen 198Ein Echo zurückwerfen: Reflexion von Schallwellen 199Im selben Raum: die Interferenz von Schallwellen 200Die Beugung von Schallwellen 208Kommen und Gehen mit dem Doppler-Effekt 209Die Schallgrenze durchbrechen: Druckwellen 211Kapitel 10 Es werde Licht: wenn sich Elektrizität und Magnetismus vereinen 215Es werde Licht: Erzeugung und Empfang von Wellen 215Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes 215Ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld hinzufügen 217Der Empfang von Radiowellen 219Den Regenbogen betrachten: das elektromagnetische Spektrum 221Das elektromagnetische Spektrum unter der Lupe 221Frequenz und Wellenlänge des Lichts 222Unschlagbar: die Spitzengeschwindigkeit des Lichts 223Das erste erfolgreiche Experiment zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit 224Die theoretische Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit 226Die Energiedichte von Licht 228Bestimmung der momentanen Energie 228Die durchschnittliche Energiedichte des Lichts 231Kapitel 11 Brechung und Linsen 233Mit Strahlen geht es einfacher 233Die Verlangsamung des Lichts: der Brechungsindex 235Berechnung der Verlangsamung 235Die Ablenkung berechnen: das Snellius‘sche Brechungsgesetz 236Der Regenbogen: Wellenlängen trennen 238Lichtbrechung und Reflexion nach innen 239Es kommt wieder zurück: die Totalreflexion 240Polarisiertes Licht: es wird teilweise reflektiert 242Linsen erzeugen Bilder 244Gegenstände und Bilder 245Im Brennpunkt: Sammel- und Zerstreuungslinsen 245Darstellung von Strahlengängen 248Mathematische Beschreibung von Abbildung und Vergrößerung 251Die Linsengleichung 252Die Gleichung für die Vergrößerung 254Stärkere Vergrößerung durch die Kombination von Linsen 256Mikroskope und Fernrohre 257Winkelvergrößerung 259Kapitel 12 Der Schein fällt zurück: Reflexion und Spiegel 261Reflexion an ebenen Spiegeln 261Bestimmung der Winkel 262Erzeugung von Bildern durch ebene Spiegel 262Die Größe eines Spiegels 264Gekrümmte Spiegel 266Der Hohlspiegel 267Kleiner und kleiner: konvexe Spiegel 270Zusammenfassung in Zahlen: Gleichungen zur Beschreibungsphärischer Spiegel 272Die Spiegelgleichung 272Größer oder kleiner: die Vergrößerung 274Kapitel 13 Licht und Schatten: Interferenz und Beugung 277Wenn Wellen zusammentreffen: die Interferenz von Licht 277Wellen in Phase: konstruktive Interferenz 278Es wird dunkel: destruktive Interferenz 280Interferenz: Erzeugung von kohärentem Licht 282Der Doppelspalt 282Benzintropfen in einer Pfütze: Interferenzen an dünnen Schichten 286Beugung am Einzelspalt: Interferenz von Elementarwellen 290Das Huygens’sche Prinzip: die Beugung am Spalt 290Die Streifen im Beugungsmuster 292Berechnung eines Beugungsmusters 294Viele Spalte: das Beugungsgitter 295Trennung der Farben anhand von Beugungsgittern 295Beugung am Gitter: ein Beispiel 296Sehen Sie klar: Auflösungsvermögen und Beugung an einem Loch 297Teil V Moderne Physik 301Kapitel 14 Hören Sie auf Einstein: die spezielle Relativitätstheorie 303Los geht’s: Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie 304Betrachten Sie Ihren Ausgangspunkt: Bezugssysteme 304Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie 306Die spezielle Relativitätstheorie 307Die Zeit verlangsamen: Zeitdilatation 308Die Länge verkürzen: Längenkontraktion 313Der Impuls nahe der Lichtgeschwindigkeit 316Es ist soweit: E = mc2 318Die Ruheenergie: die Energie, die auf der Masse beruht 318Die kinetische Energie eines Körpers 320Die potentielle Energie übergehen 322Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit addieren 323Kapitel 15 Energie und Materie: sowohl Wellen als auch Teilchen 325Die Strahlung schwarzer Körper: Entdeckung der Teilchennatur des Lichts 325Die Aufregung um die Schwarzkörperstrahlung 326Diskret werden: das Planck’sche Wirkungsquantum 327Lichtpakete: Fortschritt durch den photoelektrischen Effekt 327Die Erklärung des photoelektrischen Effekts 328Einstein als Retter: die Einführung der Photonen 329Die kinetische Energie der Elektronen 330Der sofortige Austritt der Elektronen 331Ein Zahlenbeispiel zum photoelektrischen Effekt 332Zusammenstöße: Überprüfung der Teilchennatur des Lichts anhand des Compton-Effekts 333Die De-Broglie-Wellenlänge: Beobachtung der Wellennatur der Materie 336Interferierende Elektronen: Bestätigung von de Broglies Vorschlag 336Berechnung der Wellenlänge verschiedener Teilchen 337Keine Gewissheit: die Heisenberg’sche Unschärferelation 339Die Unschärfe bei der Elektronenbeugung 339Herleitung der Unschärferelation 339Berechnung von Unschärfen 342Kapitel 16 Feine Details: die Struktur der Atome 345Beschreibung der Atome: das Planeten-Modell 345Die Rutherford-Streuung: die Entdeckung des Atomkerns durch die Streuung von Alpha-Teilchen 346Zusammenstürzende Atome: Infragestellung des Rutherford’schen Planetenmodells 347Antwort auf die Infragestellung: diskret werden mit Linienspektren 347Überarbeitung des Planetenmodells des Wasserstoffatoms: das Bohr’sche Modell 350Berechnung der erlaubten Elektronenenergien 352Berechnung der erlaubten Radien 353Bestimmung der Rydberg-Konstante anhand des Linienspektrums von Wasserstoff 355Darstellung im Energieniveauschema 356Begründung für die Quantisierung: De Broglie überdenkt das Bohr’sche Modell 357Die Elektronenkonfiguration: die Quantenphysik und das Atom 358Die vier Quantenzahlen 358Zahlenverarbeitung: die Anzahl der Quantenzustände 360Mehrelektronenatome: das Pauli-Prinzip 362Kurzschreibweise der Elektronenkonfiguration 364Kapitel 17 Kernphysik und Radioaktivität 367Die Struktur des Atomkerns 367Die Rolle der Chemie: Ordnungszahl und Massenzahl 368Anzahl der Neutronen: Isotope eines Elementes 369Ach, wie klein: das Volumen und der Radius des Atomkerns 370Berechnung der Dichte des Kerns 371Die starke Wechselwirkung: Sie hält die Kerne zusammen 371Die abstoßende Kraft zwischen den Protonen 372Die starke Wechselwirkung 372Bestimmung der Bindungsenergie des Kerns 373Von α bis γ: die verschiedenen Arten des radioaktiven Zerfalls 375Freisetzung von Helium: der Alpha-Zerfall 376Gewinnung von Protonen: der Beta-Zerfall 377Emission von Photonen: der Gamma-Zerfall 378Griff zum Geiger-Zähler: die Halbwertszeit und radioaktiver Zerfall 379Die Halbwertszeit 380Zerfallsraten: Aktivität eines Stoffes 381Teil VI Der Top-Ten Teil 383Kapitel 18 Zehn Experimente, die die Welt verändert haben 385Michelsons Messung der Lichtgeschwindigkeit 385Das Doppelspaltexperiment von Young: Licht ist eine Welle 386Der photoelektrische Effekt 386Die Entdeckung von Materiewellen durch Davisson und Germer 387Röntgenstrahlen 387Marie Curie und die Radioaktivität 387Rutherfords Entdeckung des Atomkerns 388Der Stern-Gerlach-Versuch 388Das Atomzeitalter: der erste Atommeiler 388Bestätigung der speziellen Relativitätstheorie 389Kapitel 19 Zehn Online-Rechner 391Vektor-Rechnung 391Zentripetalbeschleunigung einer Kreisbewegung 391Die in einem Kondensator gespeicherte Energie 392Elektrische Resonanzfrequenz 392Kapazitiver Blindwiderstand 392Induktiver Blindwiderstand 393Umrechnung von Frequenz und Wellenlänge 393Längenkontraktion 393Der relativistische Faktor 393Berechnung von Halbwertszeiten 394Stichwortverzeichnis 395