Experimentalphysik kompakt für Naturwissenschaftler

Im ersten Kapitel des Buches geht es ganz allgemein um physikalische Größen und ihre Einheiten. Des Weiteren wird erklärt, wie man bei der Messung einer physikalischen Größe mit den Messwerten umgeht, insbesondere wie man Messfehler behandelt. Hierbei werden die Fehlerfortpflanzung nach Gauß und die lineare Regression eingeführt.

Die Mechanik beschäftigt sich ganz allgemein mit der Bewegung von Körpern. In diesem Kapitel geht es um die Bewegung von starren Körpern, also festen Körpern, die sich nicht verformen lassen. Hierbei vernachlässigen wir Reibungskräfte, sofern nicht explizit darauf hingewiesen wird. Starre Körper können sich nur entweder als ganzes Objekt verschieben oder sich drehen. Der Zusammenhang der Ortskurve eines Körpers mit seiner Geschwindigkeit und der Beschleunigung wird in der sogenannten Kinematik im ersten Abschnitt beschrieben. Im Weiteren geht es dann um die Ursachen der Bewegungen, also um Kräfte und die Newton’schen Axiome. Darin werden wir insbesondere Federkräfte, Gravitationskräfte, Reibungskräfte und Scheinkräfte in beschleunigten Bezugssystemen behandeln und die Bewegungsgleichung herleiten. Daran anschließend folgt ein Abschnitt über die Erhaltungssätze in der Mechanik. Hierbei werden im Rahmen der Energieerhaltung die physikalischen Begriffe der Arbeit, Energie und des Potenzials hergeleitet. Impulserhaltung wird am Beispiel von Stößen zwischen Körpern behandelt. Außerdem wird die Drehimpulserhaltung eingeführt. Ein weiterer Abschnitt ist der Statik gewidmet, also der Situation, bei der sich der Bewegungszustand des Körpers gerade nicht ändert. Das Kapitel schließt mit der Beschreibung der Rotation von ausgedehnten Körpern, wozu neue Begriffe wie das Trägheitsmoment eingeführt werden.

In der Kontinuumsmechanik betrachtet man Materie als ein aus den einzelnen Atomen und Molekülen zusammengesetztes Objekt. Die Einzelteilchen sind je nach Aggregatszustand (fest, flüssig, gasförmig) und Eigenschaft (Elastizität, Zähflüssigkeit) der Materie mehr oder weniger stark aneinander gebunden und können sich entsprechend gut oder schlecht gegeneinander verschieben. Da die Größe der einzelnen Teilchen im Allgemeinen sehr viel kleiner ist als das ganze Objekt, kann man die sogenannte Kontinuumsnäherung machen, d. h., man betrachtet nicht die Position jedes einzelnen Teilchens im Objekt, sondern beschreibt die Form des Objekts durch eine kontinuierliche Größe. Dies ist eine sehr gute Näherung, wenn man das Objekt nicht gerade mit einem Elektronenmikroskop untersucht. Für unser menschliches Auge sieht jede Art von Materie kontinuierlich aus. Konkret geht es in den folgenden Abschn. 3.1 bis 3.3 zunächst um elastische Verformungen von festen Körpern. Dann werden wir uns den Flüssigkeiten und Gasen (Fluiden) widmen. Hierbei behandeln wir zuerst die statischen Eigenschaften wie Druck, Auftrieb, Kompressibilität und Kräfte an Grenzflächen, danach geht es um die dynamischen Eigenschaften von strömenden Fluiden wie Viskosität und das Einsetzen von Turbulenz.

In diesem Kapitel geht es um harmonische Schwingungen und Wellen, die anhand von ausgewählten Beispielen diskutiert werden. Insbesondere wird der getriebene harmonische Oszillator mit Dämpfung eingeführt, der eine besondere Relevanz besitzt, da er neben der Bedeutung für mechanische Schwingungen in sehr vielen Bereichen der Physik als Modellsystem verwendet wird. Darüber hinaus geht es um die Überlagerung von Schwingungen und Wellen, die als Schwebungen bzw. Interferenzen auftreten. Ein eigener Abschnitt ist den Schallwellen gewidmet. Hierbei werden sowohl die physikalischen Aspekte als auch die Wahrnehmung durch das menschliche Gehör diskutiert. Der letzte Abschnitt des Kapitels ist dem Dopplereffekt gewidmet und der Bewegung mit Überschallgeschwindigkeit.

Im Kapitel über die Thermodynamik geht es zunächst um die Grundbegriffe Wärme, Wärmekapazität und Temperatur. In einem kurzen Abschnitt wird hierbei auch die Ausdehnung von Stoffen bei Erwärmung behandelt. Ein eigener Abschnitt ist dann dem idealen Gas und seiner Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung gewidmet. Insbesondere werden die ideale Gasgleichung und der Begriff der inneren Energie eingeführt. In diesem Zusammenhang wird auch der 1. Hauptsatz der Thermodynamik formuliert. Anhand des idealen Gases werden wir dann die verschiedenen Zustandsänderungen (isochor, isobar, isotherm und adiabatisch) kennenlernen. Ein weiterer Abschnitt ist dann der Frage gewidmet, welche Prozesse von sich aus in der Natur ablaufen. Hierbei werden im Rahmen der statistischen Thermodynamik die Begriffe der Entropie und der Reversibilität eingeführt. Mit diesen Begriffen können wir dann den 2. und 3. Hauptsatz der Thermodynamik formulieren. Die eingeführten Konzepte der Thermodynamik werden schließlich anhand des Beispiels einer Wärmekraftmaschine (Carnot-Prozess) eingeübt.

Das Kapitel Elektrostatik befasst sich mit ruhenden Ladungen und ihren elektrischen (el.) Wirkungen. Hierzu gehören z. B. Coulomb-Kräfte zwischen den Ladungen. In diesem Zusammenhang werden die Grundbegriffe der Elektrostatik (el. Feld, el. Fluss, el. Potenzial, el. Energie und el. Spannung) eingeführt. Des Weiteren wird erläutert, wie man mithilfe des Satzes von Gauß elektrische Felder für einfache Ladungsverteilungen bestimmt. Ein weiteres Thema sind el. Felder in Materie. Hierbei wird zwischen den Wirkungen auf Metalle (Influenz, Faraday-Effekt, el. Strom) und auf Isolatoren (Polarisation, Dielektrizität) eingegangen. In diesem Zusammenhang werden auch elektrische Dipole eingeführt.

Das Kapitel Magnetostatik befasst sich mit zeitunabhängigen Magnetfeldern und ihren Wirkungen auf Ladungen. Zunächst geht es mehr qualitativ um Permanentmagnete und Magnetfeldlinien. Danach führen wir die Lorentz-Kraft (die Kraft auf eine bewegte Ladung in einem Magnetfeld) ein und definieren darauf basierend das Magnetfeld E\(\vec B\). Als Anwendungen der Lorentz-Kraft geht es um Trajektorien bewegter Ladungen in Magnetfeldern, um Kräfte auf stromdurchflossene Leiter in Magnetfeldern und um den Hall-Effekt. Im Anschluss wird das Ampère’sche Durchflutungsgesetz eingeführt und dazu verwendet, Formeln für die Magnetfelder von wichtigen Stromgeometrien zu finden. Hierbei gehen wir insbesondere auf gerade Ströme, Kreisströme und Magnetspulen ein. Im Zusammenhang mit den Kreisströmen definieren wir auch das magnetische Dipolmoment. Außerdem führen wir die Energie im Magnetfeld ein. Der letzte Abschnitt befasst sich mit Magnetismus in Materie. Hierbei werden die verschiedenen Ausprägungen als Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus diskutiert.

Im Kapitel über Elektrodynamik beschäftigen wir uns mit zeitabhängigen elektrischen und magnetischen Feldern. Wir werden sehen, dass elektrische und magnetische Phänomene im Gegensatz zur Elektrostatik in Kap. 6 und der Magnetostatik in Kap. 7 nicht mehr getrennt voneinander behandelt werden könnnen, sondern sich gegenseitig bedingen. Daher spricht man auch vom Elektromagnetismus. Konkret werden wir die Induktionsgesetze für Magnetfelder und für elektrische Felder einführen. Als Beispiel für das Faraday’sche Induktionsgesetz werden wir Wirbelströme in ausgedehnten Leitern besprechen und einige Anwendungen von Wirbelströmen kennenlernen. In einem weiteren Beispiel werden wir zeigen, wie mithilfe einer sich drehenden Spule in einem homogenen Magnetfeld (eines Dynamos) ein Wechselstrom erzeugt werden kann. Das Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung der Maxwell-Gleichungen, den Grundgleichungen des Elektromagnetismus.

Im Kapitel über Elektronik werden mit Widerstand, Kondensator und Spule die wichtigsten passiven elektronischen Bauteile behandelt. In diesem Zusammenhang werden Wechselstrom und Wechselstromwiderstand dieser Bauteile eingeführt. Im Abschnitt über elektrische Netzwerke geht es dann um kombinierte Schaltungen und die Berechnung von Spannungen und Strömen mithilfe der Kirchhoff’schen Gesetze. Als Beispiel werden einige wichtige Schaltungen besprochen, z. B. Spannungsteiler, RC- und RL-Frequenzfilter und der Transformator. Hierbei werden auch Ein- und Ausschaltvorgänge in RC- und RL-Kreisen behandelt. Ein eigener Abschnitt ist den elektrischen Schwingkreisen mit und ohne Dämpfung gewidmet. Dieses mündet in der Beschreibung der Dipolantenne.

Das Kapitel über Optik startet mit einer Einführung in elektromagnetische Wellen in Vakuum und in Materie. Hierbei wird das Konzept des Brechungsindex inklusive der Dispersion eingeführt, gefolgt von der Absorption und Streuung von Licht in Materie. Der zweite Abschnitt ist der Beschreibung von Licht im Rahmen der Strahlenoptik gewidmet. Hierbei geht es insbesondere um die Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen an Grenzflächen und um optische Abbildungen mithilfe von Linsen. Im dritten Abschnitt geht es um die Polarisation von Licht und um Änderungen der Polarisation durch polarisierende Elemente und Effekte wie die Streuung von Licht und die Brewster-Reflexion. Als weitere Polarisationseffekte werden die Doppelbrechung und die optische Aktivität beschrieben. Im Rahmen der Wellenoptik geht es im vierten Abschnitt um die Interferenz von Licht und den Begriff der Kohärenz als Maß für die Interferenzfähigkeit. Als Anwendungen der Interferenz werden das Mach-Zehnder-Interferometer und die Interferenz an dünnen Schichten beschrieben. Darüber hinaus wird die Beugung von Licht mithilfe des Huygens’schen Prinzips erläutert. Als konkrete Beispiele werden die Beugung am Einzelspalt, am Doppelspalt und am Gitter besprochen. Der Abschnitt schließt mit dem Auflösungsvermögen optischer Abbildungen aufgrund des Beugungslimits. Hierbei werden das Rayleigh-Kriterium und das Abbe-Kriterium eingeführt. Der fünfte und letzte Abschnitt ist einer Einführung in die Quantenoptik gewidmet, bei der es um Photonen als kleinste Lichtteilchen geht. Hierbei werden die Eigenschaften von Photonen beschrieben und verschiedene Experimente präsentiert, die als Nachweis der Existenz von Photonen gelten.