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2017 | Buch

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Physik

Eine Einführung für Ingenieure und Naturwissenschaftler

verfasst von: Prof. Dr. Ulrich Harten

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Die Grundlagen der Physik - kurzweilig, anschaulich und präzise.

Über 400 Abbildungen und zahlreiche Beispiele aus dem Alltag fördern das Verständnis für physikalische Zusammenhänge. Die im Dialog mit Studenten erarbeitete Didaktik wird durch das ansprechende zweifarbige Layout unterstützt und erleichtert das Lernen. Über 300 Verständnisfragen und Übungsaufgaben mit Antworten im Anhang regen zu selbständiger Beschäftigung mit der Thematik an. Das Werk ist nicht nur für die Prüfungsvorbereitung hervorragend geeignet. Aufgrund des ausführlichen Sachverzeichnisses ist es auch als Nachschlagewerk zu empfehlen.

Auf seiner Internetseite bietet der Autor interessante Links, Animationen und ergänzend zu den einzelnen Buchkapiteln Verständnisfragen mit kommentierten Lösungen zum Download an.

In der 7. Auflage wurde das Buch zum ersten Mal durchgehend vierfarbig gedruckt. Dadurch konnten in allen Kapiteln Korrekturen und Ergänzungen eingearbeitet werden. Die Elek

trizitätslehre wurde stärker auf die Bedürfnisse in naturwissenschaftlichen Studiengängen ausgerichtet.

„Ein trockenes Fach"...ist das Urteil der meisten Studenten über die Physik. Mit umso mehr Vergnügen werden Sie dieses Lehrbuch zur Hand nehmen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Grundbegriffe

Zusammenfassung

Die Physik ist eine empirische und quantitative Wissenschaft; sie beruht auf Messung und Experiment. Daraus folgt eine intensive Nutzung mathematischer Überlegungen, denn Messungen ergeben Zahlenwerte, und die Mathematik ist primär für den Umgang mit Zahlen erfunden worden. Die Natur ist damit einverstanden. Selbst rechnet sie zwar nicht, aber wenn der Mensch ihre Gesetzmäßigkeiten einfach und korrekt beschreiben will, dann tut er dies am besten mit Hilfe mathematischer Formeln und Kalküle.

Ulrich Harten

2. Mechanik starrer Körper

Zusammenfassung

Seit eh und je bildet die Mechanik die Grundlage der Physik und gehört deshalb an den Anfang eines Lehrbuches. Sie handelt von den Bewegungen der Gegenstände und den Kräften, die sie auslösen. Damit spielt sie in alle Gebiete der Naturwissenschaften hinein, über die Bindungskräfte der Moleküle in die Chemie, über die Muskelkräfte in die Medizin, über die von Benzin- und Elektromotoren entwickelten Kräfte in die Technik usw. Wenn Kräfte nicht durch Gegenkräfte kompensiert werden, haben sie Bewegungsänderungen zur Folge, Beschleunigungen in Translation und Rotation. Dabei wird Energie umgesetzt; sie ist eine der wichtigsten physikalischen Größen überhaupt. Dabei ändern sich aber auch die Größen Impuls und Drehimpuls.

Ulrich Harten

3. Mechanik deformierbarer Körper

Zusammenfassung

Der „starre Körper“ ist eine Fiktion: Auch der härteste „feste Körper“ lässt sich noch verbiegen und mit der nötigen Gewalt auch zerbrechen. Demgegenüber passt eine Flüssigkeit ihre Form dem Gefäß an, in dem sie sich befindet; sie behält aber ihr Volumen bei und bestimmt danach ihre Oberfläche. Ein Gas schließlich füllt (unter Laborbedingungen, nicht in astronomischem Maßstab) sein Gefäß vollständig und gleichmäßig aus. Eben weil Flüssigkeiten und Gase keine eigene Form besitzen, lassen sie sich etwa durch Strömung in Röhren relativ leicht transportieren.

Ulrich Harten

4. Mechanische Schwingungen und Wellen

Zusammenfassung

Der Mensch informiert sich über den momentanen Zustand seiner Umwelt mit Hilfe seiner 5 Sinne. Die beiden am besten entwickelten Sinne benutzen zur Informationsübertragung Wellen: der Gesichtssinn die elektromagnetischen des Lichtes, das Gehör die mechanischen des Schalls. Wellen transportieren Energie, aber keine Materie. Ein Empfänger nimmt diese Energie auf und beginnt dann zu schwingen.

Ulrich Harten

5. Wärmelehre

Zusammenfassung

Materie besteht aus Atomen und Molekülen und die sind ständig in Bewegung. Die Wärmelehre handelt von dieser thermischen Bewegung und der Energie, die in ihr steckt. Die Temperatur ist ein Maß für die Stärke der Bewegung. Die Wärmelehre ist im Prinzip Mechanik, aber doch anders: da es um die Mechanik sehr vieler Moleküle auf einmal geht, kommt die Statistik und Wahrscheinlichkeiten ins Spiel. Daher laufen hier viele Prozesse immer nur in einer Richtung hin zum wahrscheinlicheren Zustand ab. Wärme strömt freiwillig von warm nach kalt, nicht umgekehrt.

Ulrich Harten

6. Elektrizitätslehre

Zusammenfassung

Elektrische Energie ist heutzutage die handlichste aller Energieformen. Sie lässt sich vielseitig nutzen und nahezu überall bereithalten, sofern ein dichtes Netz von Kraftwerken, Überlandleitungen, Umspannstationen, Kabeln und Steckdosen erst einmal installiert worden ist. Allerdings kann der Mensch auch diesen technischen Komfort nur unter Gefahr für Leib und Leben nutzen: Die Verhütung elektrischer Unfälle verlangt permanente Aufmerksamkeit. Die Natur hat organisches Leben untrennbar mit elektrischen Erscheinungen verknüpft. Das ermöglicht Unfälle, aber auch segensreiche Geräte für Diagnose (Elektrokardiograph) und Therapie (Herzschrittmacher). Zwischen elektrischen und magnetischen Feldern besteht eine so enge Verbindung, dass der Magnetismus mit unter der Überschrift „Elektrizitätslehre“ besprochen werden kann.

Ulrich Harten

7. Optik

Zusammenfassung

Optik ist die Lehre vom Licht, vor allem von seiner Ausbreitung. Als Licht bezeichnet man zunächst einmal diejenige Strahlung, die das Auge des Menschen wahrnimmt, also elektromagnetische Wellen in einem sehr schmalen Spektralbereich. In erweitertem Sinn werden auch die benachbarten Gebiete als Licht bezeichnet. Kennzeichen der Wellenausbreitung sind Interferenz und Beugung. Allerdings machen sie sich im makroskopischen Alltag meist gar nicht bemerkbar, weil die Wellenlänge sichtbaren Lichtes zu klein ist. Dann gelten die Regeln der geometrischen Optik. Licht überträgt Energie. Der selektiven Empfindlichkeit des menschlichen Auges wegen müssen für den Strahlungsfluss einer elektromagnetischen Welle und den Lichtstrom verschiedene Messverfahren und Einheiten definiert werden. Sichtbares Licht wird von Atomen und Molekülen emittiert und absorbiert. Weil sie so klein sind und weil die kurzen Wellenlängen hohe Frequenzen zur Folge haben, spielt hier eine Eigenschaft der Natur eine bedeutsame Rolle, die sich im Alltag sonst nicht bemerkbar macht: die Quantelung der Energie.

Ulrich Harten

8. Atom- und Kernphysik

Zusammenfassung

Materie besteht aus Molekülen, ein Molekül aus Atomen, ein Atom aus Kern und Hülle, die Hülle aus Elektronen und der Kern aus Nukleonen, aus Protonen und Neutronen nämlich. An chemischen Reaktionen sind nur die Hüllenelektronen beteiligt. Die (positive) Kernladung bestimmt aber, wie viele Elektronen in die Hülle gehören, und damit auch, zu welchem chemischen Element das Atom gehört. Bei Kernreaktionen wird pro Atom sehr viel mehr Energie umgesetzt als bei chemischen Reaktionen. Kernumwandlungen erfolgen vor allem beim radioaktiven Zerfall und emittieren dann ionisierende Strahlung.

Ulrich Harten

Backmatter

Titel: Physik
verfasst von: Prof. Dr. Ulrich Harten
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-49754-8
Print ISBN: 978-3-662-49753-1
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-49754-8

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