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Über dieses Buch

Den Anstoß zu dieser Starthilfe hat der Teubner-Verlag in Leipzig gegeben. Die knappe Darstellung richtet sich an Schüler, die ein Studium aufnehmen wollen, und an Studien­ anfänger aller Fachrichtungen, die Physik im Nebenfach absolvieren. Die von der Schule her bekannten Grundlagen sollen wieder in Erinnerung gebracht, aber auch vertieft werden. Außerdem wird das Ziel verfolgt, den "roten Faden" eines zweisemestrigen Einführungskurses kenntlich zu machen. Von Beginn an wird den Studenten der konsequente Gebrauch der SI­ Einheiten und der in DIN 1304 festgelegten Formelzeichen vermittelt. Selbstverständlich soll diese kompakte "Starthilfe Physik" kein Lehrbuch ersetzen, sondern dazu anregen, gestützt auf ausführlichere Darstellungen, tiefer in das physikalische Geschehen einzudringen. Eine Auswahl empfehlenswerter moderner Physiklehrbücher ist im Anhang zU finden. Für Schwierigkeiten im Fach Physik sind bekanntlich oft die unzureichenden mathematischen Fertigkeiten der Studienanfänger verantwortlich, obwohl im physikalischen Grundkurs die Anforderungen noch recht bescheiden bleiben. Das vorliegende Bändchen verdeutlicht, auf welchen Teilgebieten der Mathematik (Elementare Funktionen, Differential-und Integral­ rechnung von Funktionen einer Variablen, Grundzüge der Vektorrechnung) Vorkenntnisse erforderlich sind. Zu einem tieferen Verständnis der physikalischen Zusammenhänge sind die parallel zur Experimentalvorlesung veranstalteten Rechenübungen und Praktika unentbehrlich. Im Anhang findet der Leser geeignete Aufgabensammlungen und Praktikumsanleitungen. Mit dieser Starthilfe für Schüler und Studienanfänger möchte der Autor den Übergang von der Schule zur Hochschule erleichtern.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einleitung

1. Größen und Einheiten

Zusammenfassung
Die Physik ist eine grundlegende Naturwissenschaft. Sie beschäftigt sich mit den Bestandteilen der Materie, ihren Wechselwirkungen und Eigenschaften.
Werner Stolz

Mechanik

2. Bewegungen

Zusammenfassung
Wenn sich ein Körper bewegt, so verändert er gegenüber einem anderen Körper seinen Ort. Jede Bewegung ist eine Relativbewegung. Es wird willkürlich angenommen, daß der Bezugskörper ruht. Ihm wird ein dreidimensionales Koordinatensystem, das Bezugssystem, zugeordnet. Es dient der Lagebeschreibung der bewegten Körper. Zur Darstellung von Bewegungen auf der Erde wird meist die ruhend gedachte Erdoberfläche als Bezugssystem gewählt.
Werner Stolz

3. Newtonsche Axiome

Zusammenfassung
Die Ursache für die Bewegungsänderung eines Körpers heißt Kraft. Kräfte bewirken beschleunigte Bewegungen (dynamische Wirkung, s. 3.2). Jede Kraft rührt von einem anderen Körper her und besitzt einen Angriffspunkt. Da Bewegungsänderungen gerichtet erfolgen, ist die Kraft eine vektorielle Größe.
Werner Stolz

4. Arbeit, Energie, Leistung

Zusammenfassung
Verschiebt man einen Körper (Massenpunkt) unter der Einwirkung einer Kraft F um eine Wegstrecke s, so wird die Arbeit W verrichtet.
Werner Stolz

5. Impuls

Zusammenfassung
Das Produkt von Masse und Geschwindigkeit
heißt Impuls des Massenpunktes.
Werner Stolz

6. Bewegung starrer Körper

Zusammenfassung
Bisher wurde die Bewegung von Massenpunkten behandelt. In vielen Fällen ist es jedoch nicht gerechtfertigt, die räumliche Ausdehnung der Körper zu vernachlässigen. Ein ausgedehnter Körper kann als System aus einer endlichen Anzahl von Massenpunkten aufgefaßt werden. Wenn sich die gegenseitige Lage dieser Massenpunkte bei der Einwirkung äußerer Kräfte nicht ändert, spricht man vom starren Körper.
Werner Stolz

7. Schwingungen und Wellen

Zusammenfassung
Periodisch hin- und hergehende Bewegungen von Massenpunkten werden Schwingungen genannt.
Werner Stolz

Wärme

8. Zustandsgrößen

Zusammenfassung
Das Volumen (Rauminhalt) V eines Körpers ist der von seiner Oberfläche eingeschlossene Teil des Raumes.
Werner Stolz

9. Zustandsänderungen

Zusammenfassung
Berühren sich zwei Körper unterschiedlicher Temperatur, so geht Energie (Wärme) vom wärmeren Körper zum kälteren über. Die Wärmemenge Q ist eine Form der Energie. Ihre Einheit stimmt mit der Einheit der mechanischen Arbeit überein.
Werner Stolz

Elektrizität und Magnetismus

10. Elektrostatik

Zusammenfassung
Es gibt zwei verschiedene Arten der elektrischen Ladung Q. Sie werden durch ihr Vorzeichen, positiv (+) oder negativ (-), voneinander unterschieden. Jede elektrische Ladung ist an eine Masse gebunden. Der Quotient aus Ladung und Masse des Körpers heißt spezifische Ladung Q/m.
Werner Stolz

11. Elektrischer Strom

Zusammenfassung
Besteht zwischen den Enden eines elektrischen Leiters eine Potentialdifferenz, so herrscht in seinem Inneren ein elektrisches Feld der Stärke E. Auf freie Ladungsträger wird die Kraft F = Q E ausgeübt, so daß sie sich bewegen.
Werner Stolz

12. Elektromagnetische Induktion

Zusammenfassung
Magnetischer Fluß. Das Produkt aus der magnetischen Flußdichte B eines homogenen Feldes und der von ihr senkrecht durchsetzten Fläche A ergibt eine weitere Feldgröße, den magnetischen Fluß
Werner Stolz

Optik

13. Geometrische Optik

Zusammenfassung
Licht ist eine elektromagnetische Wellenerscheinung. Mit dem Auge ist nur ein schmaler Wellenlängenbereich zwischen 380 und 780 nm wahrnehmbar. Es breitet sich im Vakuum mit der Geschwindigkeit
aus. Im stofferfüllten Raum ist die Lichtgeschwindigkeit kleiner als im Vakuum. Es gilt die Beziehung
.
Werner Stolz

14. Wellenoptik

Zusammenfassung
und Beugung sind zwingende Beweise für die Wellennatur des Lichtes (s. 7.5 und 7.6). Das Zustandekommen optischer Interferenzerscheinungen ist jedoch an die zusätzliche Voraussetzung der Kohärenz geknüpft.
Werner Stolz

15. Quantenoptik

Zusammenfassung
Mit den Vorstellungen der Strahlen- und Wellenoptik lassen sich nicht alle Erscheinungen des Lichtes verstehen. Die Entstehung von Licht, seine Absorption und die Wechselwirkungen mit Atomen können nur erklärt werden, wenn man Licht als einen Strom diskreter Teilchen bestimmter Energie auffaßt. Licht besitzt Wellen- und Teilcheneigenschaften (Welle-Teilchen-Dualismus).
Werner Stolz

Atome

16. Atomhülle

Zusammenfassung
Die Atome sind die kleinsten mit chemischen Mitteln nicht weiter zerlegbaren Teilchen eines chemischen Elementes. Ihr Durchmesser beträgt etwa 10−10 m. Jedes Atom besteht aus einer Elektronenhülle und einem positiv geladenen Kern. Die positive Kernladung +Z e wird durch die Summe der negativen Ladungen aller Hüllenelektronen −Z e kompensiert. Die Elektronen in der Atomhülle bestimmen die chemischen und viele physikalische Eigenschaften des betreffenden Elementes. Ihre Anzahl Z heißt Ordnungszahl. Sie gibt die Stellung des Elementes im Periodensystem an. Der Atomkern ist aus Nukleonen aufgebaut (s. 17.1). Die Gesamtzahl der Nukleonen wird Nukleonenzahl A genannt. Im Kern ist fast die gesamte Masse vereinigt, obwohl er mit einem Durchmesser von annähernd 10−14 m nur einen winzigen Teil des vom Atom erfüllten Raumes einnimmt.
Werner Stolz

17. Atomkern

Zusammenfassung
Atomkerne bestehen aus zwei Arten von Nukleonen den positiv geladenen Protonen (Q p = +e) und den ungeladenen Neutronen (Q n = 0). Die Protonen- oder Kernladungszahl Z ist identisch mit der Ordnungszahl (s. 16.1). Die Zahl der Neutronen im Kern heißt Neutronenzahl N. Somit gilt für die Nukleonenzahl
Atomkerne haben annähernd eine kugelsymmetrische Gestalt. Es ist daher möglich, einen Kernradius R zu definieren. Es gilt die empirische Beziehung
mit r 0 ≈ 1,4·10−14 m.
Werner Stolz

Festkörper

18. Struktur fester Körper

Zusammenfassung
Im Gegensatz zu Flüssigkeiten und Gasen setzen Festkörper der Änderung ihrer Gestalt einen großen Widerstand entgegen. Viele feste Materialien, die als Werkstoffe oder zur Herstellung elektronischer und optischer Bauelemente dienen, gehören zu den kristallinen Substanzen. Sie schmelzen bei einer genau definierten Temperatur. Ideale Kristalle sind dadurch gekennzeichnet, daß ihre Bausteine (Atome, Atomgruppen, Ionen) räumlich periodisch angeordnet sind. Diese räumliche Periodizität reicht über makroskopische Dimensionen hinweg. Es liegt eine sogenannte Fernordnung vor, die mit Hilfe der Röntgen-, Elektronen- oder Neutronenbeugung nachgewiesen werden kann. Erstreckt sich die regelmäßige Anordnung der Kristallbausteine über große Volumina, so liegen Einkristalle vor. Viele ihrer Eigenschaften sind richtungsabhängig (Anisotropie). Polykristalle setzen sich aus einer großen Anzahl regellos orientierter kleiner Einkristalle (Kristallite) zusammen. Sie verhalten sich in allen Richtungen gleich (Isotropie).
Werner Stolz

19. Mechanische Eigenschaften

Zusammenfassung
Unter dem Einfluß äußerer Kräfte ändert sich die Gestalt fester Körper. Sind die Kräfte hinreichend klein, verschwinden die Formänderungen nach Beendigung der Krafteinwirkung vollständig. Solche reversiblen Verformungen bezeichnet man als elastische Deformationen.
Werner Stolz

20. Elektrische Eigenschaften

Zusammenfassung
Metalle besitzen eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Sie beruht auf der Wanderung freier Elektronen. Im Mittel gibt jedes Atom ein Elektron an das Kristallgitter ab. Diese Leitungselektronen bewegen sich völlig ungeordnet wie die Moleküle eines Gases. Die Vorstellung des „Elektronengases“ liegt der 1902 von P. Drude entwickelten klassischen Theorie der metallischen Leitfähigkeit zu Grund.
Werner Stolz

Backmatter

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