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Über dieses Buch

Ihr seid in den ersten Semestern des Bio-, Chemie-, Geo oder Medizinstudiums und wollt euch voll auf euer Fach konzentrieren. Doch zunächst drängt sich noch die gefürchtete Physik-Vorlesung dazwischen, die euch das Leben schwer macht. Eure einzige Hoffnung ist das begleitende Tutorium, das den Stoff besser verdaulich vermittelt. Genau dort knüpft dieses Buch in seiner zweiten, überarbeiteten und erweiterten Auflage an - mit Autoren, die eure Probleme aus langjähriger Erfahrung als Tutoren kennen. Ausführliche Übungsaufgaben, verständliche Erklärungen, neue spektakuläre Videos und viele Hinweise auf die Anwendungen der Grundlagen sollen euch den Zugang erleichtern. Ein separates Kapitel zum obligatorischen Physikpraktikum bereitet optimal vor und auch die Mathe soll euch nicht erschrecken: Alles Wichtige wird einfach und klar eingeführt. Mit dieser Allzweckwaffe seid ihr fürs Studium gewappnet!

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Klassische Mechanik

Frontmatter

Kapitel 1. Grundlagen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel führen wir die Newton’sche Mechanik ein, zentrale Begriffe wie Kraft und Masse werden erst definiert und danach erst einmal untersucht. Es ist kein Zufall, dass so ziemlich jedes Physikbuch, das etwas auf sich hält, mit der Mechanik anfängt. Zum einen hat die moderne Physik ihre historischen Wurzeln in der Erforschung der Bewegung von Körpern („Kinematik“), zum anderen lernen wir hier auf vergleichsweise intuitive Art wichtige Werkzeuge der Mathematik kennen, die in der gesamten Physik Anwendung finden.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 2. Translationsbewegung

Zusammenfassung
Hier lernt ihr eines der wichtigsten Prinzipien der Physik kennen, das viel zu oft unter den Tisch fällt, und auf dem eine Menge Vereinfachungen und Rechenwege basieren. Dies gilt nicht nur in der Mechanik, sondern insbesondere auch im Bereich des Elektromagnetismus. Es kommt aus der Vektorrechnung und ist für die Translationsbewegung unfassbar praktisch, z. B. wenn wir einen schiefen Wurf berechnen wollen.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 3. Kräfte und Bewegung im Kraftfeld

Zusammenfassung
Inertialsysteme, wie sie in Abschnitt 1.3 beschrieben sind, sind für uns ganz streng genommen nicht alltäglich. Denn: Keiner von uns befindet sich in einem Inertialsystem, wir erfahren durch die Erde ständig eine Schwer-bzw.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 4. Energie und Arbeit

Zusammenfassung
Dadurch, dass der Begriff „Energie“ ständig in unserem Alltag für allerlei Dinge verwendet wird, die nichts mit der physikalischen Energie zu tun haben, ist seine physikalische Definition umso wichtiger für euch als Nebenfachstudierende. Oft kommt es zu ungewollten, ungünstigen und unnötigen Verwechslungen oder Verwirrung. Die Einheit der Energie ist Joule, also [E] = J = N · m = kg · m2/s2, und sie ist eine skalare Größe: klar, Energie hat keine Richtung. Aber, wie so oft im Leben, fangen wir mit der Arbeit an.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 5. Der Stoß

Zusammenfassung
Nun fangen endlich Dinge an, miteinander zu interagieren. Das finden selbst Physiker interessant. Und zwar geht es beim Stoß hauptsächlich um Impulsübertrag. Wir unterscheiden hierbei allgemein zwischen dem elastischen und dem inelastischen Stoß.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 6. Physik ausgedehnter Körper und Rotation

Zusammenfassung
In diesem Abschnitt gehen wir nun zum ersten Mal weg von der Physik der Massenpunkte und hin zu Massenverteilungen oder Ansammlungen von Massenpunkten, die starr miteinander verbunden sind. Daraus ergeben sich verschiedene neue Phänomene, die es zu beherrschen gilt. Dabei schauen wir uns auch an, wie sich Massenpunkte auf Kreisbahnen verhalten (ein paar Einblicke hatten wir schon durch die Zentripetalkraft), und wie starre Körper – so nennen wir nämlich starre Ansammlungen von Massenpunkten ab jetzt – sich bei Drehungen verhalten.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 7. Schwingungen und Wellen

Zusammenfassung
Wir kommen endlich zu einem Lieblingsthema vieler Physiker. Hier dreht sich alles um Vorgänge, die schwingen und irgendwie periodisch sind. Dabei wird Energie ständig von einer Form in eine andere umgewandelt, und zwar im Idealfall ohne Verluste.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 8. Physik der Fluide: Hydrostatik und -dynamik

Zusammenfassung
Hydrostatik und -dynamik klingen als rohe Begriffe fürs Erste sehr fancy; sie sind es auch! Vor allem die Hydrodynamik gehört eigentlich zu den komplexesten Teilgebieten der Physik: unlösbare Differenzialgleichungssysteme und viel Funktionentheorie!
Für euch gestaltet sich die Lehre der statischen und dynamischen Flüssigkeiten jedoch sehr einfach, und außerdem gibt es viele Parallelen zu der Physik anderer Teilgebiete, die ihr vielleicht schon kennt.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 9. Spezielle Relativitätstheorie

Zusammenfassung
Wir kommen jetzt zu einem der am wenigsten intuitiven Gebiete der Physik. Eines der Grundpostulate der speziellen Relativitätstheorie ist vielleicht den meisten anekdotisch bekannt: Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Art Tempolimit im Universum. Warum das so ist und warum sich daraus allerlei verrückte Effekte ableiten, soll hier nur kurz angerissen werden.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Thermodynamik

Frontmatter

Kapitel 10. Temperatur und Wärme

Zusammenfassung
Thermodynamik wird in manchen Büchern auch „Wärmelehre“ genannt – es geht also irgendwie um Temperatur und was eine Temperaturänderung in verschiedenen Stoffen oder Körpern bewirkt. Die Thermodynamik beschäftigt sich deshalb mit der Theorie von Gasen und z. B. damit, wie diese auf sogenannte Zustandsänderungen reagieren. Eine ganz alltägliche Erscheinung und ein Beispiel für eine Zustandsänderung wäre zum Beispiel, dass Eis ab einer gewissen Temperatur anfängt zu schmelzen und dann viel einfacher zu trinken ist.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 11. Gase

Zusammenfassung
Nun wollen wir uns überlegen, wie wir Gase am besten beschreiben können. Die Thermodynamik befasst sich nämlich zu großen Teilen explizit mit Gasen, was historisch bedingt ist. Der Grund hierfür ist, dass Gase meistens viel empfindlicher auf thermodynamische Zustandsänderungen reagieren als beispielsweise feste Stoffe und so konnte man mit Gasen die ersten sinnvollen Experimente durchführen. Eine Art von Zustandsänderungen haben wir schon ausführlich besprochen, ohne dass ihr es gemerkt habt, denn die Änderung der Temperatur eines Körpers fällt auch darunter; nicht aber die Änderung des Aggregatzustandes, denn wir sprechen hier nur von Gasen.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 12. Zustandsänderungen und Kreisprozesse

Zusammenfassung
Wir haben jetzt endlich alle Werkzeuge zusammen, um Zustandsänderungen zu betrachten. Ein Beispiel für eine Zustandsänderung wäredas Komprimieren eines Gases wie in Abbildung 12.1. Es handelt sich also einfach gesagt um Änderungen in den makroskopischen Größen (etwa das Volumen), die ein thermodynamisches System (etwa ein Gas) definieren. Dabei wollen wir sehen, wie sich Gase unter Änderungen dieser Größen verhalten.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 13. Kinetische Gastheorie

Zusammenfassung
Wir haben am Anfang der Thermodynamik die Temperatur und Energiebilanz ausführlich besprochen: Temperatur ist ein Maß von Wärmeenergie und eine makroskopische thermodynamische Größe. Energiebilanzen waren wichtig, um Zustandsänderungen und Kreisprozesse zu beschreiben. Aber: Wie hängt die Temperatur denn wirklich mit einer Energie zusammen? Warum können einige Stoffe oder Körper mehr Wärmeenergie aufnehmen bei einer kleineren Temperaturänderung? Warum verhalten sich Gase und Festkörper so unterschiedlich?
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Elektrizität und Magnetismus

Frontmatter

Kapitel 14. Elektrostatik

Zusammenfassung
Mit dem Stichwort „Elektrizität“ verbinden viele von euch sicher vor allem die allseits beliebte Steckdose und den Fernseher, Computer oder Kühlschrank, die man daran anschließen kann. Darüber hinaus wird sie euch vielleicht vom Anschluss der Lampe in eurem Studentenzimmer und der Tatsache, dass, wenn ihr eine Leitung angebohrt habt, der Elektriker kommen muss, in schmerzlicher Erinnerung sein. Und manchem, der schon mal einen Elektronikbaukasten von innen gesehen hat, graust es vor diesen ganzen technischen Einzelheiten.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 15. Elektrodynamik

Zusammenfassung
Die Freude sollte euch an diesem Punkt ins Gesicht geschrieben stehen, denn wir kommen von der Statik zur Dynamik! Und was bedeutet das? Wir haben fließende elektrische Ströme, also sich bewegende Elektronen. Das heißt das Ladungssystem, das wir betrachten, verändert sich mit der Zeit. Das kommt in der Realität auch viel häufiger vor, im Gegensatz zum recht langweiligen statischen Fall. Es war allerdings wichtig, statisch zu beginnen, um euch mit den Grundkonzepten vertraut zu machen! Im Folgenden kommen auch Widerstände und die allseits erwarteten Stromkreise ins Spiel. Anfangs behandeln wir sogenannten Gleichstrom, der meistens in Endgeräten fließt, und kommen nach Abhandlung magnetischer Phänomene zum Konzept des Wechselstroms, wie er aus der Steckdose kommt.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 16. Magnetismus

Zusammenfassung
Bevor wir uns weiter mit der Elektrodynamik beschäftigen, wollen wir zunächst die Eigenschaften des Magnetismus beleuchten. Ist Magnetismus nicht etwas anderes als Elektrizität? Wir werden sehen, dass sie sich gegenseitig bedingen und miteinander in enger Verbindung stehen. Auf der einen Seite wissen wir schon intuitiv, wie sich ein magnetisches Element in einem Magnetfeld verhält – sei es bei einem Kompass im Erdmagnetfeld, bei dem sich die Nadel ausrichtet oder bei einem Kühlschrankmagneten in der Küche, der direkt am Kühlschrank oder auf sonstigen magnetisierbaren Oberflächen haften bleibt.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 17. Elektromagnetische Wellen

Zusammenfassung
Schauen wir uns die Antenne in Abbildung 16.12 in Form des gerade besprochenen offenen Schwingkreises nochmals an. Wegen des Schwingungsprozesses beobachten wir eine ständige Ladungsumpolung in Form eines elektrischen Dipols (also abwechselnd oben und unten positiv bzw. negativ geladen). Dieser offene Schwingkreis nennt sich auch Hertz’scher Dipol. Jedes Mal, wenn diese Umpolung geschieht, ändert sich auch die Richtung der elektrischen und der magnetischen Feldlinien.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Optik

Frontmatter

Kapitel 18. Geometrische Optik

Zusammenfassung
Nachdem wir uns schon im vorigen Kapitel ausführlich mit elektromagnetischen Wellen beschäftigt haben, legen wir unser Augenmerk jetzt auf deren Teil, der uns (und fast jedes andere Lebewesen) offensichtlich auch alltäglich betrifft: das sichtbare Licht. In diesem und den darauffolgenden Kapiteln werdet ihr also das Wichtigste über Brechung, Abbildungen, Mikroskope, Spektroskopie und die sagenumwobene Interferenz erfahren, um danach Fragen wie „Warum ist der Himmel blau?“ oder „Wieso schimmert eine CD in Regenbogenfarben?“ souverän beantworten zu können. . . oder auch einfach nur, um die nächste Klausur zu meistern.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 19. Welleneigenschaften des Lichts

Zusammenfassung
In der Elektrodynamik wurde ja schon erklärt, dass Licht aus Wellen besteht. Doch wie kommt es, dass wir nahezu fehlerlos mit Strahlen konstruieren können, wie im vorigen Kapitel? Wellen und Strahlen sind doch etwas völlig Unterschiedliches? Nun ja, in der Physik ist es häufig eine Frage der Genauigkeit und der Skala, auf der man Dinge betrachten will. Die Strahlenoptik bzw. die geometrische Optik ist dabei ein Spezialfall, der vor allem für sichtbares Licht im Alltag häufig ausreicht.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 20. Beugung an Spalt und Gitter

Zusammenfassung
Interferenzphänomene werden meist mithilfe von Spalt- oder Gitterexperimenten demonstriert. Bei diesen wird in der Regel monochromatisches (d. h. Lichtwellen gleicher Wellenlänge) und kohärentes Licht, heutzutage einfach durch Laser (siehe Exkurs 23.1) erzeugt, auf einen oder mehrere kleine Spaltblenden gerichtet und das Interferenzmuster auf einem Schirm hinter dem Spalt oder Gitter beobachtet. Das klingt zunächst nach einem sehr einfachen und unspektakulären Aufbau, jedoch darf man die Erkenntnisse dieser Experimente nicht unterschätzen.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 21. Das Lichtmikroskop

Zusammenfassung
Ein Musterbeispiel für eine optische Abbildung mit einem optischen System aus mehreren Linsen findet man in einem Lichtmikroskop, bei dem durch geschicktes Platzieren von zwei Linsen eine sehr hohe Vergrößerung erreicht wird. Das Mikroskop ist eines der Instrumente, das viele von euch im Laufe des Studiums oder, je nach Berufswahl, auch danach tatsächlich anwenden werden. Daher wird es häufig „ausgeschlachtet“, sowohl in den Vorlesungen als auch in Klausuren, weshalb wir ihm einen eigenen Abschnitt widmen.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Moderne Physik

Frontmatter

Kapitel 22. Quantenmechanik

Zusammenfassung
Endlich sind wir bei der sogenannten Modernen Physik angekommen. Was genau meinen wir eigentlich damit? Ist jetzt alles, was wir bisher gemacht haben, veraltet und irrelevant? Mit Moderner Physik meint man in der Regel die Physik der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Sie schließt sowohl die fundamental neuartigen, bahnbrechenden und schockierenden Erkenntnisse der Quantenmechanik als auch die hier bereits behandelte Relativitätstheorie ein. Es war die Zeit von großen Namen wie Albert Einstein (der in unzähligen Bereichen der Theorie seine Finger im Spiel hatte und schließlich für ein Quantenphänomen, den Photoeffekt, den Nobelpreis erhielt), Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, Niels Bohr, Max Planck und Erwin Schrödinger, den „Vätern“ der Quantenmechanik.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 23. Atom- und Molekülphysik

Zusammenfassung
Auch wenn man denken könnte, dass es bei der Atomphysik um Atombomben und Atomkraftwerke geht (was vielmehr Teil der Kernphysik im Bereich Kernspaltung ist), hat das Folgende damit nichts zu tun! Wir wollen stattdessen endlich ein paar Fäden in Hinblick auf verschiedene Anwendungen zusammenführen. Dabei wollen wir die halbklassische (was das bedeutet, werden wir gleich sehen) Theorie des sogenannten Bohr’schen Atommodells mit der Quantenmechanik vereinigen, um eine Theorie der Physik der Atomhüllen und der Moleküle zu entwerfen. Dies führt uns zur Orbitaltheorie und zu den Atom- und Molekülspektren, die in den Naturwissenschaften generell von großer Bedeutung sind.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 24. Kernphysik

Zusammenfassung
Bisher haben wir vor allem Prozesse in der Atomphysik betrachtet, bei denen die Elektronen um den Kern wichtig waren. Über den Kern an sich haben wir bisher aber noch recht wenig gesagt. Wir hatten zwar schon erwähnt, dass der Atomkern in Form des Kernspins I und der damit verbundenen Wechselwirkung zwischen Kern und Elektronen in Form der Hyperfeinstrukturaufspaltung noch zu äußerst geringen Verschiebungen der spektralen Energieniveaus führt.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 25. Festkörperphysik

Zusammenfassung
Nachdem wir nun schon so viel über Atome und Moleküle gelernt haben, wollen wir noch einen Blick darauf werfen, wie sich diese in Festkörpern verhalten. Natürlich kann man Festkörper ganz fundamental wieder mit den Methoden der Quantenmechanik und den zugehörigen Wellenfunktionen beschreiben. Besonders anschaulich ist in diesem Zusammenhang in einem Festkörpergitter die regelmäßige Anordnung von Potenzialtöpfen, die die unzähligen Atomrümpfe (Atomkerne mit abgeschlossenen Schalen ohne Valenzelektronen) darstellen.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Das physikalische Praktikum

Frontmatter

Kapitel 26. Grundlagen

Zusammenfassung
Als Nebenfächler werden die meisten von euch im Laufe der ersten Semester mit einem physikalischen Pflichtpraktikum konfrontiert. Meistens genießt dieses den Ruf, dass arme Nebenfächler (für die Physik scheinbar unwichtig ist) von teuflischen Tutoren (die an euch ihren Frust ablassen) bei langweiligen Versuchen (die man nie wieder im Leben braucht) zu Tode gequält werden (indem man sein Versuchsprotokoll gefühlte zehn Mal korrigieren muss). Versetzt ihr euch in den Standpunkt der Tutoren, dann könnt ihr euch sicher vorstellen, dass dieser ungefähr wie folgt aussieht: Unmotivierten Banausen (die nicht einsehen wollen, dass die Physik einen wichtigen Teil ihrer Naturwissenschaft darstellt) wird von unterbezahlten Weltverbesserern (ja, irgendwie wollen wir euch wirklich missionieren) mit (zugegebenermaßen nicht immer) beispielhaften Versuchen wissenschaftlich korrektes Experimentieren (wenn nötig, durch anregende Verbesserungsvorschläge) beigebracht.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Kapitel 27. Beispielversuch: Messung der Elementarladung

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wollen wir nun einen typischen Versuch mit euch durchgehen. Zu diesem Zweck haben wir einen nicht allzu umfangreichen Versuch gewählt, und zwar die Bestimmung der Elementarladung nach Millikan. Letzterer wurde unter anderem hierfür im Jahr 1923 mit dem Physiknobelpreis belohnt.
Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

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