Übungsbuch Physik für Studierende der Biowissenschaften, Chemie und Medizin

In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit den mathematischen Grundlagen. Die Bewegung eines Körpers kann entlang einer Geraden, in einer Ebene oder allgemeiner im Raum stattfinden. Diesbezüglich betrachten wir Aufgaben zum 1-, 2- und 3-dimensionalen Punktraum, zu kartesischen Koordinaten und ebenen Polarkoordinaten sowie zum Rechnen mit Vektoren. Ferner behandeln wir als eine geometrische Anwendung Geraden, Kreise und allgemeine Bahnkurven im Raum sowie Aufgaben zur Differentiation von Vektorfunktionen wie dem Ortsvektor und der Geschwindigkeit eines Massenpunktes.

Im Folgenden behandeln wir Bewegungsvorgänge von Körpern im Raum, die wir uns zunächst der Einfachheit halber als irgendwelche idealisierten Objekte ohne endliche Ausdehnung vorstellen und die wir Massenpunkte nennen. Wir beginnen mit Aufgaben zur Kinematik. Bevor wir uns mit Aufgaben zu einfachen Bewegungen beschäftigen behandeln wir Aufgaben zu den unterschiedlichen Kräften, die zur Beschreibung von Bewegungsvorgängen wichtig sind. Ferner betrachten wir Aufgaben zur Arbeit, Energie und Leistung sowie zu Drehbewegungen. In beschleunigten Systemen treten Scheinkräfte auf, deren Wirkung wir anhand einer Vielzahl von Aufgaben diskutieren. Danach beschäftigen wir uns mit Systemen von Massenpunkten und diesbezüglichen Aufgaben.

Makroskopische materielle Dinge kommen in den Zustandsformen gasförmig, flüssig und fest vor, die wir auch Aggregatzustände nennen. Diesbezüglich betrachten wir in diesem Kapitel Aufgaben zu den mechanischen Eigenschaften von Festkörpern. Im Rahmen der Hydrostatik behandeln wir Aufgaben zu den Eigenschaften ruhender Flüssigkeiten, zum hydrostatischen Druck, zur spezifischen Oberflächenenergie und der Oberflächenspannung, sowie zur Benetzung und Kapillarität. In den Aufgaben zur Hydrodynamik geht es um Druckverhältnisse in strömenden idealen bzw. realen Flüssigkeiten und welche Flüssigkeitsmenge pro Zeit fließt. In der Übungsserie zu den Gasen behandeln wir Aufgaben zur Stoffmenge und der atomaren Masseneinheit, zur thermischen Energie und thermodynamischen Temperatur, Aufgaben zu den Zustandsgleichungen idealer und realer Gase sowie Zustandsänderungen von Gasen.

Wenn wir eine Substanz erwärmen, so erhöht sich dabei ihre thermische Energie. Andererseits führt diese Erwärmung zur Änderung all derjenigen Größen, die temperaturabhängig sind. In diesem Kapitel betrachten wir zunächst Aufgaben zu den thermischen Eigenschaften von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. Ferner behandeln wir Aufgaben zu Zustandsänderungen von Gasen, wobei sich die thermische Energie, die innere Energie und die Entropie ändern können. Abschließend betrachten wir Wärmekraftmaschinen und den Carnot’schen Kreisprozess, d. h. die Umwandlung von thermischer Energie in Arbeit und damit andere Energieformen sowie den Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine.

Neben geradlinigen Bewegungen und Drehbewegungen spielen in der Natur Schwingungen eine wichtige Rolle. In diesem Kapitel betrachten wir Aufgaben zu ungedämpften und gedämpften harmonischen Schwingungen sowie zur Überlagerung von harmonischen Schwingungen.

Unter einer Welle verstehen wir die i. Allg. räumliche Ausbreitung von Oszillatorschwingungen. Zunächst betrachten wir Aufgaben zu grundlegenden Begriffen wie Frequenz, Wellenlänge Phasengeschwindigkeit, Phasenverschiebung, Polarisation und zu verschiedenen Wellentypen. Danach behandeln wir Aufgaben zur Ausbreitung sowie zur Interferenz und Beugung von Wellen, für deren Verständnis das Huygens-Fresnel’sche Prinzip grundlegend ist. Als Anwendungen betrachten wir dann Aufgaben zur Reflexion, Brechung und Beugung von (Licht-) Wellen sowie zur Absorption und Streuung von Licht in Materie.

Die Optik beschäftigt sich mit dem Bereich der elektromagnetischen Strahlung, den das menschliche Auge wahrnehmen kann, und den wir Licht nennen. Die Wellenoptik beschäftigt sich mit Phänomenen der Interferenz, Beugung und Polarisation des Lichtes, d. h. mit Erscheinungen, die auf den Wellencharakter des Lichtes zurückgeführt werden können. Diesbezügliche Aufgaben haben wir bereits im letzten Kapitel behandelt. In diesem Kapitel betrachten wir Aufgaben zur geometrischen Optik, d. h. genauer Aufgaben zum Brechungsindex, zum Reflexions- und Brechungsgesetz, zur Totalreflexion, zu optischen Abbildungen und zur Abbildungsgleichung, Linsen, sowie Aufgaben zu Abbildungsfehlern.

In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit der elektromagnetischen Wechselwirkung, die insbesondere für alle chemischen und biologischen Vorgänge von großer Bedeutung ist. Zunächst betrachten wir grundlegende Aufgaben zu elektrischen Ladungen und Strömen sowie zur Coulomb- und zur Lorentz-Kraft. Wir beschäftigen uns ferner mit elektrischen und magnetischen Feldern, die durch zeitlich unveränderliche Ladungsverteilungen und Ströme hervorgerufen werden sowie mit Aufgaben zur Arbeit und zur potentiellen Energie in elektrischen und magnetischen Feldern. Wir behandeln Aufgaben zum Kondensator mit und ohne Dielektrikum und zur Kapazität, zum magnetischen Feld, zum magnetischen Fluss und zur Induktivität von Spulen mit und ohne Materie sowie zur Energie bzw. Energiedichte des elektrischen bzw. magnetischen Feldes. Schließlich betrachten wir Aufgaben zu einfachen elektrischen Schaltungen, zur Knoten- und Maschenregel, zur Parallel- und Hintereinanderschaltung von Widerständen, zur Temperaturabhängigkeit von Widerständen sowie Aufgaben zu zeitabhängigen elektrischen Strömen.

Für ein tieferes Verständnis des Periodensystems und der mikroskopischen Vorgänge bei chemischen Reaktionen ist die Quanten- und Atomphysik von grundlegender Bedeutung. Wir betrachten zunächst Aufgaben zu Eigenschaften von Elementarteilchen wie dem Spin, Bahndrehimpuls, magnetischen Moment und zur Energie von Elementarteilchen, zu den Heisenberg’schen Unschärferelationen sowie zur Radioaktivität und insbesondere zum Alpha- und Betazerfall. Der Massendefekt ist ein Beispiel zur Umwandlung von Masse in Bindungsenergie, während der Photoeffekt und der Compton-Effekt Beispiele sind für die Umwandlung von kinetischer Energie in Strahlungsenergie und umgekehrt. Atomspektren und Auswahlregeln liefern Informationen über das Termschema von Atomen und welche optischen Übergänge zwischen den einzelnen Atomzuständen möglich sind. Ferner betrachten wir Elektronenkonfigurationen von Atomen, die Spin-Bahn-Wechselwirkung, die Addition von Drehimpulsen und die Multiplizität von Atomzuständen. Schließlich behandeln wir Aufgaben zum Termschema des Wasserstoffatoms, zur Ionisierungsenergie von Lithium und zur Bestimmung des Grundzustandes von Atomen.

Dieses Kapitel umfasst verschiedene Testserien mit gemischten Aufgaben zu den mathematischen Grundlagen, zur klassischen Mechanik, zu den Zustandsformen der Materie und zur Thermodynamik.

Dieses Kapitel umfasst verschiedene Testserien mit gemischten Aufgaben zu Schwingungen, Wellen, zur Optik, zur klassischen Elektrodynamik sowie zur Atom- und Quantenphysik.