Arbeitsbuch zu Tipler/Mosca Physik

David Mills Alexander Knochel (Hrsg.)

Arbeitsbuch zu Tipler/Mosca Physik Alle Aufgaben und Fragen mit Lösungen zur 7. Auflage Herausgegeben von Alexander Knochel Aus dem Amerikanischen übersetzt von Michael Basler und Michael Zillgitt

Autor David Mills New York, USA

Herausgeber Alexander Knochel Heidelberg, Deutschland

ISBN 978-3-662-51504-4 ISBN 978-3-662-51505-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-51505-1 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Planung: Margit Maly Coverbild: Dr. Kristin Riebe Solutions Manual to Accompany Tipler/Mosca Physics 6e Die amerikanische Originalausgabe (zur 6. Auflage) ist erschienen in den Vereinigten Staaten bei Worth Publishers, New York und Basingstoke. Copyright 2008 Worth Publishers. Alle Rechte vorbehalten. 6e first published in the United States by Worth Publishers, New York and Basingstoke. Copyright 2008 by Worth Publishers. All rights reserved. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg

Vorwort zur 7. Auflage Die aktuelle 7. deutschsprachige Auflage des Lehrbuchs Tipler/Mosca Physik (Jenny Wagner, Hrsg.) wurde speziell an die Bachelorlehrpläne im deutschsprachigen Raum angepasst, neu strukturiert und um einige Themengebiete erweitert. Das vorliegende Arbeitsbuch spiegelt diese Veränderungen wider und enthält alle Aufgaben der 7. Auflage mit ausführlich vorgerechneten Lösungen, teilweise in überarbeiteter Fassung. Mein Dank gilt Dipl. Phys. Margit Maly und Stefanie Adam, M.A., von Springer Spektrum für die hervorragende Betreuung und technische Unterstützung, insbesondere M.M. für die Überprüfungs- und Korrekturarbeiten, sowie Prof. Dr. Christian H. Kautz für die fachliche Beratung in Fragen der technischen Mechanik. Ich kann mich nur meinen Vorgängern anschließen, Ihnen viel Erfolg beim Arbeiten zu wünschen, und zu hoffen, dass Sie wie wir von diesem faszinierenden und vielseitigen Material begeistert sind! Heidelberg, im Mai 2016 Dr. Alexander Knochel, Herausgeber

Vorwort zur deutschen Ausgabe der 6. Auflage Das Arbeitsbuch zur 6. Auflage des Lehrbuchs Physik für Wissenschaftler und Ingenieure von Paul A. Tipler und Gene Mosca hat sich zu einem Bachelor-Trainer gewandelt, der vorlesungsbegleitend Lern- und Testmaterial für Dozenten wie auch Studierende der Physik zur Verfügung stellt: in gedruckter Form die Lösungen zahlreicher Aufgaben aus allen physikalischen Teilgebieten, kombiniert mit rund 2000 Verständnisfragen auf DVD, die im Multiple-choice-Format zum Selbsttest einladen. Der Bachelor-Trainer ist unabhängig vom Lehrbuch nutzbar, weil die Aufgabenstellungen und Lösungen mit allen erforderlichen Abbildungen eine geschlossene Einheit bilden und auch die Verständnisfragen eine separate Einheit darstellen. Die gedruckte Aufgaben- und Lösungssammlung dieses Arbeitsbuchs ging aus dem amerikanischen Handbuch für Dozenten hervor, das die Lösungswege sämtlicher Aufgaben des amerikanischen Lehrbuchs enthält. Allerdings ist das amerikanische Handbuch nur Dozenten an amerikanischen Universitäten zugänglich. Konzipiert von einem Team aus zahlreichen College- und Universitätslehrern, wurde es von David Mills herausgegeben. Wir meinen, dieses profunde Material ist zum ergänzenden, sozusagen autodidaktischen Lernen so gut geeignet, dass wir

es allen deutschsprachigen Lesern zugänglich machen wollen, also nicht nur den Dozenten, sondern auch den Studenten. Das war umso notwendiger, als sich unsere Gegebenheiten von denen in den USA unterscheiden. Dort sind die Lehrbücher enger an den Kursstoff gebunden als hierzulande, und die Studierenden können sich kostenpflichtig per Internet beim Lösen der Aufgaben betreuen lassen, d. h., Schritt für Schritt die Lösung abrufen bzw. mit der eigenen vergleichen – ein Service, der von Deutschland aus nicht zugänglich ist. Für die deutschsprachigen Leser sind hier die Lösungen sämtlicher Aufgaben der deutschen Ausgabe des Lehrbuchs zusammengestellt. Damit wird die in Amerika praktizierte schrittweise Betreuung sozusagen dem Lernenden selbst in die Hand gegeben. Wie auch bei der deutschen Fassung des Lehrbuchs ging die Übertragung ins Deutsche über eine bloße Übersetzung hinaus. Im Einzelnen sei auf folgende Punkte hingewiesen: Die Formelnotation wurde auf unsere Verhältnisse angepasst. Die Vielzahl der Aufgaben im amerikanischen Original wurde reduziert, wobei dieses Arbeitsbuch selbstverständlich dieselben Aufgaben wie das deutsche Lehrbuch enthält. Damit wird den Vorkenntnissen der europäischen Studenten besser Rechnung getragen, und der Umfang des recht voluminösen Werks blieb handlich. Schließlich haben wir die optische Gestaltung der Aufgabenlösungen gestrafft und in einem neuen Layout gestaltet. Jede Lösung wird schrittweise vorgestellt, wie auch im Original. In den Lösungen werden Text und Formeln fortlaufend angeordnet und Abbildungen und Tabellen dem Text direkt zugeordnet. Wir haben bei all dem versucht, mit der vorliegenden Übertragung ins Deutsche den Intentionen und dem didaktischen Konzept der Autoren gerecht zu werden. Die DVD [Anm. des Hrsg.: Die DVD ist in der 7. Auflage nicht mehr enthalten] enthält 2000 Verständnisfragen, die der Verlag W.H. Freeman auf der Dozentenwebsite zusammengestellt hat und mit denen die Lernerfolge effizient bewertet werden können. Wir bieten die Übersetzungen dieser Fragen als Ergänzung zu diesem Arbeitsbuch an, weil wir sie im Rahmen der neuen Studiengänge für eine gute Unterstützung der Vorlesungen und Übungen halten. Der Wissenstest ist in den USA standardisiert, und bei uns kann dessen Übersetzung als weiterer Fundus für Dozenten dienen, die Klausuren oder Tests zusammenstellen wollen. Für Studierende bieten die nach Kapiteln geordneten Fragen einen Selbsttest, mit dem sie nach der Lektüre des betreffenden Lehrbuchkapitels den Stoff rekapitulieren können. Dabei kann zwar keine Simulation oder gar Auswertung hiesiger Prüfungen geboten werden, weil diese bei uns nicht standardisiert sind, aber das Training mit Multiple Choice-Fragen zum vertie-

VI

fenden und rekapitulierenden Lernen ist eine ansprechende und nachhaltige Prüfungsvorbereitung. Was den Dank an alle diejenigen betrifft, die am Entstehen des Bachelor-Trainers mitgewirkt haben, so möchten wir zunächst auf die Aufgabenauswahl von Prof. Dr. Dietrich Pelte hinweisen, der als Emeritus an der Universität Heidelberg forscht und über lange Zeit hinweg die Didaktik an seiner Fakultät wesentlich mitbestimmt hat. Er hatte für die vorige deutsche Auflage die Auswahl nach Kriterien getroffen, die wir auch nach seinem Ausscheiden als Herausgeber bei dieser Auflage beibehalten haben. Weiterhin danken wir den Übersetzern des Lehrbuchs, deren Übersetzungen der Aufgabentexte hier wiederum Eingang gefunden haben: Dr. Michael Basler, Dr. Renate Marianne Dohmen, Carsten Heinisch und Dr. Anna Schleitzer. Schließlich danken wir allen Mitgliedern des Projektteams im Verlag, die uns bei den vielen Arbeitsschritten geholfen haben, Fehler zu vermeiden oder zu beseitigen: Regine Zimmerschied als Redakteurin für die sprachliche Seite sowie Stefanie Adam und Silke Hutt für die Qualitätsprüfung bei Satz und Layout. Natürlich liegt die Verantwortung für Fehler, die trotz aller unserer Bemühungen noch vorhanden sind, allein bei uns. Für diese Fehler möchten wir uns nicht nur entschuldigen, sondern auch daran mitwirken, ihre Auswirkungen abzumildern. Dazu wird auf www.tipler-physik.de eine ErrataListe veröffentlicht, die bei Notwendigkeit jeweils aktualisiert wird. Für die Mitteilung jeglicher Fehler, die Sie beim Nutzen dieses Werks entdecken, sind wir stets sehr dankbar.

mir eine große Freude, bei der Erstellung dieses Arbeitsbuchs mit ihm zusammenzuarbeiten. Sicherlich teilt er meine Hoffnung, dass die hier zusammengestellten Aufgaben und ausführlichen Lösungen beim Erlernen der Physik hilfreich sind. Viele Lösungen wurden von Carlos Delgado (Community College of Southern Nevada) und Mike Crivello (San Diego Mesa College) überprüft. Ohne ihre gründliche Arbeit hätten etliche Fehler noch der Entdeckung durch die Leserschaft geharrt. Carlos Delgado schlug auch mehrere alternative Lösungswege vor. Weil sie sämtlich Verbesserungen darstellten, fanden sie natürlich auch Eingang in dieses Buch. Beiden Kollegen danke ich sehr für ihre unschätzbare Hilfe. Für die trotz ihrer überaus gründlichen Arbeit immer noch vorhandenen Fehler bin natürlich allein ich verantwortlich. Mein großer Dank gilt schließlich Susan Brennan, Clancy Marshall und Kharissa Pettus, die die Erstellung dieses Arbeitsbuchs maßgeblich begleiteten, sowie Kathryn Treadway und Janie Chan für die Überprüfungs- und Korrekturarbeiten. Juni 2007 David Mills, Prof. (em.), College of the Redwoods

Wir wünschen nun viel Erfolg, beim Ausprobieren eigener Lösungen der physikalischen Probleme und Aufgaben ebenso wie beim Selbsttest mit den Multiple-choice-Fragen. Lassen Sie sich nicht entmutigen – auch wir haben als gestandene Physiker nicht immer sofort alles richtig beantwortet. Aber es hat uns Spaß gemacht, uns den Aufgaben und den Fragen zu stellen und wie in Studienzeiten aus unseren Fehlern zu lernen. Wir hoffen, dass sich von unserer Begeisterung für die Physik und ihre Herausforderungen ein wenig auch auf Dozenten und Studierende überträgt. Heidelberg, im August 2009 Dr. Michael Zillgitt, Herausgeber Dipl.-Phys. Katharina Neuser-von Oettingen, Lektorin

Danksagungen des Autors Gene Mosca (Mitautor der 6. Auflage der Physik für Wissenschaftler und Ingenieure von Paul A. Tipler), der an der United States Naval Academy lehrte, unterstützte mich dankenswerterweise sehr, indem er etliche meiner Lösungen verbesserte oder einen klareren Lösungsweg vorschlug. Es war

David Mills ist Emeritus für Physik am College of the Redwoods im kalifornischen Eureka und hat als erfahrener Didaktiker für Physik in Schule und Hochschule bereits das Arbeitsbuch der Vorauflage herausgegeben. Michael Zillgitt und Michael Basler haben in Physikalischer Chemie bzw. Physik promoviert und sind seit etlichen Jahren als Fachübersetzer – auch für den Tipler/Mosca – tätig. Alexander Knochel hat in Theoretischer Hochenergiephysik promoviert und ist als Sach- und Lehrbuchautor tätig.

Themenübersicht Physikalische Größen und Messungen 1 Physikalische Größen und Messungen Verständnisaufgaben

1

Masse und Gewicht

1 1

Schätzungs- und Näherungsaufgaben Maßeinheiten

Das erste und das zweite Newton’sche Axiom: Masse, Trägheit und Kraft 38 38

Kräftediagramme: Statisches Gleichgewicht Kräftediagramme: Geneigte Ebenen und Normalkräfte 39

1

Umrechnen von Einheiten

1

Kräftediagramme: Fahrstühle 39

Dimensionen physikalischer Größen Exponentialschreibweise Stellen 2 Allgemeine Aufgaben

und

1

Krummlinige und Kreisbewegung 39

signifikante

4 Weitere Anwendungen der Newton’schen Axiome 53

2

Verständnisaufgaben

53

Schätzungs- und Näherungsaufgaben

Mechanik 2 Mechanik von Massenpunkten Verständnisaufgaben

Reibung

7

Orts- und Verschiebungsvektor

9

Die Kepler’schen Gesetze

56

Schwere Masse und träge Masse

9

Geschwindigkeit

56

Das Newton’sche Gravitationsgesetz

9

54

54

Widerstandskräfte

7

Schätzungs- und Näherungsaufgabe

Beschleunigung

38

Das Gravitationsfeld

57

Allgemeine Aufgaben

58

57

57

10

Gleichförmig beschleunigte Bewegung in einer Dimension 10 Der schräge Wurf

11

5 Energie und Arbeit

Kreisbewegung und Zentripetalbeschleunigung 12 Allgemeine Aufgaben 13

Verständnisaufgaben 83 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 84 Arbeit, kinetische Energie und Anwendungen 85 Leistung

3 Die Newton’schen Axiome Verständnisaufgaben

83

37

Die Erhaltung der mechanischen Energie

37

Schätzungs- und Näherungsaufgabe

85

Energieerhaltung 87 37

Allgemeine Aufgaben

88

86

VIII

6 Der Impuls

113

9 Mechanik deformierbarer Körper

173

Verständnisaufgaben 113

Verständnisaufgaben 173

Schätzungs- und Näherungsaufgabe 114

Schätzungs- und Näherungsaufgabe 173

Impulserhaltung 114

Spannung und Dehnung 173

Kraftstoß und zeitliches Mittel einer Kraft 114

Kompression 174

Stöße in einer Raumrichtung 115

Scherung 174

*Stöße in mehr als einer Raumrichtung 115

Biegung 175

Elastizitätszahl 116 Allgemeine Aufgaben 116

10 Fluide

183

Verständnisaufgaben 183

7 Teilchensysteme

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 184

131

Verständnisaufgaben 131

Dichte 184

Schätzungs- und Näherungsaufgabe 131

Druck 184

Mehrkörperprobleme 131

Auftrieb 185

Massenmittelpunktsystem 133

Kontinuitäts- und Bernoulli-Gleichung 186

Raketen- und Strahlantrieb 134

Strömung viskoser Flüssigkeiten 186

Allgemeine Aufgaben 134

Allgemeine Aufgaben 187

8 Drehbewegungen

Schwingungen und Wellen

149

Verständnisaufgaben 149

11 Schwingungen

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 150

Verständnisaufgaben 197

Winkelgeschwindigkeit Winkelbeschleunigung 150

und

197

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 197 Harmonische Schwingungen 198

Berechnung von Trägheitsmomenten 151 Drehmoment 151

Harmonische Schwingungen Kreisbewegung 198

und

Kinetische Energie der Rotation 152

Energie eines harmonischen Oszillators 198

Rollen, Fallmaschinen und herabhängende Teile 152

Harmonische Schwingungen und Federschwinger 198

Drehimpuls und Drehimpulserhaltung 153

Mathematisches Pendel 199

Rollen ohne Schlupf 154

Physikalische Pendel 199

Rollen mit Schlupf 154

Gedämpfte Schwingungen 200

Kreisel 154

Erzwungene Schwingungen und Resonanz 200

Allgemeine Aufgaben 155

Allgemeine Aufgaben 201

IX

12 Wellen

223

Die mittlere freie Weglänge 254

Verständnisaufgaben 223

Die Van-der-Waals-Gleichung für reale Gase 254

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 224

Allgemeine Aufgaben 254

Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen 224 Die Wellengleichung 224 Harmonische Wellen auf einer Saite 224 Harmonische Schallwellen 225 Intensität 225

15 Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 263 Verständnisaufgaben 263 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 263

Schallpegel 225

Wärmekapazität, spezifische Wärme, latente Wärme 263

Doppler-Effekt 225 Reflexion und Transmission 226 Überlagerung und Interferenz 226 Schwebungen 227

Kalorimetrie 264 Erster Hauptsatz der Thermodynamik 264 Arbeit und das p-V-Diagramm eines Gases 264

Stehende Wellen 227 Wärmekapazitäten von Gasen und der Gleichverteilungssatz 264

*Harmonische Analyse 228 *Wellenpakete 228

Wärmekapazitäten von Festkörpern und die Dulong-Petit’sche Regel 264

Allgemeine Aufgaben 228

Reversible adiabatische Expansion eines Gases 265

Thermodynamik

Zyklische Prozesse 265

13 Temperatur und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik 249

Allgemeine Aufgaben 265

Verständnisaufgaben 249 Schätzungs- und Näherungsaufgabe 249

16 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Temperaturskalen 249

Verständnisaufgaben 275

Wärmeausdehnung 249

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 275

Allgemeine Aufgaben 249

Wärmekraftmaschinen und Kältemaschinen 276 Der Zweite Hauptsatz 276

14 Die kinetische Gastheorie

275

253

Verständnisaufgaben 253 Schätzungs- und Näherungsaufgabe 253 Die Zustandsgleichung für das ideale Gas 253 Die molekulare Geschwindigkeit und der Gleichverteilungssatz 254

Carnot-Kreisprozesse 276 Wärmepumpen 277 Entropieänderungen 277 Entropie und entwertete Energie 277 Allgemeine Aufgaben 277

X

17 Wärmeübertragung

287

20 Das elektrische Potenzial

329

Verständnisaufgaben 287

Verständnisaufgaben 329

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 287

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 329

Wärmeleitung 287

Potenzialdifferenz 329

Wärmestrahlung 287

Das Potenzial eines Punktladungssystems 330

Allgemeine Aufgaben 288

Berechnung des elektrischen Felds aus dem Potenzial 330

Elektrizität und Magnetismus 18 Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen

Berechnung des Potenzials φ kontinuierlicher Ladungsverteilungen 330 Äquipotenzialflächen 331 Die elektrische Energie 331

293

Allgemeine Aufgaben 332

Verständnisaufgaben 293 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 294 Elektrische Ladung 294

21 Die Kapazität

Das Coulomb’sche Gesetz 294

Verständnisaufgaben 347

Elektrisches Feld 294

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 347

Bewegung von Punktladungen in elektrischen Feldern 295

Kapazität 347

347

Die Speicherung elektrischer Energie 347

Dipole 295 Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren 348

Allgemeine Aufgaben 295

Plattenkondensatoren 348

19 Das elektrische Feld II: Kontinuierliche Ladungsverteilungen

Zylinderkondensatoren 348

309

Verständnisaufgaben 309 Schätzungs- und Näherungsaufgabe 309 Berechnung von E aus dem Coulomb’schen Gesetz 309

Kugelkondensatoren 349 Getrennte und wieder verbundene Kondensatoren 349 Dielektrika 349 Allgemeine Aufgaben 349

Das Gauß’sche Gesetz 310 Anwendungen des Gauß’schen Gesetzes bei Kugelsymmetrie 311 Anwendungen des Gauß’schen Gesetzes bei Zylindersymmetrie 311

22 Elektrischer Strom - Gleichstromkreise

365

Verständnisaufgaben 365 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 365

Elektrische Ladungen und Felder an Leiteroberflächen 312

Elektrischer Strom und die Bewegung von Ladungsträgern 366

Allgemeine Aufgaben 312

Widerstand und Ohm’sches Gesetz 366

XI

Temperaturabhängigkeit des Widerstands 366

25 Die magnetische Induktion

423

Energie in elektrischen Stromkreisen 367

Verständnisaufgaben 423

Zusammenschaltung von Widerständen 367

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 423

Kirchhoff’sche Regeln 367

Der magnetische Fluss 423

Strom- und Spannungsmessgeräte 368

Induktionsspannung und Faraday’sches Gesetz 424

RC-Stromkreise 368

Induktion durch Bewegung 424

Allgemeine Aufgaben 369

Wechselstromgeneratoren 425 Induktivität 425

23 Das Magnetfeld

Die Energie des Magnetfelds 425

391

Verständnisaufgaben 391

*RL-Stromkreise 426

Schätzungs- und Näherungsaufgabe 391

Allgemeine Aufgaben 427

Die magnetische Kraft 391 Die Bewegung einer Punktladung in einem Magnetfeld 392 Die auf geladene Teilchen wirkende magnetische Kraft 392 Das auf Leiterschleifen und Magnete ausgeübte Drehmoment, magnetische Momente 392 Der Hall-Effekt 393

26 Wechselstromkreise

443

Verständnisaufgaben 443 Schätzungs- und Näherungsaufgabe 443 Wechselspannung an Ohm’schen Widerständen, Spulen und Kondensatoren 443 Stromkreise mit Kondensatoren, Spulen und Widerständen ohne Wechselspannungsquelle 444

Allgemeine Aufgaben 393

RL-Kreise mit Wechselspannungsquelle 444

24 Quellen des Magnetfelds

403

Filter und Gleichrichter 444

Verständnisaufgaben 403

LC-Stromkreise mit Wechselspannungsquelle 445

Das Magnetfeld von Punktladungen und Strömen 403

RLC-Stromkreise quelle 446

Leiterschleifen 404

Der Transformator 447

Geradlinige Leiterabschnitte 404

Allgemeine Aufgaben 447

mit

Wechselspannungs-

Das Magnetfeld einer Zylinderspule 405 Das Ampère’sche Gesetz 405 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität 405 Magnetische Momente von Atomen 406 *Paramagnetismus 406 *Ferromagnetismus 406 Allgemeine Aufgaben 406

27 Die Maxwell’schen Gleichungen und Elektromagnetische Wellen 463 Verständnisaufgaben 463 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 463 Der Maxwell’sche Verschiebungsstrom 463 Maxwell’sche Gleichungen und elektromagnetisches Spektrum 464

XII

Elektrische Dipolstrahlung 464

30 Interferenz und Beugung

501

Energie und Impuls elektromagnetischer Wellen 464

Verständnisaufgaben 501

Die Wellengleichung für elektromagnetische Wellen 464

Phasendifferenz und Kohärenz 501

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 501

Interferenz an dünnen Schichten 501

Allgemeine Aufgaben 465

Newton’sche Ringe 501 Interferenzmuster beim Doppelspalt 502

Optik

Beugungsgitter 502

28 Eigenschaften des Lichts

475

Verständnisaufgaben 475 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 475 Die Lichtgeschwindigkeit 475

Beugungsmuster beim Einzelspalt 503 Interferenz- und Beugungsmuster beim Doppelspalt 503 Vektoraddition harmonischer Wellen 503 Beugung und Auflösung 503

Reflexion und Brechung 475

Allgemeine Aufgaben 504

Totalreflexion 476 Dispersion 476

Einsteins Relativitätstheorien

Polarisation 476 Allgemeine Aufgaben 477

31 Die Relativitätstheorien

513

Verständnisaufgaben 513 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 513

29 Geometrische Optik

487

Verständnisaufgaben 487 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 487 Ebene Spiegel 487 Sphärische Spiegel 487

Zeitdilatation und Längenkontraktion 513 Die Lorentz-Transformation, Uhrensynchronisation und Gleichzeitigkeit 513 Die Geschwindigkeitstransformation und der relativistische Doppler-Effekt 514

Durch Brechung erzeugte Bilder 488

Relativistischer Impuls und relativistische Energie 514

Dünne Linsen und die Linsengleichung 488

*Minkowski-Diagramme 514

Abbildungsfehler 489

Die allgemeine Relativitätstheorie 515

Das Auge 489

Allgemeine Aufgaben 515

Die Lupe 489 Das Mikroskop 490

Quantenmechanik

Das Teleskop 490

32 Einführung in die Quantenphysik

Allgemeine Aufgaben 490

Verständnisaufgaben 527

527

XIII

Schätzungs- und Näherungsaufgabe 527

35 Moleküle

Die Teilchennatur des Lichts: Photonen 527

Verständnisaufgaben 553

Der photoelektrische Effekt 527

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 553

Compton-Streuung 527

Chemische Bindung 553

Elektronen und Materiewellen 527

Energieniveaus und Spektren zweiatomiger Moleküle 554

Berechnung von Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und Erwartungswerten 528

553

Allgemeine Aufgaben 554

Allgemeine Aufgaben 528

Festkörperphysik 33 Anwendungen der Schrödinger-Gleichung

535

Verständnisaufgaben 535

559

Verständnisaufgaben 559

Die Schrödinger-Gleichung 535

Die Struktur von Festkörpern 559

Der harmonische Oszillator 535 Reflexion und Transmission von Elektronenwellen: Barrierendurchdringung 535 Die Schrödinger-Gleichung Dimensionen 535

36 Festkörper

in

drei

Die Schrödinger-Gleichung für zwei identische Teilchen 536

37 Elektrische Eigenschaften von Festkörpern Verständnisaufgaben 561 Schätzungs- und Näherungsaufgabe 561

Orthogonalität von Wellenfunktionen 536

Mikroskopische Betrachtung der elektrischen Leitfähigkeit 561

Allgemeine Aufgaben 536

Freie Elektronen im Festkörper 561 Die Quantentheorie der elektrischen Leitfähigkeit 562

Atome und Moleküle

Das Bändermodell der Festkörper 562

34 Atome

Halbleiter 562

543

Verständnisaufgaben 543 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 543 Das Bohr’sche Modell des Wasserstoffatoms 543

Halbleiterübergänge und Bauelemente 562 Die BCS-Theorie 563 Die Fermi-Dirac-Verteilung 563

Quantenzahlen in Polarkoordinaten 543 Quantentheorie des Wasserstoffatoms 543 Spin-Bahn-Kopplung und Feinstruktur 544

Kern- und Teilchenphysik

Das Periodensystem der Elemente 544

38 Kernphysik

Optische Spektren und Röntgenspektren 544

Verständnisaufgaben 569

Laser 544

Schätzungs- und Näherungsaufgaben 569

Allgemeine Aufgaben 544

Eigenschaften der Kerne 569

569

561

XIV

Radioaktivität 569 Kernreaktionen 570 Kernspaltung und Kernfusion 570 Allgemeine Aufgaben 570

39 *Teilchenphysik

579

Verständnisaufgaben 579 Schätzungs- und Näherungsaufgabe 579 Spin und Antiteilchen 579 Die Erhaltungssätze 579 Quarks 579 Allgemeine Aufgaben 580

Zusatzmaterial 40 *Spezielle Relativitätstheorie

585

Verständnisaufgaben 585 Schätzungs- und Näherungsaufgaben 585 Längenkontraktion und Zeitdilatation 585 Die Relativität der Gleichzeitigkeit 586 Relativistische Energie und relativistischer Impuls 586 Allgemeine Aufgaben 587