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Übersetzung herausgegeben von Stephan W. Koch
Dritte, vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage
David Halliday, Robert Resnick und Jearl Walker
Halliday Physik
File Attachment9783527812592.jpg
Halliday Physik3. Auflage
Halliday Physik
David HallidayUniversity of Pittsburgh
Robert ResnickRensselaer Polytechnic Institute
Jearl WalkerCleveland State University
Herausgeber der deutschen Übersetzung
Stephan W. KochUniversität Marburg
Dritte, vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage
Die Autoren
David HallidayUniversity of Pittsburgh
Robert ResnickRensselaer Polytechnic Institute
Jearl WalkerCleveland State University
Der Übersetzungsherausgeber
Stephan W. KochPhilipps-Universität MarburgFachbereich PhysikRenthof 635032 Marburg
Die Übersetzer
Michael Bär, WieslochMatthias Delbrück, Dossenheim
Titel der OrginalausgabeFundamentals of Physics / Extended 10th EditionCopyright © 2014 John Wiley & Sons, Inc.All Rights Reserved. This translation publishedunder license with the original publisher JohnWiley & Sons, Inc.
1. Auflage © 2003 Wiley-VCH GmbH & Co. KGaA2. Auflage © 2009 Wiley-VCH GmbH & Co. KGaA
TitelbildAdelevin/Stock-Illustration-ID: 480952174
3. Auflage 2018
Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet.Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag inkeinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für dieRichtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowiefür eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung.
Library of Congress Card No.:applied for
Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in derDeutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind imInternet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© 2018WILEY-VCHVerlag GmbH&Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469Wein-heim, Germany
Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vor-behalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigungdes Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmungoder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Ma-schinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbareSprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Waren-bezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesemBuch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann freibenutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetrageneWarenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln,wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.
Umschlaggestaltung Formgeber, MannheimSatz le-tex publishing services GmbH, Leipzig, Deutschland
Print ISBN 978-3-527-41356-0ePDF ISBN 978-3-527-81259-2ePub ISBN 978-3-527-81260-8Mobi ISBN 978-3-527-81258-5oBook ISBN 978-3-527-80576-1
Gedruckt auf säurefreiem Papier.
Vorwort zur deutschen Ausgabe
Diese dritte deutsche Auflage des Klassikers „Halliday Fun-damentals of Physics“ enthält zahlreiche Neuerungen, diedas Lehrbuch für Studentinnenund Studentennoch attrak-tiver machen.Selbstverständlich deckt der „Halliday“ wie in den Vor-
auflagen den gesamten Stoff mehrsemestriger Einfüh-rungsvorlesungen ab und ist damit der unentbehrliche Be-gleiter für das gesamte Grundstudium der Physik.Angefangen von den elementaren Konzepten der Bewe-
gung vonMassepunkten und einfachenKörpern, der New-tonschen Mechanik, den Grundlagen der Thermodyna-mik, der Physik elektrischer und magnetischer Felder undderOptik bis hin zu denGrundkonzeptenderQuantenme-chanik und der modernen Elementarteilchenphysik wirdder Lehrstoff in didaktisch hervorragender Form präsen-tiert. Aufgrund der Erfahrungen in der Lehre wurden et-liche Kapitel im Sinne besserer Verständlichkeit deutlichüberarbeitet und erweitert, wobei die dankenswerten Vor-schläge der Studierenden und Lehrenden speziell berück-sichtigt wurden.Dabei wurde der zugrundeliegende Ansatz des „Halli-
day“ beibehalten, der zu dessen großem Erfolg und Be-liebtheit beigetragen hat: Die Physik wird stets in ihrer Be-deutung motiviert, mit vielen Beispielen illustriert und mitausführlich im Text durchgerechnetenAufgaben verständ-lich gemacht.Wichtige physikalische Konzepte werden oftauf mehrere Arten präsentiert, wobei auf mögliche Ver-ständnisprobleme besonders eingegangen wird, um typi-
sche Fallstricke zu vermeiden. Lösungsstrategien für Auf-gaben nehmen einen ebenso wichtigen Platz ein wie Zu-sammenfassungen des präsentiertenMaterials in allen Ka-piteln.UmverändertenLehr- undLerngewohnheitenRechnung
zu tragen, wurden die Lerninhalte in der dritten Auflagemodular organisiert, so dass nicht nur jedes Kapitel, son-dern auch jede Lerneinheit explizit mit Lernzielen, Schlüs-selideen und physikalischer Motivation beginnt.Die quantitativ bedeutendstenÄnderungen betreffen die
Elemente, die das selbstständige Lernen unterstützen: zuden 300 detailliert vorgerechnetenBeispielen kommen 250Verständnisfragen, insgesamt 650 Fragen an denKapitelen-den – mit Antworten und Ergebnissen im Anhang – undmehr als 2500Aufgaben.Wie auch in denVorauflagenwur-deWert darauf gelegt, dass dieMehrzahl derÜbungsaufga-ben Konzepte illustriert und auf Argumente und Begrün-dungen abzielt, nur ein kleiner Teil erfordert lediglich dasEinsetzen von Zahlen in Formeln.Die größte Neuerung ist das Arbeitsbuch, das erst-
mals sämtliche ausführliche Lösungen zu allen 2500 Auf-gaben im Lehrbuch enthält. Bei schwierigeren Aufgabenhilft das SARA-Konzept, die Lösung zu entwickeln: Der„Startpunkt“ verbalisiert das zugrundeliegende physika-lische Problem, der „Ansatz“ formalisiert die Aufgaben-stellung, die „Rechnung“ illustriert den Rechenweg, und„Aufgepasst“ fasst die Schlussfolgerungen und den Lern-effekt zusammen.
Marburg, Frühjahr 2017 Stephan W. Koch
Zum Aufbau des Buches
Die vorliegende deutsche Ausgabe übernimmt die meisten der erfolgreichen Stilelemente der englischsprachigen Ori-ginalausgabe. Der Text wird in großzügigem Layout präsentiert, wobei wichtige Lösungsstrategien, Beispielaufgaben,Merksätze und Formeln besonders hervorgehoben sind.
KapiteleinstiegJedes Kapitel beginnt mit der expliziten Aufführungvon Lernzielen, Schlüsselideen und physikalischerMo-tivation, in den Unterabschnitten werden diese Lern-ziele und Schlüsselideen weiter konkretisiert.
KontrollfragenAn diesen Haltepunkten im Textfluss werden Fragengestellt, die Studierende anhand des vorangegangenenTextabschnitts oder der Beispielaufgabe zu lösen in derLage sein sollten. Ist dies nicht der Fall, wird empfoh-len, den Stoff vor demWeiterlesen zu wiederholen. DieAntworten auf alle Kontrollfragen sind am Ende desBuchs zusammengestellt.
BeispielaufgabenDiese durchgerechneten Aufgaben helfen Studieren-den, den gelernten Stoff zu organisieren und zu festi-gen sowie ihre Fähigkeit zur Lösung von Problemen zuentwickeln. Die Lösungswege werden schrittweise er-klärt. Dabei wird oft von speziell hervorgehobenen Lö-sungsideen ausgegangen, die zur Bewältigung der Auf-gabe herangezogen werden müssen.
LösungsstrategienInsbesondere Studienanfängern geben diese kurzenAbschnitte Hinweise zum Herangehen an Problemeund zum Vermeiden häufiger Fehler.
MatheboxenIn die deutscheAusgabe wurden ergänzend zumOrigi-nal Matheboxen eingeführt, in denen in knapper FormdermathematischeHintergrund einigerwichtigerGlei-chungen oder deren Lösungen präsentiert wird.
ZusammenfassungenAm Ende jedes Kapitels wird dessen Inhalt in knapper,übersichtlicherFormzusammengefasst. Das Lesen die-ser Übersicht kann und soll das Studium des Kapitelsjedoch nicht ersetzen.
FragenÄhnlich wie bei den Kontrollfragen sind zur Beant-wortung der Fragen weniger Berechnungen als viel-mehr Argumente erwünscht. Die Antworten auf einenGroßteil der Fragen sind am Ende des Buchs zusam-mengestellt.
AufgabenDie insgesamt rund 2500 Übungsaufgaben unter-schiedlichen Schwierigkeitsgrads helfen dabei, das Ge-lernte zu festigen, auf unbekannte Sachverhalte zuübertragen und sich auf Klausuren und Prüfungen vor-zubereiten. Dabei ist nur in wenigen Fällen das reineEinsetzen von Zahlen in Formeln gefragt, vielmehr ste-hen Konzepte, Begründungen und Argumente im Vor-dergrund. Zu allen Aufgaben finden sich ausführlicheLösungen im begleitenden Arbeitsbuch.
Halliday Physik
Halliday/Resnick/Walker3. Auflage 20181635 SeitenHardcoverISBN: 978-3-527-41356-0
Arbeitsbuch Halliday PhysikLösungen zu den AufgabenHalliday/Resnick/Walker3. Auflage 2018789 SeitenSoftcoverISBN: 978-3-527-41357-7
Halliday PhysikDeluxe
Halliday/Resnick/Walker3. Auflage 20182424 SeitenISBN: 978-3-527-41358-4
Inhaltsverzeichnis
1Messung und Maßeinheiten
1.1 Grundsätzliches zu Messungen . . . . . . . . . . 11.2 Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3 Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2Geradlinige Bewegung
2.1 Ort, Verschiebung und mittlereGeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Momentangeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . 192.3 Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4 Konstante Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . 242.5 Der freie Fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.7 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3Vektoren
3.1 Vektoren und ihre Eigenschaften . . . . . . . . 413.2 Einheitsvektoren und Vektoraddition . . . . . 483.3 Die Multiplikation von Vektoren . . . . . . . . . 533.4 Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.5 Partielle Ableitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.6 Vektorableitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.7 Komplexe Zahlen und Funktionen . . . . . . . 653.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.9 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4Bewegung in zwei und drei Dimensionen
4.1 Ort und Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.2 Durchschnittsgeschwindigkeit
und Momentangeschwindigkeit . . . . . . . . . 804.3 Durchschnittsbeschleunigung
und Momentanbeschleunigung . . . . . . . . . 824.4 Wurfbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Die gleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . 924.6 Relativbewegung in einer Dimension . . . . . 954.7 Relativbewegung in zwei Dimensionen . . . 984.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.9 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5Kraft und Bewegung – I
5.1 Das erste und das zweite NewtonscheGesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Einige besondere Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.3 Die Newtonschen Gesetze in der Praxis . . . 1265.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1365.5 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6Kraft und Bewegung – II
6.1 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1456.2 Strömungswiderstand
und Endgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 1516.3 Gleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . . . 1556.4 Scheinkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1616.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1656.6 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1666.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7Kinetische Energie und Arbeit
7.1 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1757.2 Arbeit und kinetische Energie . . . . . . . . . . . 1787.3 Von der Gravitationskraft verrichtete
Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1837.4 Von einer Federkraft verrichtete
Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1887.5 Von einer allgemeinen veränderlichen
Kraft verrichtete Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . 1927.6 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1977.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2007.8 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2017.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Inhaltsverzeichnis
8Potenzielle Energie und Energieerhaltung
8.1 Potenzielle Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2118.2 Der Energieerhaltungssatz der Mechanik . . 2198.3 Grafische Darstellung der potenziellen
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2238.4 Von einer äußeren Kraft an einem
System verrichtete Arbeit . . . . . . . . . . . . . . 2288.5 Energieerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2328.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2388.7 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2398.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9Systeme von Teilchen
9.1 Der Schwerpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2519.2 Das zweite Newtonsche Gesetz
für ein Teilchensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 2569.3 Der Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2619.4 Stoßprozesse: Der Kraftstoß . . . . . . . . . . . . 2639.5 Die Impulserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2679.6 Inelastische eindimensionale Stöße . . . . . . 2729.7 Elastische eindimensionale Stöße . . . . . . . . 2759.8 Zweidimensionale Stöße . . . . . . . . . . . . . . . 2799.9 Systeme mit veränderlicherMasse:
Eine Rakete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2809.10 Äußere Kräfte und Änderungen
der inneren Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2839.11 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2869.12 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2889.13 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
10Die Rotation ausgedehnter Körper
10.1 Die Variablen der Rotation . . . . . . . . . . . . . 30110.2 Rotation mit konstanter
Winkelbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . 31010.3 Beziehungen zwischen den Variablen
für lineare Bewegung und Rotation . . . . . . 31310.4 Die kinetische Energie der Rotation . . . . . . 31810.5 Die Berechnung des Trägheitsmoments . . . 31910.6 Das Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32410.7 Das zweite Newtonsche Gesetz
für die Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32610.8 Arbeit und kinetische Energie
der Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33010.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33510.10 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33710.11 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
11Rollbewegung, Drehmoment und Drehimpuls
11.1 Die Rollbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34711.2 Kräfte und die kinetische Energie
der Rollbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
11.3 Das Jo-Jo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35411.4 Eine erweiterte Definition
des Drehmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35511.5 Der Drehimpuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35711.6 Das zweite Newtonsche Gesetz
in Winkelschreibweise . . . . . . . . . . . . . . . . . 36011.7 Der Drehimpuls eines starren Körpers . . . . 36311.8 Die Erhaltung des Drehimpulses . . . . . . . . . 36611.9 Die Präzession eines Kreisels . . . . . . . . . . . . 37411.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37611.11 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37711.12 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
12Gleichgewicht und Elastizität
12.1 Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38712.2 Beispiele für statische Gleichgewichte . . . . 39212.3 Elastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40012.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40712.5 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40712.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
13Gravitation
13.1 Das Newtonsche Gravitationsgesetz . . . . . . 41913.2 Gravitation und das
Superpositionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . 42213.3 Die Gravitation in der Nähe
der Erdoberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42513.4 Die Gravitation innerhalb der Erde . . . . . . . 42813.5 Die potenzielle Energie der Gravitation . . . 43013.6 Planeten und Satelliten:
Die Keplerschen Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . 43613.7 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie . . . . 43913.8 Einstein und die Gravitation . . . . . . . . . . . . 44313.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44513.10 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44613.11 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
14Fluide
14.1 Fluide, Dichte und Druck . . . . . . . . . . . . . . 45514.2 Ruhende Fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45914.3 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46214.4 Das Pascalsche Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 46414.5 Das archimedische Prinzip . . . . . . . . . . . . . 46514.6 Die Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . 47014.7 Die Bernoulli-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . 47514.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47914.9 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48014.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
15Schwingungen
15.1 Harmonische Schwingungen . . . . . . . . . . . . 489
VIII
Inhaltsverzeichnis
15.2 Die Energie einer harmonischenSchwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
15.3 Das Torsionspendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50015.4 Pendel und Kreisbewegungen . . . . . . . . . . . 50215.5 Gedämpfte harmonische
Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50915.6 Erzwungene Schwingungen
und Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51415.7 Das Foucaultsche Pendel . . . . . . . . . . . . . . . 51815.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52115.9 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52215.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
16Wellen – I
16.1 Transversalwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53116.2 Die Wellengeschwindigkeit eines
gespannten Seils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54216.3 Energie und Leistung einer sich
ausbreitenden Seilwelle . . . . . . . . . . . . . . . . 54416.4 Die Wellengleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54716.5 Die Interferenz vonWellen . . . . . . . . . . . . . 54916.6 Darstellung vonWellen durch Zeiger . . . . . 55416.7 StehendeWellen und Resonanz . . . . . . . . . 55616.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56316.9 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56416.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
17Wellen – II
17.1 Die Schallgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . 57317.2 Die Ausbreitung von Schallwellen . . . . . . . . 57717.3 Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58017.4 Schallintensität und Schallpegel . . . . . . . . . 58317.5 Musikalische Töne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58717.6 Schwebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59217.7 Der Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59417.8 Überschallgeschwindigkeit
und Stoßwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60017.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60117.10 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60217.11 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604
18Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatzder Thermodynamik
18.1 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61118.2 Die Celsius- und die Fahrenheit-Skala . . . . 61518.3 Wärmeausdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61818.4 Die Absorption vonWärme . . . . . . . . . . . . 62118.5 Der erste Hauptsatz
der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62818.6 Mechanismen der Wärmeübertragung . . . . 63518.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64118.8 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64218.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
19Die kinetische Gastheorie
19.1 Ein neuer Blick auf Gase . . . . . . . . . . . . . . . 65119.2 Ideale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65319.3 Druck, Temperatur und gemittelte
Geschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65719.4 Kinetische Translationsenergie . . . . . . . . . . 66119.5 Die mittlere freie Weglänge . . . . . . . . . . . . . 66219.6 Die Verteilungsfunktion
der Molekülgeschwindigkeiten . . . . . . . . . . 66419.7 Die molare Wärmekapazität idealer
Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66919.8 Freiheitsgrade und molare
Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67419.9 Die adiabatische Expansion
eines idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67819.10 Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68319.11 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68619.12 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68819.13 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690
20Entropie und der zweite Hauptsatzder Thermodynamik
20.1 Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69520.2 Entropie in Aktion:
ThermodynamischeMaschinen . . . . . . . . . 70320.3 Kältemaschinen und reale Maschinen . . . . 70920.4 Eine statistische Interpretation
der Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71320.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71820.6 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71920.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720
21Elektrische Ladung
21.1 Elektromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72721.2 Die elektrische Ladung ist quantisiert . . . . . 74021.3 Die elektrische Ladung ist eine
Erhaltungsgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74221.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74321.5 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74421.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746
22Elektrische Felder
22.1 Das elektrische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75122.2 Das elektrische Feld einer Punktladung . . . 75422.3 Das elektrische Feld eines Dipols . . . . . . . . 75722.4 Elektrisches Feld einer linearen
Ladungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76022.5 Das elektrische Feld einer geladenen
Scheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76622.6 Punktladung im elektrischen Feld . . . . . . . . 76822.7 Ein Dipol in einem elektrischen Feld . . . . . 770
IX
Inhaltsverzeichnis
22.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77422.9 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77522.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777
23Der Gaußsche Satz
23.1 Das Coulombsche Gesetz in neuem Licht . 78323.2 Der Gaußsche Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78923.3 Eigenschaften eines geladenen,
isolierten Leiters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79523.4 Eine Anwendung des Gaußschen
Satzes: Zylindersymmetrie . . . . . . . . . . . . . 79923.5 Eine Anwendung des Gaußschen
Satzes: Ebene Symmetrie . . . . . . . . . . . . . . . 80123.6 Eine Anwendung des Gaußschen
Satzes: Kugelsymmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . 80423.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80723.8 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80723.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 809
24Das elektrische Potenzial
24.1 Das elektrische Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . 81724.2 Äquipotenzialflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82324.3 Das Potenzial von Punktladungen . . . . . . . . 82724.4 Das Potenzial eines elektrischen Dipols . . . 83024.5 Das Potenzial einer kontinuierlichen
Ladungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83224.6 Die Berechnung des elektrischen Felds
aus dem elektrischen Potenzial . . . . . . . . . . 83524.7 Die elektrische potenzielle Energie
eines Systems von Punktladungen . . . . . . . 83724.8 Das Potenzial eines geladenen,
isolierten leitenden Körpers . . . . . . . . . . . . 84124.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84324.10 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84424.11 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845
25Kapazität
25.1 Kondensatoren und ihre Anwendungen . . . 85125.2 Die Berechnung der Kapazität . . . . . . . . . . 85425.3 Parallel- und Reihenschaltung
von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85925.4 In einem elektrischen Feld
gespeicherte Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86525.5 Kondensator mit Dielektrikum . . . . . . . . . . 86925.6 Dielektrika und Gaußscher Satz . . . . . . . . . 87325.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87725.8 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87825.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879
26Elektrischer Strom und Widerstand
26.1 Ladung in Bewegung: Elektrischer Strom . . 885
26.2 Die Stromdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88926.3 Widerstand und spezifischer Widerstand . . 89326.4 Das Ohmsche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89826.5 Elektrische Leistung in Stromkreisen . . . . . 90226.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90826.7 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90926.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 911
27Stromkreise
27.1 Unverzweigte Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . 91727.2 Verzweigte Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . 92827.3 Amperemeter und Voltmeter . . . . . . . . . . . 93727.4 RC-Kreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93827.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94427.6 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94427.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946
28Magnetfelder
28.1 Magnetfelder und die Definition von B⃗ . . . 95328.2 Gekreuzte Felder: Die Entdeckung
des Elektrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95928.3 Gekreuzte Felder: Der Hall-Effekt . . . . . . . . 96128.4 Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn . . . 96528.5 Zyklotron und Synchrotron . . . . . . . . . . . . . 97028.6 Die magnetische Kraft auf einen
stromdurchflossenenDraht . . . . . . . . . . . . . 97328.7 Das Drehmoment auf eine
stromdurchflossene Drahtschleife . . . . . . . 97528.8 Das magnetische Dipolmoment . . . . . . . . . 97828.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98028.10 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98128.11 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983
29Magnetfelder aufgrund von Strömen
29.1 Das Magnetfeld um einen Strom . . . . . . . . . 98929.2 Die Kraft zwischen parallelen
Strömen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99729.3 Das Ampèresche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . 99929.4 Zylinder- und Ringspulen . . . . . . . . . . . . . . 100329.5 Eine stromführende Spule
als magnetischer Dipol . . . . . . . . . . . . . . . . 100629.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100929.7 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100929.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1011
30Induktion und Induktivität
30.1 Das Faradaysche Gesetzund die Lenzsche Regel . . . . . . . . . . . . . . . . 1017
30.2 Induktion und Energietransfer . . . . . . . . . . 102630.3 Induzierte elektrische Felder . . . . . . . . . . . . 102930.4 Induktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034
X
Inhaltsverzeichnis
30.5 Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103630.6 RL-Kreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103830.7 Energiespeicherung im Magnetfeld . . . . . . 104230.8 Die Energiedichte eines Magnetfelds . . . . . 104430.9 Gegeninduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104530.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104930.11 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105030.12 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1052
31Elektromagnetische Schwingkreiseund Wechselstrom
31.1 LC-Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106131.2 Gedämpfte Schwingungen
in einem RLC-Kreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107031.3 Erzwungene Schwingungen . . . . . . . . . . . . 107231.4 Der Reihen-RLC-Kreis . . . . . . . . . . . . . . . . . 108231.5 Leistung in Wechselstromkreisen . . . . . . . . 108831.6 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109131.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109631.8 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109831.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1099
32Magnetismus und Materie
32.1 Der Gaußsche Satz für Magnetfelder . . . . . 110532.2 Induzierte magnetische Felder . . . . . . . . . . 110732.3 Der Verschiebungsstrom
und die Maxwell-Gleichungen . . . . . . . . . . 111032.4 Magnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111632.5 Der Magnetismus von Elektronen . . . . . . . . 111832.6 Diamagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112432.7 Paramagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112632.8 Ferromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112832.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113232.10 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113432.11 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136
33Elektromagnetische Wellen
33.1 ElektromagnetischeWellen . . . . . . . . . . . . . 114133.2 Energietransport und Poynting-Vektor . . . . 115133.3 Der Strahlungsdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115433.4 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115733.5 Reflexion und Brechung . . . . . . . . . . . . . . . 116233.6 Totalreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116933.7 Polarisation durch Reflexion . . . . . . . . . . . . 117033.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117233.9 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117333.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175
34Abbildungen
34.1 Bilder und ebene Spiegel . . . . . . . . . . . . . . . 118334.2 Kugelspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1187
34.3 Sphärische brechende Flächen . . . . . . . . . . 119334.4 Dünne Linsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119634.5 Optische Instrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . 120334.6 Drei Herleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120734.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121034.8 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121134.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1213
35Interferenz
35.1 Licht als Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121935.2 Beugung am Doppelspalt . . . . . . . . . . . . . . . 122535.3 Interferenz und Intensität . . . . . . . . . . . . . . 123235.4 Interferenz an dünnen Schichten . . . . . . . . 123735.5 Das Michelson-Interferometer . . . . . . . . . . 124535.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124635.7 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124735.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1249
36Beugung
36.1 Beugung am Einzelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . 125536.2 Intensitäten bei der Beugung
am Einzelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126036.3 Beugung an einer kreisrunden Öffnung . . . 126536.4 Beugung am Doppelspalt . . . . . . . . . . . . . . . 126936.5 Beugungsgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127336.6 Beugungsgitter: Dispersion
und Auflösungsvermögen . . . . . . . . . . . . . . 127736.7 Röntgenbeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128136.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128336.9 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128436.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1286
37Relativitätstheorie
37.1 Gleichzeitigkeit und Zeitdilatation . . . . . . . 129337.2 Die Relativität der Länge . . . . . . . . . . . . . . . 130437.3 Die Lorentz-Transformation . . . . . . . . . . . . 130837.4 Die Relativität der Geschwindigkeiten . . . . 131437.5 Der Doppler-Effekt für Lichtwellen . . . . . . 131537.6 Impuls und Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131937.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132637.8 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132737.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1329
38Photonen und Materiewellen
38.1 Das Photon: Teilchen des Lichts . . . . . . . . . 133538.2 Der photoelektrische Effekt . . . . . . . . . . . . . 133738.3 Photonenimpuls, Compton-
Verschiebung und Lichtinterferenz . . . . . . . 134138.4 Die Geburtsstunde der Quantenphysik . . . 134838.5 Elektronen und Materiewellen . . . . . . . . . . 135038.6 Die Schrödinger-Gleichung . . . . . . . . . . . . . 1354
XI
Inhaltsverzeichnis
38.7 Die Heisenbergsche Unschärferelation . . . . 135738.8 Reflexion an einer Potenzialschwelle . . . . . 135938.9 Der Tunneleffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136138.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136538.11 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136638.12 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367
39Mehr über Materiewellen
39.1 Die Energie eines Elektronsin einer Elektronenfalle . . . . . . . . . . . . . . . . 1373
39.2 Die Wellenfunktionen eines Elektronsin einem Kastenpotenzial . . . . . . . . . . . . . . 1380
39.3 Das eindimensionale endlicheKastenpotenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385
39.4 Zwei- und dreidimensionaleElektronenfallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1388
39.5 Das Wasserstoffatom . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139339.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140639.7 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140839.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1409
40Atome
40.1 Eigenschaften von Atomen . . . . . . . . . . . . . 141540.2 Das Stern-Gerlach-Experiment . . . . . . . . . . 142240.3 Kernspinresonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142640.4 Das Pauli-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142840.5 Der Aufbau des Periodensystems . . . . . . . . 143240.6 Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143540.7 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144040.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144540.9 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144740.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1447
41Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern
41.1 Die elektrischen Eigenschaftenvon Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1453
41.2 Halbleiter und Dotierung . . . . . . . . . . . . . . 146641.3 pn-Übergänge und Transistoren . . . . . . . . . 147241.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148041.5 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148141.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1482
42Kernphysik
42.1 Die Entdeckung des Atomkerns . . . . . . . . . 1487
42.2 Einige Eigenschaftenvon Atomkernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1489
42.3 Der radioaktive Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . 149742.4 Der Alpha-Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150142.5 Der Beta-Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150442.6 Radiometrische Altersbestimmung . . . . . . . 150842.7 Maße für Strahlungsdosen . . . . . . . . . . . . . 150942.8 Kernmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151142.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151442.10 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151542.11 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1516
43Kernenergie
43.1 Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152543.2 Kernreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153143.3 Ein natürlicher Kernreaktor . . . . . . . . . . . . 153643.4 Thermonukleare Fusion:
Der grundlegende Prozess . . . . . . . . . . . . . . 153843.5 Thermonukleare Fusion in der Sonne
und anderen Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154143.6 Kontrollierte thermonukleare Fusion . . . . . 154443.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154743.8 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154843.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1549
44Quarks, Leptonen und der Urknall
44.1 Grundzüge der Teilchenphysik . . . . . . . . . . 155544.2 Leptonen, Hadronen und Strangeness . . . . 156444.3 Quarks und Austauschteilchen . . . . . . . . . . 157044.4 Kosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157744.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158544.6 Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158544.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1586
AnhangA Das Internationale Einheitensystem (SI) . . . 1594B Astronomische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596C Umrechnungsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 1597D Mathematische Formeln . . . . . . . . . . . . . . . 1599E Eigenschaften der Elemente . . . . . . . . . . . . 1603F Antworten auf die Kontrollfragen und
Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1606G Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1614
XII
1 Messung undMaßeinheiten
1.1 Grundsätzliches zu Messungen
LernzieleNach dem Durcharbeiten dieses Abschnitts sollten Sie in der Lage sein, . . .
• die SI-Basiseinheiten anzugeben,• die am häufigsten verwendeten Präfixe für SI-Einheiten zu benennen,• Einheiten (vorerst für Längen, Flächen und Volumina) ineinander umzurech-nen,
• zu erläutern, dass und wie derMeter über die Lichtgeschwindigkeit im Vakuumdefiniert ist.
Schlüsselideen• Die Physik beruht auf derMessung von physikalischenGrößen. Bestimmte phy-sikalische Größen wurden als Basisgrößen (z. B. Länge, Zeit und Masse) ausge-wählt, die jeweils durch Bezug auf einen Standard definiert sind und eine Maß-einheit (z. B. Meter, Sekunde und Kilogramm) festlegen. Andere physikalischeGrößen werden durch Rückgriff auf die Basisgrößen und deren Standards undEinheiten definiert.
• In diesem Buch wird überwiegend das Internationale Einheitensystem (SI) ver-wendet. In den ersten drei Kapiteln nutzen wir die drei in Tab. 1.1 aufgeführ-ten physikalischen Größen. Für diese Basisgrößen wurden durch internationaleÜbereinkunft Standards festgelegt, die gleichermaßenpraxisgerecht und unver-änderlich sind.Diese Standards sind die Grundlage aller physikalischenMessungen sowohl derBasisgrößen als auch der von ihnen abgeleiteten Größen. Um die Schreibweisezu vereinfachen,werdenmeist diewissenschaftlicheNotationunddie inTab. 1.2angegebenen Präfixe verwendet.
• Die Umrechnung von Einheiten erfolgt durchMultiplikation der Originaldatenmit ausZahlenwertenundEinheitenbestehendenUmrechnungsfaktoren,wobeidie Einheiten wie algebraische Größen behandelt werden. Dieser Prozess wirddurchgeführt, bis nur noch die gewünschten Einheiten übrigbleiben.
Physikalische MotivationDieNatur- und Ingenieurwissenschaften beruhen aufMessungen und VergleichenvonMessungen. Wir brauchen daher Regeln dafür, wie Dinge zu messen und mit-einander zu vergleichen sind, sowie Experimente, die die Einheiten für diese Mes-sungen und Vergleiche festlegen. Eines der Ziele der Physik (und der Ingenieur-wissenschaften) ist es, diese Experimente zu entwickeln und durchzuführen.Beispielsweise bemühen sich Physiker, extrem genaue Uhren zu bauen, mit de-
ren Hilfe die Länge von Zeitabschnitten sehr präzise gemessen werden kann. Manmag sich fragen, ob diese Genauigkeit wirklich nötig ist und ob sie den erforderli-chen Aufwand rechtfertigen kann. Ein Beispiel, in dem sich die hohe Genauigkeitganz praktisch auszahlt, ist das Global Positioning System (GPS), ohne das wir unsheute keine Navigationmehr vorstellen können und das ohne solche hochgenauenZeitmessungen völlig nutzlos wäre.
Halliday Physik, 3. Auflage. David Halliday et al.© 2018 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Published 2018 by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.