Physik für Hochschulanfänger (2^nd Ed., 2.Aufl. 1989)
Teubner Studienbücher Physik Series

An der Universität Erlangen-Nürnberg wird für Studienanfänger die zweisemestrige Vorlesung »Einführung in die Physik (Experimentalphysik)" angeboten. Sie wen­ det sich an Hörer, die später physikalische Praktika absolvieren oder weiterführende Vorlesungen über Festkörper-, Atom-, Kern- und Teilchenphysik besuchen. Ähnli­ che Lehrveranstaltungen finden auch an den meisten anderen deutschen Hochschu­ len statt. Dieses Buch ist aus meinem Erlanger Vorlesungsmanuskript hervorgegan­ gen. Die Stoffauswahl erfolgte so, daß man die Diplomvorprüfung oder die Zwi­ schenprüfung zum Staatsexamen in »Experimentalphysik" bestehen müßte, wenn man den Stoff beherrscht und das Anfängerpraktikum hinter sich gebracht hat. Zu Form und Inhalt der Erlanger Vorlesungen: Trotz des Titels »Experimentalphy­ sik", der durch verschiedene Prüfungsordnungen vorgegeben ist, werden nur wenige Experimente vorgeführt. Aufwendige Versuche müßten sorgfältig vorbereitet werden, was in den überlasteten Hörsälen kaum noch möglich ist. Und einfache Versuche sind im Anfängerpraktikum aufgebaut. Die Vorlesungen beginnen mit einem Expose über Materie, Antimaterie und Symmetrien. Es folgt die Mechanik, die verhältnismäßig bald relativistisch formuliert wird. Schwingungen und Wellen werden nicht in der Me­ chanik (1. Semester) behandelt, sondern im Zusammenhang mit dem Wechselstrom iwt (2. Semester), weil Studenten des 1. Semesters den Ausdruck e noch nicht kennen.

I Zur Einführung: Materie und Symmetrien.- 1 Materie — Antimaterie.- 1.1 Materie.- 1.2 Erzeugung und Vernichtung von Teilchenpaaren.- 1.3 Antimaterie.- 2 Symmetriebetrachtungen.- 2.1 Das Spiegel-Klapp-Theorem.- 2.2 Raumspiegelung, Zeitumkehr, Ladungskonjugation.- 2.3 Die Verletzung der P-Invarianz.- 2.4 Das TCP-Theorem.- 2.5 Sind die Naturgesetze CP-invariant?.- II Mechanik, auch relativistische.- 3 Bewegung von Massenpunkten.- 3.1 Orts- und Zeitangaben.- 3.2 Drei Bewegungsbeispiele.- 3.3 Geschwindigkeit und Beschleunigung.- 4 Einfügung über Vektorrechnung.- 4.1 Vektoraddition.- 4.2 Vektormultiplikation.- 4.3 Einheitsvektoren.- 4.4 Der Ortsvektor.- 4.5 Kreisbewegung.- 5 Bewegte Koordinatensysteme und Lichtgeschwindigkeit.- 5.1 Inertialsysteme.- 5.2 Ereigniskoordinaten.- 5.3 Die Lichtgeschwindigkeit c.- 5.4 Das Michelson-Morley-Experiment.- 5.5 Das Experiment von Sadeh.- 5.6 Lichtgeschwindigkeit und Relativitätsprinzip.- 6 Lorentztransformation.- 6.1 Ableitung der Transformationsformeln.- 6.2 Diskussion der Lorentztransformation.- 7 Das Grundgesetz der Mechanik.- 7.1 Massenmessung.- 7.2 Kraftmessung.- 7.3 Kraft gleich Masse mal Beschleunigung.- 7.4 Der reibungsfreie Wurf.- 7.5 Wechselwirkungen.- 8 Methoden zur Integration der Bewegungsgleichung.- 8.1 Das Federpendel.- 8.2 Analytische Integration der Schwingungsgleichung.- 8.3 Numerische Integration der Schwingungsgleichung.- 8.4 Numerische Integration einer komplizierten Bewegungsgleichung.- 9 Der Energieerhaltungssatz der Mechanik.- 9.1 Arbeit.- 9.2 Konservative Kräfte und Energieerhaltung.- 9.3 Anwendungen des Energieerhaltungssatzes.- 10 Der Impulserhaltungssatz.- 10.1 Impulserhaltung als Folge von actio = reactio.- 10.2 Anwendungen des Impulserhaltungssatzes.- 11 Der Drehimpulserhaltungssatz.- 11.1 Drehimpuls eines Massenpunktes und Drehmoment.- 11.2 Drehimpuls von N Massenpunkten und Drehimpulserhaltung.- 11.3 Drehbewegung starrer Körper.- 11.4 Drehschemelversuche.- 11.5 Kreisel.- 11.6 Rotationsenergie.- 11.7 Drehimpuls von Elementarteilchen (Spin).- 12 Relativistische Mechanik.- 12.1 Newtonsche Mechanik als Grenzfall v/c « 1.- 12.2 Impulserhaltung und relativistische Massenformel.- 12.3 Energieerhaltung und Energie-Masse-Äquivalenz.- 12.4 Lorentztransformation für Impuls und Energie.- 12.5 Verknüpfung von Impuls- und Energieerhaltung.- 13 Anwendungen der relativistischen Mechanik.- 13.1 Elektrische und magnetische Größen.- 13.2 Elektronenkanone und Grenzgeschwindigkeit.- 13.3 Ablenkung bewegter Teilchen durch ein Magnetfeld.- 13.4 Blasenkammeruntersuchungen.- 14 Gravitation.- 14.1 Das Newtonsche Gravitationsgesetz und die Keplerschen Gesetze.- 14.2 Gravitationskonstante und Masse von Himmelskörpern.- 14.3 Himmelsmechanik und Entwicklung des Universums.- 14.4 Ableitung der Keplerschen Gesetze.- 15 Beschleunigte Koordinatensysteme.- 15.1 Der Einsteinsche Fahrstuhl.- 15.2 Die Drehscheibe als Beispiel eines rotierenden Koordinatensystems.- 16 Eigenschaften fester, flüssiger und gasförmiger Körper.- 16.1 Aggregatzustände.- 16.2 Dichte, Druck und Auftrieb.- 16.3 Elastizität von Festkörpern.- 16.4 Oberflächenspannung von Flüssigkeiten.- 16.5 Zwei Beispiele zur Oberflächenspannung.- 16.6 Innere Reibung in Flüssigkeiten und Gasen.- 16.7 Drei Beispiele zur inneren Reibung.- 17 Strömungen in Flüssigkeiten und Gasen.- 17.1 Laminare und turbulente Strömungen.- 17.2 Die Bernoulli-Gleichung.- 17.3 Anwendungen der Bernoulli-Gleichung.- III Thermodynamik und statistische Mechanik.- 18 Temperatur, Wärme, Zustandsgleichung.- 18.1 Temperaturmessung.- 18.2 Wärmemenge und spezifische Wärme.- 18.3 Zustandsgleichungen.- 19 Der erste Hauptsatz der Wärmelehre.- 19.1 Erster Hauptsatz und innere Energie U.- 19.2 Adiabatische Zustandsänderungen.- 19.3 Ein quantitativer Test.- 20 Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre.- 20.1 Der Carnotsche Kreisprozeß.- 20.2 Reversible und irreversible Vorgänge.- 20.3 Zweiter Hauptsatz und Temperatur.- 20.4 Die Dampfdruckkurve.- 20.5 Die Clausius-Clapeyron-Gleichung.- 20.6 Phasendiagramme.- 21 Kinetische Gastheorie.- 21.1 Die Poissonsche Gleichung.- 21.2 Das ideale Gasgesetz und die Boltzmannkonstante k.- 21.3 Der Boltzmannfaktor e-E/kT.- 21.4 Der Energiegleichverteilungssatz.- 21.5 Die Maxwell-Verteilung.- IV Elektromagnetismus.- 22 Teilchen und Felder im Raum-Zeit-Kontinuum.- 22.1 Massenpunkte und starre Körper.- 22.2 Felder.- 23 Ladungen, Ströme, Felder.- 23.1 Elektrostatische und elektromagnetische Meßgeräte.- 23.2 Ladung.- 23.3 Stromstärke.- 23.4 Ladungsdichte ? und Stromdichte.- 23.5 Elektrische und magnetische Feldstärke.- 24 Die Maxwellschen Gleichungen.- 24.1 Zirkulation und Fluß von Vektorfeldern.- 24.2 Die Aussagen der Maxwellschen Gleichungen.- 25 Elektrostatik.- 25.1 Bestimmung elektrostatischer Felder.- 25.2 Energie in elektrischen Feldern.- 26 Leiter im elektrischen Feld.- 26.1 Ohmsches Gesetz und Joulesche Wärme.- 26.2 Stromlose Elektrostatik.- 26.3 Der Faradaybecher.- 26.4 Spannung.- 26.5 Stromquellen.- 26.6 Kondensatoren.- 27 Magnetostatik.- 27.1 Das um stromdurchflossenen geraden Draht.- 27.2 Das -Feld einer langen Stromspule.- 27.3 Das -Feld eines Stabmagneten.- 27.4 Das magnetische Moment.- 27.5 Magnetostatik und Elektrostatik.- 28 Stromkreise und Leitungsmechanismen.- 28.1 Das Ohmsche Gesetz.- 28.2 Die Kirchhoffschen Regeln.- 28.3 Einfache Schaltungen.- 28.4 Leitungsmechanismen und Elementarladung.- 28.5 Elektrolytische Leitung.- 28.6 Metallische Leitung.- 28.7 Elektronische Halbleiter.- 29 Das Faradaysche Induktionsgesetz.- 29.1 Drahtschleife und Induktionsspannung.- 29.2 Beispiele für Induktionsvorgänge.- 29.3 Selbstinduktion und Energie im Magnetfeld.- 29.4 Induktionsgesetz und Lorentzkraft.- 30 Wechselstrom und Schwingungen, auch mechanische.- 30.1 Komplexe Zahlen.- 30.2 Wechselstrom.- 30.3 Wechselstromkreise.- 30.4 Elektrische und mechanische Schwingungen.- 30.5 Freie Schwingungen.- 30.6 Erzwungene Schwingungen.- 31 Elektromagnetische Wellen.- 31.1 Elektromagnetische Feldscheiben.- 31.2 Linear polarisierte Wellen.- 31.3 Zirkular polarisierte Wellen.- 31.4 Der Hertzsche Dipol.- 31.5 Experimente mit Hertzschen Wellen.- 32 Materie im elektromagnetischen Feld.- 32.1 Polarisation und Magnetisierung.- 32.2 Suszeptibilitäten und Brechungsindex.- 32.3 Supraleitung und Meißner-Ochsenfeld-Effekt.- V Wellenoptik und Photonen.- 33 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.- 33.1 Das Huygenssche Prinzip.- 33.2 Spaltbeugung.- 33.3 Gitterbeugung.- 33.4 Braggsche Reflexion.- 33.5 Brechung und Totalreflexion.- 33.6 Dispersion.- 33.7 Dopplereffekt.- 34 Polarisiertes Licht.- 34.1 Linear polarisiertes Licht.- 34.2 Zirkular und elliptisch polarisiertes Licht.- 34.3 Doppelbrechung und optische Aktivität.- 34.4 Polarisation und Drehimpuls.- 35 Photonen.- 35.1 Impuls elektromagnetischer Wellen und Strahlungsdruck.- 35.2 Photoeffekt.- 35.3 Photoneneigenschaften.- 35.4 Comptoneffekt.- 35.5 Hohlraumstrahlung.- VI Atome und Atomkerne.- 36 Materiewellen und Atomphysik.- 36.1 Elektronenbeugung.- 36.2 Die Wellenmechanik der Atomelektronen.- 36.3 Der Franck-Hertz-Versuch.- 36.4 Atomspektren.- 36.5 Atomaufbau und Pauliprinzip.- 37 Atomkern und Radioaktivität.- 37.1 Kernkräfte.- 37.2 Kernenergieniveaus.- 37.3 Gammaspektroskopie.- 37.4 Radioaktivität.- 37.5 Betazerfall und Betaspektroskopie.- 37.6 Positronen und Vernichtungsstrahlung.- 37.7 Supernova 1987A und Neutrinos.- 37.8 Rutherfordstreuung und Kernradien.- VII Zum Ausklang: Elementarteilchen.- 38 2500 Jahre Elementarteilchenphysik.- 38.1 Von den ehernen Urpartikeln zur Paarerzeugung.- 38.2 Leptonen, Hadronen und Feldquanten.- 38.3 Hadronen aus Quarks und Antiquarks.- 38.4 Bottomoniumzustände und Quarkkräfte.- Anhang: Maßeinheiten im Système International (SI).