Halliday Physik

Noch mehr moderne Physik, noch bessere Didaktik, noch mehr Beispiele und noch mehr Aufgaben: das bietet der neue "Halliday", der ideale Begleiter furs Physikstudium und zur Prufungsvorbereitung! * deckt den gesamten Stoff der einfuhrenden Experimentalphysik-Vorlesungen fur Hauptfachstudierende ab * mehrere Kapitel zur besseren Verstandlichkeit komplett umgeschrieben, etwa zum Gau?'schen Satz und zum elektrischen Potential * umfangreichere Quantenmechanik-Kapitel behandeln die Schrodinger-Gleichung bis hin zur Reflexion von Materiewellen an Potentialstufen und der Schwarzkorperstrahlung Fur die dritte Auflage wurden die Kapitel uberarbeitet und didaktisch neu strukturiert: * modular organisierte Lerninhalte * Lernziele, Schlusselideen und physikalische Motivation zum Einstieg * Zusammenfassung der Lerninhalte am Kapitelende Unterstutzt das selbststandige Lernen: * rund 300 im Text durchgerechnete Beispiele * 250 Verstandnis-Checks und 650 Fragen mit Antworten und Ergebnissen im Lehrbuch * mehr als 2500 Aufgaben unterschiedlichen Schwierigkeitsgrads mit ausfuhrlichen Losungen im Arbeitsbuch - separat und im Set mit dem Lehrbuch erhaltlich Aus den Rezensionen der Vorauflagen: "Halliday Physik ist ein Klassiker." Prof. Dr. Hartmut Zabel, Ruhr-Universitat Bochum "Das didaktische Konzept des Halliday ist in seiner Form einzigartig." Prof. Dr. Matthias Weidemuller, Universitat Heidelberg "Der Stoff ist in uberdurchschnittlich gelungener Weise didaktisch aufbereitet... stellt eine Bereicherung des Literaturspektrums dar..." Prof. Dr. Fedor Mitschke, Universitat Rostock Zusatzmaterial fur Dozenten erhaltlich unter www.wiley-vch.de/textbooks Der Ubersetzungsherausgeber Stephan W. Koch lehrt Physik in Marburg und ist haufig als Gastwissenschaftler an der Universitat von Arizona, Tucson/USA. Er hat in Frankfurt Physik studiert, 1979 promoviert und sich, nach Forschungsaufenthalten bei den IBM Research Labs, 1983 habilitiert. Anschlie?end ging er in die USA, wo er ab 1989 Full Professor an der University of Arizona in Tucson war. 1993 folgte er einem Ruf an die Uni Marburg, blieb aber bis heute Adjunct Professor in Arizona. 1997 erhielt Herr Koch den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 1999 den Max-Planck-Forschungspreis der Humboldt Stiftung und Max-Planck-Gesellschaft. Seit mehreren Jahren ist er als Herausgeber und Berater fur Fachzeitschriften aktiv.

Stephan W. Koch lehrt Physik in Marburg und ist haufig als Gastwissenschaftler an der Universitat von Arizona, Tucson/USA. Er hat in Frankfurt Physik studiert, 1979 promoviert und sich, nach Forschungsaufenthalten bei den IBM Research Labs, 1983 habilitiert. Anschlie?end ging er in die USA, wo er ab 1989 Full Professor an der University of Arizona in Tucson war. 1993 folgte er einem Ruf an die Uni Marburg, blieb aber bis heute Adjunct Professor in Arizona. 1997 erhielt Herr Koch den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 1999 den Max-Planck-Forschungspreis der Humboldt Stiftung und Max-Planck-Gesellschaft. Seit mehreren Jahren ist er als Herausgeber und Berater fur Fachzeitschriften aktiv.

1 Messung und Maßeinheiten

1.1 Grundsatzliches zuMessungen 1

1.2 Zeit 6

1.3 Masse 8

1.4 Zusammenfassung 9

1.5 Aufgaben 10

2 Geradlinige Bewegung

2.1 Ort, Verschiebung und mittlere Geschwindigkeit 13

2.2 Momentangeschwindigkeit 19

2.3 Beschleunigung 21

2.4 Konstante Beschleunigung 24

2.5 Der freie Fall 30

2.6 Zusammenfassung 33

2.7 Fragen 34

2.8 Aufgaben 35

3 Vektoren

3.1 Vektorenund ihre Eigenschaften 41

3.2 Einheitsvektorenund Vektoraddition 48

3.3 DieMultiplikation vonVektoren. 53

3.4 Felder 58

3.5 PartielleAbleitungen 60

3.6 Vektorableitungen 62

3.7 KomplexeZahlen und Funktionen 65

3.8 Zusammenfassung 68

3.9 Fragen 69

3.10 Aufgaben 71

4 Bewegung in zwei und drei Dimensionen

4.1 Ort undVerschiebung 77

4.2 Durchschnittsgeschwindigkeit undMomentangeschwindigkeit 80

4.3 Durchschnittsbeschleunigung undMomentanbeschleunigung 82

4.4 Wurfbewegungen 85

4.5 Die gleichformigeKreisbewegung. 92

4.6 Relativbewegung in einerDimension 95

4.7 Relativbewegung in zwei Dimensionen 98

4.8 Zusammenfassung 100

4.9 Fragen 101

4.10 Aufgaben 104

5 Kraft und Bewegung I

5.1 Das erste und das zweite Newtonsche Gesetz 111

5.2 Einige besondereKrafte 121

5.3 Die Newtonschen Gesetze in der Praxis 126

5.4 Zusammenfassung 136

5.5 Fragen 137

5.6 Aufgaben 139

6 Kraft und Bewegung II

6.1 Reibung 145

6.2 Stromungswiderstand und Endgeschwindigkeit 151

6.3 GleichformigeKreisbewegung 155

6.4 Scheinkrafte 161

6.5 Zusammenfassung 165

6.6 Fragen 166

6.7 Aufgaben 168

7 Kinetische Energie und Arbeit

7.1 Energie 175

7.2 Arbeit und kinetische Energie 178

7.3 Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit 183

7.4 Von einer Federkraft verrichtete Arbeit 188

7.5 Von einer allgemeinen veranderlichen Kraft verrichteteArbeit 192

7.6 Leistung 197

7.7 Zusammenfassung 200

7.8 Fragen 201

7.9 Aufgaben 204

8 Potenzielle Energie und Energieerhaltung

8.1 Potenzielle Energie 211

8.2 Der Energieerhaltungssatz derMechanik 219

8.3 Grafische Darstellung der potenziellen Energie 223

8.4 Von einer auseren Kraft an einem SystemverrichteteArbeit 228

8.5 Energieerhaltung 232

8.6 Zusammenfassung 238

8.7 Fragen 239

8.8 Aufgaben 241

9 Systeme von Teilchen

9.1 Der Schwerpunkt 251

9.2 Das zweite Newtonsche Gesetz fur einTeilchensystem. 256

9.3 Der Impuls 261

9.4 Stosprozesse:DerKraftstos 263

9.5 Die Impulserhaltung 267

9.6 Inelastische eindimensionale Stose 272

9.7 Elastische eindimensionale Stose 275

9.8 Zweidimensionale Stose 279

9.9 Systeme mit veranderlicherMasse: Eine Rakete 280

9.10 Ausere Krafte und Anderungen der inneren Energie 283

9.11 Zusammenfassung 286

9.12 Fragen 288

9.13 Aufgaben 290

10 Die Rotation ausgedehnter Körper

10.1 Die Variablen der Rotation 301

10.2 Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung 310

10.3 Beziehungen zwischen den Variablen fur lineareBewegung und Rotation 313

10.4 Die kinetische Energie der Rotation 318

10.5 Die Berechnung des Tragheitsmoments 319

10.6 DasDrehmoment 324

10.7 Das zweite Newtonsche Gesetz fur die Rotation 326

10.8 Arbeit und kinetische Energie der Rotation 330

10.9 Zusammenfassung 335

10.10 Fragen 337

10.11 Aufgaben 339

11 Rollbewegung, Drehmoment und Drehimpuls

11.1 Die Rollbewegung 347

11.2 Krafte und die kinetische Energie der Rollbewegung 349

11.3 Das Jo-Jo 354

11.4 Eine erweiterteDefinition desDrehmoments 355

11.5 DerDrehimpuls 357

11.6 Das zweite Newtonsche Gesetz inWinkelschreibweise 360

11.7 DerDrehimpuls eines starrenKorpers 363

11.8 Die Erhaltung desDrehimpulses 366

11.9 Die Prazession einesKreisels 374

11.10 Zusammenfassung 376

11.11 Fragen 377

11.12 Aufgaben 379

12 Gleichgewicht und Elastizität

12.1 Gleichgewicht 387

12.2 Beispiele fur statischeGleichgewichte 392

12.3 Elastizitat 400

12.4 Zusammenfassung 407

12.5 Fragen 407

12.6 Aufgaben 409

13 Gravitation

13.1 DasNewtonscheGravitationsgesetz 419

13.2 Gravitation und das Superpositionsprinzip 422

13.3 Die Gravitation in der Nahe der Erdoberflache. 425

13.4 DieGravitation innerhalb der Erde 428

13.5 Die potenzielle Energie der Gravitation 430

13.6 Planeten und Satelliten: Die KeplerschenGesetze 436

13.7 Satelliten:Umlaufbahnen und Energie 439

13.8 Einstein und dieGravitation 443

13.9 Zusammenfassung 445

13.10 Fragen 446

13.11 Aufgaben 448

14 Fluide

14.1 Fluide,Dichte undDruck 455

14.2 Ruhende Fluide 459

14.3 Druckmessung 462

14.4 Das Pascalsche Prinzip 464

14.5 Das archimedischePrinzip 465

14.6 Die Kontinuitatsgleichung 470

14.7 Die Bernoulli-Gleichung 475

14.8 Zusammenfassung 479

14.9 Fragen 480

14.10 Aufgaben 481

15 Schwingungen

15.1 Harmonische Schwingungen. 489

15.2 Die Energie einer harmonischen Schwingung 498

15.3 Das Torsionspendel 500

15.4 Pendel und Kreisbewegungen 502

15.5 Gedampfte harmonische Schwingungen 509

15.6 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 514

15.7 Das FoucaultschePendel 518

15.8 Zusammenfassung 521

15.9 Fragen 522

15.10 Aufgaben 525

16 Wellen I

16.1 Transversalwellen. 531

16.2 DieWellengeschwindigkeit eines gespannten Seils 542

16.3 Energie und Leistung einer sich ausbreitendenSeilwelle 544

16.4 DieWellengleichung 547

16.5 Die Interferenz vonWellen 549

16.6 Darstellung vonWellen durchZeiger 554

16.7 StehendeWellen und Resonanz 556

16.8 Zusammenfassung 563

16.9 Fragen 564

16.10 Aufgaben 566

17 Wellen II

17.1 Die Schallgeschwindigkeit 573

17.2 DieAusbreitung von Schallwellen. 577

17.3 Interferenz 580

17.4 Schallintensitat und Schallpegel 583

17.5 MusikalischeTone 587

17.6 Schwebungen 592

17.7 Der Doppler-Effekt 594

17.8 Uberschallgeschwindigkeit und Stoswellen. 600

17.9 Zusammenfassung 601

17.10 Fragen 602

17.11 Aufgaben 604

18 Temperatur,Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik

18.1 Temperatur 611

18.2 DieCelsius- und die Fahrenheit-Skala 615

18.3 Warmeausdehnung 618

18.4 DieAbsorption vonWarme 621

18.5 Der erste Hauptsatz derThermodynamik 628

18.6 Mechanismen derWarmeubertragung 635

18.7 Zusammenfassung 641

18.8 Fragen 642

18.9 Aufgaben 644

19 Die kinetische Gastheorie

19.1 Ein neuer Blick aufGase 651

19.2 IdealeGase 653

19.3 Druck, Temperatur und gemittelte Geschwindigkeiten. 657

19.4 Kinetische Translationsenergie 661

19.5 Diemittlere freieWeglange 662

19.6 Die Verteilungsfunktion derMolekulgeschwindigkeiten 664

19.7 Die molareWarmekapazitat idealer Gase 669

19.8 Freiheitsgrade und molare Warmekapazitat 674

19.9 Die adiabatische Expansion eines idealenGases 678

19.10 RealeGase 683

19.11 Zusammenfassung 686

19.12 Fragen 688

19.13 Aufgaben 690

20 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

20.1 Entropie 695

20.2 Entropie in Aktion: ThermodynamischeMaschinen 703

20.3 Kaltemaschinenund realeMaschinen 709

20.4 Eine statistische Interpretation der Entropie 713

20.5 Zusammenfassung 718

20.6 Fragen 719

20.7 Aufgaben 720

21 Elektrische Ladung

21.1 Elektromagnetismus 727

21.2 Die elektrische Ladung ist quantisiert 740

21.3 Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgrose 742

21.4 Zusammenfassung 743

21.5 Fragen 744

21.6 Aufgaben 746

22 Elektrische Felder

22.1 Das elektrische Feld 751

22.2 Das elektrische Feld einer Punktladung 754

22.3 Das elektrische Feld einesDipols 757

22.4 Elektrisches Feld einer linearen Ladungsverteilung 760

22.5 Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe 766

22.6 Punktladung imelektrischen Feld 768

22.7 EinDipol in einemelektrischen Feld 770

22.8 Zusammenfassung 774

22.9 Fragen 775

22.10 Aufgaben 777

23 Der Gaußsche Satz

23.1 Das Coulombsche Gesetz in neuem Licht 783

23.2 DerGaussche Satz 789

23.3 Eigenschaften eines geladenen, isolierten Leiters. 795

23.4 Eine Anwendung des Gausschen Satzes:Zylindersymmetrie 799

23.5 Eine Anwendung des Gausschen Satzes: Ebene Symmetrie 801

23.6 Eine Anwendung des Gausschen Satzes:Kugelsymmetrie 804

23.7 Zusammenfassung 807

23.8 Fragen 807

23.9 Aufgaben 809

24 Das elektrische Potenzial

24.1 Das elektrische Potenzial 817

24.2 Aquipotenzialflachen 823

24.3 Das Potenzial von Punktladungen. 827

24.4 Das Potenzial eines elektrischen Dipols 830

24.5 Das Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung 832

24.6 Die Berechnung des elektrischen Felds aus demelektrischen Potenzial 835

24.7 Die elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen 837

24.8 Das Potenzial eines geladenen, isolierten leitendenKorpers 841

24.9 Zusammenfassung 843

24.10 Fragen 844

24.11 Aufgaben 845

25 Kapazität

25.1 Kondensatoren und ihre Anwendungen 851

25.2 Die Berechnung derKapazitat 854

25.3 Parallel- und Reihenschaltung vonKondensatoren 859

25.4 In einem elektrischen Feld gespeicherteEnergie 865

25.5 KondensatormitDielektrikum 869

25.6 Dielektrika undGausscher Satz 873

25.7 Zusammenfassung 877

25.8 Fragen 878

25.9 Aufgaben 879

26 Elektrischer StromundWiderstand

26.1 Ladung in Bewegung: Elektrischer Strom 885

26.2 Die Stromdichte 889

26.3 Widerstand und spezifischerWiderstand 893

26.4 DasOhmscheGesetz 898

26.5 Elektrische Leistung in Stromkreisen 902

26.6 Zusammenfassung 908

26.7 Fragen 909

26.8 Aufgaben 911

27 Stromkreise

27.1 Unverzweigte Stromkreise. 917

27.2 Verzweigte Stromkreise 928

27.3 Amperemeterund Voltmeter 937

27.4 RC-Kreise 938

27.5 Zusammenfassung 944

27.6 Fragen 944

27.7 Aufgaben 946

28 Magnetfelder

28.1 Magnetfelder und die Definition von B 953

28.2 Gekreuzte Felder: Die Entdeckung des Elektrons 959

28.3 Gekreuzte Felder:DerHall-Effekt 961

28.4 Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn 965

28.5 Zyklotronund Synchrotron 970

28.6 Die magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenenDraht 973

28.7 Das Drehmoment auf eine stromdurchflosseneDrahtschleife 975

28.8 DasmagnetischeDipolmoment 978

28.9 Zusammenfassung 980

28.10 Fragen 981

28.11 Aufgaben 983

29 Magnetfelder aufgrund von Strömen

29.1 DasMagnetfeld umeinen Strom. 989

29.2 Die Kraft zwischen parallelen Stromen 997

29.3 DasAmperescheGesetz 999

29.4 Zylinder- und Ringspulen 1003

29.5 Eine stromfuhrende Spule alsmagnetischerDipol 1006

29.6 Zusammenfassung 1009

29.7 Fragen 1009

29.8 Aufgaben 1011

30 Induktion und Induktivität

30.1 Das Faradaysche Gesetz und die Lenzsche Regel 1017

30.2 Induktion und Energietransfer 1026

30.3 Induzierte elektrische Felder 1029

30.4 Induktivitat 1034

30.5 Selbstinduktion 1036

30.6 RL-Kreise 1038

30.7 Energiespeicherung imMagnetfeld 1042

30.8 Die Energiedichte einesMagnetfelds 1044

30.9 Gegeninduktion 1045

30.10 Zusammenfassung 1049

30.11 Fragen 1050

30.12 Aufgaben 1052

31 Elektromagnetische Schwingkreise undWechselstrom

31.1 LC-Schwingungen 1061

31.2 Gedampfte Schwingungen in einem RLC-Kreis 1070

31.3 Erzwungene Schwingungen 1072

31.4 Der Reihen-RLC-Kreis 1082

31.5 Leistung inWechselstromkreisen 1088

31.6 Transformatoren 1091

31.7 Zusammenfassung 1096

31.8 Fragen 1098

31.9 Aufgaben 1099

32 Magnetismus und Materie

32.1 DerGaussche Satz furMagnetfelder 1105

32.2 Induziertemagnetische Felder 1107

32.3 Der Verschiebungsstrom und dieMaxwell-Gleichungen 1110

32.4 Magnete 1116

32.5 DerMagnetismus von Elektronen. 1118

32.6 Diamagnetismus 1124

32.7 Paramagnetismus 1126

32.8 Ferromagnetismus 1128

32.9 Zusammenfassung 1132

32.10 Fragen 1134

32.11 Aufgaben 1136

33 Elektromagnetische Wellen

33.1 ElektromagnetischeWellen 1141

33.2 Energietransport und Poynting-Vektor 1151

33.3 Der Strahlungsdruck 1154

33.4 Polarisation 1157

33.5 Reflexion und Brechung 1162

33.6 Totalreflexion 1169

33.7 Polarisation durchReflexion 1170

33.8 Zusammenfassung 1172

33.9 Fragen 1173

33.10 Aufgaben 1175

34 Abbildungen

34.1 Bilder und ebene Spiegel 1183

34.2 Kugelspiegel 1187

34.3 Spharische brechende Flachen 1193

34.4 Dunne Linsen 1196

34.5 Optische Instrumente 1203

34.6 DreiHerleitungen 1207

34.7 Zusammenfassung 1210

34.8 Fragen 1211

34.9 Aufgaben 1213

35 Interferenz

35.1 Licht alsWelle 1219

35.2 Beugung amDoppelspalt 1225

35.3 Interferenzund Intensitat 1232

35.4 Interferenz an dunnen Schichten 1237

35.5 DasMichelson-Interferometer 1245

35.6 Zusammenfassung 1246

35.7 Fragen 1247

35.8 Aufgaben 1249

36 Beugung

36.1 Beugung amEinzelspalt 1255

36.2 Intensitaten bei der Beugung amEinzelspalt 1260

36.3 Beugung an einer kreisrunden Offnung 1265

36.4 Beugung amDoppelspalt 1269

36.5 Beugungsgitter 1273

36.6 Beugungsgitter: Dispersion undAuflosungsvermogen 1277

36.7 Rontgenbeugung 1281

36.8 Zusammenfassung 1283

36.9 Fragen 1284

36.10 Aufgaben 1286

37 Relativitätstheorie

37.1 Gleichzeitigkeitund Zeitdilatation 1293

37.2 Die Relativitat der Lange 1304

37.3 Die Lorentz-Transformation 1308

37.4 Die Relativitat derGeschwindigkeiten 1314

37.5 Der Doppler-Effekt fur Lichtwellen 1315

37.6 Impuls und Energie 1319

37.7 Zusammenfassung 1326

37.8 Fragen 1327

37.9 Aufgaben 1329

38 Photonen und Materiewellen

38.1 Das Photon:Teilchen des Lichts 1335

38.2 Der photoelektrischeEffekt 1337

38.3 Photonenimpuls, Compton- Verschiebung und Lichtinterferenz 1341

38.4 Die Geburtsstunde der Quantenphysik 1348

38.5 ElektronenundMateriewellen 1350

38.6 Die Schrodinger-Gleichung 1354

38.7 Die Heisenbergsche Unscharferelation 1357

38.8 Reflexion an einer Potenzialschwelle 1359

38.9 DerTunneleffekt 1361

38.10 Zusammenfassung 1365

38.11 Fragen 1366

38.12 Aufgaben 1367

39 Mehr über Materiewellen

39.1 Die Energie eines Elektrons in einer Elektronenfalle 1373

39.2 DieWellenfunktionen eines Elektrons in einemKastenpotenzial 1380

39.3 Das eindimensionale endliche Kastenpotenzial 1385

39.4 Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen 1388

39.5 DasWasserstoffatom 1393

39.6 Zusammenfassung 1406

39.7 Fragen 1408

39.8 Aufgaben 1409

40 Atome

40.1 Eigenschaften vonAtomen 1415

40.2 Das Stern-Gerlach-Experiment 1422

40.3 Kernspinresonanz 1426

40.4 Das Pauli-Prinzip 1428

40.5 DerAufbau des Periodensystems 1432

40.6 Rontgenstrahlung. 1435

40.7 Laser 1440

40.8 Zusammenfassung 1445

40.9 Fragen 1447

40.10 Aufgaben 1447

41 Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern

41.1 Die elektrischen Eigenschaften vonMetallen 1453

41.2 Halbleiter und Dotierung 1466

41.3 pn-Ubergange undTransistoren 1472

41.4 Zusammenfassung 1480

41.5 Fragen 1481

41.6 Aufgaben 1482

42 Kernphysik

42.1 Die Entdeckung desAtomkerns 1487

42.2 Einige Eigenschaften vonAtomkernen 1489

42.3 Der radioaktiveZerfall 1497

42.4 DerAlpha-Zerfall 1501

42.5 Der Beta-Zerfall 1504

42.6 RadiometrischeAltersbestimmung. 1508

42.7 Mase fur Strahlungsdosen 1509

42.8 Kernmodelle 1511

42.9 Zusammenfassung 1514

42.10 Fragen 1515

42.11 Aufgaben 1516

43 Kernenergie

43.1 Kernspaltung 1525

43.2 Kernreaktoren 1531

43.3 Ein naturlicherKernreaktor 1536

43.4 Thermonukleare Fusion: Der grundlegende Prozess 1538

43.5 Thermonukleare Fusion in der Sonne und anderen Sternen 1541

43.6 Kontrollierte thermonukleareFusion 1544

43.7 Zusammenfassung 1547

43.8 Fragen 1548

43.9 Aufgaben 1549

44 Quarks, Leptonen und der Urknall

44.1 Grundzuge derTeilchenphysik 1555

44.2 Leptonen,Hadronen und Strangeness 1564

44.3 Quarks undAustauschteilchen 1570

44.4 Kosmologie. 1577

44.5 Zusammenfassung 1585

44.6 Fragen 1585

44.7 Aufgaben 1586

Anhang

A Das Internationale Einheitensystem (SI) 1594

B AstronomischeDaten 1596

C Umrechnungsfaktoren 1597

D Mathematische Formeln 1599

E Eigenschaften der Elemente 1603

F Antworten auf die Kontrollfragen und Fragen 1606

G Stichwortverzeichnis 1614