Physik für Alle

Physik für alle das schließt nebenNaturwissenschaftlern und Lehramtskandidaten auchGeisteswissenschaftler ein. Dieses Buch richtet sich an Leser, dieganz ohne Mathematik die Konzepte der Physik sowie Struktur undgrundlegende Aussagen physikalischer Formeln verstehen wollen.

Beschrieben wird in leicht verständlicher Form die Physikin der Folge ihrer historischen Entwicklung. Der Schwerpunkt liegtauf der Verwendung von Konzepten und, unter Verwendung einfacherMathematik, ihrer Formulierung in physikalischen Formeln. Einweiteres Thema sind die Methoden der Wahrheitsfindung
in der Physik. Konzeptionelle Fragen an den Leser sowieÜbungsaufgaben am Ende der einzelnen Kapitel bietenGelegenheit für eine Reflexion und die Festigung der Methodenund Inhalte.

Aufgrund des intuitiven Zugangs zu physikalischen Themen und derDiskussion der grundlegenden Konzepte der Physik eignet sich diesesBuch besonders als Einführung in die Physik für alleNicht–Naturwissenschaftler. Es ist aus der gleichnamigen, sehrerfolgreichen Vorlesung entstanden, die der Autor seit dem Jahr2010 an der Universität Potsdam hält. Die einzelnenKapitel sind mit Ausnahme des ersten als in sich abgeschlosseneThemenblöcke konzipiert.

Vorwort XI

Abkürzungen XIII

1 Aufgabe und historische Entwicklung der Physik 1

1.1 Physik, Philosophie und Religion 1

1.2 Messung und Vorhersage 3

1.3 Wahrheit 6

1.4 Grundlegende Methodik der Physik 9

2 Koordinaten, Geschwindigkeit und Beschleunigung 11

2.1 Koordinaten 11

2.2 Bewegungsgesetze 14

2.3 Galileis Fallexperimente 15

2.4 Messunsicherheit 17

2.5 Wissen testen 21

3 Erhaltungssätze, Masse und Impuls 23

3.1 Galileis Prinzipien 23

3.2 Masse und Impuls 27

3.3 Newton sche Bewegungsgesetze 28

3.4 Relativität und Erhaltungssätze 31

3.5 Schwerpunkt und Relativbewegung 32

3.6 Wissen testen 34

4 Das Gravitationsgesetz und der Aufbau des Sonnensystems 35

4.1 Das Sonnensystem 35

4.2 Von Brahe zu Kepler 40

4.3 Isaac Newton und das Gravitationsgesetz 43

4.4 Anwendung des Gravitationsgesetzes 45

4.5 Drehimpuls 48

4.6 Wissen testen 50

5 Arbeit, Energie und Leistung 51

5.1 Induktive Logik und Bias 51

5.2 Arbeit, Energie und Leistung 53

5.3 Abhängigkeit vom Bezugssystem 57

5.4 Potenzielle Energie und Energieerhaltung 58

5.5 Wärme und Bindungsenergie 61

5.6 Energie und Impuls 65

5.7 Wissen testen 67

6 Elektrizität und Magnetismus 69

6.1 Ladung und elektrische Kraft 69

6.2 Van–der–Waals sche Kräfte 73

6.3 Elektrischer Strom und Magnetismus 76

6.4 Wie wird Kraft übertragen? 79

6.5 Elektrische Energie und Spannung 83

6.6 Induktion und Radiowellen 84

6.7 Wissen testen 86

7 Die Magie großer Zahlen: Flüssigkeiten und Gase87

7.1 Statistik 87

7.2 Kinetische Gastheorie 89

7.3 Wärme und Druck 92

7.4 Strömungslehre 95

7.5 Determinismus und Chaos 99

7.6 Wissen testen 102

8 Wellen 103

8.1 Oszillationen 103

8.2 Störungen in kontinuierlichenMedien 107

8.3 Wellenüberlagerung 109

8.3.1 Stehende Wellen 109

8.3.2 Wellenpakete 110

8.3.3 Interferenz und Beugung 111

8.4 Wissen testen 117

9 Der Weg zur speziellen Relativitätstheorie 119

9.1 Wellenausbreitung im Medium 119

9.2 Dopplereffekt 123

9.3 Die Lichtgeschwindigkeit 126

9.4 Das Michelson–Morley–Experiment 129

9.5 Die Grundprinzipien der speziellen Relativität 131

9.6 Wissen testen 132

10 Einsteins spezielle Relativitätstheorie 133

10.1 Albert Einstein 133

10.2 Die Lorentz–Transformation 135

10.3 Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung 140

10.4 Lichtlaufzeit 142

10.5 Impuls und Energie 145

10.6 Wissen testen 149

11 Die allgemeine Relativitätstheorie 151

11.1 Das Äquivalenzprinzip 151

11.2 Rotverschiebung und Lichtablenkung 156

11.3 Schwarze Löcher 160

11.4 Kosmologie 162

11.5 Wissen testen 167

12 Atome und ihr Aufbau 169

12.1 Die Atomhypothese 169

12.2 Das Elektron 171

12.3 Radioaktivität 175

12.4 Die Struktur der Atome 180

12.5 Wissen testen 183

13 Auf dem Weg zur Quantenphysik 185

13.1 Atomspektren 185

13.2 Schwarzkörperstrahlung 189

13.3 Die Bestätigung der Quantenhypothese 192

13.3.1 Der Fotoeffekt 192

13.3.2 Der Comptoneffekt 193

13.4 Welle–Teilchen–Dualismus 195

13.5 Das Bohr sche Atommodell 196

13.6 Wissen testen 199

14 Quantenmechanik 201

14.1 De Broglies Teilchenwellen 201

14.1.1 Elektronenstreuung 205

14.2 Teilchenoptik 206

14.2.1 Tunneleffekt 210

14.3 Spin und Quantenstatistik 212

14.4 Wissen testen 215

15 Wahrscheinlichkeit und Unschärfe 217

15.1 Die Wellenfunktion 217

15.1.1 Streuung 219

15.1.2 Wahrscheinlichkeitsinterpretation 221

15.2 Die Unschärferelation 222

15.3 Interpretation 226

15.4 Verschränkte Teilchen 227

15.5 Wissen testen 229

16 Vom Standardmodell zu heutigen Entwicklungen der Physik231

16.1 Antiteilchen 231

16.2 Quantisierung von Feldern 233

16.3 Virtuelle Teilchen 234

16.4 Struktur des Atomkerns 237

16.5 Schwache Wechselwirkung 240

16.6 Das Standardmodell und weitergehende Fragen 242

16.7 Wissen testen 244

17 Ausklang 245

Richtig gelöst 247

Literaturnachweis 263

Stichwortverzeichnis 265

Martin Pohl ist Professor für TheoretischeAstroteilchenphysik an der Universität Potsdam und LeitenderWissenschaftler am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY). NachAbschluss seines Studiums an der Universität Bonn war er nachForschungstätigkeiten an verschiedenen Instituten im In–und
Ausland Professor an der Iowa State University, bis er seinejetzige Stelle antrat. Er war über neun Jahre als GLASTInterdisciplinary Scientist für die NASA tätig und wurdejüngst zum Fellow der American Physical Society ernannt. NebenFachvorlesungen in der Physik versucht er, die Prinzipien derNaturwissenschaften und der Physik in einer fachübergreifendenPhysikausbildung zu vermitteln.