Physik für Ingenieure für Dummies

Spis treści:
Über den Autor 9
Danksagung 9
Einleitung 21
Über dieses Buch 21
Konventionen in diesem Buch 21
Törichte Annahmen über die Leser 21
Wie dieses Buch aufgebaut ist 21
Teil I: Mechanik 22
Teil II: Thermodynamik 22
Teil III: Elektrizitätslehre und Magnetismus 22
Teil IV: Optik 22
Teil V: Atomphysik 22
Teil VI: Kernphysik 23
Teil VII: Festkörperphysik 23
Teil VIII: Der Top–Ten–Teil 23
Anhang 23
Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 23
Wie es weitergeht 24
Teil I
Mechanik 25
Kapitel 1
Mathematische Buddelkiste 27
Physikalische Größen und Einheiten 27
Welche Einheit hat die Größe 28
Rechnen mit Skalaren 29
Mit Vektoren rechnen 30
Addition von Vektoren 31
Zerlegung von Vektoren 32
Länge eines Vektors 33
Skalarprodukt von Vektoren 33
Vektorprodukt von Vektoren 35
Trigonometrische Funktionen 37
Komplexe Zahlen 39
Differentiation 42
Integration 45
Einige theoretische Betrachtungen 45
Praktisches Integrieren 48
Reihenentwicklungen 50
Kapitel 2
Kräfte schaffen Bewegung 53
Bewegungen – gerade und im Kreis 53
Wie schnell darf es sein? 53
Alles dreht sich im Kreis 55
Vektoren können Kreisbewegungen beschreiben 57
Bewegung im Schwerefeld 58
Newton und Kepler waren genial 61
Das newtonsche Gravitationsgesetz 61
Keplers Gesetze 63
Kräfte und Axiome bestimmen die Mechanik 65
Erstes newtonsche Axiom 65
Zweites newtonsches Axiom 66
Der Drehimpuls 68
Drittes newtonsches Axiom 72
Kapitel 3
Arbeit und Energie 75
Arbeit müssen alle leisten 75
Leistung ist Arbeit pro Zeit 80
Energie geht uns alle an 80
Potenzielle Energie 80
Kinetische Energie 81
Rotationsenergie 81
Energie einer gespannten Feder 82
Kapitel 4
Erhaltungssätze und ihre Folgen 85
Energieerhaltung… 85
…und Impulserhaltung… 87
Elastischer Stoß 87
Inelastischer Stoß 88
Managerpendel 88
Stoßprobleme in einer Ebene 89
…und Drehimpulserhaltung auch 92
Kapitel 5
Alles schwingt 95
Ungedämpfte Schwingungen 95
Pendel als Prototyp für Schwingungen 95
Anfangsbedingungen sind manchmal mühsam 102
Wenn das Pendel mal weit ausschlägt 104
Gedämpfte Schwingung berechnen 105
Schwingungen können auch erzwungen werden 109
Kapitel 6
Wellen schlagen 115
Die Wellengleichung macht‘s 115
Wellen machen sich breit 117
Wenn Wellen sich überlagern 122
Konstruktiv oder destruktiv 122
Stehende Wellen 123
Wellen reisen in Gruppen 124
Fourier 126
Kapitel 7
Alles ist relativ… 129
Transformationen machen fit 129
Schneller geht’s nicht 131
Gleichzeitigkeit geht verloren 133
Länge, Geschwindigkeit, Masse und Energie 135
Längen verkürzen sich 135
Geschwindigkeiten addieren sich seltsam 135
Massen nehmen zu 136
Teil II
Thermodynamik 139
Kapitel 8
Temperatur: warm und kalt 141
Celsius, Fahrenheit und Kelvin 141
Das ideale Gas 143
Die Freiheit eines Moleküls 145
Ein, zwei, …, ganz viele Teilchen 145
Druck, Volumen und Temperatur halten zusammen 147
Jeder mit seiner Geschwindigkeit 149
Reale Gase: so sieht die Wirklichkeit aus 151
Kapitel 9
Zustände ändern sich 155
… in idealen Gasen… 155
Temperaturveränderungen 155
Isochoren: gleiche Volumina – keine Arbeit 156
Isothermen: die Temperatur verändert sich nicht 157
Adiabatische Prozesse 159
Isobarer Prozess: der Druck bleibt konstant 160
…und in realen Gasen 161
Wärmekapazität: je kleiner desto wärmer 162
Kapitel 10
Unordnung nimmt von selber zu 167
Entropie als thermodynamische Größe 167
Entropie als statistische Größe 171
Mit Enthalpie Gase verschieben 173
Kapitel 11
Aus Wärme Kraft erzeugen 177
Der Otto–Motor läuft rund 177
Der Carnot–Prozess ist optimal 179
Der Stirling–Motor ohne interne Verbrennung 186
Kapitel 12
Flüssigkeiten in Bewegung 191
Druckveränderung durch Schwerkraft 191
Statische Flüssigkeiten 191
Schweredruck in Gasen 194
Sich gemeinsam fortbewegen: Viskosität und Strömungen 195
Brownsche Bewegung in Flüssigkeiten 195
Strömende Flüssigkeiten 198
Strömungen mit Reibung 200
Strömungen mit höherer Geschwindigkeit 206
Teil III
Elektrizitätslehre und Magnetismus 209
Kapitel 13
Ladungen ohne Bewegung 211
Coulombgesetz 211
Elektrische Felder 215
Elektrischer Fluss 219
Elektrische Felder in Materie 222
Mit Spannung zur Spannung 225
Kondensator 226
Kapitel 14
Elektrische Ströme 233
Ströme: panta rhei (Alles fließt) 233
Kirchhoffsche Gesetze 237
Auf– und Entladen von Kondensatoren 242
Kapitel 15
Magnetfelder und Ströme 247
Magnetfelder 247
…im Vakuum… 247
…und in Materie 249
Ströme erzeugen Magnetfelder 251
Ampèresches Durchflutungsgesetz 253
Kräfte zwischen Strömen 255
Leiterschaukel 255
Biot–Savartsches Gesetz 256
Magnetfelder erzeugen Ströme 257
Wechselspannung und Wechselströme 260
Ohmsches Gesetz bei Wechselspannungen 261
Der LC–Schwingkreis 263
Kapitel 16
Elektromagnetismus 267
Elektrische und magnetische Felder 267
Ein Transformator für Wechselspannungen 269
Generatoren erzeugen Strom 270
Elektromagnetische Felder im Wechselspiel 272
Maxwells geniale Gleichungen 276
Teil IV
Optik 279
Kapitel 17
Licht verbiegen 281
Licht – Welle oder Teilchen? 281
Licht als Welle 282
Licht und Medien 285
Reflexion 285
Snelliussches Brechungsgesetz 287
Totalreflexion 291
Farbzerlegung mithilfe des Prismas 292
Linsen und Abbildungen 293
Listingsche Strahlenkonstruktion 296
Kapitel 18
Raffinierte Linsen 301
Aus der Ferne heranholen 301
Winziges ganz groß machen 302
Ganz Winziges ganz groß machen 303
Kapitel 19
Licht spaltet sich auf 307
Beugung am Spalt 307
Interferenz am Doppelspalt 310
Optische Gitter zur Analyse 312
Teil V
Atomphysik 315
Kapitel 20
Die Welt der Atome 317
Streuversuche an Atomen 317
Die Entdeckung des Photons 319
Diskrete Strahlung 324
Compton–Effekt 327
Kapitel 21
Kern und Kugeln 331
Bohrsches Atommodell 331
Elektronen treffen auf Atome 334
Kapitel 22
Atome im wirklichen Leben 337
Energiesparlampen 337
Wie viel Uhr ist es, bitte? 339
Die Grundlage des Laserschwerts 340
Mit Röntgenstrahlen durchsehen 343
Klein aber fein: die Mikrosonde 345
Kapitel 23
Quantenmechanik 347
Und wieder die Frage: Welle oder Teilchen? 347
Wellenpakete und Unschärferelation 349
Schrödingergleichung: die Königsklasse 353
Elektronen im Wasserstoffatom 358
Die Bedeutung der Quantenzahlen l und ml 364
Pauli–Prinzip und Periodensystem 365
Stern–Gerlach–Experiment 367
Teil VI
Kernphysik 369
Kapitel 24
Kerne: kleiner als Atome 371
Kernform 371
Sie bauen sich Atomkerne 375
Wieso hält ein Kern zusammen? 376
Ein Kern wiegt zu wenig 379
Kapitel 25
Plötzlich ist der Kern weg 383
Der Kern spuckt ein großes Teilchen aus 383
Zwei kleine Teilchen entfliehen dem Kern 385
Kerne entsenden Photonen 388
Energie von Alpha–, Beta– oder Gamma–Strahlen 388
Countdown zum Zerfall 389
Kernspaltung und Kernfusion – jetzt wird es heiß 392
Kapitel 26
Anwendungen der Kerne 395
Energieerzeugung mit Kernen 395
Kernspaltung oder »leichter–werdende« Kerne 395
Kernfusion oder »schwerer–werdende« Kerne 397
Strahlungseinheiten 398
Wirkung der Kernstrahlung 399
Zerfälle zählen 400
Teil VII
Festkörperphysik 403
Kapitel 27
Atome in Festkörpern 405
Alles hat seine Ordnung 405
Ungeordnete Festkörper 407
Einkristalle und Einheitszellen 407
Basis mit nur einem Atom 411
Basis mit mehr als einem Atom 413
Strukturbestimmung mit Röntgenstrahlung 414
Konstruktive Interferenzen mit der Bragg–Bedingung 416
Auswahlregeln bei der Röntgenstreuung 417
Kapitel 28
Das Gitter bewegt sich 421
Reziproker Raum – eine geniale Erfindung 421
Lineare Kette mit einem Atom in der Basis 423
Lineare Kette mit zwei Atomen in der Basis 426
Ein wirklicher Kristall 430
Kapitel 29
Elektronen im Festkörper 433
So tun als ob es nur Elektronen gäbe 433
Jedes Elektron hat einen Zustand für sich 435
Gefangene Elektronen 439
Elektronen spüren die Atome 440
Elektronen bewegen sich 443
Kapitel 30
Halbleiter sind keine halben Leiter 451
Löcher: das Gegenteil von Elektronen 451
Direkt oder indirekt 452
Zu Gast beim Halbleiter 454
Dotierte Halbleiter werden aufgewärmt 458
Alle wollen mobil sein 463
Der p–n–Übergang 464
In einfachem Kontakt 464
Mit Spannung wird’s spannend 4 66
Kapitel 31
p–n–Übergang in der Praxis 471
Diode – Einbahnstraße für Ströme 471
Sonnenlicht in Strom verwandeln 473
Transistor: elektronischer Schalter für Ströme 476
Eine »umgekehrte« Solarzelle 479
Kohärentes Licht aus Dioden: Halbleiterlaser 480
Teil VIII
Der Top–Ten–Teil 483
Kapitel 32
Zehn Ratschläge, um Spaß an der Physik zu haben 485
Studieren geht über Probieren 485
Nur das Experiment zählt 485
Selber experimentieren 485
Applets: mit dem Internet arbeiten 485
Experimentieren von zuhause aus 485
Einblick in die theoretische Physik 486
Bücherwürmer 486
Physik vertiefen 486
In andere Dimensionen gehen 486
Für den Kaminsessel 487
Spickzettel 489
Stichwortverzeichnis 491