Physik für alle E-Book

Martin Pohl

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Verdammt clever!
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2014

Seitenzahl: 419

Beschreibung

Physik für alle - Naturwissenschaftler, Mediziner und Lehramtsstudenten. Dieses Buch richtet sich an Leser, die die grundlegenden Konzepte der Physik sowie Struktur und Aussagen physikalischer Formeln verstehen wollen.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Abkürzungen

1 Aufgabe und historische Entwicklung der Physik

1.1 Physik, Philosophie und Religion

1.2 Messung und Vorhersage

1.3 Wahrheit

1.4 Grundlegende Methodik der Physik

2 Koordinaten, Geschwindigkeit und Beschleunigung

2.1 Koordinaten

2.2 Bewegungsgesetze

2.3 Galileis Fallexperimente

2.4 Messunsicherheit

2.5 Wissen testen

3 Erhaltungssätze, Masse und Impuls

3.1 Galileis Prinzipien

3.2 Masse und Impuls

3.3 Newton’sche Bewegungsgesetze

3.4 Relativität und Erhaltungssätze

3.5 Schwerpunkt und Relativbewegung

3.6 Wissen testen

4 Das Gravitationsgesetz und der Aufbau des Sonnensystems

4.1 Das Sonnensystem

4.2 Von Brahe zu Kepler

4.3 Isaac Newton und das Gravitationsgesetz

4.4 Anwendung des Gravitationsgesetzes

4.5 Drehimpuls

4.6 Wissen testen

5 Arbeit, Energie und Leistung

5.1 Induktive Logik und Bias

5.2 Arbeit, Energie und Leistung

5.3 Abhängigkeit vom Bezugssystem

5.4 Potenzielle Energie und Energieerhaltung

5.5 Wärme und Bindungsenergie

5.6 Energie und Impuls

5.7 Wissen testen

6 Elektrizität und Magnetismus

6.1 Ladung und elektrische Kraft

6.2 Van-der-Waals’sche Kräfte

6.3 Elektrischer Strom und Magnetismus

6.4 Wie wird Kraft übertragen?

6.5 Elektrische Energie und Spannung

6.6 Induktion und Radiowellen

6.7 Wissen testen

7 Die Magie großer Zahlen: Flüssigkeiten und Gase

7.1 Statistik

7.2 Kinetische Gastheorie

7.3 Wärme und Druck

7.4 Strömungslehre

7.5 Determinismus und Chaos

7.6 Wissen testen

8 Wellen

8.1 Oszillationen

8.2 Störungen in kontinuierlichen Medien

8.3 Wellenüberlagerung

8.4 Wissen testen

9 Der Weg zur speziellen Relativitätstheorie

9.1 Wellenausbreitung im Medium

9.2 Dopplereffekt

9.3 Die Lichtgeschwindigkeit

9.4 Das Michelson-Morley-Experiment

9.5 Die Grundprinzipien der speziellen Relativität

9.6 Wissen testen

10 Einsteins spezielle Relativitätstheorie

10.1 Albert Einstein

10.2 Die Lorentz-Transformation

10.3 Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung

10.4 Lichtlaufzeit

10.5 Impuls und Energie

10.6 Wissen testen

11 Die allgemeine Relativitätstheorie

11.1 Das Äquivalenzprinzip

11.2 Rotverschiebung und Lichtablenkung

11.3 Schwarze Löcher

11.4 Kosmologie

11.5 Wissen testen

12 Atome und ihr Aufbau

12.1 Die Atomhypothese

12.2 Das Elektron

12.3 Radioaktivität

12.4 Die Struktur der Atome

12.5 Wissen testen

13 Aufdem Weg zur Quantenphysik

13.1 Atomspektren

13.2 Schwarzkörperstrahlung

13.3 Die Bestätigung der Quantenhypothese

13.4 Welle-Teilchen-Dualismus

13.5 Das Bohr’sche Atommodell

13.6 Wissen testen

14 Quantenmechanik

14.1 De Broglies Teilchenwellen

14.2 Teilchenoptik

14.3 Spin und Quantenstatistik

14.4 Wissen testen

15 Wahrscheinlichkeit und Unschärfe

15.1 Die Wellenfunktion

15.2 Die Unschärferelation

15.3 Interpretation

15.4 Verschränkte Teilchen

15.5 Wissen testen

16 Vom Standardmodell zu heutigen Entwicklungen der Physik

16.1 Antiteilchen

16.2 Quantisierung von Feldern

16.3 Virtuelle Teilchen

16.4 Struktur des Atomkerns

16.5 Schwache Wechselwirkung

16.6 Das Standardmodell und weitergehende Fragen

16.7 Wissen testen

17 Ausklang

Richtig gelöst

Literaturnachweis

Stichwortverzeichnis

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Print ISBN 978-3-527-41235-8ePDF ISBN 978-3-527-67469-5ePub ISBN 978-3-527-67468-8Mobi ISBN 978-3-527-67467-1

Autor

Martin Pohl

Universität Potsdam

Institut für Physik und Astronomie

Karl-Liebknecht-Str. 24/25

14476 Potsdam-Golm

© Erhan Ergin/Fotolia.com für die in der Randspalte verwendeten Symbole.

Für Darija, Alina und Lorena

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Abkürzungen

Liste der Symbole

Liste fundamentaler Konstanten

Liste der grundsätzlichen Einheiten

Vorwort

Viele von uns empfinden eine gewisse Abneigung, wenn sie das Wort Physik nur hören. Wir denken an lange Stunden des Schulunterrichts, die uns in schmerzhafter Erinnerung sind. Viele Formeln sollte man sich merken, in die man Zahlen einsetzen konnte, um andere Zahlen herauszubekommen. Wozu das alles?

Glauben Sie mir, ich mag diese Art des Unterrichts auch nicht. Nichts ist darin zu finden von der Faszination, die die Physik ausübt. Wo bleibt die Freude, einen Zusammenhang nachvollziehen zu können? Was ist mit dem Gefühl der Zufriedenheit, das uns erfüllt, wenn es gelungen ist, einen komplexen Vorgang gedanklich in einzelne Schritte zu zerlegen, die wir verstehen können? Physiker sind in der Industrie in vielen verschiedenen Aufgabenfeldern zu finden, nicht zuletzt auch im Consulting. Das tun sie nicht, weil sie sich physikalische Formeln besonders gut merken können. Vielfach arbeiten sie in Bereichen, die weit weg liegen von den Forschungsfragen, die das Thema ihrer Master- oder Doktorarbeiten waren. Die dort behandelten Formeln sind daher im Berufsleben oft gar nicht mehr relevant. Es ist vielmehr die Fähigkeit, komplexe Dinge zu behandeln und Gegebenes zu hinterfragen, die den Physiker auszeichnet. Wenn wir in diesem Buch die Entwicklung der Physik bis zur heutigen Zeit nachvollziehen, werden wir gleichzeitig sehen, wie sich Physiker einem Problem nähern, welche Fragen sie stellen und wie sie aus einer Auswahl von Lösungsvorschlägen den vielversprechendsten auswählen.

Mathematik ist auch heute noch die Sprache der Physik, mit der sich Zusammenhänge in kompakter Form darstellen lassen. Mathematik ist allerdings auch eines der größten Hindernisse, das für viele, oft interessierte Menschen den Zugang zur Physik erschwert. In diesem Buch wollen wir weitgehend ohne Mathematik auskommen, wenn auch nicht ganz. Neben der Geometrie werden wir uns Algebra zunutze machen, die Lehre von den Gleichungen und der Verknüpfung mathematischer Strukturen. Dies klingt komplizierter als es ist. Letzten Endes ist jede physikalische Formel eine Gleichung. Eine physikalische Größe ist gleich einer Kombination anderer Größen, wobei die Rechenvorschrift, also die Verknüpfung dieser Größen durch Addieren, Multiplizieren oder Dividieren in der Formel angegeben ist.

Der Wert einer Formel liegt aber nicht darin, dass man Zahlen in sie einsetzen kann. Wir werden dies daher in diesem Buch auch nicht tun. Uns interessieren die logischen Zusammenhänge, die den Formeln zugrunde liegen. Wir wollen nachvollziehen, wie aus Konzepten verschiedene Konsequenzen logisch abgeleitet und überprüft werden. Diese Überprüfung kann es in sich haben und Widersprüche aufzeigen, die zum Verfeinern und schlimmstenfalls zum Verwerfen von Konzepten führen kann. Es gibt keinen Aspekt physikalischer Forschung, der sich der Kritik entziehen kann, denn wir vertrauen keinem physikalischen Gesetz so sehr, dass wir die Möglichkeit begrenzter Gültigkeit jemals ausschließen würden. Der wichtigste Grundsatz ist daher: Alles, was Sie in diesem Buch lesen werden, kann falsch sein.

Das logische Weiterdenken, das Gedankenspiel „…was wäre, wenn …“ ist die Grundlage der Entwicklung und der Überprüfung physikalischer Konzepte und Modellvorstellungen. Dies ist, was wir lernen und anwenden müssen, wenn wir verstehen wollen, wie Physik als Wissenschaft funktioniert. Ich habe mir erlaubt an einigen Stellen in diesem Buch solche Überlegungen vorzuführen, die für das Kapitel nicht immer von zentraler thematischer Bedeutung erscheinen, aber Querverbindungen aufzeigen und letztlich das Durchdenken der Konzepte illustrieren, das für die Physik so wesentlich ist.

Dieses Buch ist aus einer gleichnamigen Vorlesung entstanden, die der Autor seit dem Jahr 2010 an der Universität Potsdam hält. In den ersten Jahren wurde ein englischsprachiger Begleittext benutzt [1], der nun durch dieses Buch ersetzt wird. Die einzelnen Kapitel sind mit Ausnahme des ersten als in sich abgeschlossene Themenblöcke konzipiert, die jeweils die Grundlage für eine 90-minütige Vorlesung liefern können. Ich habe es immer als sinnvoll empfunden, den Text kapitelweise in der Woche vor der jeweiligen Vorlesung lesen zu lassen. Benutzt man ein internetbasiertes Lernportal, kann man ebenfalls vor der Vorlesung mit ein paar Fragen den Verständnisstand ermitteln und auf Defizite verstärkt eingehen.

Die Fragen am Ende jedes Kapitels gehen über reine Verständnisfragen hinaus und erfordern zum Teil etwas Einsatz. Verzweifeln Sie bitte nicht, wenn Sie nach einigen Minuten die Lösung noch nicht gefunden haben. Bleiben Sie bitte innerlich stark und sehen Sie nicht gleich bei den Lösungen nach. Es hilft oft, sich zurückzulehnen und aufzuschreiben, was denn die in der Fragestellung gegebene Information genau bedeutet und wonach gefragt wird. Ich bin mir sicher, Sie werden mit sich zufrieden sein, wenn Sie dann eine Aufgabe nach längerem Überlegen beantwortet haben.

Mein herzlicher Dank geht an Dr. Oliver Henneberg, dessen unermüdlicher Einsatz im Aufbau und der Durchführung von Demonstrationsexperimenten die Abbildungen 6.1, 7.7, 8.7, 8.9,12.3 sowie das Titelbild ermöglichte. Meiner Frau Darija danke ich für ihre Unterstützung sowie das Korrekturlesen.

Postdam, den 6.10.2013

Martin Pohl

1

Aufgabe und historische Entwicklung der Physik

1.1 Physik, Philosophie und Religion

Nicht nur die Naturwissenschaften, allen voran die Physik, haben den Anspruch, die Welt zu erklären. Nein, auch die Philosophie und die Religionen behaupten für sich, sie würden Wahrheiten liefern, vielleicht sogar ewige Wahrheiten. Was ist davon zu halten? Besteht hier ein Konflikt, und hat vielleicht nur eine Seite recht?

Das Verhältnis zwischen Wissenschaft, Philosophie und Religion ist über die Jahrhunderte hinweg von Missverständnissen belastet worden, die Menschen dazu gebracht haben, einzelne oder vielleicht auch alle drei Parteien zu verurteilen. Viele denken, Naturwissenschaften und Religion würden sich gegenseitig ausschließen. Das kann aber nicht ganz richtig sein, denn eine ganze Reihe von Physikern ist religiös. Bevor wir uns näher mit der Physik beschäftigen, möchte ich zunächst einige Punkte im Spannungsfeld von Physik, Philosophie und Religion ansprechen. Es wäre gut, wenn das eine oder andere Missverständnis oder Vorurteil aus dem Weg geräumt werden könnte.

Wenn Sie Wissenschaft, Philosophie und Religion plakativ beschreiben sollten, würden Sie vielleicht in etwa das Folgende sagen:

Philosophie:

Suche nach dem Verständnis der wahren Natur der Dinge.

Religion:

Erkenntnis der Rolle und Botschaft der Götter.

Wissenschaft:

Beobachtung der Natur, Modellentwicklung und Vorhersage des Verhaltens der natürlichen Umgebung.

Oberflächlich betrachtet scheint die Sache klar zu sein: Wenn ein oder mehrere Götter vorkommen, ist es Religion. Wenn es nur um die Natur geht, ist es Wissenschaft. Diese Unterscheidung ist nicht ganz falsch, aber bei Weitem zu kurz gegriffen. Oft hört man auch, dass Religion und Philosophie einen moralischen oder ethischen Bewertungsmaßstab lieferten, den man in der Wissenschaft so nicht fände. So erforschen Physiker Atomkerne und sprechen ohne Bedenken darüber, wie durch die Spaltung von Urankernen Energie gewonnen werden könne. Dies wird als unmoralisches Verhalten empfunden, weil die Kernspaltung in einer Atombombe zerstörerisch genutzt werden und in der friedlichen Anwendung im Kernkraftwerk zu Katastrophen wie der von Tschernobyl führen kann. Aber trifft dies wirklich zu? Es empfiehlt sich, nicht gleich alles zu glauben, was man so hört. Schauen wir also einmal genau hin. Meine beiden Beispiele, die Atombombe und der Atomreaktor, haben starke moralische Bedenken hervorgerufen. Es ist eine schwierige ethische Frage, zu beurteilen, ob man ihren Bau verantworten kann. Die Kernspaltung aber existiert unabhängig davon, ob wir Bomben oder Reaktoren bauen. Sie ist nicht dafür verantwortlich zu machen, ob wir sie zerstörerisch nutzen oder nicht. Genau genommen existierte die Kernspaltung schon seit Milliarden von Jahren, bevor sie von Physikern und Chemikern entdeckt wurde. Entdecken heißt etwas anderes als erfinden. Wir erfinden ein Telefon, aber wir entdecken ein physikalisches Gesetz wie das der Energieerhaltung. Wir bauen Geräte, die physikalische Phänomene anwenden. Die Anwendung kann man als gut oder schlecht bewerten, das physikalische Phänomen selber aber nicht. Es entzieht sich der Bewertung, weil es einfach nur da ist. Einen ethischen Maßstab brauchen wir nur für das, was wir mit den Ergebnissen der Physik anstellen.