Physik kompakt für Dummies E-Book

Steven Holzner

• Herausgeber: Wiley-VCH GmbH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2022

Seitenzahl: 338

Beschreibung

Sie suchen einen leicht verständlichen Einstieg in die Physik oder möchten Ihre Grundkenntnisse auffrischen? Dieses Buch hilft Ihnen dabei, sich einen schnellen Überblick über die Physik zu verschaffen. Steven Holzner erklärt Ihnen, was Sie über Kräfte und Bewegungen, Energie, Wärme, Licht, elektrische Felder und Kernphysik unbedingt wissen sollten. So ist dies Ihr perfekter Nachhilfelehrer für die Tasche: freundlich, kompetent, günstig.

Leseprobe

Physik kompakt für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

3. Auflage 2023

© 2023 Wiley-VCH GmbH, Boschstraße 12, 69469 Weinheim, Germany

Original English language edition Physics Essentials For Dummies © 2010 by Wiley Publishing, Inc. All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe Physics Essentials For Dummies © 2010 by Wiley Publishing, Inc. Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: Stefano Garau – stock.adobe.comKorrektur: Shangning Postel-Heutz

Print ISBN: 978-3-527-72018-7ePub ISBN: 978-3-527-84033-5

Über den Autor

Steve Holzner ist preisgekrönter Autor zahlreicher Bücher, darunter beispielsweise auch das Übungsbuch Physik für Dummies. Er studierte Physik am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und promovierte an der Cornell University. Er unterrichtete dort sowie am MIT über zehn Jahre lang, wobei er auch Physik-Grundkurse gab.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Über den Autor

Einleitung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Törichte Annahmen über den Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Wie es weitergeht

Teil I: Die Grundlagen: Worauf die Physik steht

Kapitel 1: Mit Physik die Welt verstehen

Womit sich die Physik beschäftigt

Eine gute Grundlage …

Mit Bewegung, Kraft und Arbeit geht es weiter

Beschwingt oder wellig?

Warm und gemütlich

Vom Blitzschlag zum Laserstrahl

Ein Schritt in die Moderne

Kapitel 2: Physik als solche

Nicht erschrecken, es ist nur Physik

Messen und Voraussagen

Nieder mit den Nullen: Die wissenschaftliche Schreibweise

Ein bisschen Buchstabenrechnen

… und noch ein bisschen Trigonometrie

Kapitel 3: Richtungsweisend: Vektoren

Vektoren verstehen

Im Bann der Schwerkraft: Der freie Fall

Teil II: Bewegung, Kraft und Arbeit

Kapitel 4: Geschwindigkeit ist keine Hexerei

Strecken und Entfernungen

Geschwindigkeiten und was man damit machen kann

Schneller oder langsamer: Beschleunigung

Beschleunigung, Zeit und Strecke

Kapitel 5: Ziehen und Schieben: Kräfte

Kräfte walten überall

Bühne frei für das erste Newtonsche Gesetz

Das berühmteste Gesetz von allen: Newton 2

Das große Finale: Das dritte Newtonsche Gesetz

Kapitel 6: Im Banne der Schwerkraft: Geneigte Ebenen und Würfe

Nur nicht runterziehen lassen: Gravitation

Rolltreppe abwärts: Die geneigte Ebene

Reibereien

Schwerkraft und Flugbahnen

Kapitel 7: Ringelreihen und Kettenkarussell: Kreisbewegungen

Immer rundherum: Gleichförmige Kreisbewegung

Richtungweisend: Die Zentripetalbeschleunigung

Wie am Schnürchen: Zentripetalkraft

Der Apfel fällt nicht weit vom Stamm: Das Newtonsche Gravitationsgesetz

Kapitel 8: Physik in Aktion

Es ist nicht so, wie Sie denken …

Energisch voran: Kinetische Energie

Energie auf Vorrat: Potenzielle Energie

Nichts ist verloren: Energieerhaltung

Arbeite schneller, Leistung zählt!

Kapitel 9: Schwungvoll: Kraftstoß und Impuls

Rempelei: Der Kraftstoß

Impulse geben

Der Zusammenhang zwischen Impuls und Kraftstoß

Impulserhaltung

Teil III: Schwingungen und Wellen

Kapitel 10: Hin und her, hin und her: Harmonische Schwingungen

Das Hookesche Gesetz

Die einfache harmonische Schwingung

Kapitel 11: Die Wellen reiten

Wellen: Transport von Energie

Wie Wellen ticken

Teil IV: Alles über Wärme

Kapitel 12: Heiß auf Thermodynamik

Der Sprung ins warme Wasser

Was warm wird, wird länger

Das Wesen der Wärme

Die Phasen ändern sich

Kapitel 13: Wärme trifft Arbeit: Die Hauptsätze der Thermodynamik

Im (thermischen) Gleichgewicht: Nullter Hauptsatz

Energieerhaltung auf thermisch: Der erste Hauptsatz

Wohin Wärme will: Der zweite Hauptsatz

So kalt wird’s dann doch nicht: Der absolut letzte Hauptsatz

Teil V: Voll geladen: Elektromagnetismus

Kapitel 14: Es knistert: Elektrostatik

Plus oder minus? Die Ladung von Elektron und Proton

Mal anziehend, mal abstoßend: Elektrische Kräfte

Wirkung aus der Ferne: Elektrische Felder

Jetzt wird’s spannend: Das elektrische Potenzial

Kapitel 15: Bewegung mit Widerstand: Stromkreise

Elektronen auf Achse: Elektrischer Strom

Widerstandsfähig: Das Ohmsche Gesetz

Leistung lohnt sich

Immer der Reihe nach: Reihenschaltungen

Schön verteilt: Parallelschaltungen

Kapitel 16: Nord und Süd: Magnetismus

Anziehen und Abstoßen

Was Magnete mit bewegten Ladungen machen

Die Stärke magnetischer Kräfte

Gebogene Bahnen

Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Drahtes

Kapitel 17: Ströme mit Spannung fließen lassen

Eine Spannung wird induziert

Faraday und der Fluss

Auf und ab: Wechselstromkreise

Kapitel 18: Ein Lichtstrahl auf Linsen und Spiegeln

Alles über Spiegel

Licht wird abgelenkt

Spieglein, Spieglein an der Wand

Durch Linsen linsen

Teil VI: Über die Schulweisheit hinaus…

Kapitel 19: Atome und wie die Welt sie sieht

Beschreibung der Atome: das

Planeten-Modell

Quantensprung: das

Bohrsche Atommodell

Kapitel 20: Kernphysik und Radioaktivität

Die Struktur des

Atomkerns

Von α bis γ: Arten des radioaktiven Zerfalls

Griff zum Geiger-Zähler:

Halbwertszeit

Kapitel 21: Alles ist relativ(istisch)

Das Relativitätsprinzip: Die Natur behandelt alle gleich

Licht ist sogar noch gleicher

Je schneller, desto langsamer geht die Uhr

Je schneller, desto kürzer

Masse ist gleich Energie

Schneller geht’s

Und Newton hat trotzdem recht!

Teil VII: Top-Ten-Teil

Kapitel 22: Zehn geniale physikalische Ideen

Messfehler

Der Apfel fällt so weit vom Stamm wie der Mond um die Erde

Elektrisch? Magnetisch? Elektromagnetisch!

Es ist anders, als es aussieht

Die Theorie von Allem

Heiliger Gral oder Eldorado?

Nichts geht verloren

Der Wärmetod

Physik kann alles

Verschränkt

Abbildungsverzeichnis

Glossar

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 2

Tabelle 2.1: Maßeinheiten im MKS-System

Kapitel 20

Tabelle 20.1: Halbwertszeiten radioaktiver Elemente

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Ein rechtwinkliges Dreieck mit Bezeichnungen zur Bestimmung der tr...

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Der Pfeil besitzt genau wie ein Vektor einen Betrag (seine Länge) ...

Abbildung 3.2: Zwei Pfeile (Vektoren) mit derselben Richtung und demselben Betrag

Abbildung 3.3: Um zwei Vektoren zu addieren, gehen Sie vom Start (den »Federn«) d...

Abbildung 3.4: Die Summe zweier Vektoren ist ein neuer Vektor.

Abbildung 3.5: Die Abmessungen eines Tennisplatzes und die Diagonale für den perf...

Abbildung 3.6: Ein über eine Klippe fallender Golfball als Beispiel für die Lösun...

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Ein rollender Golfball auf einem Meterstab

Abbildung 4.2: Eine Bewegung in zwei Dimensionen

Abbildung 4.3: Zunehmende Geschwindigkeit bei konstanter Beschleunigung

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Beschleunigung eines Eishockeypucks

Abbildung 5.2: Verschiedene Kräfte, die auf einen Ball wirken

Abbildung 5.3: Die resultierende Kraft ist die Vektorsumme aller auf den Ball wir...

Abbildung 5.4: Die resultierenden Kräfte an einem Reifen während der Beschleunigu...

Abbildung 5.5: Mit einem Seil können Sie auch einen 500-Kilogramm-Puck vom Eis zi...

Abbildung 5.6: Eine einfache Seilrolle zur Umkehrung der Kraftrichtung

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Ein Wagen rollt eine geneigte Ebene hinunter, die Schwerkraft mg z...

Abbildung 6.2: Die Kraftkomponente in Richtung der abschüssigen Ebe...

Abbildung 6.3: Die Reibung macht es schwierig, schwere Gegenstände zu ziehen.

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Ein Golfball an einer Schnur bewegt sich mit konstanter Geschwindi...

Abbildung 7.2: Auf einer Kreisbahn ändert die Geschwindigkeit beständig ihre Rich...

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Zum Schieben eines Gegenstands muss man Arbeit leisten – auch in d...

Abbildung 8.2: Wenn man nicht in dieselbe Richtung zieht, in der sich der Gegenst...

Abbildung 8.3: Ein Gegenstand, der sich ganz ohne Reibung durch einen Looping bew...

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Aus dem zeitlichen Verlauf der Kraft während eines Stoßes erhält m...

Abbildung 9.2: Die mittlere Kraft hängt von der Dauer ab, für die Sie die Kraft a...

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Die Richtung der Kraft einer Feder

Abbildung 10.2: Ein Ball an einer Feder unterliegt zusätzlich noch dem Einfluss d...

Abbildung 10.3: Die einfache harmonische Bewegung eines Balls als Funktion der Ze...

Abbildung 10.4: Ein Gegenstand auf einer Kreisbahn erzeugt eine Sinuskurve.

Abbildung 10.5: Ein Referenzkreis hilft bei der Analyse harmonischer Bewegungen.

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Bei einer Transversalwelle bewegen sich die Teilchen des Mediums ...

Abbildung 11.2: Bei einer Longitudinalwelle bewegen sich die Teilchen des Mediums...

Abbildung 11.3: Die wichtigsten Größen zur Beschreibung einer Welle

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Die meisten festen Körper dehnen sich bei Wärmeeinwirkung aus.

Abbildung 12.2: Wasser ändert seine Phase.

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Eine Wärmekraftmaschine wandelt Wärme in Arbeit um.

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen Ladungen

Abbildung 14.2: Auf eine »fremde« Ladung wirkt in einem elektrischen Feld eine Kr...

Abbildung 14.3: Durch Addition elektrischer Felder entsteht ein neues Feld.

Abbildung 14.4: Ein positives elektrisches Feld zeigt von einer positiven Punktla...

Abbildung 14.5: Die Summe der elektrischen Felder zweier Punktladungen

Abbildung 14.6: Ein paralleler Plattenkondensator erzeugt ein gleichmäßiges elekt...

Abbildung 14.7: Eine positive Probeladung in einem parallelen Plattenkondensator

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Zwischen den Polen einer Batterie fließt Strom durch eine Leitung...

Abbildung 15.2: Strom fließt durch zwei in Reihe geschaltete Widerstände.

Abbildung 15.3: Der Strom teilt sich auf zwei parallel geschaltete Widerstände au...

Kapitel 16

Abbildung 16.1: Zwei Permanentmagneten mit entgegengesetzter Polung ziehen sich a...

Abbildung 16.2: Das Magnetfeld eines permanenten Stabmagneten

Abbildung 16.3: Die Kraft auf eine positive bewegte Ladung im Magnetfeld

Abbildung 16.4: In einem Magnetfeld bewegt sich eine elektrische – hier positive ...

Abbildung 16.5: Kreisbahn einer positiven Ladung

Abbildung 16.6: Ein einzelner Draht erzeugt konzentrische Magnetfeldlinien.

v

ist...

Kapitel 17

Abbildung 17.1: Eine Spannung wird induziert.

Abbildung 17.2: Der im Magnetfeld bewegte Stab überstreicht die schattierte Fläch...

Abbildung 17.3: Eine Leiterschleife in einem veränderlichen Magnetfeld

Abbildung 17.4: Eine Leiterschleife im Magnetfeld, von oben betrachtet

Abbildung 17.5: Im Wechselstromkreis kehren Spannung und Strom periodisch ihre Ri...

Kapitel 18

Abbildung 18.1: Einfalls- und Ausfallswinkel bei der Reflexion an einem Spiegel

Abbildung 18.2: Beim Eintritt in ein Stück Glas wird der einfallende Lichtstrahl ...

Abbildung 18.3: Durch die Brechung sieht der Fischer den Fisch in einer anderen T...

Abbildung 18.4: Ein ebener Spiegel erzeugt in Ihrem Auge ein virtuelles Bild.

Abbildung 18.5: Sammellinse: Der Gegenstand steht jenseits des Krümmungsmittelpun...

Abbildung 18.6: Der Gegenstand steht zwischen Krümmungsmittelpunkt und Brennpunkt...

Abbildung 18.7: Der Gegenstand steht zwischen Brennpunkt und Oberfläche der Samme...

Kapitel 19

Abbildung 19.1: Bei der Rutherford-Streuung werden Alpha-Teilchen an den Atomkern...

Abbildung 19.2: Spektrallinien von Wasserstoff

Abbildung 19.3: Das Bohrsche Atommodell

Abbildung 19.4: Ein Energieniveauschema

Kapitel 20

Abbildung 20.1: Schematischer Aufbau eines Atomkerns: Die Protonen sind dunkel, d...

Abbildung 20.2: Messung verschiedener Arten radioaktiver Teilchen

Kapitel 21

Abbildung 21.1: Bei einem physikalischen Experiment beobachten Sie immer dasselbe...

Abbildung 21.2: In der Rakete braucht der Lichtimpuls die Zeit Δt

0

, ein Beobachte...

Abbildung 21.3: Ein schnell fliegendes Raumschiff scheint zu schrumpfen.

Orientierungspunkte

Cover

Titelblatt

Impressum

Über den Autor

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Fangen Sie an zu lesen

Abbildungsverzeichnis

Glossar

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

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Einleitung

Alles ist Physik.

Aber was heißt hier alles?

Alles eben. Genau das ist der Punkt – Physik umgibt Sie ständig, bei jeder Handlung. Und da die Physik wirklich für alles und jedes zuständig ist, beschreibt sie auch einige ziemlich verrückte Sachen und ist deshalb nicht immer ganz leicht zu verstehen. Das gilt erst recht, wenn Sie ein für Spezialisten geschriebenes Lehrbuch in die Hand nehmen.

Wenn Sie mit so einem Werk in Kontakt kommen, dann heißt das meistens, dass ein 1200-Seiten-Wälzer mit einem kräftigen Bumms auf Ihrem Tisch landet. Was folgt, ist oft ein mühsamer Kampf mit der Last des Papiers und den edlen Gedanken, die darin ausgebreitet sind. Warum hat eigentlich noch niemand versucht, ein Physiklehrbuch aus der Sicht des Lesers zu schreiben? Ups, stimmt ja gar nicht – Sie haben dieses Buch vor sich.

Über dieses Buch

Physik kompakt für Dummies beschreibt die Physik aus Ihrer Sicht. Ich habe schon vor Tausenden von Studierenden an Universitäten Physikvorlesungen gehalten und weiß daher, dass die meisten von ihnen ein gemeinsames Schicksal teilen: Verwirrung. Etwa in der Art: »Ich weiß gar nicht, womit ich das verdient habe …«

Dieses Buch ist anders. Es ist nicht aus der Sicht eines Physikers oder einer Professorin geschrieben, sondern aus der eines Lesers. Nach unzähligen Stunden, die ich mit meinen Studierenden verbracht habe, weiß ich, an welchen Stellen in den Büchern die Verwirrung beginnt, und ich habe mir große Mühe gegeben, diese Fallstricke hier zu umgehen. An der Universität wird man auf die Dauer nur glücklich, wenn man versteht, wie die Studierenden ticken – in anderen Worten, wie sie den Unterrichtsstoff erklärt bekommen wollen. Die ganzen Erfahrungen, die ich dort gesammelt habe, habe ich in dieses Buch gepackt. Ich erzähle Ihnen auch einiges über die Tricks, mit denen sich Professorinnen und Dozenten die Lösung von bestimmten Aufgaben ganz einfach machen.

Konventionen in diesem Buch

Viele Bücher verwenden eine Unzahl von Konventionen, die Sie überblicken müssen, um damit arbeiten zu können. Dieses nicht. Wir haben nur die paar hier: Neue Begriffe sind an der Stelle, an der sie zum ersten Mal erklärt werden, kursiv gesetzt. Variablen (Buchstaben, die in Gleichungen für bestimmte physikalische Größen stehen) sind ebenfalls kursiv geschrieben; so können Sie sie einfacher von den Symbolen für Einheiten unterscheiden. Vektoren (Größen, die sowohl einen Betrag als auch eine Richtung besitzen) sind fett kursiv gedruckt.

Törichte Annahmen über den Leser

Ich gehe davon aus, dass Sie keine Vorkenntnisse in Physik haben, wenn Sie mit diesem Buch beginnen. Ein wenig einfache Mathematik, vor allem Algebra, muss ich jedoch voraussetzen. Sie müssen nicht gleich ein Profi in Algebra sein, aber Sie sollten wissen, wie Sie Ausdrücke von einer Seite einer Gleichung auf die andere bringen und eine Gleichung nach bestimmten Größen auflösen. Eine Wurzel sollten Sie vielleicht auch schon einmal gesehen (und gezogen) haben. In Kapitel 2 erfahren Sie dazu noch etwas mehr. Ein wenig Trigonometrie wird auch gebraucht, aber wirklich nur ein wenig. Auch hier erfahren Sie in Kapitel 2 in aller Kürze, was nötig ist (vor allem etwas über den Sinus und den Kosinus).

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Die Natur ist ein unerschöpfliches Thema. Um dieses Thema auch nur einigermaßen behandeln zu können, zerlegt die Physik das Wissen über die Natur in unterschiedliche Fachgebiete. Entlang dieser Richtschnur ist auch das Buch aufgebaut; die einzelnen Teile behandeln verschiedene Teilgebiete der Physik.

Teil I: Die Grundlagen: Worauf die Physik steht

Bevor Sie Ihre Reise durch die Physik beginnen können, müssen Sie sozusagen Ihren Koffer packen. Sie brauchen nur leichtes Gepäck, aber ganz ohne geht es nicht. Dies machen wir zusammen in Teil I. Wie schon angedeutet, benötigen wir eine kleine mathematische Grundausstattung, wovon Sie einiges bestimmt schon kennen, anderes wie die Vektoren vielleicht noch neu für Sie ist. Und dann ist es natürlich gänzlich unmöglich, Physik ohne Experimente und Messungen zu betreiben. Das können wir in einem Buch schlecht durchführen, aber das Allerwichtigste zur physikalischen Arbeitsweise schauen wir uns kurz an.

Teil II: Bewegung, Kraft und Arbeit

Jetzt geht sie los, die Reise ins Reich der Physik. Ein ausgezeichneter Startpunkt dafür ist die Beschreibung von Bewegungen, was sie antreibt und was sich selbst im hektischsten Geschehen nie ändert. Willkommen in der Welt der Mechanik!

Teil III: Schwingungen und Wellen

An sich ist eine Schwingung bloß eine Bewegung, die nicht richtig vom Fleck kommt. Doch dieses Konzept ist so grundlegend für fast alle Bereiche der Physik, dass es einen eigenen Teil verdient hat. Erst recht, wenn es dann doch losgeht und Wellen sich in alle Richtungen ausbreiten.

Teil IV: Alles über Wärme

Was passiert, wenn Sie Ihre Hand in eine Kerzenflamme halten und dort lassen? Logisch – Sie verbrennen sich die Finger. Gleichzeitig haben Sie ein (mäßig interessantes) Experiment zum Wärmeübergang durchgeführt. Teil IV dieses Buches beschäftigt sich mit der Physik der Wärme und der Wärmeübertragung, von Physikern Thermodynamik genannt. Sie lernen auch etwas über Wärmekraftmaschinen, das Schmelzen von Eis sowie Temperaturen.

Teil V: Voll geladen: Elektromagnetismus

Hier wird es richtig spannend: Sie lernen eine ganze Menge über Elektrizität und wie sie funktioniert, von den einzelnen Elektronen bis hin zu Schaltkreisen mit ihren Spannungen und Strömen. Dann kommt noch der Magnetismus dazu: Mit harmlosen Stabmagneten fängt es an, und aus der Kombination von Magnetismus und Elektrizität entsteht Licht – ja, die gesamte Optik ist physikalisch gesehen bloß Elektrizität auf Kreuzfahrt.

Teil VI: Über die Schulweisheit hinaus

Surfbretter, Kühlschrank und Elektroautos sind alle gut und schön, aber sie – und die für sie zuständigen physikalischen Ideen – sind noch bei Weitem nicht alles. Quantisierte Atome, radioaktive Kerne oder Geschwindigkeiten am absoluten Limit sind Dinge, die sich nur mit der modernen Physik verstehen lassen. Zwar kommen solche Sachen heute auch schon in der Schule vor, aber wenn Sie währenddessen eher von anderem geträumt haben sollten, schauen Sie in Teil VI dieses Buches!

Teil VII: Top-Ten-Teil

Auch in der Wissenschaft gibt es Hitlisten. Zehn große Ideen der Physik finden Sie im für jedes anständige … für Dummies-Buch unverzichtbaren Top-Ten-Teil.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

In jedem … für Dummies-Buch gibt es Symbole, die spezielle Informationen kennzeichnen. Hier sind es bloß zwei – denn wir reisen ja mit leichtem Gepäck …

Dieses Symbol kennzeichnet Informationen, die es sich zu merken lohnt. Das können besonders wichtige Gleichungen oder interessante Anwendungen von physikalischen Gesetzen sein, aber auch Hinweise, wie eine bestimmte Gleichung oder ein Gesetz am besten anzuwenden ist.

Neben diesem Symbol finden Sie Zusatzinformationen, die Ihnen helfen sollen, das betreffende Thema besser zu verstehen – oder einfach lustiger zu finden.

Wie es weitergeht

Sie können in diesem Buch schmökern; im Gegensatz zu anderen Lehrbüchern muss es nicht unbedingt von vorn nach hinten gelesen werden. Wie jedes … für Dummies-Buch ist es so aufgebaut, dass Sie nach Herzenslust herumspringen können. Dadurch ergeben sich stellenweise Wiederholungen, die aber auch das Verständnis fördern. Steigen Sie ein: systematisch mit Kapitel 1 oder nach Lust und Laune – vielleicht mit der Liste in Teil VII? Es ist Ihr Buch – viel Spaß damit!

Teil I

Die Grundlagen: Worauf die Physik steht

IN DIESEM TEIL …

Teil I dieses Buches soll Sie in die Denkweise der Physik einführen.

Ganz grob vereinfacht geht es in der Physik um … messen und rechnen. Die Physik ist sehr gut darin, Dinge zu messen und dann mithilfe von Gleichungen beziehungsweise Gesetzen vorherzusagen, was als Nächstes passieren wird.

Die Gleichungen in diesem Teil zeigen Ihnen (zumindest ansatzweise), wie die Physik funktioniert. Setzen Sie Zahlen ein und überraschen Sie Ihre Umgebung mit den Berechnungen, die Sie beherrschen!

Kapitel 1

Mit Physik die Welt verstehen

IN DIESEM KAPITEL

Physik in der Natur entdeckenHöher, schneller, weiter: Bewegung, Kraft und EnergieEine heiße Geschichte: ThermodynamikMagische Kräfte: Elektrizität und MagnetismusWo es anfängt, seltsam zu werden …

Die Physik ist das Untersuchen der Welt – unserer Erde und des ganzen Universums. Für Sie ist Physik vielleicht eine Plage – eine lästige Pflicht in der Schule, die nur erfunden wurde, um Sie zu ärgern. Letzteres stimmt nicht ganz. Physik ist etwas, was Sie – unbewusst – vom ersten Augenblick Ihres Lebens an beschäftigt hat.

Es gibt buchstäblich nichts, was außerhalb der Physik liegt. Physik ist eine allumfassende Wissenschaft. Man kann ganz unterschiedliche Aspekte der Natur untersuchen und sich dabei mit verschiedenen Bereichen der Physik befassen, etwa mit bewegten Gegenständen, Kräften, elektrischen oder magnetischen Erscheinungen oder strahlenden Atomkernen. Man kann sogar untersuchen, was passiert, wenn man sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. All diese Themen und noch viele weitere bespreche ich in diesem Buch.

Womit sich die Physik beschäftigt

Sie können vieles beobachten, während Sie in Ihrer komplizierten Welt herumspazieren: Blätter rascheln im Wind, die Sonne scheint, die Sterne funkeln, LED-Lampen leuchten warmweiß, Elektroautos fahren, Drucker drucken, Menschen gehen oder fahren Rad, Flüsse strömen und so weiter. Wenn Sie innehalten, um diese Erscheinungen zu untersuchen, wird Ihre natürliche Neugier Ihnen endlose Fragen eingeben:

Wie sehe ich das alles eigentlich?

Warum ist mein Körper warm?

Woraus besteht die Luft, die ich atme?

Warum rutsche ich aus, wenn ich einen Schneehügel hochklettere?

Was ist mit all den Sternen? Oder sind das Planeten? Warum scheinen sie sich zu bewegen?

Was ist das für ein Staubteilchen?

Gibt es versteckte Welten, die ich nicht sehen kann?

Was ist Licht?

Warum wärmen Wolldecken?

Was ist eigentlich Materie?

Was passiert, wenn ich die Hochspannungsleitung berühre? (Die Antwort darauf kennen Sie hoffentlich – bitte nicht ausprobieren!)

Die Physik untersucht die Welt und die Weise, wie sie funktioniert, von grundlegenden Fragen (zum Beispiel, wie Sie die Trägheit des liegen gebliebenen Autos überwinden, das Sie gerade anzuschieben versuchen) bis zu den exotischsten (wie der Erforschung der allerkleinsten Elementarteilchen, um zu verstehen, woraus die Materie aufgebaut ist). Letztlich geht es in der Physik um nichts anderes, als sich der Welt bewusst zu werden.

Eine gute Grundlage …

… ist wichtig, wenn etwas gelingen soll, und das gilt natürlich auch für die Physik sowie dieses Büchlein über sie. In der Physik bedeutet das, je nach Ihrer persönlichen Vorliebe leider oder zum Glück, erst einmal ein solides mathematisches Grundverständnis. Mathematik ist die Sprache der Natur, wie ein berühmter Physiker einmal gesagt hat; sie zu verstehen hilft auch, sich in der Physik zurechtzufinden. Aber keine Angst: Praktische Fähigkeiten sind genauso wichtig! Wer nicht gut und gerne experimentiert, wird der Natur kein Geheimnis abluchsen können. Denn kein physikalisches Gesetz kann bestehen, wenn es nicht experimentell bestätigt ist. Dies und noch ein paar andere hilfreiche Dinge behandelt Teil I dieses Bandes, den Sie gerade zu lesen begonnen haben.

Mit Bewegung, Kraft und Arbeit geht es weiter

Einige der prinzipiellen Fragen, mit denen Sie sich sicherlich oft beschäftigen, wenn Sie über Gott und die Welt nachdenken, hängen sehr wahrscheinlich mit Bewegung zusammen. Wird der Felsbrocken, der gerade auf Sie zurollt, noch bremsen? Wie schnell müssen Sie zur Seite springen, um ihm auszuweichen? Und zu welcher Seite? (Warten Sie einen Moment, ich muss nur eben mal meinen Taschenrechner holen …!) Bewegung war auch eines der ersten Themen der Physik, und die Einsichten, die dabei gewonnen wurden, sind beeindruckend.

Teil II dieses Buches beginnt deshalb sinnvollerweise damit, zu fragen, was und warum sich etwas bewegt – vom Tischtennisball bis hin zum Hochgeschwindigkeitszug. Bewegung ist eine ganz grundlegende Erscheinung unserer Welt.

Wenn Sie sich umschauen, erkennen Sie sofort, dass die Gegenstände um Sie herum ihren Bewegungszustand andauernd ändern. Sie sehen, wie ein Motorrad an einem Stoppschild anhält. Sie sehen, wie ein Blatt vom Baum fällt und am Boden liegen bleibt, bis es von einem Windstoß wieder weggetragen wird. Sie sehen eine Billardkugel, die die anderen nicht ganz so trifft, wie Sie es beabsichtigt hatten, sodass alle durcheinanderrollen und keine einzige ins Loch fällt.

Die ständigen Veränderungen der Bewegung werden durch Kräfte verursacht; dies ist das nächste Thema von Teil II. Sie wissen wahrscheinlich schon manches über Kräfte, aber gelegentlich ist es wirklich verzwickt, herauszufinden, was eigentlich passiert. Mit anderen Worten: Manchmal braucht es dazu einen Physiker wie Sie.

Sie müssen nicht lange suchen, um das nächste Beispiel für Physik in Ihrer Umgebung zu finden. Wenn Sie zum Beispiel morgens aus dem Haus gehen, hören Sie vielleicht plötzlich ein lautes Krachen in der Nähe. Zwei Autos sind mit hoher Geschwindigkeit zusammengestoßen und rutschen jetzt ineinander verkeilt auf Sie zu. Mit etwas Physik können Sie die notwendigen Messungen und Berechnungen vornehmen, um herauszufinden, wie weit Sie zur Seite springen müssten. Es ist klar, dass es einiges braucht, um die beiden Autos zu stoppen. Aber einiges wovon?

In so einem Fall hilft es Ihnen weiter, wenn Sie mit Begriffen wie Impuls und Energie vertraut sind. Mit diesen Konzepten können Sie die Bewegungen von Gegenständen mit einer Masse beschreiben. Die Energie der Bewegung wird kinetische Energie genannt; wenn ein Auto sich mit einer Geschwindigkeit von 60 Kilometern in der Stunde bewegt, besitzt es eine gewaltige kinetische Energie.

Woher kommt die kinetische Energie? Sicher nicht aus dem Nichts, sonst müssten wir uns keine Sorgen um die Benzinpreise machen. Der Motor verbraucht Benzin, um Arbeit an dem Auto zu verrichten und es zu beschleunigen.

Ein berühmter Physiker erinnerte sich, wie fasziniert er war, als sein Lehrer ihm im Unterricht »von einem Maurer« erzählte, »der einen schweren Ziegelstein mühsam auf das Dach eines Hauses hinaufschleppt. Die Arbeit, die er dabei leistet, geht nicht verloren: Sie bleibt unversehrt, aufgespeichert, jahrelang, bis vielleicht eines Tages der Stein sich löst und einem vorübergehenden Menschen auf den Kopf fällt.« Der Schüler, den diese Geschichte so nachhaltig beeindruckt hatte, war niemand anderes als Max Planck (1858–1947), der mit seiner Quantenhypothese die Physik revolutionierte und den Physiknobelpreis des Jahres 1918 erhielt.

In der Anekdote von Planck geht es um das Gesetz der Energieerhaltung, das zu den wichtigsten Grundlagen der Physik zählt. Nehmen Sie sich also ruhig auch Zeit, über physikalische Gesetzmäßigkeiten zu staunen. Vielleicht springt dabei ja auch mal ein Nobelpreis heraus. Damit können Sie dann sicher auch die Physikmuffel unter Ihren Freunden beeindrucken.

Beschwingt oder wellig?

Eine besondere Bewegungsform verdient eine besondere Behandlung und besonders viel Aufmerksamkeit: das im Idealfall ewige Hin und Her von Uhrpendel, Kinderschaukel und anderen physikalischen Präzisionsexperimenten. Diese sogenannten Schwingungen sind zwar eigentlich auch nur Bewegungen, wie wir sie in Teil III ausführlich behandeln werden, doch tatsächlich sind Schwingungen etwas viel Allgemeineres, was sogar den Rahmen der Physik sprengt: Es gibt »schwingende« chemische Reaktionen und auch Biologie und Volkswirtschaft kennen oszillierende Populationen oder Preisausschläge; das ewige Auf und Ab von Jäger und Beute, Konjunkturzyklen und Brötchenpreisen.

Noch spannender wird es, wenn sich eine Schwingung auf den Weg macht, die Welt zu erkunden – und etwa als Gravitations- oder elektromagnetische Welle bis in fernste Winkel des Weltalls verschwindet. Die Beschäftigung mit Schwingungen und Wellen ist sozusagen ein Querschnittsthema der Physik (so wie es der Umweltschutz in einer gut geführten Staatsführung sein sollte) und hat einen eigenen Teil in diesem Buch verdient.

Warm und gemütlich

Wärme und Kälte gehören für jeden von uns zum Alltag; allein schon deswegen sind Sie im Sommer wie im Winter, Tag und Nacht von Physik umgeben. Haben Sie schon einmal die Tröpfchen auf einem beschlagenen kalten Glas in einem warmen Raum betrachtet? In der Luft gelöster Wasserdampf kühlt sich ab, wenn er mit dem kalten Glas in Kontakt kommt und kondensiert zu flüssigem Wasser. Dabei gibt er Wärmeenergie an das Glas und letztlich an das Getränk darin ab, das sich deshalb bei diesem Vorgang aufwärmt.

Teil IV des Buches beschäftigt sich mit der Wärmelehre oder, etwas hochtrabender ausgedrückt, der Thermodynamik. Die Thermodynamik kann Ihnen sagen, wie viel Wärme Sie an einem kalten Tag abstrahlen, wie viele Eiskübel Sie brauchen, um einen Lavastrom abzukühlen, wie ein Verbrennungsmotor funktioniert oder was es sonst Interessantes rund um Wärmeenergie zu wissen gibt.

Dabei können Sie auch feststellen, dass Physik nicht auf unseren Planeten beschränkt ist. Warum ist das Weltall kalt? Wie kann es kalt sein, obwohl es doch leer ist? Ohne Teil IV des Buches vorgreifen zu wollen: Erstens ist das Weltall nicht komplett leer, und zweitens können Sie Wärme auch einfach durch Strahlung verlieren, das geht – wie passionierte Science-Fiction-Fans wissen – meist schneller, als Sie es ausrechnen können. In diesem Buch erfahren Sie noch sehr viel mehr Interessantes über Wärme, egal ob sie aus einer Wärmequelle wie der Sonne stammt oder durch Reibung erzeugt wurde.

Vom Blitzschlag zum Laserstrahl

Mit etwas Wohlwollen kann man alle von der Schwerkraft angetriebenen Schwingungen und Wellen sowie die letztlich auf der Bewegung von Atomen und Molekülen basierende Wärmelehre irgendwie unter dem weiten Dach der Mechanik unterbringen. Jetzt, das heißt in Teil V, kommt aber etwas wirklich grundsätzlich anderes: Elektrizität und Magnetismus. Was ist daran neu und betrifft uns das überhaupt?

Mechanische Vorgänge und Kräfte sind grundsätzlich auf die Schwerkraft zurückzuführen. Neu ist nun, dass Elektrizität und Magnetismus eine ganz eigene Naturkraft darstellen, die zwar Ähnlichkeiten zur Schwerkraft aufweist, aber doch ihren ganz eigenen Charakter besitzt. Beispielsweise haben Magnete Nord- und Südpole und Batterien Plus- und Minus-Anschlüsse. So etwas gibt es in der Mechanik nicht. Normalerweise gleichen sich Plus und Minus sowie Nord und Süd fast perfekt aus, sonst würde es auf der Welt anders aussehen. Denn die Materie ist aus unvorstellbar vielen elektrisch geladenen Teilchen aufgebaut, die enorme elektromagnetische Kräfte aufeinander ausüben. Was wir im Alltag davon sehen, sind die wenigen Ausnahmen, bei denen sich die Ladungen nicht ausgleichen. Möchten Sie Beispiele? Bitte sehr.

Wenn Ladungen in Regenwolken außer Kontrolle geraten, kommt es zu beeindruckenden Erscheinungen wie Blitzen. Kontrollierter sind die Vorgänge in der öffentlichen Elektrizitätsversorgung, wo der Strom aus der Steckdose die verschiedensten nützlichen oder auch mal ziemlich sinnlosen Maschinchen antreibt.

Ob in Form von Blitzen oder in Kaffeemaschine oder Playstation – Elektrizität ist Physik. In diesem Buch werden Sie nicht nur sehen, dass Elektrizität durch Stromkreise fließen kann, sondern auch, wie sie das tut. Sie werden am Ende verstehen, wie Widerstände, Kondensatoren und Spulen funktionieren.

Ein Schritt in die Moderne

Dieses Buch heißt nicht ohne Grund Physik kompakt für Dummies. Deswegen möchten wir es im Großen und Ganzen bei den bisher vorgestellten, alltagskompatiblen physikalischen Themen belassen. Einen kurzen Einblick in die zum Teil wirklich sehr merkwürdigen Dinge, die seit Anfang des 20. Jahrhunderts das Potpourri der Physik ergänzt, wenn nicht sogar komplett auf den Kopf gestellt haben, sollen Sie aber schon noch bekommen. Darum folgt in Teil VI

Kapitel 2

Physik als solche

IN DIESEM KAPITEL

Die Konzepte der Physik – und warum sie wichtig sindMesswerte und Zahlen …… und Gleichungen lösen, ohne alles durcheinanderzubringenFlashback in Algebra und Trigonometrie

Da stecken Sie nun mitten in einem schwierigen, kaum lösbaren physikalischen Problem und suchen nach dem entscheidenden Kniff. Sie wissen, dass sich schon viele erfolglos daran versucht haben, aber plötzlich haben Sie einen Geistesblitz, und alles wird klar und einfach.

»Natürlich«, sagen Sie, »das ist ganz einfach. Der Ball steigt bis zu einer Höhe von 9,81 Metern in die Luft.« Für diese richtige Antwort auf die Frage gönnt Ihnen Ihr Dozent ein kurzes Nicken. Sie nehmen die Auszeichnung bescheiden entgegen und die nächste Aufgabe in Angriff. Nicht schlecht für den Anfang.

Mit Physik können Sie Ruhm und Ehre erwerben, allerdings wartet auch eine Menge harte Arbeit auf Sie. Machen Sie sich keine Sorgen wegen der Arbeit; die Befriedigung durch die späteren Erfolge ist das mehr als wert. Wenn Sie mit diesem Buch fertig sind, sind Sie in der Physik angekommen und hantieren mühelos mit Aufgaben, die Ihnen früher noch nicht einmal spanisch vorgekommen wären.

Mit diesem Kapitel beginnt das große Abenteuer; wir schauen uns hier zuerst ein paar Grundlagen an, die Sie später brauchen werden. Sie erfahren im Folgenden einiges über Messwerte und die wissenschaftliche Schreibweise von Zahlen, erhalten eine Nachhilfestunde in Algebra und Trigonometrie und lernen schließlich, welche Ziffern in einer Zahl wirklich etwas taugen und welche Sie getrost ignorieren können. Auf dieser soliden Grundlage können Sie Ihr Physikwissen Steinchen für Steinchen aufbauen und haben damit etwas für den Rest Ihres Lebens gewonnen.

Nicht erschrecken, es ist nur Physik