6

Inhaltsverzeichnis

Felder

ORIENTIERUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1 ElektrischeundmagnetischeFelder . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1 ElektrischeLadungundelektrischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1 .1 .1 . Elektrisch .geladene .Körper . . . . . . . . . . . 141 .1 .2 . Elektrische .Ladung .und .Strom- .

stärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 .1 .3 . Kräfte .zwischen .geladenen .Körpern . . . . 161 .1 .4 . Elektrisches .Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 .1 .5 . Elektrische .Spannung .und . . Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 .1 .6 . Elektrisches .Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . 221 .1 .7 . Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 .1 .8 . Kondensatoren .in .Stromkreisen . . . . . . . . 251 .1 .9 . Energie .des .elektrischen .Felds . . . . . . . . . . 271 .1 .10 . Bestimmung .der .Elementarladung . . . . . . 281 .1 .11 . Bewegung .von .Ladungsträgern .im . .

elektrischen .Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Technik: .Faraday’scher .Käfig . . . . . . . . . . 15Umwelt: .Gewitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Technik: .Fotokopierer . . . . . . . . . . . . . . . 23Technik: .Rauchgasreinigung . . . . . . . . . . . 28Biologie: .Signalübertragung .durchNervenfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.2 MagnetischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 .2 .1 . Felder .um .stromdurchflossene . .

Leiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 .2 .2 . Magnetische .Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . 351 .2 .3 . Lorentzkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 .2 .4 . Halleffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 .2 .5 . Magnetfeld .in .einer .langen .Spule . . . . . . . 391 .2 .6 . Materie .im .magnetischen .Feld . . . . . . . . . 391 .2 .7 . Bestimmung .der .Masse .geladener . .

Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Geophysik: .Magnetfeld .der .Erde . . . . . . . 34Grundgrößen: .Ampere .und .Elementarladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Forschung: .Elektromagnetisches .Rühren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Forschung: .Massenspektroskopie . . . . . . 42Umwelt: .Polarlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Überblick:ElektrischeundmagnetischeFelder . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2 InduktionundLeitungsvorgänge . . . . . 50

2.1 ElektromagnetischeInduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 .1 .1 . Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 .1 .2 . Folgerungen .aus .dem .Induktions- .

gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 .1 .3 . Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 .1 .4 . Energie .des .magnetischen .Felds . . . . . . . . 592 .1 .5 . Wirbelströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Technik: .Metalldetektoren . . . . . . . . . . . . 51Technik: .Zündanlagen . . . . . . . . . . . . . . . 57Technik: .Wirbelstrombremsen . . . . . . . . . 60

2.2 Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 .2 .1 . Wechselstrom .und .Wechsel- .

spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 .2 .2 . Ohm’scher .Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . 642 .2 .3 . Nichtohmsche .Bauelemente . . . . . . . . . . . 652 .2 .4 . Leistung .im .Wechselstromkreis . . . . . . . . . 672 .2 .5 . Einfache .Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Technik: .Drehstrommotor . . . . . . . . . . . . . 63Technik: .Fernleitung .elektrischer .Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.3 ElektrischeLeitungsvorgänge . . . . . . . . . 712 .3 .1 . Halbleiter .und .Metalle . . . . . . . . . . . . . . . 712 .3 .2 . Bändermodell .der .Festkörper . . . . . . . . . 712 .3 .3 . p- .und .n-Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732 .3 .4 . Der .p-n-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742 .3 .5 . Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782 .3 .6 . . Integrierte .Schaltkreise . . . . . . . . . . . . . . . 792 .3 .7 . . Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812 .3 .8 . . Leitung .in .Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . 832 .3 .9 . . Leitung .in .Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

9783060130221 Inhalt_S006 6 26.01.10 13:53

Inhalt 7

REFLEXION: FELDER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Schwingungen und Wellen

ORIENTIERUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Technik: Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . 75Technik: Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . 77Technik: Datenspeicher . . . . . . . . . . . . . . 80Forschung: Grenzen der Miniaturisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Forschung: Nanoteilchen: mesoskopische Systeme . . . . . . . . . . . . . 86

Überblick:InduktionundLeitungsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.1 MechanischeSchwingungen . . . . . . . . . . 963 .1 .1 Kenngrößen und Beschreibung

einer Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963 .1 .2 Harmonische Schwingungen . . . . . . . . . 973 .1 .3 Nichtharmonische

Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003 .1 .4 Energie harmonischer

Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003 .1 .5 Gedämpfte harmonische

Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013 .1 .6 Erzwungene Schwingungen und

Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033 .1 .7 Überlagerung von harmonischen

Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Geophysik: Seismometer . . . . . . . . . . . . . 97Bauphysik: Schwingungen von Bauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102Verkehr: Schwingungsdämpfer . . . . . . . 105Tontechnik: Klanganalyse . . . . . . . . . . 108

3.2 ElektromagnetischeSchwingungen . . . . 1093 .2 .1 Schwingungen in einem

Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093 .2 .2 Ungedämpfte Schwingungen . . . . . . . . 1103 .2 .3 Gedämpfte Schwingungen . . . . . . . . . . 111 3 .2 .4 Erzwungene Schwingungen

und Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1123 .2 .5 Rückkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1153 .2 .6 Überlagerung von Schwingungen . . . . 116

Verkehr: Verkehrssteuerung . . . . . . . . . 112Tontechnik: Mikrofon und Lautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Zeitmessung: Schwingquarze als Taktgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117Rundfunktechnik: Schwingungen in Sendeanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.3 SchwingungenundChaos . . . . . . . . . . . 1203 .3 .1 Deterministisches Chaos . . . . . . . . . . . 1203 .3 .2 Bifurkation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1213 .3 .3 Diagramme chaotischer

Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Überblick:Schwingungen . . . . . . . . . 126

4 Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.1 MechanischeWellen . . . . . . . . . . . . . . . 1284 .1 .1 Entstehung mechanischer Wellen . . . . . 1284 .1 .2 Ausbreitung mechanischer Wellen . . . . 1294 .1 .3 Überlagerung von Wellen . . . . . . . . . . . 1314 .1 .4 Stehende Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1334 .1 .5 Huygens’sches Prinzip . . . . . . . . . . . . . 1354 .1 .6 Beugung, Reflexion und

Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Biologie: Ultraschall bei Tieren . . . . . . 129Umwelt: Meereswellen . . . . . . . . . . . . . 134Geophysik: Seismische Wellen . . . . . . . 139

4.2 Akustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404 .2 .1 Schallsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404 .2 .2 Ausbreitung des Schalls . . . . . . . . . . . . 1404 .2 .3 Wahrnehmung des Schalls . . . . . . . . . . 1414 .2 .4 Reflexion von Schallwellen . . . . . . . . . . 1434 .2 .5 Brechung, Beugung und Interferenz

von Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1444 .2 .6 Dopplereffekt und Überschall . . . . . . . . 145

Musik: Stehende Wellen an Musikinstrumenten . . . . . . . . . . . . . . . . 142Medizin: Sonografie . . . . . . . . . . . . . . . 146Biologie: Das menschliche Ohr . . . . . . 148

4.3 ElektromagnetischeWellen . . . . . . . . . . 1504 .3 .1 Entstehung von Radiowellen . . . . . . . . 150

9783060130221 Inhalt_S007 7 26.01.10 13:53

8 Inhaltsverzeichnis

REFLEXION: SCHWINGUNGEN UND WELLEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

Quantenobjekte und Struktur der Materie

ORIENTIERUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

4 .3 .2 . Ausbreitungsgeschwindigkeit .von . .Radiowellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

4 .3 .3 . Maxwell’sche .Theorie . . . . . . . . . . . . . . . 1534 .3 .4 . Eigenschaften .von .Radiowellen . . . . . . . 1564 .3 .5 . Ausbreitung .von .Radiowellen . . . . . . . . . 1584 .3 .6 . Informationsübertragung .mit . .

elektromagnetischen .Wellen . . . . . . . . . . 1604 .3 .7 . Elektromagnetisches .Spektrum . . . . . . . . 166

Geschichte: .Geschichte .der .Informationsübertragung . . . . . . . . . . . . 154Technik: .Mikrowellenherd . . . . . . . . . . . . 157Technik: .Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Technik: .Digitalisierung . . . . . . . . . . . . . 161Forschung: .Synchrotronstrahlung . . . . . 164Technik: .Wie .funktioniert .Fernsehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

Überblick:Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . 172

5 Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

5.1 KlassischeOptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1785 .1 .1 . Geschwindigkeit .des .Lichts . . . . . . . . . . . 1785 .1 .2 . Fermat’sches .Prinzip, .Reflexion . .

und .Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1805 .1 .3 . Farbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1825 .1 .4 . Wellenmodell .des .Lichts . . . . . . . . . . . . . 1825 .1 .5 . Interferenz .am .Doppelspalt . . . . . . . . . . 1835 .1 .6 . Interferenz .am .Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 1845 .1 .7 . Beugung .am .Einfachspalt . . . . . . . . . . . . 1855 .1 .8 . Interferenz .an .dünnen . .

Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1875 .1 .9 . Michelson-Interferometer . . . . . . . . . . . 1895 .1 .10 . Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1905 .1 .11 . .Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

Umwelt: .Halos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179Grundgrößen: .Lichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 181Technik: .Farbmischung . . . . . . . . . . . . . . 186Technik: .TFT-Bildschirme . . . . . . . . . . . 192

5.2 Lichtquanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1955 .2 .1 . Wechselwirkung .von .Licht .mit . .

Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1955 .2 .2 . Fotoeffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1965 .2 .3 . Quantenhafte .Emission .von . .

Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 .5 .2 .4 . Impuls .von .Photonen . . . . . . . . . . . . . . . 200 .5 .2 .5 . Compton-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

Forschung: .Nachweis .von .Photonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 .Astronomie: .Strahlungsdruck . . . . . . . . 202

5.3 IntensitätvonLicht:derZeigerformalismus . . . . . . . . . . . . . . 204

5 .3 .1 . Modelle .vom .Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . 2045 .3 .2 . Konstruktion .des .Zeiger- .

formalismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2045 .3 .3 . Interferenz .am .Doppelspalt . . . . . . . . . . 2045 .3 .4 . Beugung .am .schmalen .Spalt . . . . . . . . . . 2085 .3 .5 . Beugung .am .breiten .Spalt . . . . . . . . . . . . 2115 .3 .6 . Intensitätsoptimierung . . . . . . . . . . . . . . 2135 .3 .7 . Interferenz .am .Mehrfachspalt . . . . . . . . . 2135 .3 .8 . Optische .Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

Technik: .Optische .Beschichtung . . . . . . . 206Technik: .Holografie . . . . . . . . . . . . . . . . . 214Forschung: .Auflösungsvermögen .optischer .Instrumente . . . . . . . . . . . . . . . 220

Überblick:Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

6 Quantenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

6.1 Quantenobjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2266 .1 .1 . Wahrscheinlichkeitsdeutung . . . . . . . . . . 2266 .1 .2 . Quanteninterferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . 2266 .1 .3 . Verschränkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2286 .1 .4 . Elektronen .als .Quantenobjekte . . . . . . . . 2296 .1 .5 . Neutronen, .Atome .und .Moleküle . . . . . . 233

Forschung: .Elektronenmikroskop . . . . . . 227Forschung: .Teleportation . . . . . . . . . . . . 230

6.2 ElementederQuantenmechanik . . . . . . . 2346 .2 .1 . Materiewellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2346 .2 .2 . Interferenz .von .Materiewellen . . . . . . . . . 235

9783060130221 Inhalt_S008 8 26.01.10 13:53

Inhalt 9

6.2.3 Heisenberg’scheUnbestimmt-heitsrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

Forschung:Rastertunnelmikroskop. . . 238

Überblick:Quantenphysik. . . . . . . . 241

7 Atome. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

7.1 EntwicklungderAtommodelle . . . . . . . . 2427.1.1 EntstehungdesAtombegriffs

inderantikenPhilosophie. . . . . . . . . . 2427.1.2 Rutherford’schesAtommodell . . . . . . . 2447.1.3 Linienspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2467.1.4 EnergieniveausinAtomen . . . . . . . . . . 2477.1.5 Bohr’schesAtommodell . . . . . . . . . . . . 247

Forschung:Spektralanalyse . . . . . . . . . 243Technik:Atomuhren. . . . . . . . . . . . . . . 248

7.2 Energieabsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . 2517.2.1 Franck-Hertz-Experiment . . . . . . . . . . 2517.2.2 ResonanzabsorptionundResonanz-

fluoreszenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2537.2.3 FluoreszenzundPhosphoreszenz . . . . 256

Geschichte:Fraunhofer’scheLinien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254Technik:AnwendungderFluoreszenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

7.3 AtommodellderQuantenphysik . . . . . . 2587.3.1 Schrödingergleichung . . . . . . . . . . . . . . 2587.3.2 ModelldeslinearenPotenzialtopfs . . . 2597.3.3 Tunneleffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2617.3.4 Wasserstoffatom . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2627.3.5 OrbitaleundQuantenzahlen . . . . . . . . 2637.3.6 PeriodensystemderElemente. . . . . . . . 265

Umwelt:Farbstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 264

7.4 Laser-undRöntgenstrahlung . . . . . . . . 2687.4.1 Laserstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2687.4.2 EigenschaftenvonRöntgen-

strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2737.4.3 SpektrumderRöntgenstrahlung . . . . . 275

Forschung:Femtosekundenlaser . . . . . 270Forschung:Laserdiode . . . . . . . . . . . . . 272Forschung:Kristallstruktur-analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274Medizin:DiagnosemitRöntgen-strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

Forschung:Freie-Elektronen-Laser . . . 280

Überblick:Atome . . . . . . . . . . . . . . . . 284

8 KerneundElementarteilchen . . . . . . 286

8.1 Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2868.1.1 NachweisradioaktiverStrahlung. . . . . 2868.1.2 ArtenradioaktiverStrahlung . . . . . . . . 2888.1.3 Symbolschreibweise . . . . . . . . . . . . . . . 2898.1.4 AktivitätundZerfallsgesetz . . . . . . . . . 2898.1.5 WechselwirkungvonStrahlung

mitMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2928.1.6 MessgrößendesStrahlen-

schutzes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2958.1.7 BiologischeWirkungionisierender

Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

Umwelt:BestrahlungvonLebensmitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287Forschung:Altersbestimmung . . . . . . . 290Medizin:RadioaktiveStrahlunginderMedizin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294Umwelt:BelastungdurchioniserendeStrahlung. . . . . . . . . . . . . . 298

8.2 AufbauderAtomkerne . . . . . . . . . . . . . 3008.2.1 Kernbausteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3008.2.2 Massendefektund

Bindungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3028.2.3 TröpfchenmodelldesKerns. . . . . . . . . 3028.2.4 Schalen-undPotenzialtopfmodell

desKerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

Geschichte:EntdeckungdesNeutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

8.3 Kernumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . 3068.3.1 ArtenradioaktivenZerfalls . . . . . . . . . 3068.3.2 NatürlicheZerfallsreihen. . . . . . . . . . . 3088.3.3 KünstlicheKernumwandlungen. . . . . . 3098.3.4 Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3108.3.5 KettenreaktionundEnergie-

bilanz........................... 3118.3.6 Kernfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3148.3.7 Kernreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

Geophysik:DerNaturreaktorvonOklo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313Geschichte:Das»ManhattanProject« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314Technik:ModerneKernkraftwerke . . . 316Energie:Fusionsreaktoren. . . . . . . . . . 319

9783060130221 Inhalt_S009 9 26.01.10 13:53

10 Inhaltsverzeichnis

REFLEXION: QUANTENOBJEKTE UND STRUKTUR DER MATERIE . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

Relativität und Astrophysik

ORIENTIERUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

8.4 Elementarteilchenphysik . . . . . . . . . . . . 3208 .4 .1 . Standardmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3208 .4 .2 . Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3258 .4 .3 . Vielfalt .und .Ordnung .im . .

Teilchenzoo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

Forschung: .Kosmische .Strahlung . . . . . . 322

Forschung: .Der .»Large .HadronCollider« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324Forschung: .Detektoren .in .der .Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

Überblick:KerneundElementarteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . 332

9 Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . 338

9.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3389 .1 .1 . Relativbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3389 .1 .2 . Lichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 3389 .1 .3 . Äthertheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3399 .1 .4 . Einstein-Postulate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

Technik: .Satellitennavigation . . . . . . . . . 339Geschichte: .Relativität .und .Elektrodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

9.2 RelativistischeKinematik . . . . . . . . . . . . 3439 .2 .1 . Gleichzeitigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3439 .2 .2 . Zeitdilatation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3439 .2 .3 . Längenkontraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . 3449 .2 .4 . Addition .von .Geschwindigkeiten . . . . . . 3479 .2 .5 . Koordinatentransformation . . . . . . . . . . 3489 .2 .6 . Minkowski-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . 3499 .2 .7 . Raumzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

Zeit: .Zwillingsparadoxon . . . . . . . . . . . . 345Forschung: .Myonen . . . . . . . . . . . . . . . . . 346Technik: .Atomuhrenvergleich . . . . . . . . . 352

9.3 RelativistischeDynamik . . . . . . . . . . . . . 3539 .3 .1 . Relativität .der .Masse . . . . . . . . . . . . . . . . 3539 .3 .2 . Masse-Energie-Beziehung . . . . . . . . . . . . 3549 .3 .3 . Relativistische .Energie . . . . . . . . . . . . . . . 3569 .3 .4 . Energie-Impuls-Beziehung . . . . . . . . . . . 356

Forschung: .Relativistische .Effekte .in .Teilchenbeschleunigern . . . . . . . . . . . 354

9.4 ElementederAllgemeinenRelativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

9 .4 .1 . Gravitationsfeld .und .Relativität . . . . . . . 3589 .4 .2 . Experimentelle .Belege . . . . . . . . . . . . . . . 359

9 .4 .3 . Krümmung .der .Raumzeit . . . . . . . . . . . . 362

Forschung: .Gravitationswellen-detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

Überblick:Relativitätstheorie . . . . . . 365

10 Astrophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

10.1 UnserStern:dieSonne . . . . . . . . . . . . . . 36610 .1 .1 . Sonne .und .Sonnensystem . . . . . . . . . . . . 36610 .1 .2 . Zustandsgrößen .der .Sonne . . . . . . . . . . . 36710 .1 .3 . Sonnenatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . 36810 .1 .4 . Sonnenaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36910 .1 .5 . Innerer .Aufbau .der .Sonne . . . . . . . . . . . . 370

Umwelt: .Sonne, .Leben, .Energie . . . . . . . 367Geschichte: .Solare .Neutrinos . . . . . . . . . 371

10.2 PhysikderSterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37410 .2 .1 . Helligkeiten .und .Entfernungen . .

der .Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37410 .2 .2 . Zustandsgrößen .der .Sterne . . . . . . . . . . . . 37510 .2 .3 . Hertzsprung-Russell- .

Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37810 .2 .4 . Sternentstehung .und .Stern- .

entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

Forschung: .Entfernungs-bestimmung .von .Sternen . . . . . . . . . . . . 376Forschung: .Bedingungen .für .Leben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380Forschung: .Altersbestimmung .von .Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

10.3 GroßstrukturenimKosmos . . . . . . . . . . . 38610 .3 .1 . Milchstraßensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

9783060130221 Inhalt_S010 10 26.01.10 13:53

Inhalt 11

REFLEXION: RELATIVITÄT UND ASTROPHYSIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

Methoden der Physik

M 1  Experimente und ihre Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

M .1 .1 . Experiment .als .Teil .der .Erkenntnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396M .1 .2 . Regeln .des .Experimentierens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396M .1 .3 . Beispiel .eines .quantitativen .Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397M .1 .4 . Messgenauigkeit .und .Angabe .von .Ergebnissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401M .1 .5 . Fehlerarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

M 2  Modelle in der Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

M .2 .1 . Denken .in .Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402M .2 .2 . Eignung .eines .mathematischen .Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

M 3  Mathematische Funktionen und Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

M .3 .1 . Wichtige .Funktionen .in .der .Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404M .3 .2 . Funktionsanpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406M .3 .3 . Iterative .Rechenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408M .3 .4 . Ableitung .und .Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410M .3 .5 . Differenzialgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415M .3 .6 . Vektorielle .Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417M .3 .7 . Mathematische .Behandlung .von .Messfehlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

 Register  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

10 .3 .2 . Außergalaktische .Sternsysteme . . . . . . . . 38710 .3 .3 . Kosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

Forschung: .Quasare . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Forschung: .Entwicklung .des .Kosmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

  Überblick: Astrophysik . . . . . . . . . . . . 393

9783060130221 Inhalt_S011 11 26.01.10 13:53