Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 1: Mechanik

Joachim Heintze (1926-2012) studierte nach dem Ende des zweiten Weltkrieges in Berlin und Göttingen Physik und wurde in Göttingen Schüler von Otto Haxel, dem er nach Heidelberg folgte, wo er seine Promotion abschloss und sich auch habilitierte. Anschließend arbeitete er mehrere Jahre am CERN in Genf. Von 1963 an bis zu seiner Emeritierung 1991 war er Ordinarius für Physik am I. Physikalischen Institut der Universität Heidelberg; er wirkte zeitweilig auch als Dekan. Als Forscher ist sein Name untrennbar mit der Entwicklung von Spurendetektoren für hochenergetische geladene Teilchen verbunden. Durch seine Arbeiten über schwache Wechselwirkung und Elektron-Positron-Vernichtung hat er die Teilchenphysik über viele Jahre hinweg wesentlich mitgeprägt. Für seine Arbeiten über seltene Pionen-Zerfälle erhielt er 1963 den Physikpreis der DPG; 1992 wurde ihm der Max Born-Preis verliehen. J. Heintze war auch ein engagierter Lehrer; dieses Buch ist aus seinen Vorlesungen über Experimentalphysik für Studenten der ersten Semester hervorgegangen.

Teil I Mechanik

1 Längen- und Zeitmessung
1.1 Längenmessung- 1.2 Zeitmessung- 1.3 Zeit- und Längenstandards und das internationale Einheitensystem
1.4 Messung der Lichtgeschwindigkeit
2 Kinematik des Massenpunkts
2.1 Geradlinige Bewegung
2.2 Maßeinheiten und Dimensionen von physikalischen Größen
2.3 Bewegung im Raum
2.4 Die Kreisbewegung
2.5 Wechsel des Koordinatensystems
2.6 Skalare und Vektoren
3 Newtonsche Dynamik
3.1 Die Newtonschen Gesetze
3.2 Harmonische Schwingungen
3.3 Gravitation und Planetenbewegung- 3.4 Quantitatives zur Masse
3.5 Grenzen der Newtonschen Mechanik
4 Impuls
4.1 Impuls und Kraftstoß
4.2 Systeme von Massenpunkten, der Schwerpunkt- 4.3 Raketenantrieb, Bewegung von Körpern mit veränderlicher Masse
4.4 Stoßprozesse: Der kollineare Stoß
4.5 Der schiefe Stoß
5 Energie
5.1 Energie, Arbeit, Leistung bei geradliniger Bewegung eines Massepunkts
5.2 Maßeinheiten für Energie, Arbeit und Leistung
5.3 Energie und Arbeit bei der Bewegung im Raum
5.4 Energie und Arbeit bei einem System von Massenpunkten
5.5 Energiediagramme, Gleichgewicht
5.6 Energie und Quantenphysik
6 Kräfte
6.1 Überblick über Kräfte und Wechselwirkungen
6.2 Reibung
6.3 Allgemeine Bemerkungen über Kräfte
7 Beschleunigte Bezugssysteme
7.1 Geradlinige Beschleunigung des Bezugssystem
7.2 Rotierende Bezugssysteme
7.3 Die Erde als rotierendes Bezugssystem
7.4 Nochmals: Was ist ein Inertialsystem?
8 Kinematik und Statik des starren Körpers
8.1 Translation und Rotation
8.2 Drehmoment und Kräftepaar
8.3 Polare und axiale Vektoren
8.4 Die Gleichgewichtsbedingungen
8.5 Gleichgewicht im Schwerefeld, der Schwerpunkt
8.6 Beispiele zur Statik
9 Rotation um eine feste Achse
9.1 Das Trägheitsmoment
9.2 Rotation um eine feste Achse und geradlinige Bewegung
9.3 Die Rollbewegung
10 Drehimpuls
10.1 Drehimpuls eines Massenpunkt
10.2 Systeme von Massenpunkten .10.3 Die Bewegungsgleichung des starren Körpers
10.4 Erhaltung des Drehimpulses
10.5 Drehimpulserhaltung, Rotationsenergie und Zentrifugalkraft
10.6 Drehimpuls, Winkelgeschwindigkeit und Trägheitsmoment
10.7 Drehimpuls und Quantenmechanik
11 Rotation im Raum
11.1 Die Kreiselpräzession
11.2 Die Nutationsbewegung des Kreisels
11.3 Anwendungen
12 Schwingungen
12.1 Die ungedämpfte harmonische Schwingung
12.2 Gedämpfte Schwingungen
12.3 Erzwungene Schwingungen
12.4 Gekoppelte Schwingungen
12.5 Lösung der Schwingungsgleichung mit komplexen Zahlen
12.6 Unharmonische Schwingungen

Teil II Relativistische Mechanik und Atomkerne

13 Das Relativitätsprinzip .
13.1 Relativitätsprinzip und Lichtgeschwindigkeit
13.2 Das Michelson–Morley-Experiment
13.3 Die Lorentz-Transformation
13.4 Einsteins Spezielle Relativitätstheorie
14 Relativistische Kinematik
14.1 Zeit- und Längenmessung, Gleichzeitigkeit
14.2 Ableitung der Lorentz-Transformation .
14.3 Addition von Geschwindigkeiten
14.4 Doppler-Effekt
14.5 Experimentelle Nachprüfung
15 Relativistische Dynamik
15.1 Newtonsche Dynamik und Lorentz-Transformation .
15.2 Minkowski-Welt, Vierervektoren
15.3 Der relativistische Viererimpuls
15.4 Äquivalenz von Masse und Energie
15.5 Stoßprozesse
15.6 Die Bewegungsgleichung .
15.7 Die Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit .
15.8 Mechanik von Teilchen mit der Ruhemasse Null
16 Der Atomkern
16.1 Atome und Atomkerne
16.2 Isotope
16.3 Bindungsenergie, Kernradius, Tröpfchenmodell des Atomkerns
17 Radioaktivität
17.1 Radioaktive Strahlung
17.2 Ionisation und Reichweite geladener Teilchen
17.3 Absorption von -Quanten.
17.4 Der radioaktive Zerfall von Atomkernen
18 Wahrscheinlichkeitsrechnung in der Physik
18.1 Mathematische Wahrscheinlichkeit
18.2 Wahrscheinlichkeitsverteilungen
18.3 Die statistische Intervallverteilung
18.4 Ein Anwendungsbeispiel: Die Rutherfordsche Streuformel
19 Kernreaktionen und Neutronen
19.1 Beispiele für Kernreaktionen
19.2 Erzeugung und Nachweis von Neutronen
19.3 Thermische Neutronen
19.4 Kernspaltung und Kernreaktoren
19.5 Kernreaktionen bei hohen Energien
20 Strahlendosis und Strahlenschutz
20.1 Einheiten
20.2 Natürliche und zivilisationsbedingte Strahlenbelastung .20.3 Strahlenwirkung und Strahlenschutz

M Mathematischer Anhang
M.1 Geometrie und Algebra
M.2 Funktionen
M.3 Differentialrechnung
M.4 Integralrechnung
M.5 Differential- und Integralrechnung bei mehreren Variablen
M.6 Vektorrechnung
M.7 Vektoranalysis
M.8 Komplexe Zahlen

Lösungen der Übungsaufgaben
Abbildungsnachweise
Index

"... Ein verständlicher Schreibstil, viele Abbildungen und Diagramme, geschickt gewählte Beispiele, die sich so in keinem anderen Lehrbuch finden, sowie interessante Querbezüge zu anderen Teilgebieten und in Fußnoten angemerkte historische Fakten machen dieses Buch zu einer Empfehlung für das Bachelor-Studium. ... Dozentinnen und Dozenten werden in diesem Buch didaktische Anregungen finden." (Karl schäfer, in: Amazon.de, 1. Februar 2016) 

"... ist dieses Buch auch Lehrern wärmstens zu empfehlen. ... finden sich zahlreiche hochwertige Zeichnungen und Fotografien. So lässt sich das Werk sowohl angenehm fortlaufend lesen als auch gut zum Nachschlagen nutzen. Aufgaben, auch hier wieder oft mit Praxisbezug, runden das Ganze ab, freundlicherweise mit Lösungen. ... Das Buch wird diesem Ziel sicherlich gerecht und dürfte daher Pflichtlektüre für Studenten, Lehrer und Dozenten werden." (Kai Müller, in: Physik Journal, Jg. 13, November 2014)