Anschauliche Physik: fur Naturwissenschaftler

318 Pages·2011·17.3 MB·German

by  Bogdan Povh (auth.)

Anschauliche Physik

Bogdan Povh
Anschauliche Physik
für Naturwissenschaftler
123
Prof.Dr.BogdanPovh
MPIfürKernphysik
Saupfercheckweg1
69117Heidelberg
Deutschland
[email protected]
ISBN978-3-642-17786-6 e-ISBN978-3-642-17787-3
DOI10.1007/978-3-642-17787-3
SpringerHeidelbergDordrechtLondonNewYork
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;
detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
(cid:2)c Springer-VerlagBerlinHeidelberg2011
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der
Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der
Funksendung,derMikroverfilmungoderderVervielfältigungaufanderenWegenundderSpeicherung
in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine
VervielfältigungdiesesWerkesodervonTeilendiesesWerkesistauchimEinzelfallnurindenGrenzen
der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9.
September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig.
ZuwiderhandlungenunterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechtsgesetzes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk
berechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder
Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.
Einbandentwurf:eStudioCalamarS.L.
Illustrationen: GernotVogt
GedrucktaufsäurefreiemPapier
SpringeristTeilderFachverlagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia(www.springer.com)
Für Anica

Vorwort
Itisgoodtohaveanendtojourneytoward,
butitisthejourneythatmattersintheend.
UrsulaK.LeGuin
DasvorliegendeBuchisteineerste,aberumfassendeEinführungindiePhy-
sik und richtet sich an Naturwissenschaftler mit Nebenfach Physik, sowie
Lehrer an Gymnasien und Fachschulen. Behandelt werden klassische Ge-
biete wie Mechanik, Wärmelehre und Elektrodynamik, bis hin, einerseits
zudenVorgängenimatomarenundnuklearenBereichund,andererseits, zu
demphysikalischenModelldesUniversums.
Physik soll uns helfen, die vor uns ablaufenden Vorgänge in der mate-
riellen Welt qualitativ zu verstehen; auch Vorgänge aus dem Bereich der
BiologieundderLebenswissenschaften.DieserGesichtspunktstehtimZen-
trumdesvorliegendenBuches.PhysikstelltsichaberauchdieAufgabe,ihre
innere Konsistenz zu sichern und, des weiteren, quantitative Aussagen zu
machen.DafürwirddieSprachederMathematikeingesetzt,diedemNicht-
fachmann selten zur Verfügung steht. Folgerichtig wird in diesem Buch der
formal mathematische Apparat stark zurückgenommen. Er beschränkt sich
auf diejenigen Formeln, die man in der Alltagspraxis wirklich braucht, um
etwaskonkretauszurechnenbzw.dieeminentwichtigenphysikalischenGrö-
ßenordnungenrichtigabzuschätzen.
Das Erlernen der Physik soll jedem offen stehen und es soll, so sieht es
der Autor, auch Spaß machen. Die Physik wird anhand von alltagsnahen
Fragestellungen beschrieben und der Leser lernt dabei die wichtigsten Be-
griffe und Erkenntnisse in knapper, aber gut verständlicher Form kennen.
Aber neben der Beschreibung in Worten, findet der Leser zahlreiche ein-
gängige und oft aus der Physik des Alltags genommene Abbildungen, die
alle auf Anregung und unter Aufsicht des Autors grafisch einheitlich ge-
staltet sind. Sie dienen nicht nur der Illustration des Textes und der Ergöt-
zung des Lesers. Versehen mit ausführlichen pädagogisch hervorragenden
Legenden wird durch sie Physik noch einmal eindringlich verdeutlicht und,
im wahrsten Sinne des Wortes, anschaulich gemacht. Es soll das Auge als
mnemotechnisches Lehrmittel – in guter Tradition von R.W.Pohl und nach
dem Vorbild von seriösen Wissenschaftsmagazinen – wirkungsvoll einge-
setzt werden: Physiklernen durch Anschauen. Die Abbildungen zusammen
VII
VIII Vorwort
mitdenkonzentriertenTextwiederholungenindenBildlegendenstellenqua-
si auf zweiter Ebene – und das ist das Besondere an diesem Buch – eine
weiterewillkommeneLernhilfedar.
Es werden Beobachtung in der Natur und Experimente im Labor analy-
siert. Die Phänomene werden in einfacher Sprache erklärt und letztendlich
auch noch – für quantitative Betrachtungen – in mathematischer Symbolik,
in der Formelsprache, formuliert. Dadurch wird erreicht, dass jede Formel
sogleich ihren physikalischen Inhalt bekommt. Das wird vertieft, indem zu
jederFormelihreAnwendungannützlichenBeispielendemonstriertwird.
Das Buch soll also eine erste Einführung in die Physik und ihre Begriffe
undMethodensein.Abereswillnochmehr.EssolldieStellungderErdeim
Sonnensystem, des Sonnensystems in der Milchstraße, der Milchstraße im
UniversumausphysikalischerSichtzeigen.Undessollhelfen,dieVorgänge
auf der Erde bis hin zur Struktur kleinster Bauteile und ihrer Wechselwir-
kungenzuerklären.
Beides, die Physik im Größten und die im Kleinsten, sind nach unseren
heutigen Vorstellungen nichtmitdem Wissen des19.Jahrhunderts, derZeit
dersogenanntenklassischenPhysik,vollständigzuverstehen.EswarenMax
PlanckundAlbertEinstein,dieAnfangdes20.JahrhundertsdieTür aufge-
stoßen haben zur sogenannten modernen Physik unserer Tage: Zur Relati-
vitätstheorie und zur Quantenphysik. Sie werden in diesem Lehrbuch ihrer
Bedeutungentsprechend behandelt;unddasunterBeibehaltungdesGrund-
satzes,dasseshierumeinefürNichtfachleuteverstehbareDarstellunggehen
muss.
EinsteinhatnachtieferAnalysederklassischenPhysikihreInkonsistenz
erkannt und als Lösung des Dilemmas vorgeschlagen, die damalige Jahr-
hunderte alte Vorstellung vonRaum undZeit aufzugeben. In derSpeziellen
Relativitätstheorie liegt der Physik eine Raum und Zeit vereinheitlichende
Raumzeit zugrunde. Auch wenn diese in der uns auf der Erde begegnen-
den Physik nur in der Hochenergiephysik angewandt wird, ist sie wegen
ihrer großen weltanschaulichen Bedeutung Bestandteil naturwissenschaftli-
chen Allgemeinwissens. In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird diese
Raumzeit, die bei der Deutung der Gravitation an ihre Grenzen stößt, geo-
metrisch erweitert und damit wird ein physikalisches Verstehen kosmischer
VorgängeimGroßenmöglich;ermöglichtaberauchdietechnischeRealisie-
rung der GPS-Ortung hier auf unserer Erde. Experimente, die den Leser an
Einsteins neue Vorstellungen heranführen, werden in diesem Buch behan-
delt.
Für einen Laborphysiker sieht die Einsteinsche Raumzeit nicht anders
aus als die Newtonsche Welt, die unseren dreidimensionalen Raum an die
Zeitachse des Beobachters anheftet. Erst wenn man zu höheren Energien
oderGeschwindigkeitenkommt,merktmanallmählichstärkermerkbareAb-
Vorwort IX
weichungen. Dieser allmähliche Übergang erleichtert die physikalische In-
terpretation speziell-relativistischer Effekte. Eine ganz andere Situation fin-
detmanbeidenQuanteneffektenvor.
Die Quantenmechanik stellt für Studenten eine weit höhere Hürde dar.
Ihre theoretische Durchdringung erfordert einen sehr anspruchsvollen ma-
thematischen Apparat, der zuerst von John von Neumann in den 20er Jah-
ren ausgearbeitet worden ist, und zum anderen erschließen sich ihre radikal
neuen Konzepte nur über die Anwendungen auf Quantensysteme, zu denen
derExperimentatormithilfemakroskopischerMeßaparatenureinenindirek-
ten Zugang hat. Unddas gilt schon bei den einfachsten Systemen, den Ato-
men. Deswegen werden in diesem Buch quantenmechanische Konzepte an
eindimensionalenSystemenbeschrieben,beidenenmanauchmathematisch
gutmitelementarenWinkelfunktionenundderExponentialfunktionzurecht
kommt. Von daher, so denken wir, sollte es keine prinzipiellen Schwierig-
keitenmachen,diequantenmechanischeBeschreibungaufdreidimensionale
Problemezuerweitern.
DiePhysikderAtome,derMolekülebishinzudensubatomarenStruktu-
ren der Kernphysik einerseits und die des expandierenden Universums stüt-
zen sich auf die relativistischen und auf die Quantenphänomene. Das wird
demLeserindenKapiteln13–18erklärt.
NatürlichbekommtauchdieklassischePhysik,aufderjadasganzephy-
sikalische Denken aufbaut, in diesem Buch den ihrer Bedeutung zustehen-
den Raum zugewiesen. Galileis wegweisende Studien zur Bewegungslehre,
die er als alter Mann in der Verbannung abgeschlossen und 1638 als Buch
über die Bewegungslehre veröffentlicht hatte, haben uns die Mechanik be-
schert,dieindenKapiteln2–4dargestelltist.AufbauenddaraufhatNewton
die in Kapitel 5 behandelte Gravitation physikalisch gedeutet und auf die
Himmelsmechanik angewandt. DieKapitel6 und9 behandeln die fürunser
Leben so wichtigen Flüssigkeiten und die mechanischen Wellenphänome-
ne;hierhabendieBaslerPhysikerDanielBernoulliundLeonhardEulerdie
wesentlichenImpulsegegeben.
Kapitel 10–12 sind den elektromagnetischen Vorgängen gewidmet, also
einer Physik, die ein radikales Umdenken des mechanischen Weltbilds be-
deutethat,damalsMittedes19.Jahrhunderts,alssievonFaradayundHertz
erschlossenwordenwaren.
Die Kapitel 7 und 8 behandeln die Wärmelehre, die man im 19. Jahr-
hundert der Mechanik angefügt hat, um in abgeschlossenen Systemen der
Energieerhaltung gerecht zu werden. Sie steht im Mittelpunkt technischer
Vorgänge und auch der Lebensprozesse. Heute interessieren uns viel mehr
dieoffenenSysteme,zudenenauchunsereErdegehört;dasLebenaufunse-
remPlanetenverdankenwirdemUnterschiedzwischenderQualitätdervon
derSonneeingestrahltenunddervonderErdeemittiertenEnergie.
X Vorwort
Ein Literaturverzeichnis, das dem Leser ein vertieftes Weiterstudium er-
möglichensollte,schließtdasBuchab.
Als erstes möchte ich mich bei Wolf Beiglböck bedanken für den Vor-
schlag dieses Lehrbuch basierend auf Abbildungen zu gestalten und da-
durcheineanschaulicheDarstellungzuerreichen.AuchderTiteldesBuches
stammtvonihm.GernotVogthatseinekünstlerischeNeigungmitErfolgin
denAbbildungendesBuchesgezeigt.
Der Abschnitt Elektrizität in der Biologie wurde in Zusammenarbeit mit
HeinzHorner(Heidelberg)verfasst,BindungscocktailsentstandmitderHil-
fe von Samo Fišinger (Ljubljana) und Energieübertragung mit Dušan Povh
(Nürnberg).
Für kritische Bemerkungen und Verbesserungsvorschläge danke ich Jörg
Hüfner(Heidelberg), Karl-Tasso Knöpfle(Heidelberg), Dietrich Pelte (Hei-
delberg), Mitja Rosina (Ljubljana) und Bernhard Schwingenheuer (Heidel-
berg).
Bei der Textverarbeitung haben geholfen Tina Pollmann, Volkhard Mä-
ckel,GerhardZuern,ReneeKlawitterundJuliaSerwane.
Im letzten Jahr des Buchschreibens hat Kirsten Schnorr in sprachlichen
und technischen Fragen wesentlich zur Fertigstellung des Buches beigetra-
gen.
Heidelberg,imNovember2010 BogdanPovh