Sexl Physik 8, Schulbuch

3 | Inhaltsverzeichnis Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Physik des 20. Jahrhunderts 5 1 Spezielle Relativitätstheorie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1 Vom Äther zur Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Die Grundlagen der Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . 10 1.3 Die Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4 Was bedeutet „gleichzeitig“?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 Synchronisation von Uhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.6 Relativistisches Beobachten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.7 Die Relativität der Gleichzeitigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.8 Die Relativität von Zeiten: Zeitdilatation . . . . . . . . . . 16 1.9 Die Relativität von Längen: Lorentzkontraktion. . . . 19 1.10 Erscheinungsbild von relativistisch bewegten Körpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.11 Umrechnung von Koordinaten zwischen Bezugssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.12 Masse und Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2 Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie . . . . 28 2.1 Die Rotverschiebung im Gravitationsfeld . . . . . . . . . 28 2.2 Uhren im Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3 Maßstäbe im Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4 Messung und Konsequenzen der Raumkrümmung 33 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Quantenphysik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1 Licht besteht aus Teilchen – Photonen. . . . . . . . . . . . 37 3.2 Lichtteilchen und Lichtwellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3 Materiewellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4 Die Heisenberg’sche Unschärferelation . . . . . . . . . . . 43 3.5 Beispiele zur Unschärferelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.6 Eigenschaften von Quantenobjekten: Polarisiertes Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.7 Erkenntnisprobleme der Quantenphysik . . . . . . . . . . 48 3.8 Verschränkung – Das EPR-Experiment . . . . . . . . . . . . 49 3.9 Optik mit Elektronen: Elektronenmikroskopie . . . . . 50 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Weiterführende Fragestellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Zusammenfassende Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Interdisziplinäre Physik 53 1 Chaos – Zufall oder Gesetz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 1.1 Eine wissenschaftliche Revolution?. . . . . . . . . . . . . . . 54 1.2 Kausalität und Vorhersagbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2 Globaler Klimawandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.1 Das globale Klima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.2 Berechnung der Temperatur der Erde . . . . . . . . . . . . 59 2.3 Der Treibhauseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.4 Zukunftsszenarien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.5 Temperaturstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3 Maßgeschneiderte Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1 Die Natur als unsere Lehrmeisterin. . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2 Mikrosystemtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.3 Nanotechnologie – Nanophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Weiterführende Fragestellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Zusammenfassende Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Mikro- und Makrokosmos 79 1 Kernphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 1.1 Die Struktur der Atomkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 1.2 Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 1.3 Strahlenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 1.4 Kernenergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 2 Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 2.1 Kosmische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 2.2 Beschleuniger und Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2.3 Die Vielfalt der Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 2.4 Das Quarkmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 2.5 Teilchen übertragen Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2.6 Starke Kräfte zwischen Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2.7 Schwache Wechselwirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 2.8 Standardmodell und das Higgs-Teilchen . . . . . . . . . . 113 2.9 Praktischer Nutzen von Grundlagenforschung . . . . 115 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3 Astrophysik – Sterne und Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.1 Eigenschaften von Sternen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.2 Sternentwicklung – Elementsynthese . . . . . . . . . . . . . . 122 3.3 Aufbau und Verteilung der Galaxien . . . . . . . . . . . . . . 127 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4 Kosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.1 Die Expansion des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.2 Der Urknall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.3 Das frühe Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.4 Offene Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Teste dein Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Weiterführende Fragestellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Zusammenfassende Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Anhang Rechenbeispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Lösungen zu den Rechenaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv