Wie Physiker Denken: Schritt Für Schritt in Die Physik Mit Beispielen Zur Bewegung Starrer Körper

ISBN-13: 9783662645604 / Niemiecki / Miękka / 2022

Jürgen Thomas

Opis

Dieses Buch zeigt das physikalische Denken anhand von mehr als 50 Beispielen aus dem Bereich der Bewegung starrer Körper und führt dabei in Grundprinzipien der Mechanik ein. Die Problemstellungen werden ausführlich erläutert und die Lösungswege detailliert beschrieben. Wichtige mathematische Werkzeuge werden aus Sicht eines Physikers erläutert.

Denn Physik ist nicht nur eine von vielen Wissenschaften, sie ist auch eine besondere Denkweise, um Lösungen zu finden. Damit ist die Physik Vorreiter für viele Zweige von Wissenschaft und Technik. 

Dieses Buch richtet sich daher als erste Einführung in die klassische Physik an eine breitere Leserschaft, unter anderem Schüler und Schülerinnen mit Leistungskurs Physik, Studierende und andere, physikalisch interessierte Personen.

Spis treści

Inhalt

    Vorwort                                                                                                                            

    Inhalt                                                                                                                       

1  Worum geht es?                                                                                                           

2  Wir fahren mit der Eisenbahn (oder dem Bus)                                                   

   2.1  Wir nutzen den Fahrplan                                                                                       

   2.2  Im Geschwindigkeitsrausch                                                                                   

   2.3  Wir ändern die Geschwindigkeit                                                                           

   Quellenhinweise                                                                                                              

3  Wir fangen von hinten an                                                                                          

   3.1  Auf der Landstraße (oder der Autobahn)                                                           

   3.2  Im freien Fall                                                                                                           

   3.3  Der schräge Wurf nach oben                                                                                

   3.4  Wir bewegen uns im Kreis                                                                                     

   Quellenhinweise                                                                                                               

4  Was uns antreibt                                                                                                          

   4.1  Hoch lebe Sir Isaac Newton                                                                                  

   4.2  Nochmal Isaac Newton (und Johannes Kepler)                                                 

   4.3  Ist der Fall wirklich frei?                                                                                        

   4.4  Flug der Kanonenkugel                                                                                         

   4.5  Wir geraten unter Zwang und auf die schiefe Ebene                                       

   4.6  Die Reibung: Fluch und Segen                                                                             

        4.6.1  Auf dem Sandhaufen                                                                                              

        4.6.2  Kurvenfahrten                                                                                              

   4.7  Auf und ab, hin und her: Wir schwingen                                                            

       4.7.1  Beim Federschwinger geht’s harmonisch zu                                              

       4.7.2  Harmonisch auch beim Pendel?                                                                    

       4.7.3  Ein absurdes Gedankenexperiment                                                             

       4.7.4  Schwingung mit Hemmnissen                                                                      

       4.7.5  Schwingung unter Zwang                                                                              

       4.7.6  Wir schwingen im Takt und bilden eine Welle                                        

   4.8  Auf der Schaukel                                                                                                 

   4.9  Die Erde ist ein Karussell                                                                                     

   Quellenhinweise                                                                                                            

5  Es ist nicht die Kraft allein                                                                                    

    5.1  Es gibt Arbeit                                                                                                            

5.2  Der Flaschenzug                                                                                      

    5.3  Nochmal zur Reibung                                                                                             

5.4  Wir speichern Arbeit als Energie                                                                       

    5.5  Der starre Körper als Federmodell                                                                   

    5.6  Auf die Leistung kommt es an                                                                         

    Quellenhinweise                                                                                                           

6  Mehrere Massen sind im Spiel                                                                             

    6.1  Billard als Gedankenexperiment                                                                     

       6.1.1  Kraftstoß und Impuls                                                                                   

       6.1.2  Zentraler elastischer Stoß                                                                           

       6.1.3  Experiment mit überraschendem Ergebnis                                              

       6.1.4  Schiefer elastischer Stoß                                                                          

    6.2  Die stoßenden Massen sind verschieden und bewegen sich beide           

    6.3  Unelastischer Stoß                                                                                              

       6.3.1  Der springende Ball                                                                                     

       6.3.2  Ein Crashtest                                                                                                 

    6.4  Rückstoß                                                                                                             

       6.4.1  Ein Mann in einem Boot                                                                                           

       6.4.2  Das zerplatzende Geschoss                                                                        

       6.4.3  Der Raketenantrieb                                                                                     

    Quellenhinweise                                                                                                          

7  Es dreht sich was                                                                                                      

    7.1  Wir drehen am Rad                                                                                                         

       7.1.1  Es ist nicht die Kraft allein: Drehmoment                                               

       7.1.2  Trägheit rotierender starrer Körper (Trägheitsmoment)                      

       7.1.3  Energie bei der Rotation                                                                             

    7.2  Impuls bei der Rotation: Drehimpuls                                                                            

       7.2.1  Schneller rotieren: Pirouette                                                                      

       7.2.2  Rotation um verschiedene Achsen: Kreisel                              

       7.2.3  Kraftprotz im Zentrum: Zentralkraft                                                        

    Quellenhinweise                                                                                                        

8  Translation und Rotation                                                                                       

    8.1  Der starre Körper im Raum                                                                              

       8.1.1  Position und Orientierung des starren Körpers                                       

       8.1.2  Drehung um raumfeste Achsen                                                                 

    8.2  Der starre Körper bewegt sich                                                                          

       8.2.1  Der Massenmittelpunkt – ein geeigneter Bezugspunkt                          

       8.2.2  Massenmittelpunkt und Gleichgewicht                                                     

       8.2.3  Etwas einfacher: Bewegung in der Ebene                                                           

    8.3  Was wissen wir über Translation und Rotation?                                              8.4  Beispiele                                                                                                                   

       8.4.1  Schwungrad und fallende Masse am Seil                                                        

       8.4.2  Die rollende Kugel                                                                                        

       8.4.3  Der rollende Wagen                                                                                     

    Quellenhinweise                                                                                                                                  

9  Mathematische Sicherungshaken                                                                          

   9.1  Infinitesimalrechnung                                                                                          

      9.1.1  Differentialrechnung                                                                                      

      9.1.2  Extremwertbestimmung                                                                                      

      9.1.3  Reihenentwicklung von Funktionen                                              

      9.1.4  Integralrechnung                                                                                              

   9.2  Binomialkoeffizienten                                                                                           

   9.3  Beweis durch vollständige Induktion                                                                

   9.4  Quadratische Gleichungen                                                                                 

   9.5  Trigonometrische Funktionen                                                                            

   9.6  Raumwinkel                                                                                                           

   9.7  Besondere Zahlen                                                                                                 

      9.7.1  Das Geheimnis hinter der Zahl π                                                                 

      9.7.2  Die natürliche Zahl e                                                                                     

      9.7.3  Die zauberhafte imaginäre Einheit i                                                           

   9.8  Vektoren                                                                                                                 

   9.9  Matrizen und Determinanten                                                                             

      9.9.1  Matrizen                                                                                                                

      9.9.2  Determinanten                                                                                                

      9.9.3  Lösung linearer Gleichungssysteme mithilfe von Determinanten      

      9.9.4  Beispiel: Drehung eines kartesischen Koordinatensystems                   

   Quellenhinweise                                                                                                            

10  Resümee                                                                                                                    

      Symbole und Konstanten                                                                                      

      Sachwortverzeichnis                                                                                              

 

O autorze

Jürgen Thomas (Jahrgang 1948) studierte von 1966 bis 1971 an der Technischen Universität Dresden Physik. Er schloss 1970 Bekanntschaft mit der Elektronenmikroskopie und diplomierte und promovierte bei Prof. Alfred Recknagel in Dresden mit Arbeiten zur Elektronenmikroskopie und zu Elektron-Festkörper-Wechselwirkungen. Ab 1978 war er in der Industrieforschung für die Entwicklung von Elektronenstrahlschweiß- und Vakuumtechnologien verantwortlich. 1990 wandte er sich wieder der Elektronenmikroskopie zu und trat in das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden ein, wo er bis Ende 2019 im Labor für analytische Transmissionselektronenmikroskopie arbeitete. Im Ruhestand befasst er sich mit Erläuterungen zu physikalischen Grundlagen. In diesem Zusammenhang entstand das vorliegende Buch.

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Dieses Buch zeigt das physikalische Denken anhand von mehr als 50 Beispielen aus dem Bereich der Bewegung starrer Körper und führt dabei in Grundprinzipien der Mechanik ein. Die Problemstellungen werden ausführlich erläutert und die Lösungswege detailliert beschrieben. Wichtige mathematische Werkzeuge werden aus Sicht eines Physikers erläutert.

Denn Physik ist nicht nur eine von vielen Wissenschaften, sie ist auch eine besondere Denkweise, um Lösungen zu finden. Damit ist die Physik Vorreiter für viele Zweige von Wissenschaft und Technik. 

Dieses Buch richtet sich daher als erste Einführung in die klassische Physik an eine breitere Leserschaft, unter anderem Schüler und Schülerinnen mit Leistungskurs Physik, Studierende und andere, physikalisch interessierte Personen.

Der Autor

Jürgen Thomas (Jahrgang 1948) studierte von 1966 bis 1971 an der Technischen Universität Dresden Physik. Er schloss 1970 Bekanntschaft mit der Elektronenmikroskopie und diplomierte und promovierte bei Prof. Alfred Recknagel in Dresden mit Arbeiten zur Elektronenmikroskopie und zu Elektron-Festkörper-Wechselwirkungen. Ab 1978 war er in der Industrieforschung für die Entwicklung von Elektronenstrahlschweiß- und Vakuumtechnologien verantwortlich. 1990 wandte er sich wieder der Elektronenmikroskopie zu und trat in das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden ein, wo er bis Ende 2019 im Labor für analytische Transmissionselektronenmikroskopie arbeitete. Im Ruhestand befasst er sich mit Erläuterungen zu physikalischen Grundlagen. In diesem Zusammenhang entstand das vorliegende Buch.