Übungsbuch Physik für Dummies
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3. Auflage 2021
© 2021 Wiley-VCH GmbH, Weinheim
Original English language edition © 2014 by Wiley Publishing, Inc. All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.
Copyright der englischsprachigen Originalausgabe © 2014 by Wiley Publishing, Inc. Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.
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Coverfoto: Shutter81- stock.adobe.com
Korrektur: Petra Heubach-Erdmann
Print ISBN: 978-3-527-71843-6
ePub ISBN: 978-3-527-83372-6
Steve Holzner war preisgekrönter Autor von mehr als 100 Büchern, darunter auch Physik für Dummies. Er studierte Physik am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und promovierte an der Cornell University. Er unterrichtete dort sowie am MIT mehr als zehn Jahre, wobei er auch Physik-Grundkurse gab.
Für Nancy.
An dem Buch, das Sie in Ihren Händen halten, haben viele Menschen mitgewirkt. Ganz besonders danke ich Tracy Boggier, Kelly Ewing, Kathy Simpson, Elizabeth Rea, James Kovalcin, Heather Kolter und Lynsey Osborn.
Dr. Regine Freudenstein studierte Physik in Göttingen, Hannover und Kassel. Sie promovierte mit einer Arbeit über nanokristalline Schichten aus superhartem kubischem Bornitrid; ihr Spezialgebiet ist die Abscheidung, Charakterisierung und Anwendung von Nanoschichten mit herausragenden mechanischen Eigenschaften.
Dr. Wilhelm Kulisch ist Privatdozent für Experimentalphysik an der Universität Kassel. Er studierte Physik in Münster und Kassel und arbeitete lange am Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik in Kassel im Bereich der Dünnschichttechnologie. Er beschäftigte sich unter anderem mit Nanoschichten für Computerchips, nanokristallinen superharten Materialien, Schichten mit molekularem Design sowie Nanobeschichtungen für künstliche Gelenke. Derzeit ist er an Nanodiamant und Kohlenstoff-Nanoröhrchen für biomedizinische Anwendungen interessiert.
Physik beschäftigt sich mit der Welt und all ihren Bestandteilen. Sie beschreibt die Welt und alles, was in ihr vorhanden ist und was in ihr vorgeht. Trotzdem haben manche Menschen den Eindruck, dass die Physik eine ihnen von außen auferlegte Last ist – etwas, durch das man irgendwie durchmuss.
Das ist eigentlich eine Schande, denn es ist Ihre Welt, die die Physik beschreibt. Natürlich können physikalische Aufgaben auch manchmal schwierig sein. Aber dafür ist dieses Buch gedacht: Es soll Ihnen helfen, solche Aufgaben mit Leichtigkeit anzugehen.
Die kirchhoffschen Gesetze? Kein Problem! Die Carnot-Maschine? Kein Grund zur Beunruhigung! Das finden Sie alles in diesem Buch. Wenn Sie es gelesen haben, sind Sie ein Profi in der Lösung von Physikaufgaben.
Dieses Buch ist voll von physikalischen Aufgaben (das ist seine Zielsetzung); es beabsichtigt, Ihnen Lösungswege für die vielen Aufgaben aufzuzeigen, die Ihnen im Physikunterricht begegnen.
In diesem Buch finden Sie Lösungen von Aufgaben, die denen im Physikunterricht ähneln. Wenn Sie lernen, wie man es macht, sollte die Lösung anderer Aufgaben ein Klacks sein.
Sie können dieses Buch in jeder beliebigen Reihenfolge lesen; Sie müssen es nicht unbedingt von vorne nach hinten durcharbeiten. Wie alle … für Dummies-Bücher ist es so aufgebaut, dass Sie weitgehend frei darin umherschweifen können. Sie müssen nicht ein Kapitel nach dem anderen lesen, wenn Sie es nicht wollen. Dies ist Ihr Buch, und die Physik gehört Ihnen.
In vielen Büchern werden zahlreiche Schreibweisen festgelegt, die man erst lernen muss, bevor man mit dem Lesen anfangen kann. In diesem Buch nicht. Alles, was Sie wissen müssen, ist, dass neue Begriffe in kursiver Schrift eingeführt werden. Darüber hinaus sollten Sie wissen, dass Vektoren, also die Größen, die sowohl einen Betrag als auch eine Richtung besitzen, fett gedruckt sind, wie zum Beispiel B.
Dies sind alle Konventionen, die Sie kennen müssen; andere sind nicht notwendig.
Ich gehe davon aus, dass Sie dieses Buch zusammen mit einem Physik-Lehrbuch benutzen, denn die Herleitungen physikalischer Gleichungen sind äußerst knapp gehalten. Der Schwerpunkt liegt auf der Lösung von Aufgaben, nicht in der Ableitung von Formeln. Daher sind einige Grundkenntnisse der Physik, die Sie hier benutzen werden, sehr hilfreich. Dieses Buch will Ihnen beim Wesentlichen helfen, es soll die Themen nicht von Grund auf entwickeln.
Sie sollten auch etwas rechnen können. Sie müssen kein Algebraprofi sein, aber Sie sollten in der Lage sein, Terme von einer Seite einer Gleichung auf die andere zu bringen und Gleichungen mit Zahlen zu lösen. Werfen Sie einen Blick auf die Darstellung in Kapitel 1, wenn Sie sich unsicher sind.
Sie brauchen auch ein paar Grundbegriffe der Trigonometrie, aber nicht sehr tief gehend. Außerdem wird in Kapitel 1 alles, was notwendig ist – etwa Sinus und Kosinus –, noch einmal kurz wiederholt.
Um die Arbeit mit diesem Buch zu erleichtern, ist es in sechs Teile gegliedert. Der folgende Abriss gibt einen Überblick, wie jeder Teil dazu beitragen wird, Ihnen bei Ihren Physikaufgaben zu helfen.
Dieser einführende Teil macht Sie mit den Grundlagen vertraut, die Sie für den Rest des Buchs benötigen. Alles Wesentliche wird erläutert, Maßsysteme, Umrechnungen zwischen Einheiten und vieles mehr.
In diesem Teil wird ein sehr wichtiges Thema der Physik behandelt: Kräfte. Unter anderem finden Sie in diesem Abschnitt, wie Kräfte mit Beschleunigung und Impulsänderung zusammenhängen. Außerdem lernen Sie alles über Reibung und wie Reibungskräfte gegen Sie arbeiten, wenn Sie etwas anschieben wollen.
Dieser Teil handelt von Energie und Arbeit, zwei Themen, die jedem Physiker lieb und teuer sind. Wenn man eine Kraft anwendet und etwas bewegt, verrichtet man Arbeit; wie viel, wird in diesem Teil genau ausgerechnet. Wenn man einen Gegenstand hochhebt, verleiht man ihm potenzielle Energie. Wenn man ihn auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, erhält er kinetische Energie. Sie erwerben in diesem Teil also alle Kenntnisse, die Sie für Aufgaben im Zusammenhang mit Arbeit und Energie benötigen.
Wie heiß wird Kaffee noch sein, wenn man einen Eiswürfel hineingibt? Wie viel Wärme muss man zufügen, wenn man laues Wasser zum Kochen bringen will? Wie viel Wärme muss man entziehen, um Wasser zum Gefrieren zu bringen? Diese Art von Fragen behandeln wir in diesem Teil, der sich mit der Thermodynamik (Wärmelehre) beschäftigt.
Dieser Teil erklärt alles über Elektronen, die sich bewegen, das heißt elektrischen Strom. Außerdem lernen Sie, wie man Widerstände und andere Elemente in Schaltkreisen verwendet und wie man den Strom in verschiedenen Zweigen eines Schaltkreises berechnet.
Dieser Teil enthält einige wichtige Hilfsmittel; zum Beispiel zehn gute Webseiten mit physikalischen Grundlagen und Kursen. Außerdem werden die zehn häufigsten Fehler vorgestellt, die bei der Lösung physikalischer Aufgaben gemacht werden – und wie man sie vermeidet.
In diesem Buch werden verschiedene Symbole benutzt, die die folgenden Bedeutungen haben:
Dieses Symbol verweist auf nützliche Tipps, Ideen und abgekürzte Verfahren, die helfen, Zeit zu sparen, oder auf andere Wege hindeuten, eine Aufgabe anzugehen.
Dieses Symbol verweist auf physikalische Gesetze oder besonders nützliche Gleichungen, die man sich merken sollte.
Dieses Symbol verweist auf Beispiele, die zeigen, wie man eine bestimmte Art von Aufgaben angeht.
Bei diesem Symbol finden Sie die Lösungen zu den Beispiel-Aufgaben.
Sie sind nun bereit, sich das erste Kapitel vorzunehmen. Natürlich müssen Sie nicht dort beginnen, Sie können überall anfangen. Dieses Buch wurde so geschrieben, dass das möglich ist. Wenn Sie aber einige wichtige, allgemeine Grundlagen für das Lösen von Aufgaben kennenlernen wollen, starten Sie mit Kapitel 1.
Teil I
