inhaltsverzeichnis - Sterne und Weltraum

INHALTSVERZEICHNIS
I I
G
GRÖSSEN UND EINHEITEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1
Physikalische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 Basisgrößenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Abgeleitete Größenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Skalare Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Vektorielle Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Rechnen mit vektoriellen Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.1 Summe vektorieller Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.2 Differenz vektorieller Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.3 Produkt einer vektoriellen mit einer skalaren Größe . .
1.7.4 Skalarprodukt zweier vektorieller Größen . . . . . . . . . .
1.7.5 Vektorprodukt zweier vektorieller Größen . . . . . . . . . .
1.7.6 Komponentendarstellung vektorieller Größen . . . . . .
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26
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31
31
32
33
2
Gleichungen physikalischer Größen . . . . .
2.1 Größengleichungen . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Zugeschnittene Größengleichungen . .
2.2.1 Tabellenköpfe . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Koordinatenachsen . . . . . . . . .
2.3 Zahlenwertgleichungen . . . . . . . . . . .
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36
36
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39
3
M
4
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Internationales Einheitensystem (SI) . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 Basiseinheiten des SI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Abgeleitete SI-Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Dezimale Vielfache und Teile der SI-Einheiten . . . . . . . . .
3.4 Einheiten außerhalb des SI (SI-fremde Einheiten) . . . . . .
3.5 Gesetzliche Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Physikalische Größenarten und ihre Einheiten . . . . . . . .
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MECHANIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.........................
Basiseinheiten der Mechanik
4.1 Einheit der Länge . . . . .
4.1.1 Fläche . . . . . . . .
4.1.2 Volumen . . . . . .
4.1.3 Winkel . . . . . . .
4.2 Zeiteinheit . . . . . . . . . .
4.3 Masseneinheit . . . . . . .
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10
5
6
7
Inhaltsverzeichnis
Statik des starren Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
5.1 Zusammensetzen von Kräften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.1 Kräfte mit gleicher Wirkungslinie . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.2 Kräfte mit gleichem Angriffspunkt . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.3 Kräfte mit verschiedenen Angriffspunkten . . . . . . . . . 57
5.1.4 Parallele Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Zerlegen von Kräften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.3 Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4 Gleichgewichtsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.5 Einfache Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5.1 Hebel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5.2 Feste Rolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.5.3 Lose Rolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.5.4 Flaschenzug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.5.5 Differenzialflaschenzug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.5.6 Geneigte Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.5.7 Keil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.5.8 Schraube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.6 Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.6.1 Schwerpunkt (Massenmittelpunkt) . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.6.2 Gleichgewichtsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.6.3 Standfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
6.1 Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.1.1 Gleichförmige Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1.2 Gleichmäßig beschleunigte Translation . . . . . . . . . . . 70
6.1.3 Ungleichmäßig beschleunigte Translation . . . . . . . . . 74
6.2 Fall und Wurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2.1 Freier Fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2.2 Senkrechter Wurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2.3 Zusammengesetzte Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2.4 Waagerechter Wurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.5 Schräger Wurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3 Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3.1 Gleichförmige Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.2 Gleichmäßig beschleunigte Rotation . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.3 Ungleichmäßig beschleunigte Rotation . . . . . . . . . . . 91
6.3.4 Bewegung auf der Kreisbahn (Umfangsbewegung) . . . 94
6.3.5 Größen der Rotation als Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.4 Krummlinige Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
7.1 Kräfte bei der Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.1.1 Masse und Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.1.2 Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.1.3 Federkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
11
Inhaltsverzeichnis
7.2
7.3
7.4
7.5
8
9
7.1.4 Reibungskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.5 Trägheitskräfte bei der Translation . . . . . . . . . .
Arbeit, Energie und Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.1 Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.3 Gesetz von der Erhaltung der Energie . . . . . . . .
7.2.4 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.5 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Impuls und Stoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.1 Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.2 Kraftstoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.3 Impulssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.4 Elastischer Stoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.5 Unelastischer Stoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.6 Teilelastischer Stoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dynamik der Drehbewegung (Dynamik starrer Körper) .
7.4.1 Zentripetalkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2 Trägheitskräfte bei der Rotation . . . . . . . . . . . .
7.4.3 Dynamisches Grundgesetz der Rotation . . . . . .
7.4.4 Trägheitsmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.5 Arbeit bei der Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.6 Leistung bei der Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.7 Rotationsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.8 Drehimpuls (Drall) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.1 Gravitationsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.2 Fallbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.3 Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.4 Arbeit im Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.5 Astronautische Geschwindigkeiten . . . . . . . . .
7.5.6 Kepler’sche Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.7 Daten des Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . .
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Ruhende Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1 Druck in Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.1 Kolbendruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.2 Schweredruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2 Kompressibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3 Auftrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1 Bestimmung der Dichte fester Körper . . . . . . . . .
8.3.2 Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten . . . . .
Ruhende Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1 Druck und Volumen eines Gases . . . . .
9.1.1 Überdruck . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1.2 Messung des Gasdrucks . . . . . .
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106
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117
117
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124
124
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144
144
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. . . 150
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151
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. . . . . . . . . . . . . . . . . 157
I
12
Inhaltsverzeichnis
9.2
10
11
12
13
Luftdruck . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.1 Luftdruckmessung . . .
9.2.2 Wirkung des Luftdrucks
9.2.3 Auftrieb in Gasen . . . .
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157
159
160
160
Strömungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1 Reibungsfreie Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.1 Ausfluss aus Gefäßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.2 Durchfluss durch Röhren . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.3 Druck in Strömungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.4 Druckmessung in Strömungen . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Laminare Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 Dynamische Viskosität (Zähigkeit) . . . . . . . . . . .
10.2.2 Laminare Strömung durch ein Rohr . . . . . . . . . .
10.2.3 Laminare Strömung um eine Kugel . . . . . . . . . .
10.3 Turbulente Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.1 Strömungswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.2 Strömungsleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.3 Reynolds’sches Ähnlichkeitsgesetz . . . . . . . . . . .
. . . 161
Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1 Molekularkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.1 Kohäsion und Adhäsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.2 Oberflächenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.3 Kapillarität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 Molekularbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.1 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.2 Osmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3 Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.1 Molekulardisperse Systeme (echte Lösungen) . . .
11.3.2 Kolloiddisperse Systeme (kolloide Lösungen) . . .
11.3.3 Korpuskulardisperse Systeme . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 176
Elastizität fester Körper . .
12.1 Dehnung . . . . . . . . .
12.2 Kompression . . . . . .
12.3 Scherung . . . . . . . . .
12.4 Torsion (Drillung) . . .
12.5 Härte . . . . . . . . . . . .
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161
161
162
163
165
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172
173
173
174
174
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176
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181
181
181
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182
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Mechanische harmonische Schwingungen . . . . . . . . . . . .
13.1 Ungedämpfte harmonische Schwingung . . . . . . . . . . . .
13.1.1 Phasenwinkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.2 Elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.3 Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.4 Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.5 Rückstellkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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13
Inhaltsverzeichnis
14
13.2 Eigenfrequenz der ungedämpften harmonischen Schwingung
13.2.1 Schwingungsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.2 Lineare Federschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.3 Drehschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.4 Pendelschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.5 Flüssigkeitsschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.6 Schwingungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3 Freie gedämpfte Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.1 Schwingungsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.2 Elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.3 Eigenfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.4 Aperiodische Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4 Erzwungene Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.1 Schwingungsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.2 Elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.3 Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5 Überlagerung von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.1 Schwingungen gleicher Richtung und Frequenz . . . . .
13.5.2 Schwingungen gleicher Richtung und ungleicher
Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5.3 Schwingungen ungleicher Richtung . . . . . . . . . . . . . .
13.6 Gekoppelte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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218
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222
226
Mechanische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1 Wellenausbreitung . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.1 Huygens’sches Prinzip . . . . . . .
14.1.2 Wellenarten . . . . . . . . . . . . . .
14.2 Lineare Sinuswelle . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.1 Wellengleichung . . . . . . . . . . .
14.2.2 Elongation . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.3 Phasengeschwindigkeit . . . . . .
14.2.4 Phasensprung . . . . . . . . . . . . .
14.2.5 Stehende Wellen . . . . . . . . . . .
14.3 Wellen in ausgedehnten Medien . . . . .
14.3.1 Überlagerung . . . . . . . . . . . . .
14.3.2 Reflexion . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.3 Brechung . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.4 Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4 Größen des Wellenfeldes . . . . . . . . . . .
14.4.1 Energiedichte . . . . . . . . . . . . .
14.4.2 Energiestrom . . . . . . . . . . . . .
14.4.3 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4.4 Intensität . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4.5 Wellenwiderstand . . . . . . . . . .
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I
14
W
15
16
17
Inhaltsverzeichnis
WÄRMELEHRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
. . . 241
Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.1 Temperaturskalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.2 Thermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2 Ausdehnung fester Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.1 Längenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.2 Flächenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.3 Volumenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3 Ausdehnung von Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3.1 Volumenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3.2 Dichteänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4 Ausdehnung der Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4.1 Volumenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4.2 Druckänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5 Gasgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5.1 Zustandsgleichung des idealen Gases . . . . . . . .
15.5.2 Gasdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5.3 Normvolumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5.4 Gasgemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5.5 Molare Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Wärmeenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1 Wärmemenge . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1.1 Wärmeinhalt . . . . . . . . . . . . . .
16.1.2 Wärmekapazität . . . . . . . . . . .
16.1.3 Wasserwert . . . . . . . . . . . . . . .
16.2 Spezifische Wärmekapazität . . . . . . . .
16.3 Wärmemischung . . . . . . . . . . . . . . . .
16.4 Wärmequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.4.1 Sonnenenergie . . . . . . . . . . . .
16.4.2 Verbrennungsenergie . . . . . . .
16.4.3 Elektrische Energie . . . . . . . . .
16.4.4 Mechanische Energie . . . . . . . .
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Aggregatzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.1 Schmelzen und Erstarren . . . . . . . . . . .
17.1.1 Schmelzpunkt . . . . . . . . . . . . . .
17.1.2 Erstarrungspunkt von Lösungen
17.1.3 Volumenänderung . . . . . . . . . .
17.1.4 Schmelzwärme . . . . . . . . . . . . .
17.1.5 Lösungswärme . . . . . . . . . . . . .
17.2 Verdampfen und Kondensieren . . . . . . .
17.2.1 Siedepunkt . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2.2 Siedepunkt von Lösungen . . . . .
17.2.3 Volumenänderung . . . . . . . . . .
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273
273
15
Inhaltsverzeichnis
17.2.4 Verdampfungswärme . . . . . . . . . . .
17.2.5 Verdunsten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2.6 Sublimieren . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3 Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3.1 Gesättigter Dampf . . . . . . . . . . . . . .
17.3.2 Ungesättigter Dampf . . . . . . . . . . . .
17.3.3 Dampfbildung im gaserfüllten Raum
17.3.4 Tripelpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3.5 Luftfeuchtigkeit . . . . . . . . . . . . . . .
17.4 Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4.1 Zustandsgleichung realer Gase . . . .
17.4.2 Kritische Temperatur . . . . . . . . . . . .
17.4.3 Verflüssigung der Gase . . . . . . . . . .
18
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280
281
282
Zustandsänderung des idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1 Erster Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.1 Volumenänderungsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.2 Innere Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.3 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2 Isochore Zustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.3 Isobare Zustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.4 Isotherme Zustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.5 Isentrope Zustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.6 Polytrope Zustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7 Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7.1 Carnot’scher Kreisprozess . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.7.2 Thermischer Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses
18.7.3 Thermische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.8 Zweiter Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.8.1 Reversible und irreversible Prozesse . . . . . . . . . .
18.8.2 Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 284
Kinetische Wärmetheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1 Anzahl und Masse der Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1.1 Loschmidt-Konstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1.2 Avogadro-Konstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1.3 Boltzmann-Konstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1.4 Masse eines Moleküls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2 Druck in einem Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.3 Geschwindigkeit der Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.3.1 Maxwell-Verteilung der Geschwindigkeit . . . . . .
19.3.2 Wahrscheinlichste Geschwindigkeit . . . . . . . . . .
19.3.3 Mittlere quadratische Geschwindigkeit . . . . . . . .
19.3.4 Mittelwert der Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . .
19.4 Energie der Moleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.4.1 Kinetische Energie eines Moleküls . . . . . . . . . . .
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310
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312
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313
314
314
315
315
I
16
20
A
21
22
23
Inhaltsverzeichnis
19.4.2 Gleichverteilungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.4.3 Innere Energie und spezifische Wärmekapazität .
19.5 Stoßzahl und freie Weglänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.5.1 Mittlere Stoßzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.5.2 Mittlere freie Weglänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wärmetransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.1 Wärmeströmung (Konvektion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.2 Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3 Wärmeübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.4 Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.5 Temperaturstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.5.1 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.5.2 Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.5.3 Strahlungsgesetz von Stefan und Boltzmann . . .
20.5.4 Strahlungsgesetz von Planck . . . . . . . . . . . . . . .
20.5.5 Verschiebungsgesetz von Wien . . . . . . . . . . . . .
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332
AKUSTIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
. . . 333
Schallerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.1 Wesen des Schalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2 Schallquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2.1 Schwingende Saiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2.2 Schwingende Luftsäulen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3 Tonleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.1 Harmonische (diatonische) Tonleiter . . . . . . . . .
21.3.2 Chromatische Tonleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.3 Gleichmäßig temperierte chromatische Tonleiter
21.3.4 Normstimmton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.3.5 Intervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schallausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1 Schallgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.1 Schallgeschwindigkeit in Festkörpern . . . . . . . . .
22.1.2 Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten . . . . . . . .
22.1.3 Schallgeschwindigkeit in Gasen . . . . . . . . . . . . .
22.1.4 Schallgeschwindigkeit in Luft . . . . . . . . . . . . . . .
22.2 Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3 Überlagerung von Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3.1 Auslöschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3.2 Verstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.3.3 Schwebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schallmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1 Schallfeldgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1.1 Schallschnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1.2 Schalldruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23.1.3 Schallintensität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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346
346
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348
348
349
350
17
Inhaltsverzeichnis
23.1.4
23.1.5
23.2 Hören
23.2.1
23.2.2
23.2.3
24
O
25
Schallpegel . . . . . . . . .
Relativer Schallpegel . .
..................
Hörfläche . . . . . . . . . .
Lautstärkepegel . . . . .
Bewerteter Schallpegel
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Ultraschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24.1.1 Schallstärke . . . . . . . . . . . . . .
24.1.2 Ausbreitung . . . . . . . . . . . . . .
24.2 Erzeugung von Ultraschall . . . . . . . . . .
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OPTIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
. . . . . . . . . . . . . . . 360
Strahlenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.1 Lichtausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . .
25.1.1 Geradlinigkeit der Ausbreitung
25.1.2 Lichtgeschwindigkeit . . . . . . .
25.2 Reflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.2.1 Reflexionsgesetz . . . . . . . . . . .
25.2.2 Ebener Spiegel . . . . . . . . . . . .
25.2.3 Hohlspiegel (Konkavspiegel) . .
25.2.4 Wölbspiegel (Konvexspiegel) . .
25.3 Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.3.1 Brechungsgesetz . . . . . . . . . . .
25.3.2 Totalreflexion . . . . . . . . . . . . .
25.3.3 Planparallele Platte . . . . . . . . .
25.3.4 Prisma . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4 Linsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.1 Linsenarten . . . . . . . . . . . . . . .
25.4.2 Bestimmung der Brennweite . .
25.4.3 Konstruktion des Linsenbildes .
25.4.4 Abbildungsgesetze . . . . . . . . .
25.4.5 Dicke Linsen . . . . . . . . . . . . . .
25.4.6 Abbildungsfehler . . . . . . . . . .
25.5 Optische Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.5.1 Projektor . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.5.2 Kamera (Fotoapparat) . . . . . . .
25.5.3 Auge . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.5.4 Lupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25.5.5 Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . .
25.5.6 Fernrohre . . . . . . . . . . . . . . . .
25.6 Zerlegung des Lichts . . . . . . . . . . . . . .
25.6.1 Lichtquellen . . . . . . . . . . . . . .
25.6.2 Lichtzerlegung . . . . . . . . . . . .
25.6.3 Komplementärfarben . . . . . . .
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379
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383
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385
386
387
I
18
Inhaltsverzeichnis
25.6.4 Farbmischung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
25.6.5 Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
25.6.6 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
26
27
E
28
Wellenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.1 Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.1.1 Farben dünner Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.1.2 Newton’sche Ringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2 Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2.1 Beugung am engen Spalt . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2.2 Beugung am Doppelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2.3 Beugungsgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2.4 Beugungsspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.2.5 Beugung an kreisförmiger Öffnung . . . . . . . . . .
26.2.6 Auflösungsvermögen optischer Geräte . . . . . . .
26.3 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.3.1 Polarisation durch Reflexion . . . . . . . . . . . . . . . .
26.3.2 Polarisation durch Doppelbrechung . . . . . . . . . .
26.3.3 Spannungsdoppelbrechung . . . . . . . . . . . . . . .
26.3.4 Kerr-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.3.5 Optische Aktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26.3.6 Faraday-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 391
Lichtstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.1 Strahlungsphysikalische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2 Lichttechnische Größen (Fotometrie) . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.1 Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad . . . . . . . . . .
27.2.2 Lichtstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.3 Leuchtdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.4 Lichtstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.5 Spezifische Lichtausstrahlung . . . . . . . . . . . . . .
27.2.6 Lichtmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.7 Beleuchtungsstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.2.8 Belichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3 Fotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3.1 Messung der Lichtstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27.3.2 Messung des Gesamtlichtstroms . . . . . . . . . . . .
27.3.3 Messung der Beleuchtungsstärke . . . . . . . . . . . .
. . . 404
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ELEKTRIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
. . . 416
Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1 Elektrischer Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1.1 Elektrische Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.1.2 Elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.2 Elektrische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.2.1 Quellenspannung Uq (Urspannung) . . . . . . . . . .
28.2.2 Spannungsabfall U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Inhaltsverzeichnis
28.3 Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . .
28.3.1 Spezifischer elektrischer Widerstand
28.3.2 Widerstand und Temperatur . . . . . .
28.4 Elektrischer Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . .
28.5 Stromverzweigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.6 Schaltung von Widerständen . . . . . . . . . . .
28.6.1 Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . .
28.6.2 Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . .
28.6.3 Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . .
28.6.4 Wheatstone’sche Messbrücke . . . . .
28.7 Messung von Stromstärke und Spannung . .
28.7.1 Strommesser . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28.7.2 Spannungsmesser . . . . . . . . . . . . . .
28.8 Elektrische Arbeit und Leistung . . . . . . . . . .
28.8.1 Elektrische Arbeit . . . . . . . . . . . . . .
28.8.2 Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . .
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430
Elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.1 Elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2 Elektrische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2.1 Elektrisches Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2.2 Elektrische Flussdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2.3 Dielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.2.4 Feldstärke an Kugeloberflächen . . . . . . . . . . . . .
29.3 Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.3.1 Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.3.2 Parallelschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . .
29.3.3 Reihenschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . .
29.4 Kraft und Energie im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . .
29.4.1 Kraftwirkung im Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.4.2 Energie des Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.4.3 Energiedichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29.4.4 Auf- und Entladung eines Kondensators . . . . . . .
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Magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.1 Dauermagnetismus (permanenter Magnetismus) . . . . . .
30.1.1 Stabmagnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.1.2 Magnetfeld der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2 Elektromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.1 Magnetische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.2 Durchflutungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.3 Magnetische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.4 Magnetische Flussdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.5 Magnetischer Fluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.6 Stoff im magnetischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . .
30.2.7 Ferromagnetische Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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458
I
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33
Inhaltsverzeichnis
30.3 Elektromagnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.1 Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.2 Induktion im bewegten Leiter . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.3 Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.4 Schaltung von Induktivitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.3.5 Ein- und Ausschalten von Stromkreisen mit Induktivität
30.4 Kraft und Energie im magnetischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.1 Kraftwirkungen im Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.2 Energie des Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.3 Energiedichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30.4.4 Elektrische und magnetische Feldgrößen . . . . . . . . . .
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465
466
466
472
473
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Elektrische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . .
31.1 Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.1.1 Wechselstromgenerator . . . . .
31.1.2 Gleichstromgenerator . . . . . . .
31.1.3 Drehstromgenerator . . . . . . . .
31.2 Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.2.1 Wechselstrommotoren . . . . . .
31.2.2 Gleichstrommotoren . . . . . . . .
31.2.3 Drehstrommotoren . . . . . . . . .
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Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.1 Effektivwerte von Strom und Spannung .
32.2 Wechselstromwiderstand . . . . . . . . . . .
32.2.1 Induktiver Widerstand . . . . . . . .
32.2.2 Kapazitiver Widerstand . . . . . . .
32.2.3 Blindwiderstand . . . . . . . . . . . .
32.2.4 Scheinwiderstand . . . . . . . . . . .
32.2.5 Phasenverschiebung . . . . . . . . .
32.2.6 Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . .
32.3 Wechselstromleistung . . . . . . . . . . . . .
32.3.1 Wirkleistung . . . . . . . . . . . . . . .
32.3.2 Blindleistung . . . . . . . . . . . . . . .
32.3.3 Scheinleistung . . . . . . . . . . . . .
32.4 Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Elektrische Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1 Stromleitung durch Festkörper . . . . . .
33.1.1 Energiebändermodell . . . . . . .
33.1.2 Metallische Leiter . . . . . . . . . .
33.1.3 Thermoelektrizität . . . . . . . . . .
33.1.4 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.5 Eigenleitung . . . . . . . . . . . . . .
33.1.6 n-Leitung . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.7 p-Leitung . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.8 pn-Übergang . . . . . . . . . . . . .
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501
503
504
504
21
Inhaltsverzeichnis
33.1.9 Bipolarer Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.1.10 Unipolarer Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2 Stromleitung in Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.1 Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.2 Galvanische Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.2.3 Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.3 Stromleitung in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.3.1 Unselbstständige Entladung . . . . . . . . . . . . . .
33.3.2 Selbstständige Entladung . . . . . . . . . . . . . . . .
33.3.3 Glimmentladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.3.4 Kathodenstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.3.5 Kanalstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.3.6 Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.4 Stromleitung im Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33.4.1 Energie und Geschwindigkeit freier Elektronen .
33.4.2 Elektronenbewegung im elektrischen Querfeld
33.4.3 Elektronenemission aus Metallen . . . . . . . . . . .
33.4.4 Elektronenröhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
K
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Elektrische Schwingungen und Wellen . . . . . . . . . . . . . . .
34.1 Elektromagnetische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1.1 Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1.2 Ungedämpfte elektromagnetische Schwingung .
34.1.3 Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer
Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1.4 Offener Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.1.5 Gedämpfte elektromagnetische Schwingung . . .
34.2 Elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34.2.1 Elektromagnetische Welle auf einer Leitung . . . .
34.2.2 Freie elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . .
34.2.3 Spektrum elektromagnetischer Wellen . . . . . . . .
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510
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512
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514
515
515
516
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517
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531
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ATOM- UND KERNPHYSIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
. . . . . . . . . . . . . . . 537
Quanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.1 Energie-Masse-Relation . . . . . . . . . . . .
35.2 Photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.2.1 Masse des Photons . . . . . . . . .
35.2.2 Impuls des Photons . . . . . . . . .
35.2.3 Compton-Effekt . . . . . . . . . . . .
35.3 Materiewellen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35.4 Unschärferelation . . . . . . . . . . . . . . . .
Atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36.1 Aufbau und Kennzeichnung . . . . . . . .
36.1.1 Isotope Nuklide . . . . . . . . . . . .
36.1.2 Isobare Nuklide . . . . . . . . . . . .
36.1.3 Isotone Nuklide . . . . . . . . . . . .
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I
22
Inhaltsverzeichnis
36.2 Masse . . . . . . . . . . . . . .
36.2.1 Atommasse . . . . .
36.2.2 Anzahl der Atome
36.2.3 Massendefekt . . .
36.3 Kernbindungsenergie . . .
36.4 Größe . . . . . . . . . . . . . .
36.4.1 Elektronenradius .
36.4.2 Kernradius . . . . .
36.4.3 Atomradius . . . . .
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Atomhülle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.1 Bohr’sche Postulate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.1.1 1. Postulat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.1.2 2. Postulat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2 Wasserstoffatom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.1 Bahngeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.2 Umlauffrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.3 Bahnradius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.4 Energieniveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.5 Frequenzen der Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.2.6 Wasserstoffspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.3 Quantenzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.3.1 Hauptquantenzahl n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.3.2 Nebenquantenzahl l (Drehimpulsquantenzahl) . .
37.3.3 Magnetische Quantenzahl m . . . . . . . . . . . . . . .
37.3.4 Spinquantenzahl s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.3.5 Besetzung der Schalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.4 Strahlungsemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.4.1 Termschema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.4.2 Anregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.4.3 Metastabile Zustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.4.4 Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37.5 Wellenmechanisches Atommodell . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.1 Radioaktive Umwandlung (radioaktiver Zerfall) . . . . . . .
38.1.1 Stabilität des Kerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.1.2 α -Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.1.3 β -Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.1.4 β + -Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.1.5 γ -Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2 Statistik des Zerfalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2.1 Zerfallskonstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2.2 Zerfallsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2.3 Halbwertszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.2.4 Aktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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23
Inhaltsverzeichnis
39
40
R
41
38.3 Zerfallsreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.4 Schwächung der Kernstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.4.1 γ -Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.4.2 β -Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.4.3 α -Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.5 Dosimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.5.1 Energiedosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.5.2 Energiedosisleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.5.3 Ionendosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.5.4 Äquivalentdosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.6 Strahlenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38.7 Strahlennachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Künstliche Kernumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.1 Teilchenbeschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.2 Kernreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.3 Uranspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.3.1 Kettenreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.3.2 Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.4 Kernfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39.5 Anwendung radioaktiver Nuklide . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elementarteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.1 Elementare Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.1.1 Leptonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.1.2 Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.2 Zusammengesetzte Elementarteilchen (Hadronen) . . . .
40.2.1 Mesonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40.2.2 Baryonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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RELATIVISTISCHE MECHANIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
. . . . . . . . . . . . . . 595
Relativistische Mechanik . . . . . . . . . . . . . .
41.1 Galilei-Transformation . . . . . . . . . . . . . .
41.1.1 Zeitkoordinaten . . . . . . . . . . . .
41.1.2 Ortskoordinaten . . . . . . . . . . . .
41.1.3 Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . .
41.1.4 Beschleunigung . . . . . . . . . . . .
41.2 Lorentz-Transformation . . . . . . . . . . . .
41.2.1 Ortskoordinaten . . . . . . . . . . . .
41.2.2 Zeitkoordinaten . . . . . . . . . . . .
41.3 Relativistische Kinematik . . . . . . . . . . . .
41.3.1 Zeitdilatation . . . . . . . . . . . . . .
41.3.2 Längenkontraktion . . . . . . . . . .
41.3.3 Addition von Geschwindigkeiten
41.4 Relativistische Dynamik . . . . . . . . . . . .
41.4.1 Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41.4.2 Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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601
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I
24
Inhaltsverzeichnis
41.4.3 Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
41.4.4 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
F
FEHLERRECHNUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
42
Fehlerrechnung bei physikalischen Messungen . . . . . . . . . . . .
42.1 Fehlerbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.2 Systematische Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.3 Zufällige Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.3.1 Mittelwert der Messreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.3.2 Standardabweichung (mittlerer Fehler) der Einzelmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.3.3 Standardabweichung (mittlerer Fehler) des Mittelwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.4 Fehlerfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.4.1 Mittelwert des Funktionswertes . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.4.2 Mittlerer Fehler des Funktionswertes . . . . . . . . . . . . .
42.4.3 Größtfehler des Funktionswertes . . . . . . . . . . . . . . . .
42.4.4 Fehlerschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42.5 Darstellung des Endergebnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
T
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605
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606
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612
TABELLEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
Tabelle 1a
Tabelle 1b
Tabelle 1c
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Tabelle 8
Tabelle 9
Tabelle 10
Tabelle 11
Tabelle 12
Tabelle 13
Tabelle 14
Tabelle 15
Tabelle 16
Tabelle 17
Tabelle 18
Tabelle 19
Tabelle 20
Tabelle 21
Tabelle 22
Tabelle 23
Dichte fester Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dichte von Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Normdichte gasförmiger Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reibungszahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stoßzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kompressibilität von Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . .
Luftdruck in Abhängigkeit von der Höhe . . . . . . . . . . . .
Dynamische Viskosität und kinematische Viskosität . . . .
Widerstandsbeiwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Oberflächenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elastizitätsmodul, Schubmodul, Kompressionsmodul . . .
Längenausdehnungskoeffizient fester Stoffe . . . . . . . . .
Volumenausdehnungskoeffizient von Flüssigkeiten . . . .
Volumenausdehnungskoeffizient gasförmiger Stoffe . . .
Luftdichte in Abhängigkeit von Druck und Temperatur . .
Spezielle Gaskonstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dichte des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur
Spezifische Wärmekapazität fester Stoffe . . . . . . . . . . . .
Spezifische Wärmekapazität von Flüssigkeiten . . . . . . . .
Spezifische Wärmekapazität von Gasen . . . . . . . . . . . . .
Spezifischer Heizwert fester Brennstoffe . . . . . . . . . . . . .
Spezifischer Heizwert flüssiger Brennstoffe . . . . . . . . . .
Spezifischer Heizwert gasförmiger Brennstoffe . . . . . . . .
Schmelztemperatur und spezifische Schmelzwärme . . . .
Siedetemperatur und spezifische Verdampfungswärme .
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Inhaltsverzeichnis
Tabelle 24
Tabelle 25
Tabelle 26
Tabelle 27
Tabelle 28
Tabelle 29
Tabelle 30
Tabelle 31
Tabelle 32
Tabelle 33
Tabelle 34
Tabelle 35
Tabelle 36
Tabelle 37
Tabelle 38
Tabelle 39
Tabelle 40
Tabelle 41
Tabelle 42
Tabelle 43
Tabelle 44
Tabelle 45
Tabelle 46
Tabelle 47
Tabelle 48
Tabelle 49
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Tabelle 51
Tabelle 52
Tabelle 53
Tabelle 54
Tabelle 55
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Tabelle 57
Tabelle 58
Tabelle 59
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Tabelle 61
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S
Siedetemperatur des Wassers in Abhängigkeit vom Druck . . .
Siedetemperatur des Wassers in Abhängigkeit vom Luftdruck .
Sättigungsdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sättigungsdruck und Sättigungsmenge für Wasserdampf . . . .
Kryoskopische und ebullioskopische Konstante . . . . . . . . . . .
Van-der-Waals-Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kritische Temperatur und kritischer Druck . . . . . . . . . . . . . . .
Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wärmeübergangskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wärmedurchgangskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Emissionsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schallgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schalldämmmaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lautstärkepegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Brechzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grenzwinkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polarisationswinkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wellenlängen wichtiger Spektrallinien . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mittlere Dispersion und Abbe’sche Zahl . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gesamtlichtstrom und Lichtausbeute von Lampen . . . . . . . . .
Spezifischer elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Temperaturkoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Permittivitätszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Permeabilitätszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Curie-Temperatur ferromagnetischer Stoffe . . . . . . . . . . . . . .
Beweglichkeit von Ladungsträgern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sprungtemperatur bei Supraleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrochemisches Äquivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrochemische Spannungsreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ablösearbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektronenanordnung bei den Elementen . . . . . . . . . . . . . . .
Chemische Elemente und ihre Isotope . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Halbwertszeit und Zerfallsenergie radioaktiver Isotope . . . . . .
Schwächungskoeffizient für γ -Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . .
Schwächungskoeffizient für γ -Strahlung des Co-60 . . . . . . . .
Halbwertsschichtdicke für γ -Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maximale Reichweite und Halbwertsschichtdicke für β -Strahlung in Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dosisleistungskonstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Griechische Buchstaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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SACHWORTVERZEICHNIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691
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