978-3-446-41879-0 Weitere In

Inhaltsverzeichnis
Jürgen Zeitler, Günter Simon
Physik für Techniker und technische Berufe
ISBN: 978-3-446-41879-0
Weitere Informationen oder Bestellungen unter
http://www.hanser.de/978-3-446-41879-0
sowie im Buchhandel.
© Carl Hanser Verlag, München
INHALTSVERZEICHNIS
3.1.8
3.1.9
TECHNIK UND PHYSIK
1
Physikalische Größen und Einheiten
.
11
1.1
1.2
Größenarten und Größen . .
Einheiten und Internationales
Einheitensystem (SI) . . . . .
Größengleichungen . . . . . .
Länge, Fläche und Volumen .
Zeit . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
11
.
.
.
.
.
.
.
.
12
13
14
15
2
Kinematik . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.1
2.1.1
2.1.1.1
17
18
2.1.2.3
Kinematik der Punktmasse . . . . . .
Bewegung auf gerader Bahn . . . . .
Geschwindigkeit und Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gleichförmige Bewegung . . . . . . .
Gleichmäßig beschleunigte Bewegung
Freier Fall . . . . . . . . . . . . . . .
Relativität der Bewegung und Überlagerung von Bewegungen . . . . . .
Bewegung auf der Kreisbahn . . . .
Periodendauer und Frequenz . . . . .
Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung . . . . . . . . . . . .
Radialbeschleunigung . . . . . . . .
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
Kinematik des starren Körpers
Translation und Rotation . . .
Kinematik der Rotation . . .
Drehzahlmessung . . . . . . .
.
.
.
.
35
36
37
39
3
Dynamik der Punktmasse . . . . . . .
40
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wirkungen von Kräften . . . . . . .
Wechselwirkung . . . . . . . . . . .
Kraftmessung . . . . . . . . . . . . .
Zusammensetzung und Zerlegung von
Kräften . . . . . . . . . . . . . . . .
Trägheit der Körper . . . . . . . . . .
Grundgesetz der Dynamik . . . . . .
Schwere der Körper . . . . . . . . . .
40
40
41
42
1.3
1.4
1.5
.
.
.
.
.
.
.
.
MECHANIK
2.1.1.2
2.1.1.3
2.1.1.4
2.1.1.5
2.1.2
2.1.2.1
2.1.2.2
3.1.5
3.1.6
3.1.7
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
18
22
24
28
29
32
32
33
34
44
46
47
50
3.1.10
3.1.11
Reibungskräfte . . . . . . . . . . . .
Anwendungen des Grundgesetzes der
Dynamik . . . . . . . . . . . . . . .
Trägheitskräfte . . . . . . . . . . . .
Radialkraft und Zentrifugalkraft . .
53
56
57
3.2
3.2.1
3.2.1.1
3.2.1.2
3.2.1.3
3.2.1.4
3.2.2
3.2.2.1
3.2.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.4.1
3.2.4.2
Arbeit, Energie und Leistung
Mechanische Arbeit . . . .
Beschleunigungsarbeit . . .
Hubarbeit . . . . . . . . . .
Federspannarbeit . . . . . .
Reibungsarbeit . . . . . . .
Energie . . . . . . . . . . .
Kinetische Energie . . . . .
Potenzielle Energie . . . . .
Energieerhaltungssatz . . .
Leistung und Wirkungsgrad
Leistung . . . . . . . . . . .
Wirkungsgrad . . . . . . . .
.
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.
59
59
60
61
62
63
64
64
65
66
70
70
71
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.3.1
3.3.3.2
3.3.4
Impuls . . . . . . . .
Kraftstoß und Impuls
Impulserhaltungssatz
Stoßvorgänge . . . .
Elastischer Stoß . . .
Unelastischer Stoß .
Raketenantrieb . . .
.
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.
74
74
75
76
76
78
79
4
Dynamik der Rotation
. . . . . . . .
81
4.1
Drehmoment . . . . . . . . . . . . .
82
4.2
Rotationsenergie und Massenträgheitsmoment . . . . . . . . . . .
Rotationsenergie . . . . . . . . . . .
Massenträgheitsmoment . . . . . . .
86
86
86
4.3
Analogie zwischen Translation und
Rotation . . . . . . . . . . . . . . . .
89
4.4
Grundgesetz der Dynamik der
Rotation . . . . . . . . . . . . . . . .
89
4.5
Arbeit und Leistung bei der Rotation
91
4.6
Drehimpulserhaltungssatz . . . . . .
92
5
Statik und Verformung
95
5.1
Gleichgewicht starrer Körper
4.2.1
4.2.2
. .
.
. .
. .
. .
. .
. .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. . . . . . . .
. . . .
51
95
7
Inhaltsverzeichnis
5.1.1
5.1.2
5.1.3
Gleichgewichtsbedingungen . . . . .
Gleichgewichtsarten . . . . . . . . .
Schwerpunkt . . . . . . . . . . . . .
95
96
96
5.2
5.2.1
. .
97
. .
97
5.2.3
Ebene Kraftsysteme . . . . . . .
Kräfte mit gemeinsamem Angriffspunkt . . . . . . . . . . . . . . .
Kräfte mit verschiedenen Angriffspunkten . . . . . . . . . . . . . .
Standsicherheit . . . . . . . . . .
5.3
Verformung und Festigkeit . . . . . . 103
6
Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
6.1
6.2
Druck . . . . . . . . . . . . . . .
Einige Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen . . . . . . . . .
Kompressibilität . . . . . . . . .
Flüssigkeitsoberflächen . . . . .
Grenzflächenerscheinungen und
Kapillarität . . . . . . . . . . . .
5.2.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.2.1
6.3.2.2
6.3.2.3
6.3.3
6.3.3.1
6.3.3.2
6.3.4
6.3.4.1
6.3.4.2
6.3.4.3
6.4
6.4.1
6.4.2
6.4.2.1
6.4.2.2
6.4.2.3
6.4.3
. . 98
. . 101
6.4.3.1
6.4.3.2
6.4.3.3
6.4.3.4
6.4.3.5
Innere Reibung und Viskosität . . . .
Laminare und turbulente Strömungen
Strömungswiderstände . . . . . . . .
Druckverlust in Rohrleitungen . . . .
Viskositätsbestimmungen . . . . . .
130
131
132
134
134
THERMODYNAMIK
7
Wärme und innere Energie
7.1
Thermodynamische Prozesse . . . . . 136
106
7.2
Wärmebewegung . . . . . . . . . . . 137
. . 106
7.3
Temperatur . . . . . . . . . . . . . . 137
7.4
Thermische Ausdehnung fester und .
flüssiger Körper . . . . . . . . . . . . 139
7.5
Temperaturmessung
7.6
1. Hauptsatz der Thermodynamik . . 143
7.7
Wärme und Temperatur
7.8
Spezifische Wärmekapazität von
Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.9
Änderung des Aggregatzustandes . . 147
7.10
Wärmebilanzen bei Temperaturausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.11
Energieumwandlungen . . . . . . . . 153
8
Zustandsänderungen von Gasen . . . . 156
8.1
8.1.3
Thermischer Zustand des idealen
Gases . . . . . . . . . . . . . . . .
Ideales Gas . . . . . . . . . . . . .
Thermische Zustandsgleichung des
idealen Gases . . . . . . . . . . . .
Quasistatische Zustandsänderungen
8.2
Volumenänderungsarbeit . . . . . . . 158
8.3
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.3.4
Spezielle Zustandsänderungen . .
Isotherme Zustandsänderungen .
Isochore Zustandsänderungen . .
Isobare Zustandsänderungen . .
Adiabatische Zustandsänderungen
8.4
8.4.1
Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . 163
Prinzip der Wärmekraftmaschine . . 163
. . 108
. . 108
. . 109
. . 110
Mechanik ruhender Flüssigkeiten und
Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kolbendruck . . . . . . . . . . . . .
Schweredruck . . . . . . . . . . . . .
Schweredruck in Flüssigkeiten . . . .
Schweredruck in Gasen und Luftdruck
Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . .
Druckmessung . . . . . . . . . . . .
Druckskalen . . . . . . . . . . . . .
Druckmessgeräte . . . . . . . . . . .
Auftrieb . . . . . . . . . . . . . . . .
Auftrieb in Flüssigkeiten . . . . . . .
Schwimmen . . . . . . . . . . . . . .
Auftrieb in Gasen . . . . . . . . . . .
Mechanik strömender Flüssigkeiten
und Gase . . . . . . . . . . . . . . .
Strömungsgeschwindigkeit und Strom linien; Volumenstrom . . . . . . . . .
Strömung idealer Flüssigkeiten und
Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kontinuitätsgleichung . . . . . . . .
Bernoullische Gleichung . . . . . .
Anwendungen der Bernoullischen
Gleichung . . . . . . . . . . . . . . .
Strömung realer Flüssigkeiten und
Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
112
113
113
115
116
117
117
118
119
119
121
123
124
124
125
125
126
128
130
8.1.1
8.1.2
. . . . . . 136
. . . . . . . . . 141
. . . . . . . 144
.
.
.
.
. 156
. 156
. 156
. 157
.
.
.
.
.
159
159
160
161
162
8
Inhaltsverzeichnis
8.4.2
8.4.3
Wärmepumpe und Kältemaschine . . 164
Carnot-Prozess . . . . . . . . . . . 165
8.5
8.5.1
8.5.2
8.5.3
2. Hauptsatz der Thermodynamik .
Thermodynamischer Wirkungsgrad
reversibler Kreisprozesse . . . . . .
Irreversible Prozesse . . . . . . . .
Entropie . . . . . . . . . . . . . . .
. 166
. 167
. 167
8.6
8.6.1
8.6.2
8.6.3
Reale Gase und Dämpfe . . .
Isothermen eines realen Gases
Dämpfe . . . . . . . . . . . .
Luftfeuchte . . . . . . . . . .
.
.
.
.
9
Wärmetransport . . . . . . . . . . . . 171
9.1
Wärmetransportprozesse . . . . . . . 171
9.2
Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . 172
9.3
Temperaturstrahlung . . . . . . . . . 175
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 166
168
168
169
170
ELEKTRIK
10
Gleichstrom . . . . . . . . . . . . . . 178
10.1
Elektrische Ladungen und Ströme . . 178
10.2
Elektrische Spannung
10.3
Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . 183
10.4
Elektrischer Widerstand . . . . . . . 184
10.5
10.5.1
10.5.2
Schaltung von Widerständen . . . . . 187
Parallelschaltung . . . . . . . . . . . 187
Reihenschaltung . . . . . . . . . . . 189
10.6
Elektrische Energie und Leistung
10.7
10.7.1
10.7.2
10.7.3
10.7.4
Reale Stromkreise . . . . . . . . . . . 194
Verhalten realer Spannungsquellen . 194
Schaltung von Spannungsquellen . . 196
Einfluss von Leitungswiderständen . 197
Knoten- und Maschensatz zur
Berechnung elektrischer Netze . . . . 198
10.8
10.8.1
10.8.2
10.8.3
10.8.4
Messung elektrischer Größen .
Strom- und Spannungsmessung
Digitale Messverfahren . . . . .
Spannungskompensation . . . .
Messbrücken . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 180
. . 193
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
198
199
199
200
201
11
Elektrische und magnetische Felder . . 202
11.1
11.1.1
11.1.2
11.1.2.1
Elektrische Felder . . . . . . . . . . .
Kräfte zwischen elektrischen Ladungen
Elektrische Felder im Vakuum . . . .
Elektrische Flussdichte und
elektrische Feldstärke . . . . . . . . .
Kapazität . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Feldenergie . . . . . . . .
Stoffe im elektrischen Feld . . . . . .
Influenz . . . . . . . . . . . . . . . .
Dielektrische Polarisation . . . . . .
Kondensatoren . . . . . . . . . . . .
11.1.2.2
11.1.2.3
11.1.3
11.1.3.1
11.1.3.2
11.1.4
11.2
11.2.1
Magnetische Felder . . . . . . . . .
Magnetische Felder stromdurchflossener Leiter . . . . . . . . . . .
11.2.2 Magnetische Felder im Vakuum . .
11.2.2.1 Magnetische Feldstärke und
magnetische Flussdichte . . . . . .
11.2.2.2 Induktivität und magnetische
Feldenergie . . . . . . . . . . . . .
11.2.3 Stoffe im magnetischen Feld . . . .
11.2.4 Kraftwirkungen auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld
11.3
203
203
204
204
204
205
206
206
206
208
. 209
. 209
. 210
. 210
. 211
. 211
213
11.3.3
11.3.4
Bewegung von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern
Erzeugung von Elektronenstrahlen
Ablenkung von Elektronen im elektrischen Querfeld . . . . . . . . . .
Elektronen in magnetischen Feldern
Gasentladungen . . . . . . . . . .
11.4
11.4.1
11.4.2
11.4.2.1
11.4.2.2
11.4.2.3
11.4.3
11.4.4
Elektromagnetische Induktion . . . .
Induktionsgesetz . . . . . . . . . . .
Transformator- und Generatorprinzip
Transformatorprinzip . . . . . . . .
Generatorprinzip . . . . . . . . . . .
Elektrische Maschinen . . . . . . . .
Wirbelströme . . . . . . . . . . . . .
Selbstinduktion . . . . . . . . . . . .
12
Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . 228
12.1
Wechselspannungen und Wechselströme . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Bestimmungsgrößen . . . . . . . . . 228
Elektronische Messung der
Bestimmungsgrößen . . . . . . . . . 229
11.3.1
11.3.2
12.1.1
12.1.2
. 215
. 215
. 216
. 217
. 218
220
221
222
223
223
224
225
225
9
Inhaltsverzeichnis
12.2
12.2.1
12.2.2
12.2.2.1
12.2.2.2
Einfache Wechselstromkreise
Wirkwiderstände . . . . . .
Blindwiderstände . . . . . .
Induktiver Blindwiderstand
Kapazitiver Blindwiderstand
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
231
231
232
232
233
12.3
Zusammengesetzte Wechselstromkreise . . . . . . . . . . . . . . .
Reihenschaltung von R und L . .
Reihenschaltung von R, L und C .
Parallelschaltung von R, L und C
.
.
.
.
.
.
.
.
235
236
237
239
240
240
12.4.3
12.4.4
Leistung des Wechselstroms . . . . .
Momentanleistung und Wirkleistung
Messung von Energieumsatz und
Wirkleistung . . . . . . . . . . . . .
Wirk-, Blind- und Scheinleistung . .
Blindleistungskompensation . . . . .
12.5
14.1.2
14.1.3
Freie gedämpfte Schwingungen . . . 270
Erzwungene Schwingungen . . . . . 272
14.2
14.2.1
14.2.2
273
273
Elektrische Schwingungen . . . . . .
Elektrischer Schwingkreis . . . . . .
Analogie zwischen mechanischen und
elektrischen Schwingungen . . . . . .
14.2.3 Erzwungene elektrische Schwingungen
14.2.3.1 Reihenresonanz . . . . . . . . . . . .
14.2.3.2 Parallelresonanz . . . . . . . . . . .
274
275
275
276
14.3
14.3.1
14.3.1.1
14.3.1.2
14.3.2
14.3.3
Überlagerung von Schwingungen .
Überlagerung in gleicher Richtung
Schwingungen gleicher Frequenz .
Schwebungen . . . . . . . . . . . .
Überlagerung senkrecht zueinander
Anharmonische Schwingungen . .
276
277
277
278
279
279
Transformatoren . . . . . . . . . . . 243
15
Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
12.6
Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom)
12.7
Schutz vor elektrischen Unfällen . . . 249
13
Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . 251
15.1
15.1.1
15.1.2
15.1.3
13.1
13.1.1
13.1.2
13.1.2.1
13.1.2.2
Leitungsmechanismen in Halbleitern
Eigenleitung . . . . . . . . . . . . .
Störstellenleitung . . . . . . . . . .
n-Leitung . . . . . . . . . . . . . .
p-Leitung . . . . . . . . . . . . . .
15.1.4
15.1.5
Wellenausbreitung . . . . . . . . . .
Arten von Wellen . . . . . . . . . . .
Frequenz und Doppler-Effekt . . . .
Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Energiestrom und Amplitude . . . .
Huygenssches Prinzip . . . . . . . .
283
284
284
13.2
pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . 254
15.2
15.2.1
15.2.2
15.2.3
Reflexion und Brechung
Reflexion . . . . . . . .
Brechung . . . . . . . .
Totalreflexion . . . . . .
.
.
.
.
285
285
286
287
13.3
Halbleiterdioden
13.4
13.4.1
13.4.2
13.4.3
13.4.4
Transistoren . . . . . . . . . . . .
Bipolartransistoren . . . . . . . .
Elementarer Spannungsverstärker
Feldeffekttransistoren . . . . . .
Integrierte Schaltkreise . . . . . .
15.3
15.3.1
15.3.2
15.3.3
15.3.4
Beugung und Interferenz . . . . . . .
Beugung . . . . . . . . . . . . . . . .
Interferenz . . . . . . . . . . . . . .
Stehende Wellen . . . . . . . . . . .
Beugung und Interferenz am Doppelspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . .
288
288
289
291
15.4
Polarisation . . . . . . . . . . . . . . 294
15.5
15.5.1
15.5.2
Optische Abbildung . . . . . . . . .
Bildkonstruktion . . . . . . . . . . .
Bildentstehung an gekrümmten
Spiegeln und Linsen . . . . . . . . .
Abbildungsgleichung und Abbildungsmaßstab . . . . . . . . . . . . . . . .
Vergrößerung durch Fernrohr und
Mikroskop . . . . . . . . . . . . . .
Energieübertragung durch Wellen . .
12.3.1
12.3.2
12.3.3
12.4
12.4.1
12.4.2
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240
241
242
246
251
251
253
253
254
. . . . . . . . . . . 256
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258
258
259
261
262
SCHWINGUNGEN UND WELLEN
14
Schwingungen . . . . . . . . . . . . . 263
14.1
14.1.1
14.1.1.1
14.1.1.2
14.1.1.3
Mechanische Schwingungen . . .
Freie ungedämpfte Schwingungen
Kinematik der Sinusschwingung .
Dynamik der Sinusschwingung .
Dreh- und Pendelschwingungen .
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263
263
264
266
268
15.5.3
15.5.4
15.6
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281
281
283
292
295
296
297
299
300
302
10
Inhaltsverzeichnis
15.6.1
15.6.2
Physikalische Strahlungsgrößen
Physiologische Schall- und Lichtempfindungen . . . . . . . . . .
15.6.2.1 Schallstärke und Lautstärke . .
15.6.2.2 Lichttechnische Größen . . . .
15.7
Elektromagnetische Strahlung .
15.7.1 Hertzsche Wellen . . . . . . .
15.7.2 Mikrowellen . . . . . . . . . . .
. . . 302
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304
304
306
308
309
309
QUANTEN UND ATOME
. . . . . . . . 313
16.2.3
16.2.4
LASER . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Röntgenstrahlen . . . . . . . . . . . 323
16.3
16.3.1
16.3.2
16.3.2.1
16.3.2.2
16.3.2.3
16.3.2.4
16.3.2.5
Atomkern . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau des Atomkerns . . . . . . . .
Radioaktivität . . . . . . . . . . . .
a-Umwandlung . . . . . . . . . . . .
b-Umwandlung . . . . . . . . . . . .
g-Strahlung . . . . . . . . . . . . . .
Gesetz der radioaktiven Umwandlung
Absorption von ionisierender
Strahlung . . . . . . . . . . . . . . .
Nachweis von Kernstrahlung . . . .
Biologische Wirkungen und Strahlenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kernenergie . . . . . . . . . . . . . .
Kernspaltung . . . . . . . . . . . . .
Kernsynthese . . . . . . . . . . . . .
16.3.2.6
16.3.2.7
325
325
327
327
328
329
329
331
333
16
Atom- und Kernphysik
16.1
16.1.1
16.1.2
16.1.3
16.1.4
16.1.5
Quanten . . . . . . . . . . . . . .
Energiequantelung . . . . . . . .
Welle-Teilchen-Dualismus . . . .
Äußerer Fotoeffekt . . . . . . . .
Heisenbergsche Unschärferelation
Masse und Energie . . . . . . . .
314
314
315
315
316
317
Aufgaben
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
16.2
Photonen . . . . . . . . . . . . . . . 318
Lösungen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
16.2.1
16.2.2
Bohrsches Atommodell . . . . . . . 318
Absorption und Emission von
Photonen . . . . . . . . . . . . . . . 319
Bildquellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . 394
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. .
16.3.3
16.3.3.1
16.3.3.2
335
336
337
339
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . 395