physik
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Heribert Stroppe PHYSIK für Studenten der Natur- und Technikwissenschaften Ein Lehrbuch zum Gebrauch neben Vorlesungen mit 348 Bildern, 20 Tabellen, 211 durchgerechneten Beispielen und 133 Aufgaben mit Lösungen 9., neubearbeitete Auflage Unter Mitwirkung von Heinz Langer und Peter Streitenberg er A FACHBUCHVERLAG LEIPZIG • KÖLN Inhalt s Verzeichnis Einführung 1 Was ist „Physik"? Wege physikalischer Erkenntnisgewinnung 2 2.1 2.2 Physikalische Größen, Einheiten, Dimensionen, Gleichungen Größen, Einheiten und Dimensionen Physikalische Gleichungen .... 15 16 16 18 TEILCHEN Mechanik der Punktmasse 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 und des starren Körpers Kinematik der Punktmasse Raum, Zeit, Bezugssystem Die gleichförmige Bewegung Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung Freier Fall. Senkrechter Wurf Allgemeine Definition von Geschwindigkeit und Beschleunigung. Ungleichmäßig beschleunigte Bewegung Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektoren. Zusammengesetzte Bewegungen Die gleichförmige Kreisbewegung Die ungleichförmige Kreisbewegung Bewegung auf beliebig krummliniger Bahn 19 19 21 22 25 27 29 31 34 36 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Dynamik der Punktmasse Der Kraftbegriff in der Physik. Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften. Statisches Gleichgewicht Das Trägheitsgesetz (1. NEWTONsches Axiom) Das Grundgesetz der Dynamik (2. NEWTONsches Axiom) Träge und schwere Masse. Gewichtskraft. Radialkraft Kraftstoß. Impuls (Bewegungsgröße) Lösung der Bewegungsgleichung für konstante Kraft. Die Wurfbewegung . . . . Das Wechselwirkungsgesetz (3. NEWTONsches Axiom) Reibungskräfte 38 38 40 41 42 44 45 48 49 5 5.1 Bewegte Bezugssysteme Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme. Trägheitskräfte 52 52 8 Inhaltsverzeichnis 5.2 5.3 Gleichförmig rotierende Bezugssysteme. Zentrifugalkraft, CoRlOLls-Kraft . . . Inertialsysteme. Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik 55 57 6 6.1 6.2 6.3 Grundzüge der speziellen Relativitätstheorie Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die LORENTZ-Transformation Folgerungen aus der LORENTZ-Transformation Relativistische Bewegungsgleichung 58 58 62 64 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 Arbeit und Energie Arbeit Leistung. Wirkung Der Energiebegriff. Potentielle und kinetische Energie Das Gesetz von der Erhaltung der Energie (Energiesatz) Äquivalenz von Masse und Energie 65 65 69 69 70 72 8 8.1 8.2 Gravitation Die KEPLERschen Gesetze der Planetenbewegung und das Gravitationsgesetz . Arbeit gegen die Schwerkraft. Kosmische Geschwindigkeiten 73 73 76 9 9.1 9.2 9.3 Dynamik der Punktmassen-Systeme Impulserhaltungssatz. Massenmittelpunkt Die Gesetze des Stoßes Raketenantrieb 77 77 80 84 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 Statik des starren Körpers Freiheitsgrade des starren Körpers Kräfte am starren Körper. Drehmoment. Gleichgewichtsbedingungen Kräftepaar Der Schwerpunkt Arten des Gleichgewichts 85 85 86 89 90 92 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 Dynamik des starren Körpers Bewegung eines frei beweglichen Körpers bei Einwirkung einer Kraft Kinetische Energie der Drehbewegung. Massenträgheitsmoment Arbeit und Leistung bei der Drehbewegung. Grundgesetz der Dynamik Der Drehimpuls (Drall). Drehimpulserhaltungssatz Kreiselbewegungen. Freie Achsen Bewegung des symmetrischen Kreisels .... 93 93 93 96 97 99 100 KONTINUA Mechanik der deformierbaren Medien 12 Die Zustandsformen der Stoffe 103 13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 Der deformierbare feste Körper Elastische Verformung. HooKEsches Gesetz Querkontraktion. Kompressibilität Elastisches Verhalten bei Scherbeanspruchung Der einachsige Spannungszustand Zusammenhang zwischen Schubmodul, Elastizitätsmodul und PoiSSONscher Querkontraktionszahl Plastische Verformung. Spanmmgs-Dehnungs-Diagramm 104 104 105 107 107 13.6 108 109 9 Inhalts Verzeichnis 14 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 Ruhende Flüssigkeiten und Gase Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck) Schweredruck. Auftrieb. Schwimmstabilität Druck in Gasen. Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Dichte Schweredruck in Gasen. Barometrische Höhenformel Erscheinungen an Grenzflächen. Kohäsion und Adhäsion Spezifische Oberflächenenergie, Oberflächenspannung Benetzung und Kapillarwirkung 15 15.1 15.2 15.3 15.4 Strömende Flüssigkeiten und Gase (Strömungsmechanik) Das Strömungsfeld. Kennzeichnung und Einteilung von Strömungen Strömungen idealer Flüssigkeiten und Gase. Kontinuitätsgleichung Die BERNOULLlsche Gleichung. Druckmessung Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase. Laminare Strömung 15.5 Gesetze von HAGEN-POISEUILLE und STOKES 15.6 Umströmung durch reale Flüssigkeiten und Gase. REYNOLDS-Zahl .... 111 111 112 114 116 117 118 119 121 121 123 125 128 129 131 WÄRME Thermodynamik 16 16.1 16.2 16.3 16.4 17 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 18 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 19 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 und Gaskinetik Verhalten der Körper bei Temperaturänderung Die Temperatur und ihre Messung Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderungen der Gase. Der absolute Nullpunkt Die thermische Zustandsgieichung des idealen Gases Der I. Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz) Wärmemenge und Wärmekapazität Innere Energie eines Systems. Formulierung des I. Hauptsatzes Spezifische Wärmekapazität des idealen Gases. Kalorische Zustandsgieichung . Anwendung des I. Hauptsatzes auf spezielle Zustandsänderungen des idealen Gases Zustandsänderungen des idealen Gases in offenen Systemen. Technische Arbeit. Enthalpie Kinetische Gastheorie Die Masse der Atome und Moleküle Druck und mittlere quadratische Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Grundgleichung der kinetischen Gastheorie Die Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle Molekularenergie und Temperatur. Wärmekapazität der Körper Stoßzahl und mittlere freie Weglänge Gemische idealer Gase. Gesetz von DALTON 133 133 135 137 140 142 142 143 146 147 151 153 154 155 157 160 162 163 Der II. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) 164 Der CARNOTsche Kreisprozeß. Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und Wärmepumpe 164 Thermodynamische Temperatur 168 Reversible und irreversible Vorgänge. II. Hauptsatz 168 Entropie 171 Entropieänderung des idealen Gases. Irreversible Prozesse 173 10 Inhaltsverzeichnis 19.6 19.7 Entropie und Wahrscheinlichkeit III. Hauptsatz (Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts) . . . . 176 178 20 Reale Gase. Phasenumwandlungen 179 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 Die VAN-DER-WAALSSche Zustandsgieichung. Gasverflüssigung 179 JouLE-THOMSON-Effekt. Erzeugung tiefer Temperaturen 182 Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Sieden und Verdunsten 184 Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase. Koexistenz dreier Phasen . 188 Lösungen. Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung 190 21 Ausgleichsvorgänge 192 21.1 21.2 21.3 Wärmeleitung Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konvektion Diffusion 192 195 196 FELDER Gravitation. Elektrizität und Magnetismus 22 Das Gravitationsfeld 199 22.1 22.2 22.3 Fernwirkung und Nahwirkung. Der Feldbegriff Gravitationsfeldstärke, Gravitationspotential Massen als Senken des Gravitationsfeldes 199 201 204 23 D a s e l e k t r o s t a t i s c h e Feld 205 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 23.8 Die elektrische Ladung. Ladungsnachweis Ladungen als Quellen des elektrischen Feldes Kraftwirkungen des elektrischen Feldes. Elektrische Feldstärke Elektrostatisches Potential. Spannung Elektrische Ladungen auf Leitern. Influenz Elektrischer Fluß, elektrische Flußdichte Das elektrische Zentralfeld (Punktladung und Punktladungssystem) Kapazität. Kondensatoren 205 207 208 210 212 214 215 216 24 D a s e l e k t r i s c h e Feld in Isolatoren ( D i e l e k t r i k a ) 219 24.1 24.2 24.3 24.4 Elektrische Polarisation der Dielektrika. Piezoelektrizität Dielektrizitätskonstante (Permittivität), elektrische Suszeptibilität Verhalten von D und E an der Grenzfläche zweier Medien Energieinhalt des elektrischen Feldes 219 220 222 224 25 Der Gleichstromkreis 225 25.1 25.2 25.3 25.4 Das stationäre elektrische Feld in einem Leiter Stromstärke, Spannung, Widerstand. OHMsches Gesetz Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen. KlRCHHOFFsche Gesetze Arbeit und Leistung elektrischer Gleichströme 26 E l e k t r i s c h e L e i t u n g s v o r g ä n g e in F e s t k ö r p e r n u n d F l ü s s i g k e i t e n 26.1 26.2 26.3 26.4 26.5 Klassische Theorie der freien Elektronen in Metallen Thermoelektrische Effekte Elektrokinetische Effekte Elektrolytische Stromleitung. FARADAYsche Gesetze Elektrochemische Spannungsquellen 225 225 . . 228 231 . . . 231 232 234 235 236 237 Inhaltsverzeichnis 11 27 27.1 27.2 27.3 27.4 Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum und in Gasen Bewegung freier Ladungsträger im elektrischen Feld Ladungsträgerinjektion, Katodenstrahlen Gasentladungen Plasmaströme 239 239 240 241 244 28 28.1 28.2 244 244 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 28.8 Das magnetostatische Feld der Dipole und Gleichströme Analogien und Unterschiede zum elektrostatischen Feld Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf magnetische Dipole. Magnetische Feldstärke Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters. Durchflutungsgesetz Einfache Feldberechnungen Magnetische Flußdichte (magnetische Induktion) Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf Stromleiter Bewegung freier Ladungsträger im magnetischen Feld. LoRENTZ-Kraft Galvano- und theraiomagnetische Effekte. HALL-Effekt 246 247 249 250 251 253 254 29 29.1 29.2 29.3 Das magnetische Feld in Stoffen Magnetische Polarisation der Stoffe Magnetisierung der Ferromagnetika. Hysterese Der magnetische Kreis. Entmagnetisierung 255 255 257 259 30 30.1 30.2 30.3 30.4 Elektromagnetische Induktion Das FARADAYsche Induktionsgesetz Selbstinduktion Energieinhalt des magnetischen Feldes Elektromagnetische Induktion in einem bewegten Leiter 261 261 263 264 265 31 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6 Der Wechselstromkreis Wechselspannung, Wechselstrom, Dreiphasenstrom Arbeit und Leistung elektrischer Wechselströme Wechselstromwiderstände. OHMsches Gesetz für Wechselstrom Der Transformator Anharmonische Wechselströme in der Elektronik Gleichrichter und Verstärker. Elektronische Bauelemente 267 267 268 270 275 276 276 32 32.1 32.2 32.3 32.4 Die Maxwellschen Gleichungen Wirbel des magnetischen Feldes. Verschiebungsstrom Wirbel des elektrischen Feldes. Wirbelströme Elektromagnetisches Feld. System der MAXWELLschen Gleichungen Relativistische Elektrodynamik 280 280 281 282 283 WELLEN Mechanische und elektromagnetische 33 33.1 33.2 33.3 33.4 33.5 33.6 Schwingungen und Wellen Mechanische Schwingungen Lineare Federschwingungen Energiebilanz des harmonischen Oszillators Drehschwingungen Pendelschwingungen Freie gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen 286 286 288 290 291 293 296 Inhaltsverzeichnis 12 34 34.1 34.2 34.3 Elektrische Schwingungen Der geschlossene Schwingkreis Strom- und Spannungsresonanz Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen 298 298 300 303 35 35.1 35.2 35.3 35.4 Überlagerung harmonischer Schwingungen 304 Überlagerung zweier Schwingungen längs gleicher Richtung 304 Gekoppelte Schwingungen 306 Überlagerung zweier Schwingungen längs aufeinander senkrechter Richtungen . 309 Überlagerung von harmonischen zu anharmonischen Schwingungen 311 36 36.1 36.2 36.3 36.4 36.5 Allgemeine Wellenlehre Zusammenhang von Schwingungen und Wellen Die eindimensionale Wellengleichung und ihre allgemeine Lösung Transversal- und Longitudinalwellen Stehende Wellen. Eigenschwingungen Wellenausbreitung in ausgedehnten Medien 314 314 317 318 320 323 37 37.1 37.2 37.3 37.4 37.5 37.6 Schallwellen (Akustik) Wellenausbreitung im Schallfeld. Phasengeschwindigkeit Schallfeldgrößen Schallquellen. Ton, Klang, Geräusch Schallempfänger und Gehör. Schallpegel und Lautstärke Stehende Schallwellen DOPPLER-Effekt 325 325 327 329 330 332 333 38 38.1 38.2 38.3 38.4 38.5 Elektromagnetische Wellen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entlang von Leitungen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum Erzeugung und Nachweis elektromagnetischer Wellen Die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen (H. HERTZ, 1888) Das elektromagnetische Spektrum 334 334 337 340 342 343 39 39.1 39.2 39.3 39.4 39.5 Einfluß von Stoffen auf die Wellenausbreitung Absorption und Streuung Phasengeschwindigkeit und Dispersion. Gruppengeschwindigkeit HUYGENSsches Prinzip Reflexion und Brechung (Refraktion). Totalreflexion Optische Dispersion. Prisma, Spektral- und Körperfarben 345 346 346 350 351 354 40 40.1 40.2 40.3 40.4 40.5 40.6 40.7 Strahlenoptik (Geometrische Optik) Lichtstrahlen. FERMATsches Prinzip Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen Abbildung durch Spiegel (ebener und gekrümmte Spiegel) Abbildung durch Linsen (dünne und dicke Linsen, Linsensysteme) Das Auge und der Sehvorgang Optische Geräte zur Sehwinkelvergrößerung (Lupe, Mikroskop, Fernrohr) Abbildungsfehler 41 41.1 41.2 41.3 Wellenoptik Interferenz. Interferenzbedingungen Interferenzen gleicher Neigung und gleicher Dicke Beugung (Diffraktion). Das Beugungsphänomen 356 356 358 360 364 369 . . . 370 372 373 373 375 378 13 Inhaltsverzeichnis 41.4 41.5 41.6 41.7 41.8 41.9 41.10 41.11 41.12 41.13 FRAUNHOFERsche Beugung am Spalt und an der Lochblende Auflösungsvermögen optischer Geräte. Holographie FRAUNHOFERsche Beugung am Strichgitter Spektrometer Beugung von Röntgenstrahlen am Raumgitter der Kristalle Polarisation. Polarisation des Lichts durch Reflexion und Brechung Polarisation durch Doppelbrechung Interferenz des polarisierten Lichts Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts Nichtlineare Optik 379 382 384 386 387 391 393 395 398 399 QUANTEN Struktur und Eigenschaften der Materie 42 42.1 42.2 42.3 42.4 42.5 42.6 42.7 Die Gesetze der Strahlung Das Wesen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung) Strahlungsphysikalische Größen Emission und Absorption von Strahlung. KlRCHHOFFsches Strahlungsgesetz . . Das PLANCKsche Strahlungsgesetz Folgerungen aus dem PLANCKschen Strahlungsgesetz Lichttechnische Größen (Photometrie) Zusammenhang zwischen strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Größen 401 401 402 404 406 408 410 412 43 43.1 43.2 43.3 43.4 43.5 43.6 Der Welle-Teilchen-Dualismus der Mikroobjekte Die Teilchennatur des Lichts. Lichtquanten (Photonen) Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt) Der CoMPTON-Effekt Rückstoß durch Quantenemission. MÖSSBAUER-Effekt Die Wellennatur der Teilchen Das HEISENBERGsche Unbestimmtheitsprinzip 413 413 414 417 418 420 423 44 Atombau und Spektren 425 44.1 Die Streuexperimente von LENARD und RUTHERFORD. Das RuTHERFORDsche 44.8 44.9 44.10 44.11 44.12 44.13 Atommodell 425 Das Spektrum des Wasserstoffatoms 427 Das BoHRsche Atommodell 429 Die Spektren der Alkaliatome. Bahndrehimpulsquantenzahl 433 Richtungsquantelung des Bahndrehimpulses der Elektronen 435 Das magnetische Bahnmoment der Elektronen. BoHRsches Magneton 436 Elektronenspin und magnetisches Spinmoment. Die Feinstruktur der Atomspektren 438 Mehrelektronensysteme 440 Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld (ZEEMAN-Effekt) 441 Das PAULI-Prinzip und das Periodensystem der Elemente 442 Die Röntgenspektren und ihre Deutung 445 Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen 448 Induzierte Emission. Maser und Laser 451 45 45.1 45.2 45.3 45.4 Wellenmechanik Die SCHRÖDINGER-Gleichung Elektron im Kastenpotential Das wellenmechanische Bild des Atoms Der Tunneleffekt 44.2 44.3 44.4 44.5 44.6 44.7 454 454 455 457 459 14 Inhaltsverzeichnis 46 Elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern 460 46.1 46.2 46.3 46.4 46.5 46.6 46.7 46.8 46.9 Elektrische Leitfähigkeit. Das Modell des Elektronengases Bändermodell des Festkörpers. Metalle, Halbleiter, Isolatoren Elektrische Ströme in Halbleitern. Eigenleitung, Störstellenleitung Der pn-Übergang Halbleiterdiode, Transistor Magnetische Eigenschaften. Dia- und Paramagnetismus Ferromagnetismus, Antiferro- und Ferrimagnetismus Supraleitung Supraflüssigkeit 460 461 465 468 470 471 473 476 478 47 Atomkerne 479 47.1 47.2 47.3 47.4 47.5 47.6 47.7 Masse, Ladung und Zusammensetzung der Kerne Isotope Isobare, Isotone, Nuklide, Isomere Massendefekt und Bindungsenergie der Kerne Stabilitätskriterien. Kernsystematik Kernkräfte Kernmodelle 479 480 481 481 482 485 486 48 Die natürliche Radioaktivität 487 48.1 48.2 48.3 48.4 48.5 Der a-Zerfall der schweren Kerne Der ß-Zerfall. Gammastrahlung Das Zerfallsgesetz. Spezifische Aktivität Radioaktive Zerfallsreihen und radioaktives Gleichgewicht Dosimetrie und biologische Wirkung ionisierender Strahlung 487 489 491 492 493 49 Künstliche Kernumwandlungen 495 49.1 49.2 49.3 49.4 49.5 Arten künstlicher Kernumwandlungen Massen- und Energiebilanz von Kernreaktionen. Wirkungsquerschnitt Kernspaltung. Gewinnung von Kernspaltungsenergie Arten von Kernreaktoren Kernfusion 495 496 498 500 501 50 50.1 50.2 Elementarteilchen Entwicklung zum Teilchen „Zoo" Erhaltungssätze für Baryonenladung, Leptonenladung, Isospin, Strangeness und Hyperiadung Die elementaren Teilchen: Leptonen und Quarks Zusammengesetzte Elementarteilchen. Hadronen Die elementaren Kräfte (Wechselwirkungen). Feldquanten Vereinheitlichte Theorie der elementaren Kräfte (Supersymmetrie, Theory of Everything) Kosmologie 502 502 510 511 Bildquellenverzeichnis 512 A N H A N G : L ö s u n g e n der A u f g a b e n 513 Physikalische Konstanten 518 Sachwortverzeichnis 519 50.3 50.4 50.5 50.6 50.7 503 505 507 508
