physik
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Heribert Stroppe PHYSIK für Studierendi^öter IVatur- und Ingenieurwiss^ftschaften Ein Lehrbuch zum Gebrauch neben Vorlesungen mit 359 Bildern, 25 Tabellen, 238 durchgerechneten Beispielen und 140 Aufgaben mit Lösungen 14., aktualisierte Auflage Unter Mitarbeit von Heinz Langer, Peter Streitenberger und Eckard Specht Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag kll. Inhaltsverzeichnis Einführung 1 Was ist „Physik"? Wege physikalischer Erkenntnisgewinnung 15 2 2.1 2.2 Physikalische Größen, Einheiten, Dimensionen, Gleichungen Größen, Einheiten, Dimensionen Physikalische Gleichungen 16 16 18 TEILCHEN Mechanik der Punktmasse und des starren Körpers 3 3.1 3.2 3.3 .3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 Kinematik der Punktmasse 19 l 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 (Superposition) .' Die gleichförmige Kreisbewegung Die ungleichförmige Kreisbewegung Bewegung auf beliebig krummliniger Bahn 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 37 38 40 40 41 43 45 48 49 5 5.1 5.2 5.3 Bewegte Bezugssysteme Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme. Trägheitskräfte Gleichförmig rotierende Bezugssysteme. Zentrifugalkraft, CORIOLIS-Kraft. Inertialsysterne. Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik 51 52 54 57 . . . . . Inhaltsverzeichnis 6 Grundzüge der speziellen Relativitätstheorie 58 6.1 6.2 6.3 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die LORENTZ-Transformation Folgerungen aus der LORENTZ-Transformation Relativistische Bewegungsgleichung . . .r>.—. 58 62 63 7 Arbeit und Energie 64 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 Arbeit Leistung. Wirkung Der Energiebegriff. Potentielle und kinetische Energie Das Gesetz von der Erhaltung der Energie (Energiesatz) Äquivalenz von Masse und Energie 64 68 69 70 71 8 ' Gravitation 73 8.1 8.2 Die KEPLERschen Gesetze der Planetenbewegung und das Gravitationsgesetz Arbeit gegen die Schwerkraft. Kosmische Geschwindigkeiten 9 Dynamik der Punktmassen-Systeme 77 9.1 9.2 9.3 Impulserhaltungssatz. Massenmittelpunkt Die Gesetze des Stoßes Raketenantrieb 77 79 83 10 Statik des starren Körpers 85 Freiheitsgrade des starren Körpers Kräfte am starren Körper. Drehmoment. Gleichgewichtsbedingungen Kräftepaar Der Schwerpunkt Arten des Gleichgewichts 85 85 89 90 92 11 Dynamik des starren Körpers 92 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 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 10.1 ; #10.2 10.3 10.4 10.5 .... 73 75 92 93 95 97 98 100 KONTINUA Mechanik der deformierbaren Medien 12 Die Zustandsformen der Stoffe 103 13 Der deformierbare feste Körper 104 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 ' Elastische Verformung. HoOKEsches Gesetz Querkontraktion. Kompressibilität Elastisches Verhalten bei Scherbeanspruchung Der einachsige Spannungszustand Zusammenhang zwischen Schubmodul, Elastizitätsmodul und PoissONscher Querkontraktionszahl Plastische Verformung. Spannungs-Dehnungs-Diagramm . . -. 104 105 107 107 13.6 108 109 Inhaltsverzeichnis 14 14.! 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 111 111 112 114 116 117 118 119 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 121 121 123 125 128 15.5 Gesetze von H A G E N - P O I S E U I L L E und S T O K E S 129 15.6 15.7 Umströmung durch reale Flüssigkeiten und Gase. REYNOLDS-Zahl Die Bewegungsgleichung eines Fluids 131 133 WÄRME Thermodynamik 16 16.1 16.2 16.3 16.4 und Gaskinetik Verhalten der Körper bei Temperaturänderung Die Temperatur und ihre Messung Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper A Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderungen der Gase. / Der absolute Nullpunkt Die thermische Zustandsgieichung des idealen Gases 137 137 139 141 144 17 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 Der I. Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz) 145 Wärmemenge und Wärmekapazität 145 Innere Energie eines Systems. Formulierung des I. Hauptsatzes 147 Spezifische Wärmekapazität des idealen Gases. Kalorische Zustandsgieichung . . . . 149 Anwendung des I. Hauptsatzes auf spezielle Zustandsänderungen des idealen Gases . 151 Zustandsänderungen des idealen Gases in offenen Systemen. Technische Arbeit. Enthalpie 155 18 18.1 18.2 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 D A L T O N 157 157 Der II. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) Der CARNOT-Kreisprozess. Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und Wärmepumpe Thermodynamische Temperatur Reversible und irreversible Vorgänge. II. Hauptsatz Entropie Entropieänderung des idealen Gases. Irreversible Prozesse Entropie und Wahrscheinlichkeit 168 18.3 18.4 18.5 18.6 19 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 158 161 163 165 166 168 172 172 174 178 180 10 Inhaltsverzeichnis 19.7 III. Hauptsatz (Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts) 182 20 Reale Gase. Phasenumwandlungen 183 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 Die VAN-DER-WAALSsche Zustandsgieichung. Gasverflüssigung JOULE-THOMSON-Effekt. Erzeugung tiefer Temperaturen Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Sieden und Verdunsten Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase. Koexistenz dreier Phasen Lösungen. Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung 21 * • • •, Ausgleichsvorgänge 21.1 21.2 21.3 183 186 . . 188 192 194 196 Wärmeleitung Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konvektion • Diffusion 196 199 200 FELDER Gravitation. Elektrizität und Magnetismus 22 Das Gravitationsfeld 203 22.1 22.2 22.3 Fernwirkung und Nahwirkung. Der Feldbegriff Gravitationsfeldstärke, Gravitationspotential Massen als Senken des Gravitationsfeldes 203' 205 208 Das elektrostatische Feld 209 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 23.8 Die elektrische Ladung. Ladungsnachweis Ladungen als Quellen bzw. Senken des elektrischen Feldes Kraftwirkungen des elektrischen Feldes. Elektrische Feldstärke Elektrostatisches Potential. Spannung Elektrische Ladungen auf Leitern. Influenz Elektrischer Fluss, Flussdichte Das elektrische Zentralfeld (Punktladung und Punktladungssystem) Kapazität. Kondensatoren 210 211 212 214 216 218 219 221 24 Das elektrische Feld in Isolatoren (Dielektrika) 223 24.1 24.2 24.3 24.4 Elektrische Polarisation der Dielektrika. Piezoelektrizität Permittivität (Dielektrizitätskonstante), elektrische Suszeptibilität Verhalten von D und E an der Grenzfläche zweier Medien Energieinhalt des elektrischen Feldes • 223 224 226 228 25 Der Gleichstromkreis 229 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 Elektrische Leitungsvorgänge in Festkörpern und Flüssigkeiten 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 /23 ' 229 229 , 232 235 235 .-. - 236 238 239 239 241 Inhaltsverzeichnis 27 27.1 27.2 27.3 ,27.4 28 28.1 28.2 Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum und in Gasen Bewegung freier Ladungsträger im elektrischen Feld Ladungsträgerinjektion, Katodenstrahlen Gasentladungen Plasmaströme .• 11 242 242 . . . . . . 244 245 248 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 (Induktion) Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf Stromleiter Bewegung freier Ladungsträger im magnetischen Feld. LORENTZ-Kraft Galvano- und thermomagnetische Effekte. HALL-Effekt 250 250 252 253 254 256 258 29 29.1 29.2 29.3 Das magnetische Feld in Stoffen Magnetische Polarisation der Stoffe Magnetisierung der Ferromagnetika. Hysterese Der magnetische Kreis. Entmagnetisierung 259 259 260 262 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 248 248 264 264 266 268 268 31 Der Wechselstromkreis 270 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6 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 270 272 273 278 279 280 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 283 283 285 286 287 WELLEN Mechanische 33 33.1 33.2. 33.3 33.4 33.5 33.6 und elektromagnetische Schwingungen Mechanische Schwingungen Lineare Federschwingungen Energiebilanz des harmonischen Oszillators Drehschwingungen Pendelschwingungen Freie gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen und Wellen 289 290 292 294 295 297 299 12 Inhaltsverzeichnis 34 34.1 34.2 34.3 Elektrische Schwingungen Der geschlossene Schwingkreis Strom- und Spannungsresonanz Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen 35 35.1 35.2 35.3 35.4 35.5 Überlagerung harmonischer Schwingungen 309 Überlagerung zweier Schwingungen längs gleicher Richtung 309 Gekoppelte Schwingungen 311 Überlagerung zweier Schwingungen längs aufeinander senkrechter Richtungen . . . . 314 Überlagerung von harmonischen zu anharmonischen Schwingungen 316 Nichtlineare Schwingungen. Deterministisches Chaos 319 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 322 322 325 326 328 331 37 37.1 37.2 37.3 37.4 37.5; r 37.6 37.7 Schallwellen (Akustik) Wellenausbreitung im Schallfeld. Phasengeschwindigkeit Schallfeldgrößen Schallquellen. Ton, Klang, Geräusch Schallempfänger und Gehör. Schallpegel und Lautstärke Stehende Schallwellen DOPPLER-Effekt MACHscher Kegel 333 333 335 337 338 340 341 343 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. H E R T Z , 1888) Das elektromagnetische Spektrum 343 343 346 349 351 352 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 354 354 355 358 359 362 , ". 40 Strahlenoptik (Geometrische Optik) 40.1 Lichtstrahlen. FERMATsches Prinzip 40.2 Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen 40.3 Abbildung durch Spiegel (ebener und gekrümmte Spiegel) 40.4 Abbildung durch Linsen (dünne und dicke Linsen, Linsensysteme) 40.5 Das Auge und der Sehvorgang 40.6 Optische Geräte zur S eh Winkel Vergrößerung (Lupe, Mikroskop, Fernrohr) 40.7 Abbildungsfehler 41 • 41.1 41.2 Wellenoptik Interferenz. Interferenzbedingungen Interferenzen-gleicher Neigung und gleicher Dicke 302 302 305 308 364 364 366 .-• 368 372 377 378 380 381 381 383 Inhalts Verzeichnis 41.3 41.4 41.5 41.6 41.7 41.8 41.9 41.10 41.11 41.12 41.13 Beugung (Diffraktion). Das Beugungsphänomen > FRAUNHOFERsche Beugung am Spalt und an der Lochblende Auflösungsvermögen optischer Geräte. Holografie 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 13 385 387 389 392 394 396 399 401 403 407 407 ' 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 . . . 409 409 410 412 414 415 418 420 43 tj.i 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 (Unschärferelation) 421 421 422 424 426 428 431 44 Atombau und Spektren 44.1 , 433 Die Streuexperimente von L E N A R D und R U T H E R F O R D . Das RuTHERFORDsche 44.2 44.3 44.4 44.5 44.6 44.7 44.8 44.9 44.10 44.11 44.12 44.13 Atommodell Das Spektrum des Wasserstoffatoms Das BOHRsche Atommodell Die Spektren der Alkaliatome. Bahndrehimpulsquantenzahl Richtungsquantelung des Bahndrehimpulses der Elektronen Das magnetische Bahnmoment der Elektronen. BOHRsches Magneton Elektronenspin und magnetisches Spinmoment. Die Feinstruktur der Atomspektren Mehrelektronensysteme Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld (ZEEMAN-Effekt) Das PAULI-Prinzip und das Periodensystem der Elemente Die Röntgenspektren und ihre Deutung Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen Induzierte Emission. Maser und Laser 45 45.1 45.2 45.3 45.4 Wellenmechanik Die SCHRÖDINGER-Gleichung Elektron im Kastenpotential Das wellenmechanische Bild des Atoms Der Tunneleffekt 433 435 437 441 443 444 . 445 447 448 450 453 455 459 461 461 463 465 466 14 Inhaltsverzeichnis 46 46.1 46.2 46.3 46.4 46.5 46.6 46.7 46.8 46.9 Elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern 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 468 468 469 472 475 477 479 480 483 485 47 47.1 47.2 47.3 47.4 47.5 47.6 47.7 Atomkerne Masse, Ladung und Zusammensetzung der Kerne Isotope Isobare, Isotone, Nuklide, Isomere Massendefekt und Bindungsenergie der Kerne Stabilitätskriterien. Kernsystematik Kernkräfte Kernmodelle 486 486 487 488 488 490 492 493 48 48.1 48.2 48.3 ,48.4, 48.5 Die natürliche Radioaktivität 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 494 494 495 497 499 500 49 49.1 49.2 49.3 49.4 49.5 Künstliche Kernumwandlungen Arten künstlicher Kernumwandlungen • Massen- und Energiebilanz von Kernreaktionen. Wirkungsquerschnitt Kernspaltung. Gewinnung von Kernspaltungsenergie Arten von Kernreaktoren Kernfusion 502 502 503 504 506 507 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 508 508 ANHANG: Fehlerrechnung (Messabweichungen) 518 Bildquellenverzeichnis 528 Lösungen der Aufgaben 529 Sachwortverzeichnis 534 50.3 50.4 50.5 50.6 50.7 ' 509 511 513 513 516 517
