Physik für Techniker
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Physik für Techniker Von Dr. F r i t z H e y w a n g Professor an der Fachhochschule Nürnberg Erwin Nucke Studiendirektor in Dortmund Jochen Timm Studiendirektor in Hamburg Walter T i m m Oberstudienrat in Hamburg 21. Auflage Mit Versuchen, Aufgabenbeispielen und zahlreichen, z.T. zweifarbigen Abbildungen H a n d w e r k und Technik * H a m b u r g HTH26 Inhalt 4 1 Mechanik fester Körper 1.1 Physik - eine Naturwissenschaft 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 Hinweise für physikalische und technische Erläuterungen sowie für Berechnungen Physikalische Größen Basisgrößen und Basiseinheiten Abgeleitete Größen Größengleichung Einheitengleichung Dezimale Teile und Vielfache von Einheiten 9 9 10 11 11 11 11 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 Physikalische Größen und ihre Messung Länge, Fläche, Volumen Zeit Masse Dichte 12 12 14 14 15 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 1.4.6 1.4.7 1.4.8 1.4.9 Bewegungslehre Gleichförmige, geradlinige Bewegung Ungleichförmige Bewegung Gleichförmige Drehbewegung Gleichmäßig beschleunigte Bewegung Gleichmäßig verzögerte Bewegung Freier Fall, Fallbeschleunigung Geschwindigkeit als Vektor Zusammengesetzte Geschwindigkeiten, Relativbewegung Wurf 17 17 20 21 22 27 29 32 33 35 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5 1.5.6 1.5.7 1.5.8 1.5.9 1.5.10 1.5.11 Kräfte Masse und Trägheitsgesetz Grundeigenschaften einer Kraft Grundgesetz der Dynamik Gewichtskraft Vektoreigenschaft und Darstellung einer Kraft Reibungskraft Gegenkraft und Gleichgewicht Mehrere in einem Punkt angreifende Kräfte Zerlegung einer Kraft Mehrere nicht in einem Punkt angreifende Kräfte Von der Beobachtung zum Gesetz - Arbeitsweise der Physik Federkraft und Hookesches Gesetz 38 38 39 40 41 43 44 48 49 52 54 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.4 1.6.5 1.6.6 1.6.7 1.6.8 1.6.9 1.6.10 1.6.11 Drehmoment, Hebelgesetz, Hebelarten Drehmoment bei senkrecht angreifender Kraft Hebelgesetz Drehmoment bei schräg angreifender Kraft Drehmomentengleichung - Gleichgewicht am Hebel Wirkung einer Einzelkraft Wirkung eines Kräftepaares Hebelarten, Anwendung der Hebel Auflagerkräfte Schwerpunkt Gleichgewichtsarten , Standfestigkeit - Kippsicherheit 1.7 1.7.1 1.7.2 1.7.3 1.7.4 1.7.5 Arbeit, Energie und Leistung Mechanische Arbeit Potentielle und kinetische Energie Satz von der Erhaltung der Energie Leistung Wirkungsgrad 9 55 59 59 . 60 60 61 61 62 63 64 67 70 71 73 73 76 76 78 80 1.8 1.8.1 1.8.2 1.8.3 1.8.4 1.8.5 1.8.6 1.8.7 1.8.8 Einfache und zusammengesetzte Maschinen Waagen Geneigte (schiefe) Ebene Keil Schraube Feste und lose Rolle Wellrad Räderwerke Flaschenzüge 1.9 1.9.1 1.9.2 1.9.3 Ergänzung der Dynamik Newtonsche Axiome der Mechanik Impulssatz und Stoß Kräfte bei einer gleichförmigen Kreisbewegung 96 96 97 100 1.10 1.10.1 1.10.2 Gravitation Gravitationsgesetz Wirkung der Gravitation 103 103 106 1.11 1.11.1 1.11.2 1.11.3 1.11.4 Materialeigenschaften der festen Stoffe Teilbarkeit und molekularer Aufbau Kohäsion, Adhäsion und Härte Wirkungen äußerer Kräfte auf den inneren Aufbau fester Körper Druck 109 109 109 110 113 2 2.1 80 80 81 85 86 88 89 91 93 Gleichgewicht bei Flüssigkeiten - Hydrostatik 2.1.1 2.1.3 2.1.3 2.1.4 Grundeigenschaften der Flüssigkeiten und daraus gezogene Folgerungen Grundeigenschaft und Gesetz der Druckausbreitung Hydrostatischer Druck Boden-, Seiten- und Aufdruckkraft Kommunizierende Gefäße 115 115 117 119 122 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Auftrieb in Flüssigkeiten und seine Anwendung Auftrieb Bestimmung des Volumens und der Dichte mit Hilfe des Auftriebs Sinken, Schweben und Schwimmen eines Körpers 124 124 126 128 2.3 Kohäsion und Adhäsion bei Flüssigkeiten 129 3 Gleichgewicht bei Gasen - Aerostatik 3.1 Allgemeine Eigenschaften der Gase 131 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 Atmosphärendruck Größe des Atmosphärendruckes, Druckeinheiten und ihre Umrechnung . . . . Barometer Vakuum, Luftpumpen und Kompressoren Wirkungen und Anwendungen des Atmosphärendruckes Manometer 132 132 133 134 135 138 3.3 Druck einer eingeschlossenen Gasmenge 140 3.4 Auftrieb in Gasen 142 3.5 Diffusion 143 5 4 4.1 Dynamik der Flüssigkeiten und Gase Druck und Strömungsgeschwindigkeit bei Vernachlässigung der Reibung Vergleich der Strömung einer Flüssigkeit und eines Gases Zusammenhang zwischen Druck und Strömungsgeschwindigkeit (Gesetz von Bernoulli) Anwendungen der Kontinuitätsgleichung und des Bernoullischen Gesetzes 146 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 Einfluß der Reibung auf die Strömung von Flüssigkeiten Innere Reibung und laminare Strömung Turbulenz und Strömungswiderstand Dynamischer Auftrieb und Anwendung auf die Luftfahrt 147 147 149 151 4.3 4.3.1 4.3.2 Ausflußvorgänge Ausfluß aus Gefäßen Ausfluß aus Röhren 152 152 153 4.4 Energie strömender Flüssigkeiten 154 4.1.1 4.1.2 4.1.3 5 144 144 144 Wärmelehre 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 Temperatur und ihre Messung Temperatur und ihre Einheiten Flüssigkeitsthermometer Andere Temperaturmeßverfahren 155 155 156 157 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 Wärmeausdehnung Ausdehnung fester Körper Ausdehnung von Flüssigkeiten Ausdehnung der Gase bei gleichbleibendem Druck Gleichzeitige Änderungen von Druck, Volumen und Temperatur bei Gasen 161 161 166 168 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 W ä r m e als Energie Wärmemenge und erster Hauptsatz Mischungsversuche Wärmequellen Kinetische Theorie der Wärme 173 173 176 178 180 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 Änderung des Aggregatzustandes Schmelzpunkt und Schmelzwärme Siedepunkt und Verdampfungswärme Naßdampf, gesättigter Dampf und Heißdampf Verflüssigung der Gase und kritischer Punkt Luftfeuchtigkeit 182 182 184 187 187 188 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 Ausbreitung der W ä r m e Wärmeströmung oder -konvektion Wärmeleitung Wärmeübergang und Wärmedurchgang Wärmestrahlung 189 189 189 191 192 5.6 Umwandlung von W ä r m e in mechanische Energie 193 170 6 Mechanische Schwingungen und Wellen 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 Schwingungen Entstehung von Schwingungen und ihre Eigenschaften Pendel Dämpfung und Resonanz 196 196 201 203 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 Wellen Entstehung und Eigenschaft einer Welle Transversal- und Longitudinalwellen Ausbreitung linearer Wellen Ausbreitung von Wellenfronten Interferenz 204 204 205 206 209 213 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 Schall Wesen und Eigenschaften des Schalls Stehende Schallwellen und Tonerreger Größen der Schallmessung Lärm und Lärmabwehr Nachhall und Raumakustik Wohlklang und Schallwahrnehmung 214 214 217 219 220 222 223 7 Optik 7.1 7.1.1 7.1.2 Licht als Energieform Licht und seine Ausbreitung Größen und Einheiten der Optik und Beleuchtungstechnik 225 225 227 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 Geometrische Optik Reflexion des Lichtes Abbildung mit Spiegeln Brechung des Lichtes (Refraktion) Abbildung durch brechende Flächen Optische Instrumente 231 231 233 238 241 245 7.3 7.3.1 7.3.2 Licht als Wellenerscheinung Wesen des Lichtes Farben 253 253 254 8 Elektrizitätslehre 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 Grunderscheinungen der Elektrizität Grunderscheinung des elektrischen Stromes Elektrische Ladung Wesen der Elektrizität 257 257 259 260 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 Ruhende Ladungen und elektrisches Feld Wirkungen ruhender Ladungen Elektrisches Feld Elektrische Spannung Kondensatoren Elektrischer Stromkreis 262 262 264 267 269 270 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 Elektrizitätsleitung in Metallen Ohmsches Gesetz Elektrischer Widerstand Reihen-, Parallel- und Gruppenschaltung von Verbrauchern Arbeit und Leistung des elektrischen Stromes 272 272 274 278 283 7 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 8.4.6 Stromdurchgang durch Flüssigkeiten, Gase und Halbleiter Chemische Wirkungen beim Stromdurchgang durch Elektrolyt^ Galvanische Spannungsquellen Stromdurchgang durch Gase Elektronenstrahlen Halbleiter Halbleitergleichrichter und Transistoren 288 288 290 293 294 295 296 8.5 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.5.4 8.5.5 8.5.6 Magnetismus Erscheinungsformen des Magnetismus Größen des magnetischen Feldes Elektromagnetische Induktion Generatoren für Gleichstrom und Einphasenwechselstrom Drehstromgenerator Transformatoren 300 300 304 308 310 313 315 8.6 8.6.1 8.6.2 Gewinnung mechanischer Arbeit aus elektrischer Energie Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld Elektromotoren 317 317 318 8.7 8.7.1 8.7.2 8.7.3 8.7.4 Wechselstromlehre Selbstinduktion in einer Spule Induktiver Widerstand Kapazitiver Widerstand Leistung des Wechselstromes 321 321 323 325 328 8.8 8.8.1 8.8.2 8.8.3 8.8.4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetische Schwingungen Entstehung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Nachweis und Eigenschaften elektromagnetischer Wellen Umwandlung von Schallschwingungen in elektromagnetische Schwingungen Nachrichtenübertragung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen Überblick über die elektromagnetischen Wellen 330 330 332 333 8.8.5 8.8.6 9 335 337 338 Atom- und Kernphysik 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 Atomphysik Masse und Größe der Atome Atomkern und Elektronenhülle Bau der Elektronenhülle Bindung der Atome zu Molekülen und Festkörpern 340 340 341 342 344 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 Kernphysik Radioaktivität Bau der Atomkerne Kernreaktionen Atomkernenergie Radioaktive Isotope und Strahlungsgefahren 345 345 347 348 349 351 Verwendete Formelzeichen und Einheiten 353 Lösungen der Aufgaben 354 Sachwortverzeichnis 357 Bildquellenverzeichnis 359 Bedeutende Physiker 360
