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Inhalt 1 Einführung 1 1.1 1.1.1 1.1.2 Wie wird das Wissen gewonnen? ....................................................................... Gültigkeitsbereiche physikalischer Gesetze........................................................ Prinzipien der klassischen Physik ....................................................................... 2 4 5 1.2 1.2.1 1.2.2 Physikalische Größen ......................................................................................... Basisgrößen und Maßsysteme............................................................................. Rechnen mit physikalischen Größen................................................................... 6 8 9 2 Mechanik 13 2.1 2.1.1 2.1.2 Bewegung ........................................................................................................... Rotation............................................................................................................... Translation .......................................................................................................... 13 14 15 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 Kinematik ........................................................................................................... Eindimensionale Bewegungen............................................................................ Spezielle eindimensionale Bewegungen............................................................. Allgemeiner Zusammenhang zwischen den kinematischen Größen................... Bewegungszustände und ihre Änderung............................................................. Bewegungen in zwei und drei Dimensionen....................................................... 15 16 19 21 22 22 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.3.8 2.3.9 Dynamik von Massenpunkten............................................................................. Erstes Newtonsches Axiom ................................................................................ Mengenartige physikalische Größen................................................................... Zweites Newtonsches Axiom ............................................................................. Drittes Newtonsches Axiom ............................................................................... Kräfte in der Natur.............................................................................................. Anwendungen der Newtonschen Axiome........................................................... Koordinatentransformationen ............................................................................. Numerisches Lösen von Bewegungsgleichungen............................................... Arbeit und Energie.............................................................................................. 34 34 35 36 37 40 47 56 62 67 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 Systeme von Massenpunkten.............................................................................. System und Systemgrenze .................................................................................. Schwerpunkt ....................................................................................................... Einfluss von äußeren Kräften.............................................................................. Schwerpunktsystem ............................................................................................ Kinetische Energie eines Systems von Massenpunkten...................................... 86 86 87 91 93 93 Ulrich Hahn. Physik für Ingenieure. ISBN 978-3-486-27520-9. Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2007 X Inhalt 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 Stoßprozesse ....................................................................................................... 94 Unelastische Stöße.............................................................................................. 95 Antrieb durch Massenströme: Raketen............................................................... 98 Elastische Stöße.................................................................................................. 102 Kräfte bei Stößen ................................................................................................ 107 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.6.6 2.6.7 Dynamik des starren Körpers, Drehbewegungen ............................................... Freiheitsgrade bei der Rotation........................................................................... Rotationsenergie und Trägheitsmoment ............................................................. Vektorielle Beschreibung der Drehbewegung .................................................... Drehmoment ....................................................................................................... Drehimpuls ......................................................................................................... Arbeit und Leistung bei Drehbewegungen ......................................................... Vermischte Probleme der Dynamik.................................................................... 109 110 110 119 123 135 152 153 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 Mechanik deformierbarer Körper ....................................................................... Deformation fester Körper.................................................................................. Flüssigkeiten....................................................................................................... Strömungen......................................................................................................... 162 164 167 176 3 Thermodynamik 191 3.1 3.1.1 3.1.2 Temperatur ......................................................................................................... Temperaturskalen ............................................................................................... Temperaturmessung............................................................................................ 191 192 194 3.2 3.2.1 Thermodynamische Systeme .............................................................................. Zustandsgrößen in der Thermodynamik ............................................................. 196 197 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 Thermische Ausdehnung .................................................................................... Festkörper: Längenausdehnung .......................................................................... Flüssigkeiten....................................................................................................... Gase .................................................................................................................... 198 198 201 204 3.4 Die Zustandsgleichung idealer Gase................................................................... 205 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 Mikroskopische Beschreibung der Wärme – kinetische Gastheorie................... Kinetische Energie und Temperatur eines idealen Gases ................................... Geschwindigkeitsverteilung der Moleküle ......................................................... Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung ......................................................... 211 212 215 217 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 Erster Hauptsatz der Thermodynamik ................................................................ Formulierungen des 1. Hauptsatzes .................................................................... Wärme und Wärmekapazität .............................................................................. Spezielle Zustandsänderungen idealer Gase....................................................... 221 222 226 236 3.7 3.7.1 3.7.2 Thermodynamische Maschinen .......................................................................... Kreisprozesse...................................................................................................... Carnotscher Kreisprozess ................................................................................... 243 243 247 Ulrich Hahn. Physik für Ingenieure. ISBN 978-3-486-27520-9. Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2007 Inhalt XI 3.7.3 3.7.4 3.7.5 Vergleichsprozesse für reale thermodynamische Maschinen ............................. 252 Kreisprozesse für Turbinen................................................................................. 261 1. Hauptsatz für offene Systeme ......................................................................... 264 3.8 3.8.1 3.8.2 3.8.3 3.8.4 2. Hauptsatz der Thermodynamik....................................................................... Irreversible Prozesse ........................................................................................... Wirkungsgrade thermodynamischer Maschinen................................................. Entropie............................................................................................................... Thermodynamische Potentiale............................................................................ 267 267 269 275 296 3.9 3.9.1 3.9.2 3.9.3 3.9.4 Reale Gase und Phasenänderungen..................................................................... Reale Gase .......................................................................................................... Phasenübergänge reiner Stoffe ........................................................................... Phasenübergänge von Stoffgemischen................................................................ Feuchte Luft........................................................................................................ 298 298 304 314 317 3.10 3.10.1 3.10.2 3.10.3 Wärmetransport .................................................................................................. Wärmeleitung ..................................................................................................... Konvektion ......................................................................................................... Wärmestrahlung.................................................................................................. 320 321 335 343 4 Schwingungen und Wellen 355 4.1 Klassifikation von Schwingungen und Wellen ................................................... 355 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 Eindimensionale Schwingungen ......................................................................... Freie harmonische Schwingungen ...................................................................... Gedämpfte freie harmonische Schwingungen .................................................... Erzwungene Schwingungen................................................................................ Parametrisch angeregte Schwingungen .............................................................. Selbsterregte Schwingungen............................................................................... Überlagerung von Schwingungen....................................................................... Gekoppelte Schwingungen ................................................................................. 356 356 372 382 393 395 396 410 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 Wellen................................................................................................................. Ausbreitung eindimensionaler Wellen................................................................ Reflexion von eindimensionalen Wellen ............................................................ Überlagerung von eindimensionalen Wellen ...................................................... Wellenfelder ....................................................................................................... Doppler-Effekt.................................................................................................... 414 416 424 429 441 454 5 Elektrizität und Magnetismus 461 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 Ladung und Ladungsstrom ................................................................................. Elektrische Leiter und Ladungsträger ................................................................. Ladungserhaltung und Kontinuitätsgleichung .................................................... Elektrischer Strom und Energiestrom ................................................................. Elektrische Netzwerke (Gleichstrom) ................................................................. 462 463 465 467 480 Ulrich Hahn. Physik für Ingenieure. ISBN 978-3-486-27520-9. Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2007 XII Inhalt 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.2.8 5.2.9 5.2.10 5.2.11 Elektrostatik........................................................................................................ Coulombsches Gesetz......................................................................................... Das elektrische Feld............................................................................................ Elektrische Felder kontinuierlicher Ladungsverteilungen .................................. 3. Maxwellgleichung .......................................................................................... Feldberechnung mit Hilfe der 3. Maxwellgleichung .......................................... Arbeit und elektrisches Potential ........................................................................ Leiter im elektrischen Feld ................................................................................. Kondensatoren.................................................................................................... Dielektrika .......................................................................................................... Bewegungen geladener Teilchen in elektrischen Feldern................................... Energie des elektrischen Feldes.......................................................................... 505 505 506 513 519 525 534 548 557 563 573 580 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 Das Magnetfeld .................................................................................................. Magnetische Flussdichte, 4. Maxwellgleichung................................................. Magnetische Kraft auf Ladungsträger ................................................................ Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrische Ströme................................... Magnetfeldberechnung mit dem Ampèreschen Satz .......................................... Biot-Savartsches Gesetz ..................................................................................... Materie im Magnetfeld, magnetische Erregung.................................................. Magnetische Induktion ....................................................................................... Energie des Magnetfeldes................................................................................... 585 587 590 603 608 613 621 640 659 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 Wechselstrom ..................................................................................................... Wechselstromkreise............................................................................................ Drehstrom ........................................................................................................... Transformatoren ................................................................................................. Elektrische Maschinen........................................................................................ 667 668 692 699 705 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 Elektromagnetische Wellen ................................................................................ Verschiebungsstrom ........................................................................................... Maxwellgleichungen und elektromagnetische Wellen ....................................... Energietransport durch elektromagnetische Felder ............................................ Erzeugung elektromagnetischer Wellen ............................................................. Elektromagnetische Wellen in Leitern ............................................................... 719 720 721 727 729 734 6 Optik 741 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 Licht.................................................................................................................... Was ist Licht? ..................................................................................................... Lichtquellen........................................................................................................ Ausbreitung von Licht ........................................................................................ Polarisation von Licht......................................................................................... 742 742 743 752 772 6.2 6.2.1 6.2.2 Geometrische Optik............................................................................................ Optische Abbildung............................................................................................ Abbildung mit Spiegeln...................................................................................... 783 784 786 Ulrich Hahn. Physik für Ingenieure. ISBN 978-3-486-27520-9. Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2007 Inhalt XIII 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.2.8 Abbildung durch Brechung an Grenzflächen...................................................... Abbildung durch Linsen ..................................................................................... Strahlbegrenzungen in optischen Systemen........................................................ Abbildungsfehler ................................................................................................ Energietransport durch Licht .............................................................................. Optische Instrumente .......................................................................................... 800 806 818 823 830 850 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 Interferenz und Beugung von Licht .................................................................... Kohärenz............................................................................................................. Interferenzen an dünnen Schichten ..................................................................... Beugung von Licht.............................................................................................. 875 876 882 892 7 Messungen und ihre Auswertung 933 7.1 7.1.1 7.1.2 Direkte Messung einer Größe ............................................................................. 935 Normalverteilung ................................................................................................ 936 Vertrauensbereiche ............................................................................................. 939 7.2 Fehlerfortpflanzung ............................................................................................ 942 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 Ausgleichsgeraden und Kurvenanpassung.......................................................... Graphische Konstruktion der Ausgleichsgeraden ............................................... Rechnerische Bestimmung der Ausgleichsgeraden ............................................ Ausgleichsgeraden bei nicht linearen Zusammenhängen ................................... Korrelation.......................................................................................................... 947 948 950 953 959 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 Spezielle Probleme ............................................................................................. Vergleich eines Messergebnisses mit dem Literaturwert.................................... Ausreißer............................................................................................................. Vergleich der Mittelwerte zweier Messungen .................................................... Ergebnisse verschiedener Messreihen zusammenfassen..................................... 960 960 961 961 963 Index Ulrich Hahn. Physik für Ingenieure. ISBN 978-3-486-27520-9. Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2007 965
