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Jürgen Zeitler, Günter Simon
Physik für Techniker
Inhaltsverzeichnis
9
Technik und Physik
14
1 Physikalische Größen und Einheiten
14
1.1 Größenarten und Größen
14
1.2 Einheiten und Internationales Einheitensystem (SI)
15
1.3 Größengleichungen
16
1.4 Länge, Fläche und Volumen
17
1.5 Zeit
18
Mechanik
19
2 Kinematik
19
2.1 Kinematik der Punktmasse
20
2.1.1 Bewegung auf gerader Bahn
21
2.1.1.1 Geschwindigkeit und Beschleunigung
21
2.1.1.2 Gleichförmige Bewegung
25
2.1.1.3 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung
27
2.1.1.4 Freier Fall
31
2.1.1.5 Relativität der Bewegung und Überlagerung von Bewegungen
32
2.1.2 Bewegung auf der Kreisbahn
35
2.1.2.1 Periodendauer und Frequenz
35
2.1.2.2 Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung
36
2.1.2.3 Radialbeschleunigung
37
2.2 Kinematik des starren Körpers
38
2.2.1 Translation und Rotation
39
2.2.2 Kinematik der Rotation
40
2.2.3 Drehzahlmessung
42
3 Dynamik der Punktmasse
43
3.1 Kräfte
43
3.1.1 Wirkungen von Kräften
43
3.1.2 Wechselwirkung
44
3.1.3 Kraftmessung
45
3.1.4 Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften
47
3.1.5 Trägheit der Körper
49
3.1.6 Grundgesetz der Dynamik
50
3.1.7 Schwere der Körper
53
3.1.8 Reibungskräfte
54
3.1.9 Anwendungen des Grundgesetzes der Dynamik
56
3.1.10 Trägheitskräfte
59
3.1.11 Radialkraft und Zentrifugalkraft
60
3.2 Arbeit, Energie und Leistung
62
3.2.1 Mechanische Arbeit
62
3.2.1.1 Beschleunigungsarbeit
63
3.2.1.2 Hubarbeit
64
3.2.1.3 Federspannarbeit
65
3.2.1.4 Reibungsarbeit
66
3.2.2 Energie
67
3.2.2.1 Kinetische Energie
67
3.2.2.2 Potenzielle Energie
68
3.2.3 Energieerhaltungssatz
69
3.2.4 Leistung und Wirkungsgrad
73
3.2.4.1 Leistung
73
3.2.4.2 Wirkungsgrad
74
3.3 Impuls
77
3.3.1 Kraftstoß und Impuls
77
3.3.2 Impulserhaltungssatz
78
3.3.3 Stoßvorgänge
79
3.3.3.1 Elastischer Stoß
79
3.3.3.2 Unelastischer Stoß
81
3.3.4 Raketenantrieb
82
4 Dynamik der Rotation
84
4.1 Drehmoment
85
4.2 Rotationsenergie und Massenträgheitsmoment
89
4.2.1 Rotationsenergie
89
4.2.2 Massenträgheitsmoment
89
4.3 Analogie zwischen Translation und Rotation
92
4.4 Grundgesetz der Dynamik der Rotation
92
4.5 Arbeit und Leistung bei der Rotation
94
4.6 Drehimpulserhaltungssatz
95
5 Statik und Verformung
98
5.1 Gleichgewicht starrer Körper
98
5.1.1 Gleichgewichtsbedingungen
98
5.1.2 Gleichgewichtsarten
99
5.1.3 Schwerpunkt
99
5.2 Ebene Kraftsysteme
100
5.2.1 Kräfte mit gemeinsamem Angriffspunkt
100
5.2.2 Kräfte mit verschiedenen Angriffspunkten
101
5.2.3 Standsicherheit
104
5.3 Verformung und Festigkeit
106
6 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
109
6.1 Druck
109
6.2 Einige Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen
111
6.2.1 Kompressibilität
111
6.2.2 Flüssigkeitsoberfläche
112
6.2.3 Grenzflächenerscheinungen und Kapillarität
113
6.3 Mechanik ruhender Flüssigkeiten und Gase
114
6.3.1 Kolbendruck
115
6.3.2 Schweredruck
116
6.3.2.1 Schweredruck in Flüssigkeiten
116
6.3.2.2 Schweredruck in Gasen und Luftdruck
118
6.3.2.3 Vakuum
119
6.3.3 Druckmessung
120
6.3.3.1 Druckskalen
120
6.3.3.2 Druckmessgeräte
121
6.3.4 Auftrieb
122
6.3.4.1 Auftrieb in Flüssigkeiten
122
6.3.4.2 Schwimmen
124
6.3.4.3 Auftrieb in Gasen
126
6.4 Mechanik strömender Flüssigkeiten und Gase
127
6.4.1 Strömungsgeschwindigkeit und Stromlinien; Volumenstrom
127
6.4.2 Strömung idealer Flüssigkeiten und Gase
128
6.4.2.1 Kontinuitätsgleichung
128
6.4.2.2 BERNOULLIsche Gleichung
129
6.4.2.3 Anwendungen der BERNOULLIschen Gleichung
131
6.4.3 Strömung realer Flüssigkeiten und Gase
133
6.4.3.1 Innere Reibung und Viskosität
133
6.4.3.2 Laminare und turbulente Strömungen
134
6.4.3.3 Strömungswiderstände
135
6.4.3.4 Druckverlust in Rohrleitungen
137
6.4.3.5 Viskositätsbestimmungen
137
Thermodynamik
139
7 Wärme und innere Energie
139
7.1 Thermodynamische Prozesse
139
7.2 Wärmebewegung
140
7.3 Temperatur
140
7.4 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper
142
7.5 Temperaturmessung
144
7.6 1. Hauptsatz der Thermodynamik
146
7.7 Wärme und Temperatur
147
7.8 Spezifische Wärmekapazität von Gasen
149
7.9 Änderung des Aggregatzustandes
150
7.10 Wärmebilanzen bei Temperaturausgleich
153
7.11 Energieumwandlungen
156
8 Zustandsänderungen von Gasen
159
8.1 Thermischer Zustand des idealen Gases
159
8.1.1 Ideales Gas
159
8.1.2 Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases
159
8.1.3 Quasistatische Zustandsänderungen
160
8.2 Volumenänderungsarbeit
161
8.3 Spezielle Zustandsänderungen
162
8.3.1 Isotherme Zustandsänderungen
162
8.3.2 Isochore Zustandsänderungen
163
8.3.3 Isobare Zustandsänderungen
164
8.3.4 Adiabatische Zustandsänderungen
165
8.4 Kreisprozesse
166
8.4.1 Prinzip der Wärmekraftmaschine
166
8.4.2 Wärmepumpe und Kältemaschine
167
8.4.3 CARNOT-Prozess
168
8.5 2. Hauptsatz der Thermodynamik
169
8.5.1 Thermodynamischer Wirkungsgrad reversibler Kreisprozesse
169
8.5.2 Irreversible Prozesse
170
8.5.3 Entropie
170
8.6 Reale Gase und Dämpfe
171
8.6.1 Isothermen eines realen Gases
171
8.6.2 Dämpfe
172
8.6.3 Luftfeuchte
173
9 Wärmetransport
174
9.1 Wärmetransportprozesse
174
9.2 Wärmedurchgang
175
9.3 Temperaturstrahlung
178
Elektrik
181
10 Gleichstrom
181
10.1 Elektrische Ladungen und Ströme
181
10.2 Elektrische Spannung
183
10.3 OHMsches Gesetz
186
10.4 Elektrischer Widerstand
187
10.5 Schaltung von Widerständen
190
10.5.1 Parallelschaltung
190
10.5.2 Reihenschaltung
192
10.6 Elektrische Energie und Leistung
196
10.7 Reale Stromkreise
197
10.7.1 Verhalten realer Spannungsquellen
197
10.7.2 Schaltung von Spannungsquellen
199
10.7.3 Einfluss von Leitungswiderständen
200
10.7.4 Knoten- und Maschensatz zur Berechnung elektrischer Netze
201
10.8 Messung elektrischer Größen
201
10.8.1 Strom- und Spannungsmessung
202
10.8.2 Digitale Messverfahren
202
10.8.3 Spannungskompensation
203
10.8.4 Messbrücken
204
11 Elektrische und magnetische Felder
205
11.1 Elektrische Felder
206
11.1.1 Kräfte zwischen elektrischen Ladungen
206
11.1.2 Elektrische Felder im Vakuum
207
11.1.2.1 Elektrische Flussdichte und elektrische Feldstärke
207
11.1.2.2 Kapazität
207
11.1.2.3 Elektrische Feldenergie
208
11.1.3 Stoffe im elektrischen Feld
209
11.1.3.1 Influenz
209
11.1.3.2 Dielektrische Polarisation
209
11.1.4 Kondensatoren
211
11.2 Magnetische Felder
212
11.2.1 Magnetische Felder stromdurchflossener Leiter
212
11.2.2 Magnetische Felder im Vakuum
213
11.2.2.1 Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte
213
11.2.2.2 Induktivität und magnetische Feldenergie
214
11.2.3 Stoffe im magnetischen Feld
214
11.2.4 Kraftwirkungen auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld
216
11.3 Bewegung von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern
218
11.3.1 Erzeugung von Elektronenstrahlen
218
11.3.2 Ablenkung von Elektronen im elektrischen Querfeld
219
11.3.3 Elektronen in magnetischen Feldern
220
11.3.4 Gasentladungen
221
11.4 Elektromagnetische Induktion
223
11.4.1 Induktionsgesetz
224
11.4.2 Transformator- und Generatorprinzip
225
11.4.2.1 Transformatorprinzip
226
11.4.2.2 Generatorprinzip
226
11.4.2.3 Elektrische Maschinen
227
11.4.3 Wirbelströme
228
11.4.4 Selbstinduktion
228
12 Wechselstrom
231
12.1 Wechselspannungen und Wechselströme
231
12.1.1 Bestimmungsgrößen
231
12.1.2 Elektronische Messung der Bestimmungsgrößen
232
12.2 Einfache Wechselstromkreise
234
12.2.1 Wirkwiderstände
234
12.2.2 Blindwiderstände
235
12.2.2.1 Induktiver Blindwiderstand
235
12.2.2.2 Kapazitiver Blindwiderstand
236
12.3 Zusammengesetzte Wechselstromkreise
238
12.3.1 Reihenschaltung von R und L
239
12.3.2 Reihenschaltung von R, L und C
240
12.3.3 Parallelschaltung von R, L und C
242
12.4 Leistung des Wechselstroms
243
12.4.1 Momentanleistung und Wirkleistung
243
12.4.2 Messung von Energieumsatz und Wirkleistung
243
12.4.3 Wirk-, Blind- und Scheinleistung
244
12.4.4 Blindleistungskompensation
245
12.5 Transformatoren
246
12.6 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom)
249
12.7 Schutz vor elektrischen Unfällen
252
13 Halbleiter
254
13.1 Leitungsmechanismen in Halbleitern
254
13.1.1 Eigenleitung
254
13.1.2 Störstellenleitung
256
13.1.2.1 n-Leitung
256
13.1.2.2 p-Leitung
257
13.2 pn-Übergang
257
13.3 Halbleiterdioden
259
13.4 Transistoren
261
13.4.1 Bipolartransistoren
261
13.4.2 Elementarer Spannungsverstärker
262
13.4.3 Feldeffekttransistoren
264
13.4.4 Integrierte Schaltkreise
265
Schwingungen und Wellen
266
14 Schwingungen
266
14.1 Mechanische Schwingungen
266
14.1.1 Freie ungedämpfte Schwingungen
266
14.1.1.1 Kinematik der Sinusschwingung
267
14.1.1.2 Dynamik der Sinusschwingung
269
14.1.1.3 Dreh- und Pendelschwingungen
271
14.1.2 Freie gedämpfte Schwingungen
273
14.1.3 Erzwungene Schwingungen
275
14.2 Elektrische Schwingungen
276
14.2.1 Elektrischer Schwingkreis
276
14.2.2 Analogie zwischen mechanischen und elektrischen Schwingungen
277
14.2.3 Erzwungene elektrische Schwingungen
278
14.2.3.1 Reihenresonanz
278
14.2.3.2 Parallelresonanz
279
14.3 Überlagerung von Schwingungen
279
14.3.1 Überlagerung in gleicher Richtung
280
14.3.1.1 Schwingungen gleicher Frequenz
280
14.3.1.2 Schwebungen
281
14.3.2 Überlagerung senkrecht zueinander
282
14.3.3 Anharmonische Schwingungen
282
15 Wellen
284
15.1 Wellenausbreitung
284
15.1.1 Arten von Wellen
284
15.1.2 Frequenz und Doppler-Effekt
286
15.1.3 Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit
286
15.1.4 Energiestrom und Amplitude
287
15.1.5 HUYGENSsches Prinzip
287
15.2 Reflexion und Brechung
288
15.2.1 Reflexion
288
15.2.2 Brechung
289
15.2.3 Totalreflexion
290
15.3 Beugung und Interferenz
291
15.3.1 Beugung
291
15.3.2 Interferenz
292
15.3.3 Stehende Wellen
294
15.3.4 Beugung und Interferenz am Doppelspalt
295
15.4 Polarisation
297
15.5 Optische Abbildung
298
15.5.1 Bildkonstruktion
299
15.5.2 Bildentstehung an gekrümmten Spiegeln und Linsen
300
15.5.3 Abbildungsgleichung und Abbildungsmaßstab
302
15.5.4 Vergrößerung durch Fernrohr und Mikroskop
303
15.6 Energieübertragung durch Wellen
305
15.6.1 Physikalische Strahlungsgrößen
305
15.6.2 Physiologische Schall- und Lichtempfindungen
307
15.6.2.1 Schallstärke und Lautstärke
307
15.6.2.2 Lichttechnische Größen
309
15.7 Elektromagnetische Strahlung
311
15.7.1 HERTZsche Wellen
312
15.7.2 Mikrowellen
312
Quanten und Atome
316
16 Atom- und Kernphysik
316
16.1 Quanten
317
16.1.1 Energiequantelung
317
16.1.2 Welle-Teilchen-Dualismus
318
16.1.3 Äußerer Fotoeffekt
318
16.1.4 HEISENBERGsche Unschärferelation
319
16.1.5 Masse und Energie
320
16.2 Photonen
321
16.2.1 BOHRsches Atommodell
321
16.2.2 Absorption und Emission von Photonen
322
16.2.3 LASER
324
16.2.4 Röntgenstrahlen
326
16.3 Atomkern
328
16.3.1 Aufbau des Atomkerns
328
16.3.2 Radioaktivität
330
16.3.2.1 ?-Umwandlung
330
16.3.2.2 ?-Umwandlung
331
16.3.2.3 ?-Strahlung
332
16.3.2.4 Gesetz der radioaktiven Umwandlung
332
16.3.2.5 Absorption von ionisierender Strahlung
334
16.3.2.6 Nachweis von Kernstrahlung
336
16.3.2.7 Biologische Wirkungen und Strahlenschutz
338
16.3.3 Kernenergie
339
16.3.3.1 Kernspaltung
340
16.3.3.2 Kernsynthese
342
Aufgaben
344
2 Kinematik
344
3 Dynamik der Punktmasse
345
4 Dynamik der Rotation
348
5 Statik
349
6 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
351
7 Wärme und innere Energie
354
8 Zustandsänderungen von Gasen
355
9 Wärmetransport
356
10 Gleichstrom
357
11 Elektrische und magnetische Felder
360
12 Wechselstrom
361
14 Schwingungen
363
15 Wellen
364
16 Atom- und Kernphysik
365
Lösungen
367
2 Kinematik
367
3 Dynamik der Punktmasse
369
4 Dynamik der Rotation
373
5 Statik
374
6 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
376
7 Wärme und innere Energie
378
8 Zustandsänderungen von Gasen
380
9 Wärmetransport
382
10 Gleichstrom
382
11 Elektrische und magnetische Felder
387
12 Wechselstrom
389
14 Schwingungen
392
15 Wellen
393
16 Atom- und Kernphysik
395
Bildquellenverzeichnis
397
Sachwortverzeichnis
398
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