Heribert Stroppe
PHYSIK
für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften
Vorwort
9
Inhaltsverzeichnis
11
Teil I Einführung
21
1 Was ist „Physik“?Wege physikalischerErkenntnisgewinnung
22
2 Physikalische Größen, Einheiten,Dimensionen, Gleichungen
24
2.1 Größen, Einheiten, Dimensionen
24
2.2 Physikalische Gleichungen
26
2.3 Das neue SI-Einheitensystem
27
Teil II Teilchen: Mechanik der Punktmasse und des starren Körpers. Stoffe
29
3 Kinematik der Punktmasse
30
3.1 Raum, Zeit, Bezugssystem
30
3.2 Die gleichförmige Bewegung
32
3.3 Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung
33
3.4 Freier Fall. Senkrechter Wurf
36
3.5 Allgemeine Definition von Geschwindigkeit undBeschleunigung. Ungleichmäßig beschleunigte Bewegung
38
3.6 Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektoren.Zusammengesetzte Bewegungen (Superposition)
41
3.7 Die gleichförmige Kreisbewegung
43
3.8 Die ungleichförmige Kreisbewegung
47
3.9 Bewegung auf beliebig krummliniger Bahn
49
4 Dynamik der Punktmasse
51
4.1 Der Kraftbegriff in der Physik. Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften. Statisches Gleichgewicht
51
4.2 Das Trägheitsgesetz (1. newtonsches Axiom)
53
4.3 Das Grundgesetz der Dynamik (2. newtonsches Axiom)
54
4.4 Träge und schwere Masse. Gewichtskraft. Radialkraft
55
4.5 Kraftstoß. Impuls (Bewegungsgröße)
57
4.6 Lösung der Bewegungsgleichung für konstante Kraft. Die Wurfbewegung
60
4.7 Das Wechselwirkungsgesetz (3. newtonsches Axiom)
63
4.8 Reibungskräfte
64
5 Bewegte Bezugssysteme
68
5.1 Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme. Trägheitskräfte
68
5.2 Gleichförmig rotierende Bezugssysteme. Zentrifugalkraft, Coriolis-Kraft
71
5.3 Inertialsysteme. Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik
74
6 Grundzüge der speziellen Relativitätstheorie
76
6.1 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die Lorentz-Transformation
76
6.2 Folgerungen aus der Lorentz-Transformation
80
6.3 Relativistische Bewegungsgleichung
81
7 Arbeit und Energie
83
7.1 Arbeit
83
7.2 Leistung. Wirkung
87
7.3 Der Energiebegriff. Potenzielle und kinetische Energie
88
7.4 Das Gesetz von der Erhaltung der Energie (Energiesatz)
89
7.5 Äquivalenz von Masse und Energie
91
8 Gravitation
93
8.1 Die keplerschen Gesetze der Planetenbewegung und das Gravitationsgesetz
93
8.2 Arbeit gegen die Schwerkraft. Kosmische Geschwindigkeiten
96
9 Dynamik der Punktmassen-Systeme
98
9.1 Impulserhaltungssatz. Massenmittelpunkt
98
9.2 Die Gesetze des Stoßes
100
9.3 Raketenantrieb
105
10 Statik des starren Körpers
107
10.1 Freiheitsgrade des starren Körpers
107
10.2 Kräfte am starren Körper. Drehmoment. Gleichgewichtsbedingungen
107
10.3 Kräftepaar
112
10.4 Der Schwerpunkt
112
10.5 Arten des Gleichgewichts
115
11 Dynamik des starren Körpers
116
11.1 Bewegung eines frei beweglichen Körpers bei Einwirkung einer Kraft
116
11.2 Kinetische Energie der Drehbewegung. Massenträgheitsmoment
116
11.3 Arbeit und Leistung bei der Drehbewegung. Grundgesetz der Dynamik
119
11.4 Der Drehimpuls (Drall). Drehimpulserhaltungssatz
121
11.5 Kreiselbewegungen. Freie Achsen
123
11.6 Bewegung des symmetrischen Kreisels
125
12 Die Zustandsformen der Stoffe
128
12.1 Einteilung der Stoffe. Aggregatzustände
128
12.2 Der kristalline Aufbau der Festkörper
129
12.3 Bindungsarten
132
Teil III Kontinua: Mechanik der deformierbaren Medien
133
13 Der deformierbare feste Körper
134
13.1 Elastische Verformung. Hookesches Gesetz
134
13.2 Querkontraktion. Kompressibilität
136
13.3 Elastisches Verhalten bei Scherbeanspruchung
137
13.4 Der einachsige Spannungszustand
138
13.5 Dreiachsiger Spannungs- und Dehnungszustand
139
13.6 Zusammenhang zwischen Schubmodul, Elastizitätsmodulund poissonscher Querkontraktionszahl
140
13.7 Plastische Verformung. Spannungs-Dehnungs-Diagramm
141
13.8 Härte fester Körper
143
14 Ruhende Flüssigkeiten und Gase
144
14.1 Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck)
144
14.2 Schweredruck. Auftrieb. Schwimmstabilität
145
14.3 Druck in Gasen. Zusammenhang zwischen Druck, Volumenund Dichte
149
14.4 Schweredruck in Gasen. Barometrische Höhenformel
150
14.5 Erscheinungen an Grenzflächen. Kohäsion und Adhäsion
152
14.6 Spezifische Oberflächenenergie, Oberflächenspannung
152
14.7 Benetzung und Kapillarwirkung
154
15 Strömende Flüssigkeiten und Gase (Strömungsmechanik)
156
15.1 Das Strömungsfeld. Kennzeichnung und Einteilung von Strömungen
156
15.2 Strömungen idealer Flüssigkeiten und Gase. Kontinuitätsgleichung
158
15.3 Die bernoullische Gleichung. Druckmessung
160
15.4 Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase. Laminare Strömung
164
15.5 Gesetze von Hagen-Poiseuille und Stokes
165
15.6 Umströmung durch reale Flüssigkeiten und Gase. Reynolds-Zahl
167
15.7 Die Bewegungsgleichung eines Fluids
169
Teil IV Wärme: Thermodynamik und Gaskinetik
173
16 Verhalten der Körper bei Temperaturänderung
174
16.1 Die Temperatur und ihre Messung
174
16.2 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper
176
16.3 Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderungen der Gase. Der absolute Nullpunkt
178
16.4 Die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases
181
17 Der I. Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz)
184
17.1 Wärmemenge und Wärmekapazität
184
17.2 Innere Energie eines Systems. Formulierung des I. Hauptsatzes
186
17.3 Spezifische Wärmekapazität des idealen Gases. Kalorische Zustandsgleichung
188
17.4 Anwendung des I. Hauptsatzes auf spezielle Zustandsänderungen des idealen Gases
190
17.5 Zustandsänderungen des idealen Gases in offenenSystemen. Technische Arbeit. Enthalpie
195
18 Kinetische Gastheorie
197
18.1 Die Masse der Atome und Moleküle
197
18.2 Druck und mittlere quadratische Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Grundgleichung der kinetischen Gastheorie
198
18.3 Die Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle
201
18.4 Molekularenergie und Temperatur. Wärmekapazität der Körper
204
18.5 Stoßzahl und mittlere freie Weglänge
207
18.6 Gemische idealer Gase. Gesetz von Dalton
208
19 Der II. Hauptsatz der Thermodynamik(Entropiesatz)
210
19.1 Der Carnot-Kreisprozess. Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und Wärmepumpe
210
19.2 Thermodynamische Temperatur
214
19.3 Reversible und irreversible Vorgänge. II. Hauptsatz
215
19.4 Entropie
217
19.5 Entropieänderung des idealen Gases. Irreversible Prozesse
222
19.6 Entropie und Wahrscheinlichkeit
224
19.7 III. Hauptsatz (Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts)
227
20 Reale Gase. Phasenumwandlungen
228
20.1 Die van-der-Waalssche Zustandsgleichung. Gasverflüssigung
228
20.2 Joule-Thomson-Effekt. Erzeugung tiefer Temperaturen
231
20.3 Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Sieden und Verdunsten
233
20.4 Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase. Koexistenz dreier Phasen
238
20.5 Lösungen. Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung
241
21 Ausgleichsvorgänge
243
21.1 Wärmeleitung
243
21.2 Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konvektion
246
21.3 Diffusion
248
Teil V Felder: Gravitation. Elektrizität und Magnetismus
251
22 Das Gravitationsfeld
252
22.1 Nahwirkungstheorie. Der Feldbegriff
252
22.2 Gravitationsfeldstärke, Gravitationspotenzial
254
22.3 Massen als Senken des Gravitationsfeldes
257
22.4 Grundaussagen der allgemeinen Relativitätstheorie
259
23 Das elektrostatische Feld
261
23.1 Die elektrische Ladung. Ladungsnachweis
261
23.2 Ladungen als Quellen bzw. Senken des elektrischen Feldes
263
23.3 Kraftwirkungen des elektrischen Feldes. Elektrische Feldstärke
264
23.4 Elektrostatisches Potenzial. Spannung
267
23.5 Elektrische Ladungen auf Leitern. Influenz
269
23.6 Elektrischer Fluss, Flussdichte
270
23.7 Das elektrische Zentralfeld (Punktladung und Punktladungssystem)
272
23.8 Kapazität. Kondensatoren
274
24 Das elektrische Feld in Isolatoren(Dielektrika)
277
24.1 Elektrische Polarisation der Dielektrika. Piezoelektrizität
277
24.2 Permittivität (Dielektrizitätskonstante), elektrische Suszeptibilität
278
24.3 Verhalten von D und E an der Grenzfläche zweier Medien
280
24.4 Energieinhalt des elektrischen Feldes
282
25 Der Gleichstromkreis
284
25.1 Das stationäre elektrische Feld in einem Leiter
284
25.2 Stromstärke, Spannung, Widerstand. Ohmsches Gesetz
284
25.3 Schaltungen und Messmethoden
287
25.4 Arbeit und Leistung elektrischer Gleichströme
293
26 Elektrische Leitungsvorgänge in Festkörpern und Flüssigkeiten
294
26.1 Klassische Theorie der freien Elektronen in Metallen
294
26.2 Thermoelektrische Effekte
296
26.3 Elektrokinetische Effekte
298
26.4 Elektrolytische Stromleitung. Faradaysche Gesetze
298
26.5 Elektrochemische Spannungsquellen
300
27 Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum und in Gasen
302
27.1 Bewegung freier Ladungsträger im elektrischen Feld
302
27.2 Ladungsträgerinjektion, Katodenstrahlen
304
27.3 Gasentladungen
305
27.4 Plasmaströme
308
28 Das magnetostatische Feld der Dipole und Gleichströme
309
28.1 Analogien und Unterschiede zum elektrostatischen Feld
309
28.2 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf magnetischeDipole. Magnetische Feldstärke
310
28.3 Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters. Durchflutungsgesetz
311
28.4 Einfache Feldberechnungen
313
28.5 Magnetische Flussdichte (Induktion)
315
28.6 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf Stromleiter
316
28.7 Bewegung freier Ladungsträger im magnetischen Feld. Lorentz-Kraft
318
28.8 Galvano- und thermomagnetische Effekte. Hall-Effekt. Quanten-Hall-Effekt
320
29 Das magnetische Feld in Stoffen
322
29.1 Magnetische Polarisation der Stoffe
322
29.2 Magnetisierung der Ferromagnetika. Hysterese
323
29.3 Der magnetische Kreis. Entmagnetisierung
325
30 Elektromagnetische Induktion
328
30.1 Das faradaysche Induktionsgesetz
328
30.2 Selbstinduktion
330
30.3 Energieinhalt des magnetischen Feldes
332
30.4 Elektromagnetische Induktion in einem bewegten Leiter
333
31 Der Wechselstromkreis
335
31.1 Wechselspannung, Wechselstrom, Dreiphasenstrom
335
31.2 Arbeit und Leistung elektrischer Wechselströme
337
31.3 Wechselstromwiderstände. Ohmsches Gesetzfür Wechselstrom
339
31.4 Der Transformator
345
31.5 Anharmonische Wechselströme in der Elektronik
346
31.6 Gleichrichter und Verstärker. Elektronische Bauelemente
347
32 Die maxwellschen Gleichungen
351
32.1 Wirbel des magnetischen Feldes. Verschiebungsstrom
351
32.2 Wirbel des elektrischen Feldes. Wirbelströme. Skineffekt
352
32.3 Elektromagnetisches Feld. System der maxwellschenGleichungen
354
32.4 Relativistische Elektrodynamik
355
Teil VI Wellen: Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen
357
33 Mechanische Schwingungen
358
33.1 Lineare Federschwingungen
358
33.2 Energiebilanz des harmonischen Oszillators
361
33.3 Drehschwingungen
362
33.4 Pendelschwingungen
364
33.5 Freie gedämpfte Schwingungen
366
33.6 Erzwungene Schwingungen
369
34 Elektrische Schwingungen
373
34.1 Der geschlossene Schwingkreis
373
34.2 Strom- und Spannungsresonanz
375
34.3 Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen
378
35 Überlagerung harmonischerSchwingungen
380
35.1 Überlagerung zweier Schwingungen längs gleicher Richtung
380
35.2 Gekoppelte Schwingungen
382
35.3 Überlagerung zweier Schwingungen längs aufeinandersenkrechter Richtungen
385
35.4 Überlagerung von harmonischen zu anharmonischen Schwingungen
388
35.5 Nichtlineare Schwingungen. Deterministisches Chaos
390
36 Allgemeine Wellenlehre
394
36.1 Zusammenhang von Schwingungen und Wellen
394
36.2 Die eindimensionale Wellengleichung und ihre allgemeineLösung
397
36.3 Transversal- und Longitudinalwellen
398
36.4 Stehende Wellen. Eigenschwingungen
401
36.5 Wellenausbreitung in ausgedehnten Medien
404
37 Schallwellen (Akustik)
407
37.1 Wellenausbreitung im Schallfeld. Phasengeschwindigkeit
407
37.2 Schallfeldgrößen
409
37.3 Schallquellen. Ton, Klang, Geräusch
411
37.4 Schallempfänger und Gehör. Schallpegel und Lautstärke
412
37.5 Stehende Schallwellen
414
37.6 Doppler-Effekt
416
37.7 Machscher Kegel
418
38 Elektromagnetische Wellen
419
38.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entlang von Leitungen
419
38.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum
421
38.3 Erzeugung und Nachweis elektromagnetischer Wellen
425
38.4 Die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen (H. Hertz, 1888)
427
38.5 Das elektromagnetische Spektrum
428
39 Einfluss von Stoffen auf die Wellenausbreitung
431
39.1 Absorption und Streuung
431
39.2 Phasengeschwindigkeit und Dispersion.Gruppengeschwindigkeit
432
39.3 Huygenssches Prinzip
436
39.4 Reflexion und Brechung (Refraktion). Totalreflexion
437
39.5 Optische Dispersion. Prisma, Spektral- und Körperfarben
440
40 Strahlenoptik (Geometrische Optik)
443
40.1 Lichtstrahlen. Fermatsches Prinzip
443
40.2 Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen
445
40.3 Abbildung durch Spiegel (ebener und gekrümmte Spiegel)
447
40.4 Abbildung durch Linsen (dünne und dicke Linsen, Linsensysteme)
452
40.6 Optische Geräte zur Sehwinkelvergrößerung (Lupe, Mikroskop, Fernrohr)
458
40.7 Abbildungsfehler
461
41 Wellenoptik
462
41.1 Interferenz. Interferenzbedingungen
462
41.2 Interferenzen gleicher Neigung und gleicher Dicke
464
41.3 Beugung (Diffraktion). Das Beugungsphänomen
466
41.4 Fraunhofersche Beugung am Spalt und an der Lochblende
468
41.5 Auflösungsvermögen optischer Geräte. Holografie
471
41.6 Fraunhofersche Beugung am Strichgitter
474
41.7 Spektrometer
476
41.8 Beugung von Röntgenstrahlen am Raumgitter der Kristalle
477
41.9 Polarisation. Polarisation des Lichts durch Reflexion und Brechung
481
41.10 Polarisation durch Doppelbrechung
484
41.11 Interferenz des polarisierten Lichts
486
41.12 Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts
489
41.13 Nichtlineare Optik
491
Teil VII: Quanten Struktur und Eigenschaften der Materie
493
42 Die Gesetze der Strahlung
494
42.1 Das Wesen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung)
494
42.2 Strahlungsphysikalische Größen
495
42.3 Emission und Absorption von Strahlung. Kirchhoffsches Strahlungsgesetz
497
42.4 Das plancksche Strahlungsgesetz
499
42.5 Folgerungen aus dem planckschen Strahlungsgesetz
500
42.6 Lichttechnische Größen (Photometrie)
503
42.7 Zusammenhang zwischen strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Größen
506
43 Der Welle-Teilchen-Dualismus derMikroobjekte
507
43.1 Die Teilchennatur des Lichts. Lichtquanten (Photonen)
507
43.2 Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt)
508
43.3 Der Compton-Effekt
511
43.4 Rückstoß durch Quantenemission. Mößbauer-Effekt
512
43.5 Die Wellennatur der Teilchen
514
43.6 Das heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip(Unschärferelation)
517
44 Atombau und Spektren
520
44.1 Die Streuexperimente von Lenard und Rutherford.Das rutherfordsche Atommodell
520
44.2 Das Spektrum des Wasserstoffatoms
522
44.3 Das bohrsche Atommodell
524
44.4 Die Spektren der Alkaliatome. Bahndrehimpulsquantenzahl
528
44.5 Richtungsquantelung des Bahndrehimpulses der Elektronen
531
44.6 Das magnetische Bahnmoment der Elektronen. Bohrsches Magneton
532
44.7 Elektronenspin und magnetisches Spinmoment. Die Feinstruktur der Atomspektren
533
44.8 Mehrelektronensysteme
535
44.9 Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld (Zeeman-Effekt)
536
44.10 Das Pauli-Prinzip und das Periodensystem der Elemente
538
44.11 Die Röntgenspektren und ihre Deutung
542
44.12 Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen
544
44.13 Induzierte Emission. Maser und Laser
548
45 Wellenmechanik
551
45.1 Die Schrödinger-Gleichung
551
45.2 Elektron im Kastenpotenzial
553
45.3 Das wellenmechanische Bild des Atoms
555
45.4 Der Tunneleffekt
557
46 Elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern
559
46.1 Elektrische Leitfähigkeit. Das Modell des Elektronengases
559
46.2 Bändermodell des Festkörpers. Metalle, Halbleiter, Isolatoren
560
46.3 Elektrische Ströme in Halbleitern. Eigenleitung, Störstellenleitung
564
46.4 Der pn-Übergang
567
46.5 Halbleiterdiode, Transistor
569
46.6 Magnetische Eigenschaften. Dia- und Paramagnetismus
571
46.7 Ferromagnetismus, Antiferro- und Ferrimagnetismus
573
46.8 Supraleitung. Der Josephson-Effekt
576
46.9 Supraflüssigkeit
579
47 Atomkerne
580
47.1 Masse, Ladung und Zusammensetzung der Kerne
580
47.2 Isotope
581
47.3 Isobare, Isotone, Nuklide, Isomere
582
47.4 Massendefekt und Bindungsenergie der Kerne
582
47.5 Stabilitätskriterien. Kernsystematik
584
47.6 Kernkräfte
587
47.7 Kernmodelle
588
48 Die natürliche Radioaktivität
590
48.1 Der ?-Zerfall der schweren Kerne
590
48.2 Der ?-Zerfall. Gammastrahlung
591
48.3 Das Zerfallsgesetz. Spezifische Aktivität
593
48.4 Radioaktive Zerfallsreihen und radioaktives Gleichgewicht
595
48.5 Dosimetrie und biologische Wirkung ionisierender Strahlung
596
49 Künstliche Kernumwandlungen
599
49.1 Arten künstlicher Kernumwandlungen
599
49.2 Massen- und Energiebilanz von Kernreaktionen.Wirkungsquerschnitt
600
49.3 Kernspaltung. Gewinnung von Kernspaltungsenergie
601
49.4 Arten von Kernreaktoren
604
49.5 Kernfusion
605
50 Elementarteilchen
607
50.1 Entwicklung zum Teilchen-„Zoo“
607
50.2 Erhaltungssätze für Baryonenladung, Leptonenladung, Isospin, Strangeness und Hyperladung
608
50.3 Die elementaren Teilchen: Leptonen und Quarks
610
50.4 Zusammengesetzte Elementarteilchen. Hadronen
612
50.5 Die elementaren Kräfte (Wechselwirkungen). Feldquanten
613
50.6 Standardmodell der Teilchenphysik. Vereinheitlichte Theorieder elementaren Kräfte
615
50.7 Kosmologie. Dunkle Materie und Dunkle Energie
616
A ANHANG: Fehlerrechnung(Messabweichungen)
618
A.1 Arten und Ursachen von Messabweichungen
618
A.2 Ermittlung von Messergebnis und Messabweichung
619
A.3 Zufallsstreuung von Messwerten
621
A.4 Fehlerfortpflanzung
625
A.5 Geradenausgleich (lineare Regression). Korrelation
627
Bildquellenverzeichnis
630
Lösungen der Aufgaben
631
Index
637
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