Physik Aufgabensammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Transkript

1 Physik Aufgabensammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler

2 Peter Kurzweil (Hrsg.) Bernhard Frenzel Jürgen Eichler Bernd Schiewe Physik Aufgabensammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler Mit Fragestellungen aus der Physikalischen Chemie und Technik 2., überarbeitete Auflage

3 Prof. Dr. Peter Kurzweil Prof. Dr.-Ing. Bernhard Frenzel Prof. Dr. rer. nat. habil. Jürgen Eichler Beuth Hochschule für Technik Berlin Prof. Dr. rer. nat. Bernd Schiewe Berlin ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2008, 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat: Thomas Zipsner Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

4 V Vorwort zur 2. Auflage Das Übungsbuch hat viele Freunde gefunden, zumal der Aufgabenkanon in anderen Sammlungen so nicht geboten wird. Die erweiterte und korrigierte Neuauflage berücksichtigt zahlreiche Anregungen aus Leserzuschriften. Neue einfache und schwierige Probleme aus allen Gebieten der Physik und ihren technischen Anwendungen wurden ergänzt. Im August 2012 Prof. Dr. PETER KURZWEIL Prof. Dr.-Ing. BERNHARD FRENZEL Prof. Dr. JÜRGEN EICHLER Beuth Hochschule für Technik Berlin Aus dem Vorwort zur 1. Auflage Dieses ÜbungsbuchbegleitetdurchdenMikrokosmosphysikalischerundphysikalisch-chemischer Zusammenhänge anhand praktischer Rechenaufgaben. Die gleichnamige Physik Formelsammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler hilft in Studium, Prüfungen und Berufspraxis, wenn es um den schnellen Zugriff auf kompaktes Physikwissen geht. Die Lernphase hingegen zielt auf das grundlegende Verständnis der Formeln und die präzise Anwendung bei der Lösung einschlägiger Aufgabenstellungen. Das umfangreiche Stichwortverzeichnis führt zielsicher zu Lösungswegen, damit das Übungsbuch auch in der Berufspraxis das schnelle Nachschlagen in der Formelsammlung durch praktische Berechnungen stützen kann. Das breit gefasste Aufgabenspektrum überstreicht die Mechanik, Strömungslehre, Akustik, Optik, Elektrizitätslehre und Atomphysik und streift auch Anwendungen der Regelungstechnik,Verfahrenstechnik, Lasertechnik und Elektrochemie. Gegliedert nach den Teilgebieten der Physik bieten sich unkomplizierte Aufgaben an, die durch einsichtige Umformung und Einsetzen von physikalischen Größen von Studienanfängern gelöst werden können und oftmals einschlägigen Klausuraufgaben an Fachhochschulen und Universitäten im Grundstudium entspringen. Ganz bewusst wurden aber auch umfangreichere Aufgaben für Fortgeschrittene in höheren Semestern aufgenommen. Anspruchsvolle Fragen wurden mit einem Ausrufezeichen! gekennzeichnet und wenden sich nur insofern an Studienanfänger, als sie die Entwicklung des Grundlagenwissens aufzeigen. Querverweise mit dem Zeichen an der Kopfzeile jedes Aufgabenblocks stellen den Bezug zur Formelsammlung her.

5 VI Vorwort zur 2. Auflage Ein Rezept zum Umgang mit diesem Übungsbuch sei verraten: 1. Decken Sie die Lösung unter der Fragestellung ab. 2. Versuchen Sie nun, mit Hilfe der Formelsammlung den physikalischen Ansatz oder die richtige Gleichung zu finden. 3. Spicken Sie kurz in der Lösung: Stimmt Ihr Vorgehen? Ja, dann setzen Sie Zahlenwerte und Einheiten ein und vergleichen Sie das Endergebnis. Bei Zeitmangel nicht unüblich vor Prüfungen lesen Sie im Anschluss die verwandten Fragestellungen des Aufgabenblocks durch und notieren Sie aus dem Gedächtnis den entscheidenden Ansatz auf ein Stück Papier. Gutes Gelingen! Dem Verlag, voran dem Lektorat, Herrn ZIPSNER und Frau ZANDER,dankenwirfür die unkomplizierte und zügige Drucklegung des Werkes zu einem für Studierende erschwinglichen Preis. Im April 2008 Prof. Dr. PETER KURZWEIL Prof. Dr.-Ing. BERNHARD FRENZEL Prof. Dr. JÜRGEN EICHLER Technische Fachhochschule Berlin Prof. Dr. BERND SCHIEWE Technische Fachhochschule Berlin

6 VII Inhaltsverzeichnis A SI-Einheitensystem und Datenanalyse 1 1 Größen und Einheiten Umgang mit dem Taschenrechner... 3 B Mechanik 9 1 Kinematik Dynamik und Kinetik Spezielle Relativitätstheorie C Strömungslehre 32 1 Ideale und reale Fluide Hydro- und Aerostatik Ideale Fluide (Euler-Fluide) Umströmung von Körpern Rohrströmungen Ausströmende Fluide Impuls- und Drehimpulsübertragung.. 50 D Thermodynamik und Wärmetransport 51 1 Temperatur und thermische Ausdehnung 51 2 Wärmeenergie und Kalorimetrie Ideales Gas: Kinetische Gastheorie Mengenbegriffe in Fluiden und Lösungen Hauptsätze der Thermodynamik Zustandsänderungen des idealen Gases 62 7 Kreisprozesse Reale Gase Luftfeuchtigkeit Flüssigkeiten und Lösungen Phasenübergänge Wärmetransport Temperaturstrahlung Stofftransport und Reaktionstechnik Thermodynamik und Kinetik chemischer Reaktionen E Schwingungen und Wellen 96 1 Harmonische Schwingungen Überlagerung von Schwingungen Gekoppelte Schwingungen linearer Oszillatoren Wellen F Akustik Schallquellen und Schallausbreitung Physiologische Akustik G Elektrizitätslehre und Elektrotechnik Elektrischer Strom, Widerstand, ohmsches Gesetz Gleichstromkreis Maschen- und Knotenanalyse Wechselstromkreis Schaltvorgänge Elektromagnetische Felder Ladungstransport, Elektronik Drehstromsystem, Elektrische Maschinen H Optik Wellenoptik Geometrische Optik Optische Instrumente Strahlung und Lichtempfindung K Atom- und Kernphysik Quanten und Materiewellen Elektronenhülle und Atomspektroskopie Molekülspektroskopie und Festkörperphysik Massenspektrometrie Kernspin und NMR-Spektroskopie Radioaktivität Röntgenspektroskopie, ionisierende Strahlung, Dosimetrie T Tabellen 193 Index 197

7 VIII Abkürzungen und Benutzerhinweise Formelzeichen werden nach DIN kursiv, Maßeinheiten aufrecht gedruckt. In diesem Buch steht, wo nötig, l (Liter) zur Unterscheidung von l, 1 und I. Zeichen und Indices siehe; Verweis auf eine Formel in Physik-Formelsammlungfür Ingenieure und Naturwissenschaftler, Verlag Vieweg.! schwere Aufgabe einfache Aufgabe zum Studienbeginn ungefähr gleich! = zwei Größen sind gleichzusetzen proportional unendlich 0 hochgestellt: Standardbedingungen (Thermodynamik); Index: Anfangswert, Nullwert hochgestellt: konjugiert komplexe Zahl; Phasengrenze eff Index: Effektivwert L Index: Luft lim Grenzwert m Index: molare Größe min Index: Minimum, kleinster Wert max Index: Maximum, größter Wert rel Index: relativ W Index: Wasser z Mittelwert der Größe z Griechisches Alphabet groß klein Benennung groß klein Benennung A α Alpha N ν Ny B β Beta ξ Xi Ɣ γ Gamma O o Omikron δ Delta π Pi E ε, ɛ Epsilon R ϱ, ρ Rho Z ζ Zeta σ,ς Sigma H η Eta T τ Tau ϑ,θ Theta Y, ϒ υ Ypsilon I ι Iota ϕ,φ Phi K κ Kappa X χ Chi λ Lambda ψ Psi M μ My ω Omega