Übungsbuch PHYSIK. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag. Grundlagen - Kontrollfragen - Beispiele - Aufgaben

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1 Übungsbuch PHYSIK Grundlagen - Kontrollfragen - Beispiele - Aufgaben Von Dr. rer. nat. Peter Müller (Federführender) Dr. rer. nat. Hilmar Heinemann Dr. rer. nat. Heinz Krämer Prof. Dr. rer. nat. Hellmut Zimmer 10., neu bearbeitete Auflage Mit 562 Bildern, 309 Kontrollfragen mit Antworten, 71 durchgerechneten Beispielen sowie 491 Aufgaben mit Lösungsformeln und Ergebnissen IL!_il Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

2 Inhaltsverzeichnis M Mechanik 11 M1 Bewegung auf einer Geraden 11 1 Geschwindigkeit und Beschleunigung 11 2 Bewegungsformen 11 M2 Bewegung in der Ebene 16 1 Krummlinige Bewegung 16 2 Kreisbewegung 17 M3 Bewegungsgleichung 22 1 Grundgesetz 22 2 Gegenwirkungsprinzip 22 3 Kräfte 23 4 Kraftstoßund Impuls 23 M4 Arbeit, Energie, Leistung 30 1 Arbeit 30 2 Verschiebungsarbeit und potenzielle Energie 30 3 Beschleunigungsarbeit und kinetische Energie 31 4 Erhaltungssatz der mechanischen Energie 31 5 Mechanische Leistung 32 M5 Impulserhaltungssatz 38 1 Systeme mehrerer Punktmassen 38 2 Stoßvorgänge 38 3 Impulserhaltung bei Körpern veränderlicher Masse 39 M6 Bewegung im Zentralfeld 46 { 1 Zentralkräfte 46 j 2 Drehimpulserhaltungssatz 46 t 3 Bewegung im Gravitationsfeld 47 f7 Statik 53 1 Drehmoment 53. t 2 Gleichgewicht 53 $18 Rotation starrer Körper 60 gj 1 Bewegung des starren Körpers 60 f 2 Bewegungsgleichungen der Rotation 61?j 3 Kreisel 62 fj*. 4 Drehimpulserhaltungssatz 62 ', t 5 Gegenüberstellung Translation - Rotation 63 > 5 > 6 Physikalisches Pendel 64 j^kf 9 Beschleunigtes Bezugssystem 72 % 1 Trägheitskräfte 72 W 2 Zentrifugalkraft 72 f > 3 CORiOLis-Kraft 73 «i 4 Erklärung von CORIOLIS-Kraft und Zentrifugalkraft 73 M10 Spezielle Relativitätstheorie 79 ( 1 Lichtgeschwindigkeit und Relativitätsprinzip 79 i 2 LORENTZ-Transformation 79 3 Relativistische Dynamik 80 4 Energie 81 Mll Äußere Reibung 87 1 Haftreibung 87

3 Inhaltsverzeichnis 2 Gleitreibung 87 3 Rollreibung 88 M12 Verformung fester Körper 92 1 Elastische Spannungen 92 2 HoOKE'sches Gesetz 92 3 Biegung 93 4 Drillung 94 M13 Ruhende Flüssigkeiten und Gase Druck Schweredruck Auftrieb 101 M14 Strömung der idealen Flüssigkeit Ideale Flüssigkeit Kontinuitätsgleichung Mechanische Arbeit der Flüssigkeiten und Gase BERNOULLl'sche Gleichung 105 M15 Strömung realer Flüssigkeiten Gesetz von NEWTON Spezielle Reibungsgesetze Widerstandsgesetz 112 W Schwingungen und Wellen 116 W1 Harmonische Schwingungen Ort-Zeit-Funktion Bewegungsgleichung für harmonische Schwingungen Federschwingung Drehschwingung 117 W2 Gedämpfte Schwingungen Bewegungsgleichung für lineare Schwingungen Ort-Zeit-Funktion 124 W3 Erzwungene Schwingungen Allgemeine Form der Differenzialgleichung, stationäre Lösung Frequenzgang für Phase und Amplitude Äußere Erregung Innere Erregung 131 W4 Wellenausbreitung Eindimensionale mechanische Wellen Wellenfunktion, Wellengleichung Stehende Wellen 138 W5 Schallwellen Schallausbreitung Das Ohr als Schallempfänger DOPPLER-Effekt 149 T Thermodynamik 155 T1 Kalorimetrie, thermische Ausdehnung Temperatur Thermische Ausdehnung Wärmebilanz 156 T2 Wärmeausbreitung Wärmestrom Wärmeleitung Wärmeübergang Wärmedurchgang 161 T3 Zustandsänderungen - Erster Hauptsatz der Thermodynamik Zustandsgieichungen 166

4 Inhaltsverzeichnis 9 2 Zustandsänderungen Mechanische Arbeit des Gases Erster Hauptsatz der Thermodynamik Kreisprozess Enthalpie und Entropie 169 T4 CARNOT'scher Kreisprozess Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine Wärmepumpe und Kältemaschine 179 T5 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Irreversible Vorgänge Entropieänderungen Hinweise zur Berechnung der Entropieänderung 185 T6 Gaskinetik Mikrophysikalische Betrachtung des Gases MAXWELL'sche Geschwindigkeitsverteilung Teilchenströme und mittlere Geschwindigkeit Druck, Temperatur und mittleres Geschwindigkeitsquadrat Gleichverteilungssatz der inneren Energie Mittlere Stoßfrequenz und mittlere freie Weglänge 193 T7 Wärmestrahlung Strahlungsfeldgrößen LAMBERT'sches Gesetz KlRCHHOFF'sches Strahlungsgesetz Spektrale Energieverteilung Kosmische Strahlungsquellen 201 E Elektrizität und Magnetismus 209 E1 Gleichstromkreis Elektrische Größen KiRCHHOFF'sche Gesetze Abgeleitete Regeln Spannungsquellen 211 E2 Elektrisches Feld COULOMB-Kraft und Feldmodell Elektrische Feldstärke Elektrische Verschiebung Superpositionsprinzip und Influenz Elektrisches Potenzial und Spannung Kapazität 221 E3 Magnetisches Feld Magnetische Kraft zwischen elektrischen Strömen Magnetische Feldstärke BiOT-SAVART'sches Gesetz Magnetische Flussdichte und LORENTZ-Kraft Magnetischer Fluss 231 E4 Induktion Induktionsgesetz Induktion im bewegten Leiter LENZ'sche Regel Selbstinduktion 239 E5 Wechselstromkreis Phasenverschiebung, Effektivwert Wechselstromwiderstände Zeigerdiagramm Reihenschaltung von R, L und C 248

5 10 Inhaltsverzeichnis 5 Parallelschaltung von R, L und C Leistung Optik Reflexion, Brechung, Dispersion Reflexion und Brechung Dispersion Dünne Linse Abbildungsgleichungen Strahlenverlauf Spiegel Abbildungsgleichungen Strahlenverlauf Dicke Linse, Linsensysteme Hauptebenen Linsensysteme Auge, optische Vergrößerung Sehwinkel Akkommodation, Bezugssehweite Vergrößerung Optische Geräte Lupe Mikroskop Fernrohr 281 O 7 Interferenz und Beugung Überlagerung von zwei Wellen Beugung am Doppelspalt Beugungsgitter Gitterspektralapparat Beugung an Blenden Interferenz an dünnen Schichten 293 S Struktur der Materie Welle-Teilchen-Dualismus Lichtquanten und Materiewellen Lichtelektrischer Effekt COMPTON-Effekt HEiSENBERG'sche Unbestimmtheitsrelation Atomhülle BOHR'sches Atommodell, Spektrum des Wasserstoffatoms Quantenzahlen, Spektren der Alkaliatome PAULI-Prinzip und Periodensystem Röntgenspektren 310 S 3 Quantenmechanik SCHRÖDINGER-Gleichung Lösen der SCHRÖDINGER-Gleichung 317 S4 Atomkern Kernaufbau und -eigenschaften Kernkräfte, Kernenergie Radioaktivität Kernreaktionen 329 Antworten auf die Kontrollfragen 335 Ergebnisse der Aufgaben 385 Sachwortverzeichnis 430