PHYSIK. für Bachelors. Johannes Rybach. 2.,aktualisierte Auflage

Transkript

1 Johannes Rybach PHYSIK für Bachelors 2.,aktualisierte Auflage

2 Johannes Rybach PHYSIK für Bachelors

3 Die Physik gilt überall, auf der Erde wie im Weltraum und beantwortet (fast) alle Fragen, die dieses Bild aufwirft: Werden Menschen im Weltall schwerelos? Warum ist keine Luft im Weltraum? Warum ist es kalt im Weltall? Warum ist eine Wolke weiß oder grau, der Himmel aber blau? Was ist überhaupt Licht? Die Antworten auf diese und viele andere Fragen finden Sie in diesem Buch! Gewichtskraft und Gravitationskraft (nur Erstere verschwindet im Weltraum) werden in den Kapiteln 2.2 und 2.7 unterschieden. Die Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe (siehe Kap. 2.8) erklärt die kinetische Gastheorie in Kapitel 3.3. Dass im luftleeren All nur Wärmetransport durch Strahlung möglich ist, begründet Abschnitt 3.2. Die komplexe Natur des Lichtes und seine vielfältigen Eigenschaften werden in den Kapiteln 5 und 6 erläutert.

4 Johannes Rybach PHYSIK für Bachelors 2., aktualisierte Auflage Mit 301 Abbildungen, 92 durchgerechneten Beispielen, 176 Testfragen mit Antworten sowie 93 Übungsaufgaben mit kommentierten Musterlösungen Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Prof. Dr. rer. nat. Johannes Rybach Hochschule Niederrhein Krefeld Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Bibliografische Information der DeutschenNationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Einbandbild: Faseroptische Sonden für die optische Spektroskopie (SEDI Fibres Optiques S.A.S; LASER COMPONENTS GmbH) Bild Seite 2: NASA Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2010 Carl Hanser Verlag München Projektleitung/Lektorat:Dipl.-Phys. Jochen Horn Herstellung: Renate Roßbach Zeichnungen: Rosemarie Scheller,Berlin Umbruch: Werksatz Schmidt &Schulz GmbH, Gräfenhainichen Druck und Bindung: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza Printed in Germany

6 VORWORTZUR 1. AUFLAGE Weil Physik die grundlegende Naturwissenschaft ist, gehört sie in vielen Studiengängen zu den Basisfächern. Manchen Studierenden flößt ihre thematische Breite und theoretische Tiefe allerdings großen Respekt ein verständlich bei dem oft lückenhaften Physikunterricht in der Schule. Zusätzlich hat sich das Studium geändert: Die kompakte Bachelor-Ausbildung verlangt ein intensives Selbststudium, und in den spezialisierten Master-Studiengängen werden anschließend auch an Fachhochschulen wissenschaftliche Grundlagenkenntnisse vorausgesetzt. Darum sind selbsterklärende, also anschauliche und verständliche Lehrbücher immer wichtiger geworden. Dieses Buch unterstützt Sie, liebe Leserin und lieber Leser, auf vielfältige Weise beim Studium der Physik: Die Darstellung ist sprachlich lebendig und begrifflich prägnant. Natürlich gehören auch Gleichungen und Formeln dazu, die jeweils sorgfältig eingeführt und verständlich erläutert werden. Die übersichtliche Gestaltung der Buchseiten und ihr zweifarbiger Druck sollen die Lesbarkeit noch erhöhen. Der Stoff ist sinnvoll ausgewählt auch im Hinblick auf Prüfungen und übersichtlich strukturiert. Viele rot markierte Verweise ( Kap. x) betonen außerdem Zusammenhänge und Analogien zwischen den Kapiteln: Diese Verbindungen gehören ja gerade zu den Stärken der Physik. Die sogenannte moderne Physik wird in dieser elementaren Darstellung nicht ausgeklammert, denn viele technische Anwendungen nutzen bereits Quanteneffekte oder benötigen die Relativitätstheorie. Der wachsenden Bedeutung optischer Technologien wurde ebenfalls durch ein eigenes Kapitel Rechnung getragen. Beispiele, Infos und Übungsaufgaben: In solchen Kästen finden Sie vollständig durchgerechnete Beispiele zur Erläuterung der Gesetze und Gleichungen, und zwar unmittelbar nach ihrer Einführung. Dieses Buch ist vollständig in dem Sinne,dass alle wesentlichen Informationen für Studierende mit Physik im Nebenfach darin zu finden sind. Vieles muss aber gerafft oder als Übersicht dargestellt werden; dann verweisen Zitate auf die [Quellen], zum Beispiel Lehr- und Handbücher der Mathematik, Technik oder Chemie. Außerdem sind ergänzende Physikbücher und Aufgabensammlungen im Anhang zusammengestellt. In kleinerem Druck finden SieAnmerkungen im Text. Sie können, sollten aber nicht überlesen werden, so wie diese: Mein Dank gilt vor allem meiner Familie, aber auch meinem Lehrer Prof. Dr. Gernot Decker. Ich danke dem Verlag und namentlich Herrn Jochen Horn für die sehr gute Zusammenarbeit. Nicht zuletzt bedanke ich mich bei meinen Studenten, die mich seit vielen Jahren durch Stirnrunzeln, Fragen und Rückmeldungen bei der Lehre unterstützen. 5 Vorwort Hinweise In der Randspalte finden Sie neben vielen Abbildungen auch die Bezeichnungen der wichtigen Gesetze und Gleichungen. An manchen Stellen steht wie hier zusätzlicher Text, sozusagen Klartext: Klassische Missverständnisse, häufige Denkfehler und typische Verständnisprobleme werden dort unmittelbar klargestellt. Am Ende jedes Kapitels stehen Testfragen und exemplarische Übungsaufgaben. Sie sollen wichtige Anwendungen der Gesetze demonstrieren und das Verständnis prüfen sowie vertiefen. Die ausführlichen Musterlösungen (im Anhang) vermitteln die typischen Lösungsideen, Lösungsstrategien und Lösungswege für solche Probleme. In weiteren Kästen finden Sie zusätzliche Infos. Eilige Leser könnten sie übergehen, aber vielleicht wäre das schade: Sie ergänzen spezielle Aspekte, erläutern bestimmte Anwendungen, und manche sind einfach nur interessant Krefeld, im September 2007 Johannes Rybach

7 6 Vorwort VORWORTZUR 2. AUFLAGE Dieses erste Physik-Lehrbuch speziell für Bachelor-Studiengänge erscheint nach relativ kurzer Zeit bereits in der zweiten Auflage das ist eine erfreuliche Bestätigung des Buchkonzeptes für Verlag und Autor.Viele Studierende und Fachkollegen haben sich an der Weiterentwicklung beteiligt, indem sie Druckfehler gesucht und Verbesserungsvorschläge gemacht haben. Mein besonderer Dank gilt Dr. Jürgen Zeitler und Prof. Dr. Karsten Rander für ihre gründliche Durchsicht. Der Verlag hat ebenfalls in das Projekt investiert und sowohl den Satz als auch die drucktechnische Ausstattung weiter verbessert. Dafür und für die ebenso kompetente wie engagierte Betreuung bedanke ich mich vor allem bei Herrn Dipl.-Phys.Jochen Horn. Unverändert geblieben ist die konsequente Ausrichtung des Buches auf Studierende mit Physik im Nebenfach, die ohne Vorkenntnisse einsteigen müssen, aber mit Spaß an der Sache dabei bleiben wollen. Ihnen wünsche ich weiterhin, dass die Freude des Autors am Lehren und Erklären auf den folgenden Buchseiten Nutzenbringt. Krefeld, im Oktober 2009 Johannes Rybach

8 7 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 EINSTIEG 1.1 Motivation Physikalische Größen Maßsystem und Standards Größenordnungen Messgenauigkeit Vektoren und Koordinaten Zusammenfassung: Einstieg Testfragen und Übungsaufgaben MECHANIK 2.1 Kinematik Eindimensionale Bewegungen Geschwindigkeit Beschleunigung Bewegungsgleichung Der freie Fall Bewegungen in zwei und drei Dimensionen Überlagerung eindimensionaler Bewegungen Bezugssysteme und Transformationen 28 Zusammenfassung: Kinematik Dynamik Newtonsche Axiome Trägheitsgesetz Aktionsgesetz Reaktionsgesetz Folgerungen aus den Newtonschen Axiomen Kraft und Impuls Abgeschlossene Systeme und Impulserhaltungssatz Mechanische Kräfte Trägheitskraft Gewichtskraft Federkraft und Hookesches Gesetz Reibungskraft Zusammenfassung: Dynamik Arbeit, Energie und Leistung Mechanische Arbeit Potenzielle Energie Kinetische Energie Energieerhaltungssatz der Mechanik Stoßgesetze Leistung und Wirkungsgrad Zusammenfassung: Arbeit, Energie und Leistung Kinematik und Dynamik der Kreisbewegung Grundbegriffe der Kreisbewegung Radialbeschleunigung Radialkräfte Coriolis-Beschleunigung und -Kraft 45 Zusammenfassung: Kreisbewegung Rotation starrer Körper Drehmoment Schwerpunkt, Gleichgewicht und Statik Trägheitsmoment Rotationsenergie und Drehimpuls.. 52 Zusammenfassung: Rotation starrer Körper Schwingungen und Wellen Freie ungedämpfte Schwingungen Freie gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Überlagerung von Schwingungen Räumliche Überlagerung Zeitliche Überlagerung Gekoppelte Schwingungen Harmonische Wellen Zusammenfassung: Schwingungen und Wellen Gravitation und Himmelsmechanik Keplersche Gesetze Newtonsches Gravitationsgesetz Gravitationsfeld Ergebnisse der Einsteinschen Relativitätstheorien... 67

9 8 Inhaltsverzeichnis Spezielle Relativitätstheorie Allgemeine Relativitätstheorie Zusammenfassung: Gravitation und Himmelsmechanik Flüssigkeiten und Gase Druck Kolbendruck Schweredruck Luftdruck Auftrieb Oberflächenspannung Strömungen Reibungsfreie Strömungen Viskose Strömungen Zusammenfassung: Flüssigkeiten und Gase.. 79 Testfragen und Übungsaufgaben zur Mechanik THERMODYNAMIK 3.1 Temperatur Skalen und Fixpunkte Thermische Ausdehnung Temperaturmessung Zusammenfassung: Temperatur Wärme Wärmekapazität Aggregatzustände Wärmetransport Konvektion Wärmeleitung Wärmestrahlung Zusammenfassung: Wärme Ideale Gase MolareGrößen Zustandsgleichung Kinetische Gastheorie Druck Temperatur und Energie Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung und Boltzmann-Faktor Zusammenfassung: Ideale Gase Zustandsänderungen und erster Hauptsatz Volumenänderungsarbeit Erster Hauptsatz Zustandsänderungen Isotherme Zustandsänderung IsochoreZustandsänderung IsobareZustandsänderung Adiabatische Zustandsänderung Zusammenfassung: Zustandsänderungen und erster Hauptsatz Kreisprozesse und zweiter Hauptsatz Kreisprozess von Carnot Reversibilität und Wirkungsgrad Kreisprozesse bei Motoren Zweiter Hauptsatz Entropie Zusammenfassung: Kreisprozesse und zweiter Hauptsatz Testfragen und Übungsaufgaben zur Thermodynamik ELEKTRIZITÄT UND MAGNETISMUS 4.1 Elektrostatik Elektrische Ladungen und die Coulomb-Kraft Elektrisches Feld Potenzial und Spannung Kondensator und Kapazität Plattenkondensator Dielektrikum im Kondensator Kondensator als Energiespeicher Zusammenfassung: Elektrostatik Strom und Widerstand Stromstärke und Stromdichte Widerstand Stromkreise und Stromverzweigungen Zusammenfassung: Strom und Widerstand

10 9 Inhaltsverzeichnis 4.3 Magnetfeld Magnetische Phänomene Strom und Magnetfeld Materie im Magnetfeld Strom und magnetische Kraft Lorentz-Kraft Zusammenfassung: Magnetfeld Elektromagnetische Induktion Induktion durch Bewegung Induktionsgesetz Lenzsche Regel Selbstinduktion Energie des Magnetfeldes Zusammenfassung: Elektromagnetische Induktion Wechselstrom Generator und Transformator Wechselstromwiderstand Phasenbeziehungen im Wechselstromkreis Zusammenfassung: Wechselstrom Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Schwingkreis Maxwellsche Gleichungen Elektromagnetische Wellen Abstrahlung Ausbreitung Eigenschaften Zusammenfassung: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Grundlagen der Elektronik Elektronen im Vakuum Glühelektrischer Effekt Beschleunigung im elektrischen Feld Ablenkung im magnetischen Feld Elektronen in Gasen Ladungen in Flüssigkeiten Elektronen in Metallen Ladungen in Halbleitern Eigenleitung Störstellenleitung pn-übergang Halbleiterdioden Transistoren Zusammenfassung: Grundlagen der Elektronik 180 Testfragen und Übungsaufgaben zu Elektrizität und Magnetismus OPTIK 5.1 Grundlagender Strahlenoptik Lichtausbreitung Reflexion Brechung und Totalreflexion Zusammenfassung: Grundlagen der Strahlenoptik Strahlenoptische Abbildungen Eigenschaften vonlinsen Abbildungen mit Linsen Linsensysteme und Abbildungsfehler 195 Zusammenfassung: Strahlenoptische Abbildungen Strahlenoptische Instrumente Kamera und Auge Fernrohre Mikroskop Zusammenfassung: Strahlenoptische Instrumente Grundlagen der Wellenoptik Interferenz und Kohärenz Wellenausbreitung Beugung Zusammenfassung: Grundlagen der Wellenoptik Anwendungen der Wellenoptik Beugungsbegrenztes Auflösungsvermögen Beugungsgitter Holografie Interferometrie Zusammenfassung: Anwendungen der Wellenoptik

11 10 Inhaltsverzeichnis 5.6 Polarisationsoptik Grundbegriffe Erzeugung polarisierten Lichtes Anwendungen polarisierten Lichtes. 216 Zusammenfassung: Polarisationsoptik Testfragen und Übungsaufgaben zur Optik QUANTEN UND ATOME 6.1 Welle-Teilchen-Dualismus Quantenoptik Fotoeffekt Eigenschaften vonphotonen Compton-Effekt Materiewellen Heisenbergsche Unschärferelation. 225 Zusammenfassung: Welle-Teilchen-Dualismus Atomhülle Rutherfordsches Planetenmodell Bohrsches Atommodell Quantenzahlen und das Pauli-Prinzip Wellenmodell und Quantenmechanik 232 Zusammenfassung: Atomhülle Quanten-Emission und -Absorption Atomspektren Laser Stimulierte Emission Besetzungsumkehr Resonator Rubin- und Helium-Neon-Laser Eigenschaften und Anwendungen Röntgenstrahlung Bremsspektrum Charakteristisches Röntgenspektrum Anwendungen Zusammenfassung: Quanten-Emission und -Absorption Festkörper Bindung und Struktur Bändermodell Fermi-Energie Elektronen- und Löcherleitung Halbleiter-Bauelemente Zusammenfassung: Festkörper Atomkern Nukleonen Masse und Massendefekt Radioaktivität Strahlungen Kernumwandlungen Aktivität und Dosis Strahlungsnachweis Kernenergie Kernspaltung Kernfusion Zusammenfassung: Atomkern Testfragen und Übungsaufgaben zu Quanten und Atome ANHANG Antworten zu den Testfragen und Musterlösungen zu den Übungsaufgaben Nützliche mathematische Beziehungen Quellen- und Literaturverzeichnis Verzeichnis der Bildquellen Sachwortverzeichnis