Physik für Techniker und technische Berufe

Transkript

1 Physik für Techniker und technische Berufe mit 393 Bildern, 170 Beispielen, 316 Aufgaben mit Lösungen und einer Formelsammlung (Beilage) 5., aktualisierte Auflage Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

2 Inhaltsverzeichnis Technik und Physik 1 Physikalische Größen und Einheiten Größenarten und Größen Einheiten und Internationales Einheitensystem (SI) Größengleichungen Länge, Fläche und Volumen Zeit 24 Mechanik 2 Kinematik Kinematik der Punktmasse Bewegung auf gerader Bahn Geschwindigkeit und Beschleunigung Gleichförmige Bewegung Gleichmäßig beschleunigte Bewegung Freier Fall Relativität der Bewegung und Überlagerung von Bewegungen Bewegung auf der Kreisbahn, Periodendauer und Frequenz Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung Radialbeschleunigung Kinematik des starren Körpers Translation und Rotation Kinematik der Rotation Drehzahlmessung 59

3 8 Inhaltsverzeichnis Dynamik der Punktmasse Kräfte Wirkungen von Kräften Wechselwirkung Kraftmessung Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften Trägheit der Körper Grundgesetz der Dynamik Schwere der Körper Reibungskräfte Anwendungen des Grundgesetzes der Dynamik Trägheitskräfte Radialkraft und Zentrifugalkraft Arbeit, Energie und Leistung Mechanische Arbeit Beschleunigungsarbeit Hubarbeit Federspannarbeit Reibungsarbeit Energie Kinetische Energie Potentielle Energie Energieerhaltungssatz Leistung und Wirkungsgrad Leistung Wirkungsgrad Impuls Kraftstoß und Impuls Impulserhaltungssatz Stoßvorgänge Elastischer Stoß Unelastischer Stoß Raketenantrieb 114 Dynamik der Rotation Drehmoment Rotationsenergie und Massenträgheitsmoment Rotationsenergie Massenträgheitsmoment Analogie zwischen Translation und Rotation Grundgesetz der Dynamik der Rotation 129

4 Inhaltsverzeichnis 4.5 Arbeit und Leistung bei der Rotation Drehimpulserhaltungssatz 132 Statik Gleichgewicht starrer Körper Gleichgewichtsbedingungen Gleichgewichtsarten Schwerpunkt Ebene Kraftsysteme Kräfte mit gemeinsamem Angriffspunkt Kräfte mit verschiedenen Angriffspunkten Standsicherheit 145 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Druck Einige Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen Kompressibilität Flüssigkeitsoberflächen Grenzflächenerscheinungen und Kapillarität Mechanik ruhender Flüssigkeiten und Gase Kolbendruck Schweredruck Schweredruck in Flüssigkeiten Schweredruck in Gasen und Luftdruck Druckmessung Druckskalen Druckmeßgeräte Auftrieb Auftrieb in Flüssigkeiten Schwimmen Auftrieb in Gasen Mechanik strömender Flüssigkeiten und Gase Strömungsgeschwindigkeit und Stromlinien; Volumenstrom Strömung idealer Flüssigkeiten und Gase Kontinuitätsgleichung Bernoullische Gleichung Anwendungen der Bernoullischen Gleichung Strömung realer Flüssigkeiten und Gase Innere Reibung und Viskosität Laminare und turbulente Strömungen 180

5 10 Inhaltsverzeichnis Strömungswiderstände Druckverlust in Rohrleitungen Viskositätsbestimmungen 183 Thermodynamik 7 Wärme und innere Energie Thermodynamische Prozesse Wärmebewegung Temperatur Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper Temperaturmessung Hauptsatz der Thermodynamik Wärme und Temperatur Spezifische Wärmekapazität von Gasen Änderung des Aggregatzustandes Wärmebilanzen bei Temperaturausgleich Energieumwandlungen Zustandsänderungen von Gasen Thermischer Zustand des idealen Gases Ideales Gas Thermische Zustandsgieichung des idealen Gases Quasistatische Zustandsänderungen Volumenänderungsarbeit Spezielle Zustandsänderungen Isotherme Zustandsänderungen Isochore Zustandsänderungen Isobare Zustandsänderungen Adiabatische Zustandsänderungen Kreisprozesse Prinzip der Wärmekraftmaschine Wärmepumpe und Kältemaschine Carnot-Prozeß Hauptsatz der Thermodynamik Thermodynamischer Wirkungsgrad reversibler Kreisprozesse Irreversible Prozesse 229

6 Inhaltsverzeichnis Reale Gase und Dämpfe Isothermen eines realen Gases Dämpfe Luftfeuchte 232 Wärmetransport Wärmetransportprozesse Wärmedurchgang 235 Elektrik 10 Gleichstrom Elektrische Ladungen und Ströme Elektrische Spannung Ohmsches Gesetz Elektrischer Widerstand Schaltung von Widerständen Parallelschaltung Reihenschaltung Elektrische Energie und Leistung Reale Stromkreise Verhalten realer Spannungsquellen Schaltung von Spannungsquellen Einfluß von Leitungswiderständen Knoten- und Maschensatz zur Berechnung elektrischer Netze Meßtechnische Anwendungen Messungen mit Drehspulinstrumenten Widerstandsbestimmung durch Strom- und Spannungsmessung Spannungskompensation Meßbrücken, Digitale Meßverfahren Elektrische und magnetische Felder Elektrische Felder Kräfte zwischen elektrischen Ladungen Elektrische Felder im Vakuum Elektrische Flußdichte und elektrische Feldstärke. 280

7 12 Inhaltsverzeichnis Kapazität Elektrische Feldenergie Stoffe im elektrischen Feld Influenz Dielektrische Polarisation Kondensatoren Magnetische Felder Magnetische Felder stromdurchflossener Leiter Magnetische Felder im Vakuum Magnetische Feldstärke und magnetische Flußdichte Induktivität und magnetische Feldenergie Stoffe im magnetischen Feld Kraftwirkungen auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld 294 -, : 11.3 Bewegung von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern Erzeugung von Elektronenstrahlen 297 : ;, Ablenkung von Elektronen im elektrischen Querfeld Elektronen in magnetischen Feldern 300 fja 11.4 Elektromagnetische Induktion Induktionsgesetz 302 fr Transformator- und Generatorprinzip Transformatorprinzip Generatorprinzip Wirbelströme Selbstinduktion 307!$. Wechselstrom 309 '' 12.1 Wechselspannungen und Wechselströme Bestimmungsgrößen Messung von Wechselströmen und Wechselspannunr '' gen 312 2tV 12.2 Einfache Wechselstromkreise Wirkwiderstände 314 TTV Blindwiderstände Induktiver Blindwiderstand 316 J* Kapazitiver Blindwiderstand 317 $Ü: 12.3 Zusammengesetzte Wechselstromkreise 319 0t&' Reihenschaltung von R und L 321

8 Inhaltsverzeichnis Reihenschaltung von R, L und C Parallelschaltung von R, L und C Leistung des Wechselstroms Momentanleistung und Wirkleistung Messung der Wirkleistung Wirk-, Blind- und Scheinleistung Blindleistungskompensation Transformatoren Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) Schutz vor elektrischen Unfällen Halbleiter Leitungsmechanismen in Halbleitern Eigenleitung Störstellenleitung n-leitung p-leitung pn-übergang Halbleiterdioden Transistoren Bipolartransistoren Elementarer Spannungsverstärker Feldeffekttransistoren 351 Schwingungen und Wellen 14 Schwingungen Mechanische Schwingungen Freie ungedämpfte Schwingungen Kinematik der Sinusschwingung Dynamik der Sinusschwingung Dreh- und Pendelschwingungen Freie gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Elektrische Schwingungen Elektrischer Schwingkreis 368

9 14 Inhaltsverzeichnis Analogie zwischen mechanischen und elektrischen Schwingungen Erzwungene elektrische Schwingungen Reihenresonanz Parallelresonanz Wellen Wellenausbreitung Arten von Wellen Frequenz und Doppler-Effekt Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit Energiestrom und Amplitude Huygenssches Prinzip Reflexion und Brechung Reflexion Brechung Totalreflexion Beugung und Interferenz Beugung Interferenz Beugung und Interferenz am Doppelspalt Stehende Wellen Optische Abbildung Bildkonstruktion Bildentstehung an gekrümmten Spiegeln und Linsen Abbildungsgleichung und Abbildungsmaßstab Vergrößerung durch Fernrohr und Mikroskop Energieübertragung durch Wellen Physikalische Strahlungsgrößen Physiologische Schall- und Lichtempfindungen Schallstärke und Lautstärke Lichttechnische Größen 403 Atome 16 Atom- und Kernphysik Quanten Energiequantelung Welle-Teilchen-Dualismus 409

10 Inhaltsverzeichnis Äußerer Fotoeffekt Heisenbergsche Unschärferelation Masse und Energie Atomhülle Bohrsches Atommodell Quantenzahlen Aufbau der Atomhülle der Elemente Atomkern Aufbau des Atomkerns Radioaktivität a-umwandlung /^-Umwandlung Strahlung Gesetz der radioaktiven Umwandlung Absorption von ionisierender Strahlung Nachweis von Kernstrahlung Biologische Wirkungen und Strahlenschutz Kernenergie Kernspaltung Kernsynthese 432 Aufgaben 2 Kinematik A A Dynamik der Punktmasse A A Dynamik der Rotation A A Statik A A Mechanik der Flüssigkeiten und Gase A A Wärme und innere Energie A A Zustandsänderungen von Gasen A A Wärmetransport A A Gleichstrom A A Elektrische und magnetische Felder A A Wechselstrom A A Schwingungen A A Wellen A A Atom-und Kernphysik A A Lösungen 471 Sachwortverzeichnis 516 Bildquellennachweis 520 Formelsammlung (als Beilage)