Physik für Ingenieure

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1 Ekbert Hering Rolf Martin Martin Stohrer Physik für Ingenieure 10., vollständig neu bearbeitete Auflage Mit 810 Abbildungen, 116 Tabellen und 2 Falttafeln 4y Springer

2 Inhaltsverzeichnis Verwendete physikalische Symbole XVII 1 Einführung 1.1 Physikalischer Erkenntnisprozess Bereiche der physikalischen Erkenntnis Physikalische Größen Definition und Maßeinheit Messgenauigkeit Fehlerfortpflanzung Kurvenanpassung Ausgleichsgeradenkonstruktion Korrelationsanalyse 22 2 Mechanik 2.1 Einführung Kinematik des Punktes Eindimensionale Kinematik Dreidimensionale Kinematik Kreisbewegungen Grundgesetze der klassischen Mechanik Konzept der klassischen Dynamik Die Newton'schen Axiome Masse Kraft Dynamik in bewegten Bezugssystemen Relativ zueinander geradlinig bewegte Bezugssysteme Gleichförmig rotierende Bezugssysteme Impuls Impuls eines materiellen Punktes Impuls eines Systems materieller Punkte Raketengleichung Arbeit und Energie Arbeit Leistung, Wirkungsgrad Energie Energieerhaltungssatz Stoßprozesse Übersicht und Grundbegriffe Gerader, zentraler, elastischer Stoß Gerader, zentraler, unelastischer Stoß Schiefe, zentrale Stöße 73

3 Inhaltsverzeichnis- 2.8 Drehbewegungen Drehmoment Newton'sches Aktionsgesetz der Drehbewegung Arbeit, Leistung und Energie bei der Drehbewegung Drehbewegungen von Systemen materieller Punkte Analogie Translation und Rotation Mechanik starrer Körper Freiheitsgrade und Kinematik Kräfte am starren Körper Schwerpunkt und potentielle Energie eines starren Körpers Kinetische Energie eines starren Körpers Massenträgheitsmomente starrer Körper Kreisel Gravitation Beobachtungen Newton'sches Gravitationsgesetz Hubarbeit und potentielle Energie Satellitenbahnen Mechanik deformierbarer fester Körper - Elastomechanik Elastische Verformung Plastische Verformung Härte fester Körper Mechanik der Flüssigkeiten und Gase-, Hydro- und Aeromechanik Ruhende Flüssigkeiten (Hydrostatik) und ruhende Gase (Aerostatik) Fluide - strömende Flüssigkeiten (Hydrodynamik) und Gase (Aerodynamik) Thermodynamik 3.1 Grundlagen Einführung Thermodynamische Grundbegriffe Temperatur Thermische Ausdehnung Allgemeine Zustandsgieichung idealer Gase, Kinetische Gastheorie Gasdruck Thermische Energie und Temperatur Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle Hauptsätze der Thermodynamik Wärme....,* Erster Hauptsatz der Thermodynamik Berechnung der Wärmekapazitäten Spezielle Zustandsänderungen idealer Gase Kreisprozesse 212

4 Inhaltsverzeichnis XI Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Thermodynamische Potentiale Dritter Hauptsatz der Thermodynamik Zustandsänderungen realer Gase Van-der-Waals'sche Zustandsgieichung Gasverflüssigung (Joule-Thomson-Effekt) Phasenumwandlungen Dämpfe und Luftfeuchtigkeit Wärmeübertragung Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung Wärmedurchgang Elektrizität und Magnetismus 4.1 Physikalische Gesetze und Definitionen Ladung Stromstärke Spannung Widerstand und Leitwert Ohm'sches Gesetz Kirchhoff'sche Regeln im verzweigten Stromkreis Schaltung von Widerständen Messbereichserweiterung Ausgewählte Messanordnungen Klemmenspannung und innerer Widerstand Schaltung von Spannungsquellen Elektrische Leistung und elektrische Arbeit Ladungstransport in Flüssigkeiten und Gasen Ladungstransport in Flüssigkeiten Ladungstransport im Vakuum und in Gasen Plasmaströme Elektrisches Feld Allgemeiner Feldbegriff Beschreibung des elektrischen Feldes Elektrische Feldstärke und Kraft Elektrische Feldstärke und elektrostatisches Potential Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Feld Leiter im elektrischen Feld Nichtleiter im elektrischen Feld, elektrische Polarisation und Permittivitätszahl Energieinhalt des elektrischen Feldes Magnetisches Feld Beschreibung des magnetischen Feldes 351

5 XII Inhaltsverzeichnis Magnetische Feldstärke und Durchflutungsgesetz Magnetische Flussdichte und Kraftwirkungen im Magnetfeld Materie im Magnetfeld Instationäre Felder Elektromagnetische Induktion Periodische Felder (Wechselstromkreis) Ein- und Ausschaltvorgänge in Stromkreisen Messgeräte Zusammenhang elektrischer und magnetischer Größen - Maxwell'sche Gleichungen Schwingungen und Weilen 5.1 Schwingungen Physikalische Grundlagen schwingungsfähiger Systeme Freie Schwingung Erzwungene Schwingung Überlagerung von Schwingungen Schwingungen mit mehreren Freiheitsgfaden (gekoppeltes Schwingungssystem) Nichtlineare Schwinger Parametrisch erregte Schwingungen Wellen Physikalische Grundlagen der Wellenausbreitung Harmonische Wellen Doppler-Effekt Interferenz Optik 6.1 Einführung Geometrische Optik Lichtstrahlen Reflexion des Lichtes Brechung des Lichtes Abbildung durch Linsen Blenden im Strahlengang Abbildungsfehler Optische Instrumente Radio- und Fotometrie Einführung Strahlungsphysikalische Größen Lichttechniscbe Größen Farbmetrik " Wellenoptik Interferenz und Beugung Polarisation des Lichtes 578

6 Inhaltsverzeichnis XIII 6.5 Quantenoptik Lichtquanten Dualismus Teilchen-Welle Wärmestrahlung Laser Materiewellen Abbildung mikroskopischer Objekte Beugungsbegrenzte Abbildung Überwindung der Beugungsbegrenzung Akustik 7.1 Einführung Schallwellen Schallausbreitung Schallwandler Schallwellen an Grenzflächen Schallempfindung Physiologische Akustik Musikalische Akustik Technische Akustik Raumakustik Luftschalldämmung Körperschalldämmung Strömungsgeräusche Ultraschall Schalleinsatz Atom- und Kernphysik 8.1 Bohr'sches Atommodell Optisches Spektrum des Wasserstoffatoms Bohr'sche Postulate Quantenbedingungen nach Bohr/Sommerfeld Quantentheorie Hamilton-Operator Schrödinger-Gleichung Unschärferelation Quantenmechanik des Wasserstoffatoms Quanten-Hall-Effekt Tunneleffekt Bahn- und Spinmagnetismus..' Zeeman- und Stark-Effekt Elektronen- und Kernspinresonanz Systematik des Atombaus 692

7 XIV Inhaltsverzeichnis Periodensystem der Elemente Aufbau der Elektronenhülle Röntgenstrahlung Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung Absorption von Röntgenstrahlung, Computertomographie Molekülspektren Potentialkurve Rotations-Schwingungs-Spektrum Raman-Effekt Aufbau der Atomkerne Größe und Ladungsverteilung Kernmodelle Kernumwandlung Radioaktiver Zerfall Kernreaktionen Kernspaltung und Kernreaktoren Kernfusion Elementarteilchen Einteilung Erhaltungssätze Fundamentale Wechselwirkungen Strahlenschutz Wechselwirkung der Strahlung mit Materie Dosisgrößen Biologische Wirkung derstrahlung Dosismessung Strahlenschutzmaßnahmen Festkörperphysik 9.1 Struktur fester Körper Kristallbindungsarten Kristalline Strukturen Gitterfehler r Amorphe Werkstoffe Makromolekulare Festkörper Ausgewählte Werkstoffe Flüssigkristalle Elektronen in Festkörpern Energiebänder-Modell Metalle... f.. ' Halbleiter Supraleitung Thermodynamik fester Körper 837

8 Inhaltsverzeichnis XV Gitterschwingungen Effekte im Zusammenhang mit Wärmefluss und elektrischem Strom Piezoelektrizität Optoelektronische Halbleiter-Bauelemente Strahlungsquellen Empfänger Spezielle Relativitätstheorie 10.1 Relativität des Bezugssystems Lorentz-Transformation Relativistische Effekte Längenkontraktion Zeitdilatation Relativistische Addition der Geschwindigkeiten Relativistische Dynamik Spezielle Relativitätstheorie in der Elektrodynamik Elektrodynamische Kraft Doppler-Effekt des Lichtes Anhang Lösungen der Übungsaufgaben Nobelpreisträger der Physik Namen-und Sachverzeichnis 987