Physik für Ingenieure

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1 Physik für Ingenieure von Prof. Dr. Ulrich Hahn OldenbourgVerlag München Wien

2 1 Einführung Wie wird das Wissen gewonnen? Gültigkeitsbereiche physikalischer Gesetze Prinzipien der klassischen Physik Physikalische Größen Basisgrößen und Maßsysteme Rechnen mit physikalischen Größen 9 2 Mechanik Bewegung Rotation Translation Kinematik Eindimensionale Bewegungen Spezielle eindimensionale Bewegungen Allgemeiner Zusammenhang zwischen den kinematischen Größen Bewegungszustände und ihre Änderung Bewegungen in zwei und drei Dimensionen Dynamik von Massenpunkten Erstes Newtonsches Axiom Mengenartige physikalische Größen Zweites Newtonsches Axiom Drittes Newtonsches Axiom Kräfte in der Natur Anwendungen der Newtonschen Axiome Koordinatentransformationen Numerisches Lösen von Bewegungsgleichungen Arbeit und Energie Systeme von Massenpunkten System und Systemgrenze Schwerpunkt Einfluss von äußeren Kräften Schwerpunktsystem Kinetische Energie eines Systems von Massenpunkten 93

3 2.5 Stoßprozesse Unelastische Stöße Antrieb durch Massenströme: Raketen Elastische Stöße Kräfte bei Stößen Dynamik des starren Körpers, Drehbewegungen Freiheitsgrade bei der Rotation Rotationsenergie und Trägheitsmoment Vektorielle Beschreibung der Drehbewegung Drehmoment Drehimpuls Arbeit und Leistung bei Drehbewegungen Vermischte Probleme der Dynamik Mechanik deformierbarer Körper Deformation fester Körper Flüssigkeiten Strömungen Thermodynamik Temperatur Temperaturskalen Temperaturmessung Thermodynamische Systeme Zustandsgrößen in der Thermodynamik Thermische Ausdehnung Festkörper: Längenausdehnung Flüssigkeiten Gase Die Zustandsgieichung idealer Gase Mikroskopische Beschreibung der Wärme - kinetische Gastheorie Kinetische Energie und Temperatur eines idealen Gases Geschwindigkeitsverteilung der Moleküle Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Erster Hauptsatz der Thermodynamik Formulierungendes 1. Hauptsatzes Wärme und Wärmekapazität Spezielle Zustandsänderungen idealer Gase Thermodynamische Maschinen Kreisprozesse Carnotscher Kreisprozess 247

4 XI Vergleichsprozesse für reale thermodynamische Maschinen Kreisprozesse für Turbinen Hauptsatz für offene Systeme Hauptsatz der Thermodynamik Irreversible Prozesse Wirkungsgrade thermodynamischer Maschinen Entropie Thermodynamische Potentiale Reale Gase und Phasenänderungen Reale Gase Phasenübergänge reiner Stoffe Phasenübergänge von Stoffgemischen Feuchte Luft Wärmetransport Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung Schwingungen und Wellen Klassifikation von Schwingungen und Wellen Eindimensionale Schwingungen Freie harmonische Schwingungen Gedämpfte freie harmonische Schwingungen Erzwungene Schwingungen Parametrisch angeregte Schwingungen Selbsterregte Schwingungen Überlagerung von Schwingungen Gekoppelte Schwingungen Wellen Ausbreitung eindimensionaler Wellen Reflexion von eindimensionalen Wellen Überlagerung von eindimensionalen Wellen Wellenfelder Doppler-Effekt Elektrizität und Magnetismus Ladung und Ladungsstrom Elektrische Leiter und Ladungsträger Ladungserhaltung und Kontinuitätsgleichung Elektrischer Strom und Energiestrom Elektrische Netzwerke (Gleichstrom) 480

5 5.2 Elektrostatik Coulombsches Gesetz Das elektrische Feld Elektrische Felder kontinuierlicher Ladungsverteilungen Maxwellgleichung Feldberechnung mit Hilfe der 3. Maxwellgleichung Arbeit und elektrisches Potential Leiter im elektrischen Feld Kondensatoren Dielektrika Bewegungen geladener Teilchen in elektrischen Feldern Energie des elektrischen Feldes Das Magnetfeld Magnetische Flussdichte, 4. Maxwellgleichung Magnetische Kraft auf Ladungsträger Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrische Ströme Magnetfeldberechnung mit dem Ampereschen Satz Biot-Savartsches Gesetz Materie im Magnetfeld, magnetische Erregung Magnetische Induktion Energie des Magnetfeldes Wechselstrom Wechselstromkreise Drehstrom Transformatoren Elektrische Maschinen Elektromagnetische Wellen Verschiebungsstrom Maxwellgleichungen und elektromagnetische Wellen Energietransport durch elektromagnetische Felder Erzeugung elektromagnetischer Wellen Elektromagnetische Wellen in Leitern Optik Licht Was ist Licht? Lichtquellen Ausbreitung von Licht Polarisation von Licht Geometrische Optik Optische Abbildung Abbildung mit Spiegeln 786

6 XIII Abbildung durch Brechung an Grenzflächen Abbildung durch Linsen Strahlbegrenzungen in optischen Systemen Abbildungsfehler Energietransport durch Licht Optische Instrumente Interferenz und Beugung von Licht Kohärenz Interferenzen an dünnen Schichten Beugung von Licht Messungen und ihre Auswertung Direkte Messung einer Größe Normalverteilung Vertrauensbereiche Fehlerfortpflanzung Ausgleichsgeraden und Kurvenanpassung Graphische Konstruktion der Ausgleichsgeraden Rechnerische Bestimmung der Ausgleichsgeraden Ausgleichsgeraden bei nicht linearen Zusammenhängen Korrelation Spezielle Probleme Vergleich eines Messergebnisses mit dem Literaturwert Ausreißer Vergleich der Mittelwerte zweier Messungen Ergebnisse verschiedener Messreihen zusammenfassen 963 Index 965

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