JUrgen Eichler. Physik. Grundlagen fur das Ingenieurstudium

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1 JUrgen Eichler Physik Grundlagen fur das Ingenieurstudium

2 ~ Aus dem Programm Grundlagen fur das Ingenieurstudium Mathematik fiir Ingenieure I, II von L. Papula Ubungen zur Mathematik fiir Ingenieure von L. Papula Mathematische Formelsammlung fiir Ingenieure und Naturwissenschaftler von L. Papula Physik Grundlagen fur das Ingenieurstudium von J. Eichler Werkstoffkunde fiir Ingenieure von R. Laska und C. Felsch Regelungstechnik fiir Ingenieure von M. Reuter Elektrotechnik fiir Ingenieure I, II, III von W. WeiBgerber Mechanik fiir Ingenieure von J. Berger Informatik fiir Ingenieure von P. Rausch RoloffIMatek Maschinenelemente von W. Matek, D. Muhs, H. Wittel und M. Becker '---- Vieweg

3 J iirgen Eichler Physik Grundlagen fiir das Ingenieurstudium Mit 247 Bildern und 58 Tabellen II vleweg

International. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschtitzt.

4 Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1993 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschtitzt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fallen bedarf deshalb der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 v Vorwort Es gibt mehrere gute Lehrbiicher zum Thema "Physik flir Ingenieure". Das vorliegende Buch zeichnet sich durch seine knappe Darstellung aus, ohne wesentliche Faktoren wegzulassen. Es entstand aus Vorlesungsunterlagen der Kurse "Physik" flir Horer unterschiedlicher Fachrichtungen an der Technischen Fachhochschule Berlin. Neben diesem Horerkreis eignet es sich auch fur Ingenieure in der Praxis als Nachschlagewerk. Besonderer Wert wird auf die Anwendung der Physik in der modem en Technik gelegt. Die Physik ist eine der wichtigsten Grundlagen flir die Tatigkeit eines Ingenieurs. In diesem Sinne wurde das Basiswissen der klassischen Physik in den Kapiteln der Mechanik, Thermodynamik, Akustik, Wellenlehre und Elektrodynamik dargestellt. Daneben dient die Physikvorlesung auch einer naturwissenschaftlichen Allgemeinbildung, die zum Verstehen von Erscheinungen der Urn welt notwendig ist. Dies spiegelt sich in den moderneren Kapiteln der Optik, Atorn- und Kernphysik sowie der Gravitation wieder. Naturwissenschaften und Technik werden stark un sere Zukunft pragen. Nutzen und Gefahr liegen dicht beieinander. Hoffentlich trag en Physiker und Ingenieure nur zum Fortschritt der Menschheit bei, nicht aber zur Zerstorung. Ohne die jahrelange aktive Teilnahrne der Studenten an den Vorlesungen ware dieses Buch nicht entstanden. Frau G. Krohnert, Technische Fachhochschule Berlin, hat die Abbildungen angefertigt und das Manuskript in den Rechner iibertragen. Ich danke ihr flir das gro/3e Engagement. Natiirlich habe ich die Lehrbiicher anderer Autoren gelesen und viele Anregungen daraus entnomrnen. Ich widrne dieses Buch Sascha. Berlin, Dezernber 1992 Jurgen Eichler

6 VI Inhaltsverzeichnis 1 Physikalische Grimen Basisgro13en und -einheiten SI-System Naturkonstanten Mechanik fester Korper Kinematik (Lehre von der Bewegung) Geradlinige Bewegung Geschwindigkeit Beschleunigung Fallbewegungen Dreidimensionale Bewegung Geschwindigkeitsvektor Tangential- und Zentripetalbeschleunigung Kreisbewegung Winkelgeschwindigkeit Zentripetalbeschleunigung Winkelbeschleunigung Dynamik (Lehre von den Kriiften) Newtonsche Axiome Masse und Kraft Bewegte Bezugssysteme, Triigheitskraft Zentrifugal- und Corioliskraft Arbeit, Energie und Leistung Arbeit Energie Leistung Energieerhaltung Impuls Impulserhaltung Schwerpunkt Sto13gesetze Dynamik der Rotation Energie und Triigheitsmoment Drehmoment Drehimpuls Vektorielle Schreibung Kreisel... 36

7 VII 3 Mechanik deformierbarer Medien Defonnation fester Korper Dehnung Scherung Anwendungen, Belastung Plastische Verfonnung Statik der Fliissigkeiten und Gase Druck und Kompressibilitiit Druck in Fliissigkeiten Druck in Gasen Auftrieb Oberfliichenspannung Dynamik der Fliissigkeiten und Gase Reibungsfreie Stromungen Innere Reibung Turbulenz Gravitation Klassische Gravitationstheorie Gravitationsgesetz Planetensystem Potentielle Energie Satellitenbahnen Relativitiitstheorie Spezielle Relativitiitstheorie Allgemeine Relativitiitstheorie Kosmologie Thermodynamik Zustandsgleichungen von Gasen Temperatur Zustandsgleichung idealer Gase Molare GroJ3en Reale Gase Aggregatzustiinde Kinetische Gastheorie Gasdruck Thennische Energie Geschwindigkeitsverteilung Hauptsiitze der Thennodynamik Spezifische Wiinnekapazitiit Erster Hauptsatz der Wiinnelehre Zustandsiinderungen Kreisprozesse Zweiter Hauptsatz der Wiinnelehre Entropie Thennische Maschinen

8 VIII Wiinnekraftmaschinen Wiinnepumpe Wiirmetransport Wiinneleitung Konvektion Wiinnestrahlung Schwingungen und Wellen Schwingungen Freie ungediimpfte Schwingung Freie gediimpfte Schwingung Erzwungene Schwingungen Uberiagerung von Schwingungen Fourier-Analyse Gekoppelte Schwingungen We\len Wellengleichung Ausbreitungsgeschwindigkeit Uberlagerung von Wellen Doppler-Effekt Akustik Physiologische Akustik Schallwellen Schallempfindung Musikalische Akustik Technische Akustik Mel3technik Ultraschall Elektromagnetismus Elektrisches Feld Elektrische Ladung Elektrische Feldstiirke Spannung und Potential Influenz und elektrischer Flul Kapazitiit Materie im elektrischen Feld Magnetisches Feld Magnetische Feldstiirke Kriifte im Magnetfeld Materie im Magnetfeld Elektromagnetische Wechselfelder Variable Magnetfelder: Induktion Variable elektrische Felder Maxwellsche Gleichungen Elektromagnetische Wellen

9 8.4 Elektrische Strome Gleichstromkreise Wechselstromkreise Elektromagnetische Schwingungen Strome im Vakuum Strome in Gasen Leitung in Fliissigkeiten Optik Geometrische Optik Reflexion und Brechung Hohlspiegel Linsen Auge Photoapparat Projektor Femrohr Mikroskop Wellenoptik Polarisation von Licht Eigenschaften der Kohiirenz Erscheinungen der Interferenz Beugung von Licht Holographie Quantenoptik Prinzipien des Lasers Lasertypen Nichtlineare Optik Photometrie Farbmetrik Grundbegriffe der Lichttechnik Atome und Molekiile Bestandteile der Atome Schematischer Aufbau der Atome Lichtwellen und Photonen Materiewellen und -strahlen Aufbau der Atome Wasserstoffatom Quantenzahlen Deutung des Periodensystems Licht, Rontgenstrahlung und Spinresonanz Emission und Absorption von Licht Rontgenstrahlung Spinresonanz Molekiile IX

10 x 11 Festkorper Struktur der Festkorper l.l Bindung in Kristallen Kristallstrukturen l.1.3 Nichtkristalline Festkorper Fliissigkristalle Elektronen in Festkorpern Energiebiinder Metallische Leitung Supraleitung Halbleiter pn-dbergang Halbleiterbauelemente Transistoren Integrierte Schaltungen Optoelektronik Atomkerne und Elementarteilchen Struktur der Atomkerne Kernteilchen Kernniveaus Radioaktive Kernumwandlungen <X-, ~- und y-strahlung Radioaktives ZerfaIlsgesetz Natiirliche Radioaktivitiit Kiinstliche Kernreaktionen Kernspaltung und Kernfusion Spaltung durch Neutronen Kernreaktoren Kernfusion Fusionsreaktoren Strahlenschutz Wechselwirkung von Strahlung und Materie Messung radioaktiver Strahlung Dosimetrie Physik der Elementarteilchen Fundamentale Wechselwirkungen Beschreibung der Elementarteilchen Quarks und Hadronen Sachwortverzeichnis

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