Werner Stolz. Starthilfe Physik

Transkript

1 Werner Stolz Starthilfe Physik

2 Werner Stolz Starthilfe Physik Ein Leitfaden for Studienanfanger der Naturwissenschaften, des Ingenieurwesens und der Medizin 4., durchgesehene und erweiterte Auflage 1m Teubner B. G. Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

3 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet Ober < abrufbar. Prof. Dr. rer. nat. Werner Stolz Geboren 1934 in Reichenberg/Nordb6hmen. Ab 1954 Physikstudium in Leipzig. Diplom Promotion Von 1960 bis 1969 wissenschaftlicher Assistent, anschliebend bis 1978 Hochschuldozent for Experimentalphysik an der Technischen Universitat Dresden Habilitation in Dresden. Von 1978 bis 2000 o. Professor fur Angewandte Physik an der TU Bergakademie Freiberg. Direktor des Instituts fur Angewandte Physik. 1. Auflage Auflage , Oberarbeitete Auflage , durchgesehene und erweiterte Auflage Januar 2005 Aile Rechte vorbehalten B. G. Teubner GmbH, StuttgartiLeipzig/Wiesbaden, 2005 Lektorat: JOrgen WeiB Der B. G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschotzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dorften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN-13: e-isbn-13: DOl: /

4 Vorwort Den AnstoJ3 zu dieser Starthilfe hat der Teubner-Verlag in Leipzig gegeben. Die knappe Darstellung richtet sich an SchUler, die ein Studiurn aufnebmen wollen, und an Studienanfanger aller Fachrichtungen, die Physik im Nebenfach absolvieren. Die von der Schule her bekannten Grundlagen sollen wieder in Erinnerung gebracht, aber auch vertieft werden. AuBerdem wird das Ziel verfolgt, den "roten Faden" eines zweisemestrigen Einfiihrungskurses kenntlich zu machen. Von Beginn an wird den Studenten der konsequente Gebrauch der SI-Einheiten und der in DIN 1304 festgelegten Formelzeichen vermittelt. Selbstverstiindlich soli diese kompakte "Starthilfe Physik" kein Lehrbuch ersetzen, sondern dazu anregen, gestiitzt auf ausfiihrlichere Darstellungen, tiefer in das physikalische Geschehen einzudringen. Eine Auswahl empfehlenswerter moderner Physiklehrbucher ist im Anhang zu finden.. Fftr Schwierigkeiten im Fach Physik sind bekanntlich oft die unzureichenden mathematischen Fertigkeiten der Studienanfanger verantwortlich, obwohl im physikalischen Grundkurs die Anforderungen noch recht bescheiden bleiben. Das vorliegende Bandchen verdeutlicht, auf welchen Teilgebieten der Mathematik (Elementare Funktionen, Differential- und Integrairechnung von Funktionen einer Variablen, GrundzUge der Vektorrechnung) Vorkenntnisse erforderlich sind. Zu einem tieferen VersUindnis der physikalischen Zusammenhange sind die parallel zur Experimentalvorlesung veranstalteten Recheniibungen und Praktika unentbehrlich. 1m Anhang findet der Leser geeignete Aufgabensammlungen und Praktikumsanleitungen. Mit dieser Starthilfe fur SchUler und Studienanfanger mochte der Autor den Ubergang von der Schule zur Hochschule erleichtern. Mehreren Helfern danke ich herzlich. Herr Dr. P. Kirsten hat das Manuskript kritisch durchgesehen und viele wertvolle Hinweise gegeben. Frau A. Heinrich bewaltigte gewissenhaft die miihevollen Schreibarbeiten. Die sorgfaltige und sachkundige Anfertigung der Zeichnungen lag in den Handen von Frau M. Pawlik. Der B.G.Teubner Verlagsgesellschaft in Leipzig und speziell Herm 1. Weill danke ich fur die angenebme und verstandnisvolle Zusammenarbeit. Freiberg, im Mai 1995 Werner Stolz Dank der guten Aufnahme dieser Teubner-Starthilfe legt der Verlag nun bereits die vierte Auflage vor. Dabei bot sich die Gelegenheit, einige bekannt gewordene Fehler und Ungenauigkeiten zu korrigieren. Der Text wurde urn ein neues Kapitel iiber grundlegende Gesetze der Physik ruhender und stromender Fliissigkeiten erweitert. Dresden, im Juni 2004 Werner Stolz

5 Inhalt Einleitung 1 GroDen und Einheiten Grundlagenfach Physik Physikalische GraBen..., Intemationales Einheitensystetn Dimension physikalischer GraBen Skalare und Vektoren Physikalische Gleichungen Darstellung physikalischer Ergebnisse Mechanik 1 Bewegungen Bezugssystem Massenpunkt Geschwindigkeit Beschleunigung Konstante Beschleunigung Freier Fall Uberlagerung von Bewegungen Schrager Wurf Kreisbewegung Newtonsche Axiome 3.1 Kraft und Masse Tragheitsprinzip Aktionsprinzip Reaktionsprinzip Mechanische Krafte Arbeit, Energie, Leistung Mechanische Arbeit Mechanische Arbeit und Energie Energieerhaltungssatz Leistung. Wirkungsgrad Impuls Impuls und KraftstoB Impulserhaltungssatz Raketengleichung Bewegung starrer Kiirper Starrer Karper Drehmoment Rotationsenergie. Tragheitsmoment Bewegungsgleichung des starren Karpers Drehimpuis. Drehimpulserhaltungssatz Translation. Rotation... 33

6 Inhalt 7 7 Schwingungen und Wellen Freie ungediiropfte Schwingungen Freie gediiropfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Fortschreitende Wellen Interferenz Beugung Wirme 8 ZustandsgroDen Volumen und Dichte Druck Temperatur Thermische Ausdehnung der Festkorper und Fliissigkeiten Zustandsgleichung idealer Gase Zustandsiinderungen Warmemenge und Warmekapazitiit Erster Hauptsatz Isotherme Zustandsanderung Isobare Zustandsanderung Isochore Zustandsanderung Adiabatische Zustandsanderung Kreisproze Elektrizitit udd MagDetismus 10 Elektrostatik Elektrische Ladung Elektrische Feldstiirke Elektrische Spannung Elektrisches Potential Elektrische Kapazitiit Ladungstrager im elektrischen Feld Elektrischer Strom Elektrische Stromstiirke Elektrischer Widerstand Stromverzweigung Elektrische Arbeit und Leistung ll.5 Magnetfelder stromdurchflossener Leiter Krafte im Magnetfeld Elektromagnetische Induktion Induktionsgesetz Selbstinduktion Wechselstrom Optik 13 Geometrische Optik Fermatsches Prinzip Reflexion des Lichtes... : Brechung des Lichtes Optische Linsen Optische Instrumente... 73

7 8 Inhalt 14 Wellenoptik Interferenz von Licht Beugung von Licht Polarisation von Licht Quantenoptik Lichtquanten Photoeffekt Compton-Effekt Materiewellen Atome 16 Atomhiille Atombau Atomanregung Atomspektren R5ntgenstrahlung Atomkern Kembausteine Radioaktivitat Ionisierende Strahlung Kemreaktionen Festkorper 18 Struktur fester Korper Kristalliner Zustand Realstruktur Amorpher Zustand Mechanische Eigenschaften Elastizitat Plastizitat Elektrische und magnetische Eigenschaften Metallische LeiWihigkeit Energiebandermodell Halbleiter Ferromagnetismus Supraleitung Fliissigkeiten 21 Ruhende Fliissigkeiten Kompressibilitat und Druck Auftrieb Grenzflacheneffekte Oberflachenspannung Grenzflachenspannung und Kapillaritat Stromende Fliissigkeiten Str5mung idealer Flussigkeiten Str5mung realer Flussigkeiten Anhang Einige mathematische BeziehungeniGriechisches Alphabet Physikalische Konstanten... III Empfehlenswerte Bucher Sachwortverzeichnis