Alfred Böge Jürgen Eichler. Physik für technische Berufe

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1 Alfred Böge Jürgen Eichler Physik für technische Berufe

2 Aus dem Programm Naturwissenschaftliche Grundlagen Physik von J. Eichler Physik Aufgabensammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler von P. Kurzweil (Hrsg.), J. Eichler, B. Frenzel und B. Schiewe Mathematische Formelsammlung von L. Papula Analysis für technische Oberschulen von K.-H. Pfeffer Mathematik für die Fachschule Technik von H. Rapp Übungsbuch Mathematik für Fachschule Technik und Berufskolleg von H. Rapp und J. M. Rapp

3 Alfred Böge Jürgen Eichler Physik für technische Berufe Physikalisch-technische Grundlagen, Formelsammlung, Versuchsbeschreibungen, Aufgaben mit ausführlichen Lösungen 11., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit über 400 Abbildungen, 35 Tabellen sowie 350 Aufgaben und Lösungen Unter Mitarbeit von Walter Schlemmer und Gert Böge STUDIUM

4 Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage , berichtigte Auflage , vollständig neu bearbeitete und erweiterte Auflage , durchgesehe Auflage , überarbeitete Auflage , durchgesehene Auflage , überarbeitete Auflage , überarbeitete und verbesserte Auflage , neu beabeitete und erweiterte Auflage November , überarbeitete und erweiterte Auflage Oktober , aktualisierte und erweiterte Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008 Lektorat: Thomas Zipsner Imke Zander Der Vieweg+Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, 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 wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Satz: Klementz publishing services, Gundelfingen Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

5 V Vorwort Dieses Physikbuch ist aus der Unterrichtsarbeit mit den Studierenden der Technikerschule entstanden und wird laufend weiterentwickelt. Den bundesweiten Änderungen in den Lehrplänen der Fachschule Technik folgend enthält das Buch jetzt auch die Kapitel Elektrizitätslehre und Atomphysik, erarbeitet von Herrn Prof. Dr. Jürgen Eichler. Als Arbeitsbuch in der Technikerausbildung bewährt wird es auch in anderen Formen der Berufsbildenden Schulen gern verwendet. Durch Auswahl, Gliederung, Anordnung und Gestaltung der Lerngegenstände fügt sich das Buch fördernd in die schulische und häusliche Lehr- und Lernpraxis ein: Auf dem linken Teil der Buchseite steht der Lehrtext mit dem Merksatz, der einen Lernschritt abschließt. Rechts daneben wird der Lehrtext ergänzt und zeichnerisch erläutert. Hinzu kommen die mathematischen Entwicklungen und Beispiele. Die rechte Spalte entspricht dem Tafelbild im Unterricht: Lernschritt Linke Spalte Lehrtext Merksätze Regeln Rechte Spalte Zeichnungen, mathematische Entwicklung mit eingerahmter Berechnungsgleichung, Hinweise und Beispiele Neben den eigentlichen Lehrtextteilen (Kap. 1 bis 10) enthält das Buch einen Aufgabenteil (Kap. 13) und einen Lösungsteil (Kap. 14). Die vorgeführten Lösungen erleichtern dem Lehrer die Entscheidung darüber, welche Aufgaben für den Unterricht oder für die häusliche Bearbeitung geeigneter sind. Am Ende des Buches sind die wichtigsten Berechnungsgleichungen in einer 17-seitigen Formelsammlung (Kap. 15) zusammengefasst. Im Kap. 12 werden ausgewählte Versuche beschrieben, z.b. die Aufnahme eines Amplituden- Frequenz-Diagramms (Resonanzkurve). Die Versuche sind so ausgewertet, wie das auch im Unterricht geschieht. Die aus zeitlichen Gründen im Unterricht nicht durchgeführten Versuche können damit wenigstens besprochen werden. Die Formelzeichen und ihre Bedeutung entsprechen der aktuellen Norm DIN Für den Informationsaustausch steht die -Adresse zur Verfügung: aboege@t-online.de Braunschweig, Februar 2008 Alfred Böge

6 VI Zu den Versuchen Die vorliegende Auswahl von Versuchen kann nur eingeschränkt richtig sein; jeder Lehrer hat seine wohlbegründeten Vorstellungen von der Notwendigkeit eines Versuchs. Richtiger schien es uns a) auf die Beschreibung von Standardversuchen und -geräten (Wellenwanne, Fahrbahn, optische Bank usw.) zu verzichten und b) die ausgewählten Versuche so ausführlich zu beschreiben (Versuchsaufbau, Versuchsbeschreibung, Ergebnisse), dass sich die Studierenden in Gruppen-Selbstarbeit allein hineinfinden und der Lehrer als Berater arbeiten kann. Die Firmen LEYBOLD DIDACTIC GmbH, Leyboldstraße 1, Hürth PHYWE SYSTEME GmbH, Robert-Bosch-Breite 10, Göttingen haben uns bei der Auswahl und Erprobung der Versuche vorbildlich unterstützt. Braunschweig, Februar 2008 Alfred Böge Das griechische Alphabet Alpha Α α Beta Β β Gamma Γ γ Delta Δ δ Epsilon Ε ε Zeta Ζ ζ Eta Η η Theta Θ ϑ Jota Ι ι Kappa Κ κ Lambda Λ λ My Μ μ Ny Ν ν Xi Ξ ξ Omikron Ο ο Pi Π π Rho Ρ r Sigma Σ σ Tau Τ τ Ypsilon Ψ ψ Phi Φ ϕ Chi Χ χ Psi Ψ ψ Omega Ω ω

7 VII Inhaltsverzeichnis 1. Physikalische Größen und Einheiten 1.1. Definition der physikalischen Größe Schreibweise physikalischer Größen Skalare und Vektoren Basisgrößen (Grundgrößen) und abgeleitete Größen Einheiten, Basiseinheiten, abgeleitete Einheiten, kohärente Einheiten Größengleichungen Bewegungen fester Körper 2.1. Eine Übersicht Geschwindigkeit v und Beschleunigung a Das Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm Ordnung und Gesetze der Bewegungsarten Lösen von Aufgaben der gleichmäßig beschleunigten oder verzögerten Bewegung nach Plan Die speziellen Größen der Kreisbewegung Kraft und Masse Die Gleitreibkraft F R Fahrwiderstand Mechanische Arbeit und Energie, Energieerhaltungssatz Leistung und Wirkungsgrad Ruhende Flüssigkeiten und Gase 3.1. Der Druckbegriff Die Druckeinheiten Besondere Druck-Kennzeichnungen Normzustand, Normvolumen V n, Normdichte r n Das Druck-Ausbreitungsgesetz für Flüssigkeiten Einfluss der Schwerkraft auf den Druck in Flüssigkeiten Der Auftrieb F a in Flüssigkeiten Die Druck-Volumengesetze für Gase Strömende Flüssigkeiten und Gase 4.1. Strömungsgeschwindigkeit w, Volumenstrom q v, Massenstrom q m Die Kontinuitätsgleichung Gültigkeitsbereich der Kontinuitätsgleichung Der Energieerhaltungssatz der Strömung (Bernoulli sche Druckgleichung) Wärmelehre 5.1. Wärmeausdehnung Wärme und Arbeit Spezifische Wärmekapazität c und Wärme Q bei festen und flüssigen Stoffen Spezifische Wärmekapazität c p, c v und Wärme Q bei Gasen Die Mischungsregel Die thermodynamische Temperatur T... 84

8 VIII Inhaltsverzeichnis 5.7. Die Gaszustandsgleichung (allgemeine Gasgleichung) Die Übertragung der Wärme Q Mechanische Schwingungen 6.1. Beschreibung der mechanischen Schwingung Die Rückstellkraft F R Das Rückstellmoment M R Die harmonische Schwingung Das Schraubenfederpendel Das Torsionspendel Das Schwerependel (Fadenpendel) Schwingung einer Flüssigkeitssäule Analogiebetrachtung zum Schraubenfederpendel, Torsionspendel, Schwerependel und zur schwingenden Flüssigkeitssäule Dämpfung, Energiezufuhr, erzwungene Schwingung, Resonanz Koppelschwingungen Überlagerung von Schwingungen Schwebungen Mechanische Wellen 7.1. Formen, Entstehung und Ausbreitung linearer Wellen Gleichung der harmonischen Welle Polarisation von Querwellen Entstehung und Ausbreitung flächenhafter Wellen (Oberflächenwellen) Entstehung und Ausbreitung der Wellen im Raum Überlagerung gleich frequenter Wellen (Interferenz) Huygens sches Prinzip Beugung Reflexion Brechung von Wellen Doppler-Effekt Stehende Wellen Eigenschwingungen (stehende Wellen auf begrenztem Wellenträger) Kennzeichen und Bedingungen fortschreitender und stehender Wellen Mathematische Behandlung stehender Wellen Akustik 8.1. Begriffsbestimmung und Einschränkung Schallempfindungen Die Tonhöhe Die Schallschnelle v Der Schalldruck p Die Schallstärke J Die Schallgeschwindigkeit c Das Schalldruck-Frequenz-Schaubild Die Lautstärke L Stehende Schallwellen Schallsender, Lautsprecher, Mikrophone Ultraschall

9 Inhaltsverzeichnis IX 9. Optik 9.1. Einordnung und Ausbreitung des Lichts Wellenoptik Geometrische Optik (Strahlenoptik) Elektrizitätslehre Elektrische Ladung Elektrischer Gleichstromkreis Elektrisches Feld Magnetisches Feld Elektromagnetische Induktion Wechselstromkreis Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Stromleitung in Vakuum, Gasen und Flüssigkeiten Halbleiterbauelemente Supraleiter Atomphysik Bestandteile der Atome Aufbau der Atome Licht und Laserstrahlung Hinweise zur Relativitätstheorie Ausgewählte Versuche zu den physikalischen Grundlagen Parallelogrammsatz, Gleichgewicht beim zentralen Kräftesystem Trägheitskraft T = m a Haft- und Gleitreibzahlen trockener Flächen Federrate R zylindrischer Schraubenfedern Elastizitätsmodul E (Hooke sches Gesetz) Wärmekapazität WK eines Kalorimeters Schmelzenthalpie (Schmelzwärme) q s von Wasser Mechanisches Wärmeäquivalent Elektrisches Wärmeäquivalent Periodendauer T eines Federpendels Federrate R (Richtgröße D) einer zylindrischen Schraubenfeder Trägheitsmoment J Aufnahme eines Amplituden-Frequenz-Diagramms (Resonanzkurve) Querwellen auf der Schraubenfeder Polarisation mechanischer Querwellen Stehende Schallwellen Elektrische Feldlinienbilder Magnetische Feldlinienbilder Elektrischer Widerstand R Elektrische Kapazität C Induktionsgesetz Aufgaben Physikalische Größen und Einheiten

10 X Inhaltsverzeichnis Bewegungen fester Körper Ruhende Flüssigkeiten und Gase Strömende Flüssigkeiten und Gase Wärmelehre Mechanische Schwingung Mechanische Wellen Akustik Optik Elektrizitätslehre Lösungen Physikalische Größen und Einheiten Bewegungen fester Körper Ruhende Flüssigkeiten und Gase Strömende Flüssigkeiten und Gase Wärmelehre Mechanische Schwingungen Mechanische Wellen Akustik Optik Elektrizitätslehre Formelsammlung Beschleunigte geradlinige Bewegung Verzögerte geradlinige Bewegung Gleichförmige Kreisbewegung Beschleunigte Kreisbewegung Verzögerte Kreisbewegung Kraft, Masse, Reibung Mechanische Arbeit und Energie Leistung und Wirkungsgrad Flüssigkeiten und Gase (Hydrostatik und Hydrodynamik) Wärmeausdehnung, Wärme und Arbeit, Mischungsregel, Kelvintemperatur Gaszustandsgleichung (allgemeine Gasgleichung), Gaskonstante Wärmeübertragung der Wärme Q Mechanische Schwingung (harmonische Schwingung) Mechanische Welle (harmonische Welle) Akustik Optik Elektrizitätslehre Sachwortverzeichnis Aufgaben ab Seite 280 Lösungen ab Seite 313 Formelsammlung ab Seite 364