Harry pfeifer, Herbert Schmiedel, Ralf Stannarius. Kompaktkurs Physik. mit virtuellen Experimenten und Obungsaufgaben

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1 Harry pfeifer, Herbert Schmiedel, Ralf Stannarius Kompaktkurs Physik mit virtuellen Experimenten und Obungsaufgaben

2 Harry Pfeifer, Herbert Schmiedel, Ralf Stannarius Kompaktkurs Physik mit virtuellen Experimenten und Obungsaufgaben 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. Anschriften der Verfasser: Prof. (i.r.) Dr. Dr. h.c. Harry pfeifer Prof. Dr. Herbert Schmiedel Universitat Leipzig Institut for Experimentelle Physik I LinnestraBe 5, D Leipzig Prof. Dr. Ralf Stannarius ralf.stannarius@physik.uni-magdeburg.de Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg Institut for Experimentelle Physik Universitatsplatz 2, D Magdeburg 1. Auflage August 2004 Aile Rechte vorbehalten B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 2004 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 for 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 Waren- 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 Carl Friedrich GaujJ: Pauca sed matura - Weniges, aber Ausgereiftes. Das vorliegende Lehrbuch bietet eine kompakte, umfassende EinfUhrung in das Gesamtgebiet der Physik, insbesondere fur Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften. Die beiliegende CD-ROM enthalt eine vollstandig in elektronischer Form zugangliche Darstellung eines Hochschullehrbuches der Physik. Die wesentlichen Komponenten dieser Darstellung sind: (i) Die Umsetzung des gesamten Buchmanuskriptes einschlieblich aller Abbildungen in eine computerlesbare Form: Damit wird der Entwicklung der Publikationsmedien Rechnung getragen. Das elektronische Manuskript erlaubt insbesondere die Volltextsuche nach beliebigen Begriffen im Buchtext sowie die bequeme Nutzung von Verweiszeigern auf Formeln, Bilder und Abschnitte innerhalb des Textes. (ii) Eine Sammlung von Java-Applets zur Demonstration physikalischer Probleme: Komplexe physikalische Sachverhalte, die im gedruckten Medium nur statisch und in ihrer Aussagekraft oft nur stark reduziert wiedergegeben werden konnen, werden mit Hilfe der auf der CD-ROM enthaltenen Java-Applets veranschaulicht. Bei diesen Programmen wurde in erster Linie Wert auf Einfachheit und Anschaulichkeit gelegt. Der Leser kann in vielen Applets interaktiv Parameter variieren und damit quasi in einem virtuellen Labor experimentieren. (iii) Eine ausgewogene Auswahl von Ubungsaufgaben zu den einzelnen Kapiteln: Zu den verschiedenen Stoffabschnitten sind auf der beiliegenden CD ROM Ubungsaufgaben nebst ihrer vollstandigen Losungen ausgearbeitet und zusammengestellt worden. (iv) Verweise ins Internet: Auf einer zum Kompaktkurs eingerichteten Website werden dem Leser Verweise zu relevanten Internetseiten angeboten. Das dem Buch entnommene Sach- und Namensverzeichnis dient zum Auffinden der Stichworte, unter denen diese Internetverweise geordnet sind. Die genannte Internetseite wird standig aktualisiert und solllangfristig durch weitere Applets und Ubungsaufgaben erganzt werden. Auf die Ubungsaufgaben und Applets wird im Buchtext durch Symbole hingewiesen. Ein komplettes Verzeichnis der Ubungsaufgaben und Applets findet sich in den Kapiteln 30 und 31 des Buches. Der Text des Buches ist durch Uberarbeitung aus dem im gleichen Verlag erschienenen Lehrbuch "Grundwissen Experimentalphysik" hervorgegangen. Jeweils am Anfang der einzelnen Kapitel findet der Leser einen originellen Ausspruch einer beriihmten Personlichkeit.

5 VI Vorwort Bei der Zusammenstellung der CD-ROM wurde bewusst eine plattformunabhangige Lasung gewahlt. Alle Programme und Texte sind auf gangigen Personalcomputern weitgehend unabhangig yom vorhandenen Betriebssystem benutzbar. Fur das im Portable Document Format (PDF) erstellte Manuskript benatigt der Leser lediglich einen auf den meisten PCs vorhandenen bzw. kostenlos im Internet bereitgestellten PDF-Reader (z.b. Adobe Acrobat ). Die Applets lassen sich mit gangigen Java-Interpretern starten. Solche Interpreter sind u.a. Bestandteil des Netscape Navigators oder des Microsoft Internet Explorers. Weitere Hinweise zur Arbeit mit dem elektronischen Manuskript finden sich auf der CD-ROM. Abgesehen von diesen elektronischen Erganzungen zeichnet sich das Buch vor allem in folgenden Punkten aus: (i) Das Gesamtgebiet der Physik wird auf etwa 650 Seiten umfassend dargestellt. (ii) Es wurden Textteile ausgewahlt und durch Kleindruck abgesetzt, die bei einer ersten Durchsicht des Buches ubersprungen werden kannen, da sie entweder die mathematische Ableitung einer Formel oder Erganzungen zum behandelten Stoffgebiet enthalten. Bei den Ableitungen kann der Leser diese Art der Darstellung auch nutzen, urn seine Fahigkeiten und Kenntnisse selbst zu uberprufen, indem er versucht, die Ableitung der betreffenden Formel selbst zu finden, ohne den erganzenden klein gedruckten Text zu lesen. (iii) Bei jedem neu eingefiihrten und durch Fettdruck hervorgehobenen Fachwort wird dahinter in Klammern der entsprechende englische Fachausdruck angegeben. (iv) Das Buch enthalt ein umfangreiches Sach- und Namenverzeichnis, in dem hinter dem deutschen Fachwort jeweils das entsprechende englischen Fachwort aufgelistet ist, wie z. B. Okular (eyepiece). (v) Es werden konsequent das Internationale Einheitensystem (SI) sowie die yom Committee on Data for Science and Technology (CODATA) herausgegebenen aktuellen Werte der Naturkonstanten verwendet. Zur Bedeutung der im Text wiederholt verwendeten Bezeichnungen spezijisch, molar usw. gilt: Eine GraBe, deren Zahlenwert sich additiv aus den Zahlenwerten von Untersystemen zusammensetzt, nennt man extensiv (extensive). Beispiele sind die Masse, das Volumen oder die Energie. GraBen, deren Zahlenwerte unabhangig von der Ausdehnung des Systems sind, nennt man dagegen intensiv (intensive). Beispiele sind die Temperatur, der Druck oder das chemische Potential. Das Adjektiv spezifisch (specific) bzw. molar (molar) vor dem Namen einer extensiven GraBe bedeutet, dass die betreffende GraBe durch die Masse bzw. durch die Stoffmenge (Anzahl der Mole) dividiert wurde, wodurch sie zu einer intensiven GraBe wird. Beispiele sind die spezifische und die molare Warmekapazitat. Fur zahlreiche Hinweise bei der Bearbeitung des Manuskriptes sind wir den Herren Professoren Eike Brunner, Jarg Karger, Friedrich Kremer und Dieter Michel

6 .. orvvort "II sovvie Herrn Dozent Dr. Wolfgang Schreier zu Dank verpfiichtet. Besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Phys. Thomas John fur seine Unterstutzung bei der elektronischen Bearbeitung des Manuskriptes und Frau Dipl.-Ing. Ines-Ute Grodrian fur die Zusammenstellung und Vervvaltung der Internet-Verweise. Dem Verlag, insbesondere Herrn Jurgen WeiB, gilt unser Dank fur die angenehme Zusammenarbeit. Schon im Voraus danken wir all jenen Lesern, die uns auf noch vorhandene Fehler und auf Ungenauigkeiten bei der Darstellung hinweisen werden. Leipzig und Magdeburg, Mai 2004 Harry Pfeifer, Herbert Schmiedel, Ralf Stannarius. Anschriften der Verfasser: Prof. (LR.) Dr. Dr. h.c. Harry Pfeifer, uni-ieipzig.de, Prof. Dr. Herbert Schmiedel, Universitat Leipzig, Institut fur Experimentelle Physik I, LinnestraBe 5, D Leipzig. Prof. Dr. Ralf Stannarius, Otto-von-Guericke-U niversitat Magdeburg, Institut fur Experimentelle Physik, Universitatsplatz 2, D Magdeburg.

7 Inhaltsverzeichnis 1 Physikalische GroBen und ihre Messung Physikalische GraBen Das SI (Systeme International d'unites) Messfehler Mechanik der Massenpunkte Eindimensionale Bewegungen Mehrdimensionale Bewegungen Der schiefe Wurf Die Kreisbewegung Kraft und Masse Die drei Newton'schen Axiome Schwere und trage Masse Das Pendel Impuls und Energie Der Impulssatz Der Energiesatz Raketenbewegung Der unelastische und der elastische Sto:B Reibung Reibung auf einer Unterlage Reibung in einem Medium Gravitation Das Newton'sche Gravitationsgesetz Die Kepler-Gesetze..., Die kosmischen Geschwindigkeiten, die Gezeiten Tragheitskrafte Mechanik der starren Korper Ruhende starre Korper Drehbewegungen Punktmassen Starre Korper Der Kreisel Mechanik der deformierbaren Korper Ruhende Fluide (Fliissigkeiten und Gase) Der Schweredruck inkompressibler Fluide (Fliissigkeiten) Der Schweredruck idealer Gase Oberflachen- und Grenzflachenspannung Oberflachenspannung... 59

8 Inhaltsverzeichnis IX GrenzfHichenspannung Stramungen Stramungen reibungsfreier Fluide Stramungen realer Fluide Deformation von Festkarpern Schwingungen und Wellen Schwingungen Freie Schwingungen des linearen Oszillators Erzwungene Schwingungen des linearen Oszillators Uberlagerung von Schwingungen Wellen Wellenausbreitung Stehende Wellen Dei Doppler-Effekt Schallwellen (Akustik) GraBen des Schallfeldes Die Lautstarke Die Zustandsgleichung idealer Gase Ableitung der Zustandsgleichung, das Gleichverteilungsgesetz Spezialfalle der Zustandsgleichung, Warmeausdehnung Die Boltzmann-Verteilung Warmekapazitaten Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Der Carnot-Zyklus Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Die Entropie Definition und Eigenschaften der Entropie Die Entropie des idealen Gases Entropie und Wahrscheinlichkeit Entropie und Zeitumkehr Thermodynamische Potentiale und der dritte Hauptsatz der Thermodynamik Thermodynamische Potentiale Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik

9 X Inhaltsverzeichnis 12 Warmeleitung und Diffusion Die Warmeleitungsgleichungen Die Diffusionsgleichungen Warmeleitung und Selbstdiffusion in Gasen Dampfe und reale Gase Die Van-der-Waals-Gleichung, Virialentwicklung Der Joule-Thomson-Effekt Hygrometrie Koexistenz und Ubergange bei Aggregatzustanden Fltissigkeit und Dampf Festk6rper und Fltissigkeit Festk6rper, Fltissigkeit und Dampf Losungen, osmotischer Druck Elektrische Gleichfelder (Elektrostatik) Elektrische Ladungen Elektrische Feldstarke, elektrisches Potential, elektrische Spannung Leiter im elektrischen Feld Kapazitat, Energiedichte des elektrischen Feldes Elektrischer Dipol Dielektrika Elektrische Gleichstrome Grundbegriffe, Ohm'sches Gesetz, Kirchhoff'sche Regeln Anwendungen Elektrische Leistung Magnetfelder Das Biot-Savart-Gesetz und die Berechnung von Magnetfeldern Messung von Magnetfeldern, das magnetische Erdfeld Induktion Das Induktionsgesetz Die Lorentz-Kraft Selbstinduktion Magnetostatik Mechanismen der Elektrizitatsleitung Metalle Existenz und Beweglichkeit freier Elektronen in Metallen Abhangigkeit des Widerstands von auberen Parametern

10 Inhaltsverzeichnis XI 19.2 Elektrolyte Grundlagen, die Faraday-Gesetze Die Leitfahigkeit von Elektrolyten Galvani-Zellen Freie Elektronen Gase Gasentladungen Plasma Elektrische Wechselstrome und elektromagnetische Wellen Elektrische Wechselstrome Grundlagen Elektrische Schwingkreise Nichtlineare Theorie elektrischer Schwingungen Der Transformator Elektromagnetische Wellen Die Maxwell-Gleichungen Die Entstehung elektromagnetischer Wellen Das elektromagnetische Spektrum, die Lichtgeschwindigkeit Die spezielle Relativitatstheorie Geometrische Optik Reflexion und Brechung Reflexion Brechung Atomistische Deutung der Dispersion Optische Instrumente Wellenoptik Koharenz Interferenz Interferenz inkoharenter Strahlungsquellen Zwei- und dreidimensionale Gitter Optische Gitter (zweidimensionale Gitter) Kristallgitter (dreidimensionale Gitter) Der Spalt Auflosungsvermogen optischer Gerate Spektrales Auflosungsvermogen Raumliches Auflosungsvermogen Das Huygens-Prinzip Holografie

11 XII Inhaltsverzeichnis 23 Polarisation des Lichtes Die Fresnel-Formeln Natiirliche Doppelbrechung Zirkular und elliptisch polarisiertes Licht Kiinstliche Doppelbrechung Optische Aktivitat Drehung der Polarisationsebene Nichtreziproke Bauelemente Klassische Interpretation der Verdet-Konstante und des Zeeman-Effektes Absorption und Streuung Absorption Streuung an isolierten Teilchen Streuung in kondensierter Materie Warmestrahlung Grundbegriffe, Photometrie Strahlungsformeln Pyrometrie / Farben Welle-Teilchen-Dualismus Das Photon Eigenschaften des Photons Anwendungen Materiewellen Quantenmechanik Axiome der Quantenmechanik Kraftefreie Teilchen Teilchen im Kasten Der Tunneleffekt Atome, Molekiile und Festkorper Das Wasserstoffatom Die Schrodinger-Gleichung Diskussion der Losungen Das Bohr'sche Atommodell und das Korrespondenzprinzip Der Drehimpuls der Elektronenbahnbewegung Der Eigendrehimpuls des Elektrons und der Atomkerne Atombau und Atomspektren Das Pauli-Verbot und der Bau der Atome... " Atomspektren Molekiile

12 Inhaltsverzeichnis XIII Heteropolare und homoopolare Bindung Molekiilspektren Festkorper Das Bandermodell Boltzmann-, Bose- und Fermi-Statistik Elektronen und Defektelektronen Elektrizitatsleitung durch Grenzflachen Transistoren Der Atomkern Kernstruktur Radioaktivitat Der a-zerfall Die,B-Zerfalle Die,-Strahlung Strahlendosimetrie Kernreaktionen Kernspaltung Kernfusion Elementarteilchen Entdeckung neuer Teilchen Eigenschaften und Klassifikation der Elementarteilchen Ubungsaufgaben und Losungen (auf CD-ROM) Applets (auf CD-ROM und im Internet) Verweise ins Internet A Anhang A.l Konstanten der Experimentalphysik A.2 Abgeleitete Einheiten des SI mit besonderen Namen A.3 Definition von Einheiten, die nicht zum SI gehoren A.4 Periodisches System der Elemente A.5 Elektronenkonfiguration der neutralen Atome im Grundzustand A.6 Einige mathematische Formeln A.6.1 Vektoralgebra A.6.2 Vektoranalysis A.6.3 Bestimmte Integrale A.6.4 Reihen und Taylorentwicklungen A.6.5 Winkelfunktionen A.7 Literatur

13 XIV Inhaltsverzeichnis Sach- und Namenverzeichnis Naherungswerte fur physikalische Konstanten und Energieumrechungen