Experimentalphysik 1. Wolfgang Demtröder. Mechanik und Wärme. < _] Springer
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1 Wolfgang Demtröder Experimentalphysik 1 Mechanik und Wärme Vierte, neu bearbeitete und aktualisierte Auflage Mit 595, meist zweifarbigen Abbildungen, 9 Farbtafeln, 40 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen und 167 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen < _] Springer
2 1. Einführung und Überblick 1.1 Die Bedeutung des Experimentes Der Modellbegriff in der Physik Historischer Rückblick Die antike Naturphilosophie Die Entwicklung der klassischen Physik Die moderne Physik Unser heutiges physikalisches Weltbild Beziehungen zwischen Physik und Nachbarwissenschaften Biophysik und medizinische Physik Astrophysik Geophysik und Meteorologie Physik und Technik Physik und Philosophie Die Grundgrößen in der Physik, ihre Normale und Messverfahren Längeneinheiten Messverfahren für Längen Zeiteinheiten Zeitmessungen Masseneinheiten und ihre Messung Stoffmengeneinheit Temperatureinheit Einheit der elektrischen Stromstärke Einheit der Lichtstärke Winkeleinheiten Maßsysteme Messgenauigkeit und Messfehler Systematische Fehler Statistische Fehler. Messwertverteilung und Mittelwert Streuungsmaße Fehlerverteilungsgesetz Fehlerfortpflanzung Ausgleichsrechnung 35 Zusammenfassung 37 Übungsaufgaben 38
3 2. Mechanik eines Massenpunktes 2.1 Das Modell des Massenpunktes. Bahnkurve Geschwindigkeit und Beschleunigung Gleichförmig beschleunigte Bewegung Der freie Fall Der schräge Wurf Bewegungen mit nicht-konstanter Beschleunigung : _ Die gleichförmige Kreisbewegung Die allgemeine krummlinige Bewegung Kräfte Kräfte als Vektoren. Addition von Kräften Kraftfelder Messung von Kräften. Diskussion des Kraftbegriffes Die Grundgleichungen der Mechanik Die Newtonschen Axiome Träge und schwere Masse x Die Bewegungsgleichung eines Teilchens in einem beliebigen Kraftfeld Der Energiesatz der Mechanik Arbeit und Leistung Wegunabhängige Arbeit. Konservative Kraftfelder 59 > Potentielle Energie Der Energiesatz der Mechanik Zusammenhang zwischen Kraftfeld und Potential Drehimpuls und Drehmoment Gravitation und Planetenbewegungen Die Keplerschen Gesetze Newtons Gravitationsgesetz Planetenbahnen Das effektive Potential Gravitationsfeld ausgedehnter Körper Experimentelle Prüfung des Gravitationsgesetzes Experimentelle Bestimmung der Erdbeschleunigung 76 Zusammenfassung 78 Übungsaufgaben Bewegte Bezugssysteme und spezielle Relativitätstheorie ^ H ' 3.1 Relativbewegung Inertialsysteme und Galilei-Transformation 83 ' 3.3 Beschleunigte Bezugssysteme, Trägheitskräfte Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme Rotierende Bezugssysteme Zentrifugal- und Corioliskräfte Zusammenfassung Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Lorentz-Transformationen Spezielle Relativitätstheorie 95
4 3.6.1 Das Problem der Gleichzeitigkeit Minkowski-Diagramme Lorentz-Kontraktion von Längen Zeitdilatation Zwillings-Paradoxon Raumzeit-Ereignisse und Kausalität 105 Zusammenfassung 106 Übungsaufgaben Systeme von Massenpunkten. Stöße ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ i ^ H ^ H 4.1 Grundbegriffe ^ Massenschwerpunkt Reduzierte Masse Drehimpuls eines Teilchensystems Stöße zwischen zwei Teilchen Grundgleichungen Elastische Stöße im Laborsystem Elastische Stöße im Schwerpunktsystem Inelastische Stöße Newton-Diagramme Was lernt man aus der Untersuchung von Stößen? Streuung in einem kugelsymmetrischen Potential Reaktive Stöße Stöße bei relativistischen Energien Relativistische Massenzunahme Kraft und relativistischer Impuls Die relativistische Energie Inelastische Stöße bei relativistischen Energien Relativistischer Energiesatz Erhaltungssätze Impulserhaltungssatz Energieerhaltungssatz Drehimpulserhaltung Erhaltungssätze und Symmetrien 133 Zusammenfassung 134 Übungsaufgaben Dynamik starrer ausgedehnter Körper ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ H 5.1 Das Modell des starren Körpers Massenschwerpunkt Die Bewegung eines starren Körpers Kräfte und Kräftepaare Trägheitsmoment und Rotationsenergie Steinerscher Satz Bewegungsgleichung der Rotation eines starren Körpers Rotation um eine Achse bei konstantem Drehmoment Drehschwingungen um eine feste Achse 146
5 XII Vergleich von Translation und Rotation Rotation um freie Achsen; Kreiselbewegungen Trägheitstensor und Trägheitsellipsoid Hauptträgheitsmomente Freie Achsen Die Eulerschen Gleichungen Der kräftefreie symmetrische Kreisel Präzession des symmetrischen Kreisels Überlagerung von Nutation und Präzession Die Erde als symmetrischer Kreisel 159 Zusammenfassung 162 Übungsaufgaben Reale feste undflüssigekörper ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^^^ Atomares Modell der Aggregatzustände Deformierbare feste Körper 167 ^ Hookesches Gesetz Querkontraktion Scherung und Torsionsmodul Biegung eines Balkens Elastische Hysterese, Deformationsarbeit Die Härte eines Festkörpers Ruhende Flüssigkeiten, Hydrostatik Freie Verschiebbarkeit und Oberflächen von Flüssigkeiten Statischer Druck in einer Flüssigkeit Auftrieb und Schwimmen Phänomene an Flüssigkeitsgrenzflächen Oberflächenspannung Grenzflächen und Haftspannung Kapillarität Zusammenfassung Reibung zwischen festen Körpern Haftreibung Gleitreibung Rollreibung Bedeutung der Reibung in der Technik Die Erde als deformierbarer Körper Polabplattung der rotierenden Erde Gezeitenverformung Wirkungen der Gezeiten 195,' Messung der Erdverformung 195 Zusammenfassung Übungsaufgaben Gase ^ H H M M H H H H H H B M H H H H H H H H ^ H 7.1 Makroskopische Betrachtung Luftdruck und barometrische Höhenformel 200
6 7.3 Kinetische Gastheorie Das Modell des idealen Gases Grundgleichungen der kinetischen Gastheorie Mittlere kinetische Energie und absolute Temperatur Verteilungsfunktion Maxwell-Boltzmannsche Geschwindigkeitsverteilung Stoßquerschnitt und mittlere freie Weglänge Experimentelle Prüfung der kinetischen Gastheorie Molekularstrahlen Transportprozesse in Gasen Diffusion Brownsche Bewegung > Wärmeleitung in Gasen ' Viskosität von Gasen Zusammenfassung Die Erdatmosphäre 220 Zusammenfassung 222 Übungsaufgaben Strömende Flüssigkeiten und Gase 8.1 Grundbegriffe und Strömungstypen Euler-Gleichung für ideale Flüssigkeiten Kontinuitätsgleichung Bernoulli-Gleichung Laminare Strömungen Innere Reibung Laminare Strömung zwischen zwei parallelen Wänden Laminare Strömungen durch Rohre Kugelfall-Viskosimeter, Stokessches Gesetz Navier-Stokes-Gleichung Wirbel und Zirkulation Helmholtzsche Wirbelsätze Die Entstehung von Wirbeln Turbulente Strömungen; Strömungswiderstand Aerodynamik Der dynamische Auftrieb Zusammenhäng zwischen dynamischem Auftrieb und Strömungswiderstand Kräfte beim Fliegen, Ähnlichkeitsgesetze; Reynolds'sche Zahl Nutzung der Windenergie 250 Zusammenfassung 253 Übungsaufgaben Vakuum-Physik 9.1 Grundlagen und Grundbegriffe Die verschiedenen Vakuumbereiche 257
7 XIV Einfluss der Wandbelegung Saugvermögen und Saugleistung von Pumpen Strömungsleitwerte von Vakuumleitungen Erreichbarer Enddruck Vakuumerzeugung..."." Mechanische Pumpen Diffusionspumpen Kryo- und Sorptionspumpen Messung kleiner Drücke Flüssigkeitsdruckmessgeräte Membranmanometer Wärmeleitungsmanometer Ionisations- und Penning-Vakuummeter Reibungsvakuummeter 273 Zusammenfassung 274 Übungsaufgaben^ Wärmelehre ^ ^^^^ ^^ ^ ^^^^^^^^^^^^^H 10.1 Temperatur und Wärmemenge Temperaturmessung, Thermometer und Temperaturskala Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper Thermische Ausdehnung von Gasen, Gasthermometer :1.4 Absolute Temperaturskala Wärmemenge und spezifische Wärme Molvolumen und Avogadro-Konstante Innere Energie und spezifische Molwärme idealer Gase Spezifische Wärme eines Gases bei konstantem Druck Molekulare Deutung der spezifischen Wärme Spezifische Wärme fester Körper Schmelzwärme und Verdampfungswärme Wärmetransport Konvektion Wärmeleitung Das Wärmerohr (Heatpipe) Methoden der Wärmeisolierung Wärmestrahlung Thermische Solarenergienutzung Die Hauptsätze der Thermodynamik Zustandsgrößen Der erste Häuptsatz der Thermodynamik Spezielle Prozesse als Beispiele für den ersten Hauptsatz Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Der Carnotsche Kreisprozess Äquivalente Formulierungen des zweiten Hauptsatzes Die Entropie Reversible und irreversible Prozesse Thermodynamische Potentiale 323
8 Chemische Reaktionen Zusammenhang zwischen Zustandsgrößen und thermodynamischen Potentialen Gleichgewichts-Zustände Der dritte Hauptsatz (Nernstsches Theorem) Thermodynamische Maschinen Thermodynamik realer Gase und Flüssigkeiten Van-der-Waalssche Zustandsgieichung Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen Lösungen und Mischzustände 341 Zusammenfassung 343 Übungsaufgaben > Mechanische Schwingungen und Wellen 11.1 Der freie ungedämpfte Oszillator Darstellung von Schwingungen Überlagerung von Schwingungen Eindimensionale Überlagerungen Zweidimensionale Überlagerung, Lissajous-Figuren Der freie gedämpfte Oszillator Erzwungene Schwingungen Energiebilanz bei der Schwingung eines Massenpunktes Parametrischer Oszillator Gekoppelte Oszillatoren Gekoppelte Federpendel Erzwungene Schwingungen zweier gekoppelter Pendel Normalschwingungen Mechanische Wellen 368 L1.9.1 Verschiedene Darstellungen harmonischer ebener Wellen Zusammenfassung Allgemeine Darstellung beliebiger Wellen. Wellengleichung 370 [1.9.4 Verschiedene Wellentypen 371 [ Ausbreitung von Wellen in verschiedenen Medien Energiedichte und Energietransport in einer Welle Dispersion, Phasen-und Gruppengeschwindigkeit Überlagerung von Wellen Kohärenz und Interferenz Überlagerung zweier harmonischer Wellen : Beugung, Reflexion und Brechung von Wellen Huygenssches Prinzip Beugung an Begrenzungen Zusammenfassung Reflexion und Brechung von Wellen Stehende Wellen Eindimensionale stehende Wellen Experimentelle Demonstration stehender Wellen 391
9 XVI Zweidimensionale Eigenschwingungen von Membranen Wellen bei bewegten Quellen Doppler-Effekt Wellenfronten bei bewegten Quellen Stoßwellen :."...: Akustik Definitionen Druckamplitude und Energiedichte von Schallwellen Erzeugung von Schallwellen Schalldetektoren Ultraschall Physik der Musikinstrumente Einteilung der Musikinstrumente Akkorde, Tonleitern und Stimmungen Physik der Geige Physik beim Klavierspiel 409 Zusammenfassung 410 Übungsaufgaben Nichtlineare Dynamik und Chaos ^ ^ ^ ^ ^ H i ^ H ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ H 12.1 Stabilität dynamischer Systeme Logistisches Wachstumsgesetz und Feigenbaum-Diagramm Parametrischer Oszillator Bevölkerungsexplosion Systeme mit verzögerter Rückkopplung Selbstähnlichkeit Fraktale Mandelbrot-Mengen Folgerungen für unser Weltverständnis 432 Zusammenfassung 433 Übungsaufgaben 434 Anhang ^^^^^^^^^^^ ^^^^^^^^^^^ H A.l Vektorrechnung Definition des Vektors Darstellung von Vektoren Kartesische Koordinaten Sphärische oder Polarkoordinaten Zylindrische Koordinaten Polare und axiale Vektoren Addition von Vektoren Multiplikation von Vektoren Multiplikation eines Vektors mit einem Skalar Das Skalarprodukt Das Vektorprodukt Mehrfache Produkte Differentiation von Vektoren 439
10 Literaturverzeichnis Vektorfelder Differentiation eines Vektors nach einer skalaren Größe Der Gradient einer skalaren Größe Die Divergenz eines Vektorfeldes Die Rotation eines Vektorfeldes Mehrfach-Differentiationen 441 A.2 Koordinatensysteme Kartesische Koordinaten Zylinderkoordinaten Sphärische Koordinaten (Kugelkoordinaten) 443 A.3 Komplexe Zahlen Rechenregeln für komplexe Zahlen v Polardarstellung 446 A.4 Fourieranalyse 446 Farbtafeln 481 Literaturverzeichnis 489 Sachwortverzeichnis 495
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