Jürgen Eichler. Physik

Transkript

1 Jürgen Eichler Physik

2 Aus dem Programm Naturwissenschaftliche Grundlagen Vieweg Handbuch Maschinenbau herausgegeben von A. Böge Formeln und Tabellen Maschinenbau herausgegeben von A. Böge Physik von A. Böge und J. Eichler Technische Berichte von H. und L. Hering Wutz Handbuch Vakuumtechnik herausgegeben von K. Jousten Physik-Formelsammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler von P. Kurzweil (Hrsg.), B. Frenzel und F. Gebhard (i.v.) Physik Aufgabensammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler von P. Kurzweil (Hrsg.), J. Eichler, B. Frenzel und B. Schiewe (i.v.) Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler in sechs Bänden von L. Papula vieweg

3 Jürgen Eichler Physik Grundlagen für das Ingenieurstudium kurz und prägnant Mit 241 Abbildungen und 54 Tabellen 3., überarbeitete und ergänzte Auflage Studium Technik

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 , vollständig neu bearbeitete Auflage September , überarbeitete und ergänzte Auflage April 2007 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Lektorat: Thomas Zipsner / Imke Zander Der Vieweg 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. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Technische Redaktion: Hartmut Kühn von Burgsdorff, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN

5 V Vorwort Die 3. Auflage dieses Lehrbuches ist vollständig überarbeitet worden. Es wurden über 250 Übungsaufgaben eingegliedert, die den Text vertiefen und die Anwendungen der Physik aufzeigen. Anhand der Lösungen kann der Leser sein Wissen überprüfen. Dabei ist es hilfreich, dass die wichtigsten Formeln im Buch durch Rahmen hervorgehoben sind. Das vorliegende Buch zeichnet sich durch seine kurze prägnante Darstellung aus, ohne dabei wesentliche Faktoren wegzulassen. Besonderer Wert wird auf die Anwendung der Physik in der modernen Technik gelegt. Die Physik ist eine der wichtigen Grundlagen für die Tätigkeit eines Ingenieurs. In diesem Sinne wurde das Basiswissen der klassischen Physik in den Kapiteln der Mechanik, Thermodynamik, Akustik, Schwingungen und Wellen und Elektromagnetismus anschaulich dargestellt. Daneben dient die Physikvorlesung auch einer naturwissenschaftlichen Allgemeinbildung, die zum Verstehen von Erscheinungen der Umwelt notwendig ist. Dies spiegelt sich in den moderneren Kapiteln der Optik, Atom- und Kernphysik sowie der Gravitation wieder. Das Buch entstand aus Vorlesungsunterlagen der Kurse Physik für Hörer unterschiedlicher Fachrichtungen an der Technischen Fachhochschule Berlin. Es wendet sich an Studierende an Fachhochschulen und Universitäten in den Fächern Mechatronik, Maschinenbau, Feinwerktechnik, Mikrosystemtechnik, Elektronik, Elektrotechnik, Energietechnik, Physikalische Technik, Mathematik, Chemie, Biotechnologie, Verfahrenstechnik, Umwelttechnik, Informatik, Patentwesen, Wirtschaftsingenieurwesen, u.a. Neben diesem Hörerkreis eignet es sich auch für Ingenieure in der Praxis als Nachschlagewerk. Ich danke dem Vieweg Verlag und dem Lektorat Technik für die sehr gute Zusammenarbeit bei der Realisierung und dem Druck der neuen Auflage. Die fachgerechten Hinweise von meinem Lektor Herrn Thomas Zipsner haben zu wichtigen Verbesserungen geführt. Ich widme dieses Buch Evelyn und Sascha s Familie. Berlin, Mai 2007 Jürgen Eichler

6 VII Inhaltsverzeichnis 1 Physikalische Größen Basisgrößen und -einheiten SI-System Naturkonstanten Mechanik fester Körper Kinematik (Lehre von der Bewegung) Geradlinige Bewegung Dreidimensionale Bewegung Kreisbewegung Dynamik (Lehre von den Kräften) Kraft (Newton sche Axiome) Masse und Kraft Bewegte Bezugssysteme, Trägheitskraft Zentrifugal- und Corioliskraft Arbeit, Energie und Leistung Arbeit Energie Leistung Energieerhaltung Impuls Impulserhaltung Schwerpunkt Stoßgesetze Dynamik der Rotation Energie und Trägheitsmoment Drehmoment Drehimpuls Vergleich: geralinige Bewegung und Drehbewegung Vektorielle Formulierung Kreisel Mechanik deformierbarer Medien Deformation fester Körper Dehnung Anwendungen, Belastung Statik der Flüssigkeiten und Gase Druck und Kompressibilität Druck in Flüssigkeiten Druck in Gasen Auftrieb Dynamik der Flüssigkeiten und Gase... 53

7 VIII Inhaltsverzeichnis Reibungsfreie Strömungen Innere Reibung Turbulenz Gravitation Klassische Gravitationstheorie Gravitationsgesetz Planetensystem Potenzielle Energie Satellitenbahnen Relativitätstheorie Spezielle Relativitätstheorie Allgemeine Relativitätstheorie Thermodynamik Zustandsgleichungen von Gasen Temperatur Zustandsgleichung idealer Gase Molare Größen Reale Gase Aggregatzustände Kinetische Gastheorie Gasdruck Thermische Energie Geschwindigkeitsverteilung Hauptsätze der Thermodynamik Spezifische Wärmekapazität Erster Hauptsatz der Wärmelehre Zustandsänderungen Kreisprozesse Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre Thermische Maschinen Wärmekraftmaschinen Wärmepumpe Wärmetransport Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung Schwingungen und Wellen Schwingungen Freie ungedämpfte Schwingung Freie gedämpfte Schwingung Erzwungene Schwingungen Überlagerung von Schwingungen Fourier-Analyse Gekoppelte Schwingungen

8 Inhaltsverzeichnis IX 6.2 Wellen Wellengleichung Ausbreitungsgeschwindigkeit Überlagerung von Wellen Doppler-Effekt Akustik Physiologische Akustik Schallwellen Schallempfindung Technische Akustik Messtechnik Ultraschall Elektromagnetismus Elektrisches Feld Elektrische Ladung Elektrische Feldstärke Spannung und Potenzial Elektrische Influenz Elektrische Polarisation Kondensator Elektrischer Fluss und Flussdichte Magnetisches Feld Magnetische Feldstärke Magnetische Flussdichte und Fluss Kräfte im Magnetfeld Polarisation und Magnetisierung Materie im Magnetfeld Elektromagnetische Wechselfelder Veränderliche Magnetfelder: Induktion Veränderliche elektrische Felder Maxwell sche Gleichung Elektromagnetische Wellen Elektrische Ströme Gleichstromkreise Wechselstromkreise Elektromagnetische Schwingungen Ströme im Vakuum Ströme in Gasen Ströme in Flüssigkeiten Optik Geometrische Optik Reflexion und Brechung Hohlspiegel Linsen

9 X Inhaltsverzeichnis Auge Photoapparat Projektor Fernrohr Mikroskop Wellenoptik Polarisation von Licht Eigenschaften der Kohärenz Erscheinungen der Interferenz Beugung von Licht Holographie Quantenoptik Prinzipien des Lasers Lasertypen Nichtlineare Optik Photometrie Farbmetrik Grundbegriffe der Lichttechnik Atomphysik Bestandteile der Atome Schematischer Aufbau der Atome Lichtwellen und Photonen Materiewellen und -strahlen Aufbau der Atome Wasserstoffatom Quantenzahlen Deutung des Periodensystems Licht, Röntgenstrahlung und Spinresonanz Emission und Absorption von Licht Röntgenstrahlung Spinresonanz Moleküle Festkörper Struktur der Festkörper Bindung in Kristallen Kristallstrukturen Nichtkristalline Festkörper Flüssigkristalle Elektronen in Festkörpern Energiebänder Metallische Leitung Supraleitung Halbleiter pn-übergang Halbleiterbauelemente

10 Inhaltsverzeichnis XI Transistoren Integrierte Schaltungen Optoelektronik Kernphysik Struktur der Atomkerne Kernteilchen Kernniveaus Radioaktive Kernumwandlungen α-, β- und γ-strahlung Radioaktives Zerfallsgesetz Natürliche Radioaktivität Künstliche Kernreaktionen Kernspaltung und Kernfusion Spaltung mit 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