LINDNER. PHYSIKALlS ehe AUFGABEN

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1 LINDNER. PHYSIKALlS ehe AUFGABEN

2 Physikalische Aufgaben von Studiendirektor Helmut Lindner IngenieurhOlDsdlUle Mittweida 15. Auflage 1185 Aufgaben mit Lösungen aus allen Gebieten der Physik 360 Bilder t VEB FACHBUCHVERLAG LEIPZIG

3 ISBN-I3: e-isbn-l3: : / VEB Fachbuchverlag Leipzig 1974 Softcover reprint of the hardcover 15th edition Auflage Lizenznummer /32/74 LSV 1103 Verlagslektor: Dipl.-Phys. Klaus Voge!sang Redaktiousschluß: Bestelluummer: EVP 7,80

4 VORWORT Zielsetzung und Form physikalischer Aufgaben können recht verschieden sein. Überblickt man die Vielzahl der in der Vergangenheit erschienenen Aufgabensammlungen, so findet man nicht allein ein Vorwärtsschreiten in stofflicher Hinsicht, wie es das stürmische Wachstum der Physik mit sich bringen mußte, sondern auch die gesellschaftliche Entwicklung spiegelt sich darin wider. Während in früheren Zeiten Aufgaben abstrakten und vielfach lebensfremden Inhalts überwogen, wandten sich die Autoren später mehr den praktischen Erfordernissen und den Beziehungen zur Technik zu. Heute, da das Prinzip der polytechnischen Erziehung auch den Physikunterricht aller Schulen durchdringen muß, sollten Aufgaben grundsätzlich der technischen Praxis entnommen sein. Das darf aber nicht zu einer Einengung des Gesichtskreises auf schon bekannte Anwendungen und technologische Prozesse allein führen. In einer nach Entwicklung und Fortschritt drängenden Zeit muß das physikalische Denken äußerst elastisch sein und auch Probleme behandeln, die zunächst keine unmittelbare Beziehung zur Praxis zu haben scheinen, sie aber überraschend schnell einmal gewinnen können. Aus diesem Grunde erscheinen hier nicht nur unmittelbar technikbezogene Aufgaben, sondern auch solche mit im Laufe der Zeit klassisch gewordener, das formale Denken fördernder Fragestellung. Deshalb wurden auch triviale Aufgaben, die lediglich durch Einsetzen von Werten in gegebene Formeln gelöst werden, nach Möglichkeit vermieden. Um den Charakter des reinen Aufgabenbuches zu wahren, sind in den Aufgaben selbst die jeweils in Frage kommenden Gesetze bzw. Formeln und Hinweise zur Lösung absichtlich nicht gegeben worden. Man findet diese ja in den einschlägigen Lehrbüchern der allgemeinbildenden und ingenieurtechnischen Schulen; sie können daher als bekannt vorausgesetzt werden.

5 Die Lösungen sind grundsätzlich als Größengleichungen angegeben und im ~atz meist nur soweit ausgeführt, daß der jeweils angewandte Grundgedanke erkennbar ist. Um die Aufgaben eine~ recht weiten Leserkreis zugänglich zu machen, wurden sie so gefaßt, daß ihre Lösungen durchweg mit den Mitteln der elementaren Mathematik, also ohne Zuhilfenahme der Infinitesimalrechnung, möglich ist. Der Schwierigkeitsgrad entspricht dem Niveau der Ingenieurund Fachschulen sowie der Ingenieurhochschulen der DDR. In der 14. Auflage wurden wiederum Verbesserungen in den Lösungen vorgenommen und eine Anzahl von Aufgaben zur Festigkeitslehre, Wellenlehre, Wellenoptik, kinetischen Gastheorie und speziellen Relativitätstheorie eingefügt, ohne jedoch das Nummernsystem der übrigen Aufgaben zu ändern. Ferner wurde das letzte Kapitel zur Atom- und Kernphysik überarbeitet und erweitert, wodurch sich die Zahl der Aufgaben um etwa 30 erhöhte. Ein vollständiges Verzeichnis der verwendeten Größen und Formelzeichen befindet sich am Beginn des Aufgabenteils auf Seite 10. Für die mühevolle Arbeit des Nachrechnens und viele textliche Verbesserungen sei den Herren Dr. Herbert Küstner, Leipzig, Dipl.-Ing. J. Rühberg, Magdeburg, und Dr. Helmar Lehmann, Leipzig, an dieser Stelle herzlichst gedankt. Der Verfasser

6 INHALTSVERZEICHNIS Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen. Seite Mechanik fester Körper Aufgabe Nr Statik Volumen und Dichte. Zusammens~tzung und Zerlegung,Kräften.... Hebel ul'ld Drehmoment..... Schwerpunkt und Standfestigkeit. Festigkeit..... Einfache Maschinen. Reibung (statisch) von Kinematik Gleichförmige und beschleunigte geradlinige Bewegung Freier Fall und Wurf Gleichförmige und beschleunigte Drehbewegung.... Zusammengesetzte Bewegungen 1.3. Dynamik Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad. Grundgesetz der Dynamik... Potentielle und kinetische Energie Reibungsarbeit MfLssenträgheitsmoment und Rotationsenergie... Fliehkraft.... Impuls und Stoß. Massenanziehung Schwingungen Harmonische Bewegung. Elastische Schwingungen Mathematisches Pendel. Physisches Pendel... Gedämpfte Schwingungen

7 8 Inhaltsverzeichnis 2. Mechanik der Flüssigkeiten und Gase 2.1. Mechanik der Flüssigkeiten Molekularerscheinungen Hydrostatischer Druck Auftrieb in Flüssigkeiten Mechanik der Gase Luftdruck Gesetz von Boyle-Mariotte Auftrieb in der Luft Strömungen Wellen Ausbreitung von Wellen Dopplereffekt Lautstälke Wärmelehre 3.1. Wärmeausdehnung Längenausdehnung Räumliche Ausdehnung Ausdehnung der Gase Zustandsgleichung der Gasc Wärmeenergie Wärmemenge Erster Hauptsatz Zustandsänderung von Gasen Dämpfe Wasserdampf Luftfeuchtigkeit Kinetische Gastheorie Ausbreitung der Wärme Wärmeleitung, Wärmedurchgang, Wärmeübergang Temperaturstrahlung

8 I nhaltsverzeichni Optik 4.1. Reflexion des Lichtes Ebener Spiegel Sphärische Spiegel 4.2. Lichtbrechung und Linsen Brechungsgesetz Einfache Linsen Systeme dünner Linsen 4.3. Wellenoptik 4.4. Fotometrie Elektrizitätslehre 5.1. Gleichstrom Einfacher Stromkreis Zusammengesetzte Widerstände... Arbeit und Leistung des elektrischen Stromes Elektrisches Feld.. Magnetisches Feld. Induktionsvorgänge. Wechselstrom Widerstände im Wechselstromkreis Leistung und Leistungsfaktor. Spezielle Relativitätstheorie Atom- und Kernphysik Quanten- und Atomphysik. Radioaktivität. Kernenergie Lösungen.. Seite 169

9 Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen.4. Fläche, Querschnitt, Aktivität J Massenträgheitsmoment, Ar relative Atommasse Schallintensität a Beschleunigung, opt. Gegen- K Dosisleistungskonstante standsweite, Br~ite 11 Dämpfungsverhältnis, B opt. Bildgröße, magnetische Wärmedurchgangszahl, Flußdichte (Induktion) Boltzmann-Konstante b Breite, opt. Bildweite L Lautstärke, Leuchtdichte, 0 elektrische Kapazität Induktivität (Selbst- Lichtgeschwindigkeit, Schall- induktions-koeffizient) geschwindigkeit, spezifische Länge Wärmekapazität M Drehmoment cp spezifische Wärmekapazität Mr relative Molekülmasse bei konstantem Druck m Masse c. spezifische Wärmekapazität m, Ruhmasse bei konstantem Volumen m als Index: mittlere Cw Widerstandsbeizahl N Windungszahl, Molekülanzahi D Energiedosis, Richtgröße NA A vogadro-konstante DO (Federkonstante) n Drehzahl, Brechzahl, WInkeirich tgröße Teilchenzahl je Volumenninheit d Durchmesser, Abstand P Leistung, Wirkleistnng E Elastizitätsmodul, Beleuch- p Druck, Impuls tungsstärke, elektrische Feld- Q Wärmemenge, Elektrizitätsstärke, Urspannung menge (Ladung), Blindleistung e Basis der natürlichen q spezifische Schmelzwärme Logarithmen R Radius, Gaskonstante, Entfernung, Elementarladung elektrischer Widerstand, F Kraft Wirkwiderstand FR resultierende Kraft Rg Gesamtwiderstand Fr Reibungskraft R, innerer Widerstand FH,Fv horizontale, yertikale Kraft Radius, Verdampfungswärme F-t,FB Auflagerkraft S Scheinleistung FN Normalkraft Weglänge, Strecke F z Fliehkraft T Periodendauer, Dauer einer f Frequenz, absolute Feuchtig- Umdrehung, thermodynakelt, Brennweite mische Temperatur fmax Sättigungsmenge für Td, Halbwertszeit Wasserdampf t Zeit, Celsius-Temperatur G Gewicht, optische tm Mischtemperatur Gegenstandsgröße U elektrische Spannung fl Schwerebeschleunigung (Spannungsabfall) H magnetische Feldstärke Uk Klemmenspannung h Höhe, Wärmeinhalt (spez. V Volumen Enthalpie), Planck-Konstante v Geschwindigkeit, 1 elektrische Stromstärke, spezifisches Volumen, Lichtstärke Vergrößerung (opt.) Iw,Ib WIrkstrom, Blindstrom Vr Relativgeschwindigkeit

10 W Arbeit, Energie (J Celsius-Temperatur, w Wasserwert Streuwinkel a; gesuchte Größe Verhältnis cp/ev X Blindwiderstand "). Wellenlänge, Wärmeleity Elongation (Auslenkung) fähigkeit, Zerfallskonstante Ymax Amplitude I' Reibungszahl, Fahrwider- Z Scheinwiderstand, standszahl, Ausflußzahl, Ordnungszahl Permeabilität Anzahl Frequenz a Winkel, Winkelbeschleuni- Dichte, spezif. elektro gung, Dßhnzahl, Längenaus- Widerstand dehnungskoeffizient, Wärme- a Zugspannung, Oberflächenübergangszahl spannung, Stefan-Boltzmann ß Winkel Konstante!Winkel, Volumenaus- Scherspannung dehnungskoeffizient, Gravita- " <P Lichtstrom tionskonstante 'P Winkel, Drehwinkel, Phasen- Sehwinkel, Dielektrizitäts- winkel, relative Feuchtigkeit konstante w Winkel, Raumwinkel, q Wirkungsgrad ' Winkelgeschwindigkeit