Physik Fundament der Technik

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1 Physik Fundament der Technik verfasst von Studiendirektor Dipl.-Phys. Wolfgang Körner, Leipzig (Federführender) Fachschuldozent Dipl.-Phys. Günther Kiessling, Zittau Fachschuldozent Dipl.-Phys. Dietmar Mende, Riesa Fachschuldozent Dipl.-Gwl. Hellmut Spretke, Halle/Saale unter Mitarbeit von Dipl.-Phys. Ewald Hausmann, Karl-Marx-Stadt 3. Auflage, 426 Bilder, 71 Lehrbeispiele, 225 Übungen mit Ergebnissen und einer Beilage VEB Fachbuchverlag Leipzig Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Zur Entwicklung der Physik Physikalische Grössen und Gleichungen Grössen, Grössenarten und Einheiten Vektorgrössen Grössensysteme und Einheitensysteme Physikalische Gleichungen Hinweise zum Rechnen mit Näherungswerten Tabellen und grafische Darstellungen Symbole Kinematik Vorbemerkungen Grundlagen der Kinematik Relativität der Bewegung Arten und Formen der Bewegung Definitionen der kinematischen Grössen Länge und Zeit Geschwindigkeit und Beschleunigung Geschwindigkeit und Beschleunigung als Durch schnittsgrössen Geschwindigkeit und Beschleunigung als Momentan grössen Grössen der Kreis- und Drehbewegung Winkel Frequenz Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung Spezielle Bewegungsformen Geradlinige Bewegungen Allgemeiner Fall der geradlinigen Bewegung Gleichmässig beschleunigte Bewegung Krummlinige Bewegungen Allgemeiner Fall der krummlinigen Bewegung

2 Tangential- und Normalbeschleunigung Kreisbewegung Wurfbewegung Dynamik Vorbemerkungen Dynamik des Massenpunktes Masse Definition der Masse Relativistische Masse Kraft Der Kraftbegriff in der Physik Definition der Kraft Wechselwirkungsprinzip und Kräftegleichgewicht Zwangskraft Schwerkraft Federkraft Reibungskraft Trägheitskraft bei geradliniger Bewegung Arbeit, Energie, Leistung Mechanische Arbeit Energieerhaltungssatz Verschiebungsarbeit Beschleunigungsarbeit Leistung und Wirkungsgrad Impuls Impulserhaltungssatz Kraftstoss Stossvorgänge Dynamik des starren Körpers Drehmoment Massenträgheitsmoment Grössen und Gleichungen der Rotation des starren Körpers Dynamisches Grundgesetz der Rotation Arbeit, Energie, Leistung bei Rotation Drehimpuls Radialkraft Zentrifugalkraft Corioliskraft Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Allgemeine Eigenschaften der Flüssigkeiten und Gase Ruhende Flüssigkeiten und Gase Strömende Flüssigkeiten und Gase Kinetische Theorie der Wärme

3 5.1. Vorbemerkungen Grundbegriffe Molekularer Aufbau der Körper Brownsche Molekularbewegung Relative Molekülmasse und Kilomol Spezifische Molekülzahl und Avogadro-Konstante Spezifisches Volumen und Molvolumen Wahrscheinlichkeit und Statistik Statistik Wahrscheinlichkeit Schwankungen Stosszahl und mittlere freie Weglänge Das ideale Gas als Modell Eigenschaften des idealen Gases Gasdruck als Summenwirkung Temperatur Gesetz von Boyle und Mariotte Freiheitsgrade Gleichverteilungssatz Zustandsgleichung des idealen Gases Innere Energie Geschwindigkeit der Gasmoleküle Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Statistische Mittelwerte der Geschwindigkeit Thermodynamik Vorbemerkungen Temperatur Mischungsvorgänge und Energieumwandlungen Kalorimetrie Umwandlung einiger Energiearten in Wärmeenergie Erster Hauptsatz der Thermodynamik Zustandsänderungen des idealen Gases Übersicht über die verschiedenen Zustandsänderungen Isotherme Zustandsänderung Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Die spezifischen Wärmekapazitäten des idealen Gases Adiabatische Zustandsänderung Polytrope Zustandsänderung Kreisprozesse Kreisprozesse im p, V-Diagramm Reversible und irreversible Prozesse Carnot-Prozess

4 Thermischer Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses Kältemaschine und Wärmepumpe Weitere Betrachtungen zur Energieumwandlung Entropie Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Entropie und Wahrscheinlichkeit Exergie und Anergie Phasenänderungen Phasen und Aggregatzustände Umwandlungspunkt und Umwandlungsenergie Dämpfe Zustandsdiagramm Luftfeuchte Ausgleichsvorgänge Wärmeleitung Wärmeübergang Wärmedurchgang Wärmeströmung (Konvektion) Gleichstromkreis Vorbemerkungen zur Elektrik Einfacher Stromkreis Die wichtigsten elektrischen Grössen Urspannung und Innenwiderstand Verzweigte Stromkreise Kirchhoffsche Gesetze Ersatzschaltungen Anwendungen in der Messtechnik Elektrische und magnetische Felder Vorbemerkungen Kondensatoren Laden und Entladen Kapazität Ersatzkapazitäten Ruhende elektrische Felder Feldbegriff Feldgrössen Inhomogene Felder Anwendungen Millikan-Versuch Freie Ladungsträger im elektrischen Feld Stoff im elektrischen Feld Buhende magnetische Felder Grundlegende qualitative Beobachtungen zum Magne tismus

5 Feldgrössen Durchflutungsgesetz Induktionsvorgänge Induktionsgesetz Selbstinduktion Ein- und Abschaltvorgänge Stoff im magnetischen Feld Permeabilität Hysteresis Magnetische Kreise Anwendungen Freie Ladungsträger im Magnetfeld Prinzip des Gleichstrommotors Prinzip des Generators Maxwellsche Gleichungen Leitungsvorgänge Vorbemerkungen Leitungsmechanismen Elektronenstrom durch das Vakuum Freie Elektronen Elektronengeräte Stromleitung in Gasen Unselbständige Gasleitung Selbständige Gasleitung Stromleitung in Flüssigkeiten Stromleitung durch Festkörper Elektronengas im Metallgitter Halbleiter Eigenleitung Bändermodell Störstellenleitung pn-übergang Transistor Vor- und Nachteile von Halbleiterbauelementen Schwingungen Vorbemerkungen Kinematik der Sinusschwingung Sinusschwingung und gleichförmige Kreisbewegung Geschwindigkeit und Beschleunigung eines sinusförmig schwingenden Körpers Anzeige von Schwingungen Überlagerung von Sinusschwingungen Überlagerung von Schwingungen gleicher Frequenz und gleicher Richtung Überlagerung von Schwingungen ungleicher Frequenz und gleicher Richtung

6 Überlagerung von Schwingungen ungleicher Richtung Dynamik der Sinusschwingung Eigenschwingungen Kraftgesetz Schwingungsenergie Gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen und Resonanz Beispiele für mechanische Schwingungen Feder-Masse-Schwinger Torsionspendel Physisches Pendel Elektrische Eigenschwingungen Wechselstrom Sinusförmiger Wechselstrom in Analogie zur mecha nischen Sinusschwingung Wechselstromwiderstand Wirkwiderstand Kapazitiver Widerstand Induktiver Widerstand Reihenschaltung von Wirk- und Blindwiderständen Leistung im Wechselstromkreis Drehstrom Wellen Vorbemerkungen Grundbegriffe Wesen der Wellen Wellenarten Besonderheiten der Wellenausbreitung Polarisation von Transversalwellen.. : Doppler-Effekt Überlagerung von Wellen Prinzipien von Huygens und von Fermat Reflexion, Brechung und Beugung Reflexion Brechung Totalreflexion Beugung Stehende Wellen Stehende Seilwellen Schwingungen von Saiten, Stäben und Luftsäulen Wellenfeld Kinematische Grössen Energetische Grössen Schallwellen

7 Begriffe Physikalische Grössen des Schallfeldes Absoluter Schallpegel und Lautstärke Ultraschall Elektromagnetische Wellen Physikalische Grössen Spektrum elektromagnetischer Wellen Besonderheiten bei der Ausbreitung von Lichtwellen Strahlenoptik Fotometrische Grössen Quanten Vorbemerkungen Absorption und Emission elektromagnetischer Wellen Grundvorstellungen der Quantentheorie Bohrsches Atommodell Absorption elektromagnetischer Wellen Emission elektromagnetischer Wellen Spontane Emission Induzierte Emission Dualismus Welle-Teilchen Photonen De-Broglie-Wellenlänge Elektronenoptik Heisenbergsche Unschärferelation Strahlungsgesetze Reflexion, Absorption, Transmission Schwarzer Körper Kirchhoffsches Strahlungsgesetz Plancksches Strahlungsgesetz Wiensches Verschiebungsgesetz Stefan-Boltzmannsches Strahlungsgesetz Kernprozesse Vorbemerkungen Elementarteilchen und Wechselwirkungen Radioaktivität Radioaktive Strahlung Tröpfchenmodell Zerfallsgesetz Kernspaltung Spaltprozesse Kettenreaktionen Kernreaktoren Energiewirtschaft der Zukunft

8 Ergebnisse zu den Übungen Literaturverzeichnis Namenverzeichnis Sachwortverzeichnis