H. Daniel. Physik I. Mechanik - Wellen - Wärme W DE. Walter de Gruyter Berlin New York 1997

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1 H. Daniel Physik I Mechanik - Wellen - Wärme W DE G Walter de Gruyter Berlin New York 1997

2 Inhalt 1 Einführung 1.1 Physikalische Naturbeschreibung Außenwelt, Sinne und Bewußtsein Wissenschaft Physik Physikalische Gesetze Physikalische Messungen Einteilung der Physik Die Welt, in der wir leben Welt und Naturgesetze der Welt Aufbau der Welt Alter der Welt Wechselwirkungen, Symmetrieprinzipien und Erhaltungssätze Wechselwirkungen Symmetrieprinzipien und Erhaltungssätze 17 2 Kinematik 2.1 Bahn und Bahnbeschreibung Bewegung Bahn Geschwindigkeit Durchschnittliche Geschwindigkeit Momentane Geschwindigkeit Geradlinige gleichförmige Bewegung Messung von Geschwindigkeiten Addition von Geschwindigkeiten Beschleunigung Definition der Beschleunigung Zusammensetzung und Zerlegung von Beschleunigungen Gleichförmig beschleunigte geradlinige Bewegung Gleichförmig beschleunigte Bewegung Gleichförmige Kreisbewegung Harmonische Schwingung 46

3 XII Inhalt 3 Kraft, Arbeit und Potential 3.1 Die Newtonschen Axiome Dynamik, Trägheit und Newtonsche Mechanik Die beiden ersten Newtonschen Axiome Das dritte Newtonsche Axiom Träge und schwere Masse Messung von Kraft und träger Masse Gravitation und schwere Masse Die Keplerschen Gesetze Energie Historisches und Allgemeines Arbeit und Energie Gravitationspotential von Kugelschale und Kugel Gezeiten Äquipotentialflächen und Gradient Gleichgewicht und Prinzip der virtuellen Arbeit Leistung Impuls und Drehimpuls 4.1 Impuls Präzisierung und Erweiterung des Reaktionsprinzips Impulserhaltung bei inneren Kräften Schwerpunkt und Schwerpunktsatz Stoßprozesse im Laborsystem Stoßprozesse im Schwerpunktsystem Drehmoment, Drehimpuls und Rotationsenergie bei einem Massenpunkt Drehmoment und Drehimpuls eines Massenpunkts Rutherford-Streuung Halbklassische Behandlung des Wasserstoffatoms Drehimpuls eines Massenpunktes um eine vorgegebene Achse Drehmoment, Drehimpuls und Rotationsenergie bei einem System Drehimpuls und Drehmoment für ein System Drehimpuls starrer Körper und Trägheitsmoment Steinerscher Satz und Hauptträgheitsachsen Reduzierte Pendellänge und Reversionspendel Der momentefreie Kreisel Kreisel unter Drehmoment Eindeutigkeit von Messung und Vorhersage Eindeutigkeit von Messungen Eindeutigkeit von Vorhersagen in der klassischen Mechanik Allgemeine Bemerkungen über Vorhersagbarkeit in der klassischen Physik 173

4 Inhalt XIII 5 Bewegte Bezugssysteme 5.1 Unbeschleunigte Systeme Inertialsysteme Geradlinig gleichförmig bewegte Inertialsysteme Beschleunigte Systeme Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme Rotierende Bezugssysteme Mechanik nichtstarrer Materie 6.1 Elastische und nichtelastische Verformungen fester Materie Elastische Dehnung, plastische Dehnung und Abriß Andere Verformungen Reibung Klassifizierung und Modelle Reibungskraft bei äußerer Reibung Ruhende Flüssigkeiten und Gase Charakterisierung von Flüssigkeit und Gas Druck und Druckeinheiten Druck in Flüssigkeiten Intermolekulare Kräfte in Flüssigkeiten Innere Kräfte und Oberflächenarbeit Adhäsion und Kohäsion Bewegte Flüssigkeiten und Gase Nichtlineare Bewegungsgleichung Kontinuitätsgleichung Bernoullische Gleichung Auftrieb eines Flugzeugflügels Viskose Flüssigkeiten Innere Reibung Stromlinienbilder Reynolds-Zahl und Turbulenz Potentialströmung und Wirbel Grenzschicht Strömungswiderstand im Medium Widerstand in und auf Medium Mechanische Schwingungen und Wellen 7.1 Mechanische Schwingungen Gedämpfter harmonischer Oszillator 281

5 XIV Inhalt Gütefaktor Erzwungene Schwingungen Gekoppelte Pendel Weiteres über gekoppelte Oszillatoren Fourier-Analyse Grundlagen der Wellenlehre Seilwellen und Scherungswellen, Wellengleichung Reflexion von Wellen Sinusförmige Wellen Stehende Wellen und Eigenschwingungen Entstehung stehender Wellen aus laufenden Wellen Eigenschwingungen Wellenarten und Wellenausbreitung Longitudinale und transversale Wellen Wellenausbreitung in Ebene und Raum Doppler-Effekt Dispersion Stoßwellen Interferenz und Huyghenssches Prinzip Interferenz Formulierung des Huyghensschen Prinzips Anwendung des Huyghensschen Prinzips: Spiegelung, Brechung und Beugung Spezielles über Schall und Ultraschall und über Schallwellen in der Geophysik Schallsender und Schallempfänger Ultraschall Seismische Wellen und Impulse Wärmelehre 8.1 Temperatur, Wärme und ideales Gas Temperatur und Wärme Thermische Ausdehnung und Thermometer Ideales Gas Qualitative mikroskopische Analyse des Gasdrucks Quantitative mikroskopische Analyse des Gasdrucks Wärmekapazität allgemein Thermische Zustandsänderungen idealer Gase Molare Wärmekapazität bei konstantem Volumen Verdrängungsarbeit und molare Wärmekapazität bei konstantem Druck.. 361

6 Inhalt XV Verhältnis der molaren Wärmekapazitäten Isotherme Adiabate Polytrope Isochore und Isobare Barometrische Höhenformel Ableitung der barometrischen Höhenformel Beispiele und Anwendungen für die barometrische Höhenformel Mehrphasige Systeme und reale Gase Stoff und Phase Phasenübergänge Wärmetönungen bei Phasenübergängen Dampfdruck und Phasendiagramme Kräfte zwischen Gasmolekülen Reale Gase und van-der-waalssche Zustandsgieichung Die drei Hauptsätze Erster Hauptsatz Umkehrbare und nichtumkehrbare Prozesse Entropie, phänomenologisch Der Carnotsche Kreisprozeß des idealen Gases Zweiter Hauptsatz Gedankenexperimente zum zweiten Hauptsatz Dritter Hauptsatz 422 Anhang A 1 Anhang zu Kapitel A 1.1 SI-Basiseinheiten 423 A 1.2 Normalverteilung und Fehlerintegral 423 A 1.3 X 2 Test A 1.4 Mittelwertbildung 425 A 1.5 Anwendung des Linksgewindes 426 A 2 Anhang zu Kapitel A 2.1 Vektoren und Differentialoperatoren 427 A 2.2 Längeneinheiten 432 A 2.3 Zeiteinheiten 433 A 2.4 Vorsilben und ihre Bedeutung (international festgelegt) 433 A 2.5 Zentripetalbeschleunigung 434 A 3 Anhang zu Kapitel A 3.1 Falsche Ausführung des in Abb. 3.1 gezeigten Versuchs zum Trägheitsprinzip 435 A 3.2 Naturkonstanten 435 A 3.3 Gezeitenkraftwerk St. Malo 438

7 XVI Inhalt A 3.4 Versuch zum Gleichgewicht an der Balkenwaage 438 A 3.5 Einheiten für Arbeit (Energie) und Leistung 439 A 4 Anhang zu Kapitel A 4.1 Ein weiteres Demonstrationsexperiment zur Kreiselpräzession 441 A 5 Anhang zu Kapitel A 5.1 Der Badewannenstrudel 442 A 6 Anhang zu Kapitel A 6.1 Zerreißfestigkeit von Werkstoffen 443 A 7 Anhang zu Kapitel A 7.1 Schallgeschwindigkeiten in festen Körpern 444 A 7.2 Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten 444 A 8 Anhang zu Kapitel A 8.1 Koeffizienten der thermischen Ausdehnung 445 A 8.2 Volumenbezogene Wärmekapazitäten 446 A 8.3 Umwandlungsenthalpien und dazugehörende Daten 446 A 8.4 Kritische Daten 448 Quellennachweis für Abbildungen 449 Häufig benutzte Symbole 451 Häufig gebrauchte Formeln 453 Konstanten der Mechanik und Wärmelehre 455 Wichtige Symbole und Einheiten 456 Verzeichnis der Tabellen 457 Register 459