Ein Leitfaden für Studienanfänger der Naturwissenschaften, des Ingenieurwesens und der Medizin

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1 Starthilfe Physik Ein Leitfaden für Studienanfänger der Naturwissenschaften, des Ingenieurwesens und der Medizin Von Prof. Dr. rer. nat. Werner Stolz Technische Universität Bergakademie Freiberg 2., durchgesehene und erweiterte Auflage Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1998

2 Prof. Dr. rer. nat. Werner Stolz Geboren 1934 in Reichenberg/Nordböhmen. Ab 1954 Physikstudium in Leipzig. Diplom Promotion Von 1960 bis 1969 wissenschaftlicher Assistent, anschließend bis 1978 Hochschuldozent für Experimentalphysik an der Technischen Universität Dresden Habilitation in Dresden. Seit 1978 o. Professor für Angewandte Physik an der TU Bergakademie Freiberg. Direktor des Instituts für Angewandte Physik. Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Stolz, Werner: Starthilfe Physik: ein Leitfaden für Studienanfänger der Naturwissenschaften, des Ingenieurwesens und der Medizin / von Werner Stolz. - 2., durchges. und erw. Auf!. - ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustirnmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Springer Fachmedien Wiesbaden 1998 Ursprünglich erschienen bei B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1998 Umschlaggestaltung : E. Kretschmer, Leipzig

3 Vorwort Den Anstoß zu dieser Starthilfe hat der Teubner-Verlag in Leipzig gegeben. Die knappe Darstellung richtet sich an Schüler, die ein Studium aufnehmen wollen, und an Studienanfänger aller Fachrichtungen, die Physik im Nebenfach absolvieren. Die von der Schule her bekannten Grundlagen sollen wieder in Erinnerung gebracht, aber auch vertieft werden. Außerdem wird das Ziel verfolgt, den "roten Faden" eines zweisemestrigen Einführungskurses kenntlich zu machen. Von Beginn an wird den Studenten der konsequente Gebrauch der SI Einheiten und der in DIN 1304 festgelegten Formelzeichen vermittelt. Selbstverständlich soll diese kompakte "Starthilfe Physik" kein Lehrbuch ersetzen, sondern dazu anregen, gestützt auf ausführlichere Darstellungen, tiefer in das physikalische Geschehen einzudringen. Eine Auswahl empfehlenswerter moderner Physiklehrbücher ist im Anhang zu finden. Für Schwierigkeiten im Fach Physik sind bekanntlich oft die unzureichenden mathematischen Fertigkeiten der Studienanfänger verantwortlich, obwohl im physikalischen Grundkurs die Anforderungen noch recht bescheiden bleiben. Das vorliegende Bändchen verdeutlicht, auf welchen Teilgebieten der Mathematik (Elementare Funktionen, Differential- und Integralrechnung von Funktionen einer Variablen, Grundzüge der Vektorrechnung) Vorkenntnisse erforderlich sind. Zu einem tieferen Verständnis der physikalischen Zusammenhänge sind die parallel zur Experimentalvorlesung veranstalteten Rechenübungen und Praktika unentbehrlich. Im Anhang findet der Leser geeignete Aufgabensammlungen und Praktikumsanleitungen. Mit dieser Starthilfe für Schüler und Studienanfänger möchte der Autor den Übergang von der Schule zur Hochschule erleichtern. Mehreren Helfern danke ich herzlich. Herr Dr. P. Kirsten hat das Manuskript kritisch durchgesehen und viele wertvolle Hinweise gegeben. Frau A. Heinrich bewältigte gewissenhaft die mühevollen Schreibarbeiten. Die sorgfältige und sachkundige Anfertigung der Zeichnungen lag in den Händen von Frau M. Pawlik. Der B.G. Teubner Verlagsgesellschaft in Leipzig und speziell Herrn 1. Weiß danke ich für die angenehme und verständnisvolle Zusammenarbeit. Freiberg, im Mai 1995 WernerStolz In der vorliegenden 2. Auflage wurden einige Druckfehler beseitigt. Ein neuer Abschnitt "Festkörper" fand Aufnahme.

4 Inhalt Einleitung 1 Größen und Einheiten Grundlagenfach Physik Physikalische Größen Internationales Einheitensystem Dimension physikalischer Größen... ll 1.5 Skalare und Vektoren Physikalische Gleichungen Darstellung physikalischer Ergebnisse Mechanik 2 Bewegungen Bezugssystem Massenpunkt Geschwindigkeit Beschleunigung..., Konstante Beschleunigung Freier Fall Überlagerung von Bewegungen Schräger Wurf Kreisbewegung Newtonsehe Axiome Kraft und Masse Trägheitsprinzip Aktionsprinzip Reaktionsprinzip... '" Mechanische Kräfte Arbeit, Energie, Leistung Mechanische Arbeit Mechanische Arbeit und Energie Energieerhaltungssatz Leistung. Wirkungsgrad Impuls Impuls und Kraftstoß Impulserhaltungssatz Raketengleichung Bewegung starrer Körper Starrer Körper Drehmoment Rotationsenergie. Trägheitsmoment Bewegungsgleichung des starren Körpers Drehimpuls. Drehimpulserhaltungssatz Translation. Rotation... 33

5 Inhalt 7 7 Schwingungen und Wellen Freie ungedämpfte Schwingungen Freie gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Fortschreitende Wellen Interferenz Beugung Wärme 8 Zustandsgrößen Volumen und Dichte Druck Temperatur Thermische Ausdehnung der Festkörper und Flüssigkeiten Zustandsgleichung idealer Gase Zustandsänderungen Wärmemenge und Wärmekapazität Erster Hauptsatz Isotherme Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Isochore Zustandsänderung Adiabatische Zustandsänderung Kreisprozeß Elektrizität und Magnetismus 10 Elektrostatik Elektrische Ladung Elektrische Feldstärke Elektrische Spannung Elektrisches Potential Elektrische Kapazität Ladungsträger im elektrischen Feld Elektrischer Strom Elektrische Stromstärke Elektrischer Widerstand StromverzweigtJng Elektrische Arbeit und Leistung Magnetfelder stromdurchflossener Leiter Kräfte im Magnetfeld Elektromagnetische Induktion Induktionsgesetz Selbstinduktion Wechselstrom Optik 13 Geometrische Optik Fermatsches Prinzip Reflexion des Lichtes... 69

6 8 Inhalt 13.3 Brechung des Lichtes Optische Linsen Optische Instrumente Wellenoptik Interferenz von Licht Beugung von Licht Polarisation von Licht Quantenoptik Lichtquanten Photoeffekt Compton-Effekt Materiewellen Atome 16 Atomhülle Atombau Atomanregung Atomspektren Röntgenstrahlung Atomkern Kernbausteine Radioaktivität Ionisierende Strahlung Kernreaktionen Festkörper 18 Struktur fester Kiirper Kristalliner Zustand Realstruktur Amorpher Zustand Mechanische Eigenschaften Elastizität Plastizität Elektrische und magnetische Eigenschaften Metallische Leitfähigkeit Energiebändermodell Halbleiter Ferromagnetismus Anhang Einige mathematische Beziehungen Griechisches Alphabet Physikalische Konstanten Empfehlenswerte Bücher Sachwortverzeichnis