Jürgen Eichler. Physik

Transkript

1 Jürgen Eichler Physik

2 Jürgen Eichler Physik für das Ingenieurstudium prägnant mit knapp 300 Beispielaufgaben 4., aktualisierte und überarbeitete Auflage Mit 231 Abbildungen und 48 Tabellen STUDIUM

3 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 , überarbeitete und ergänzte Auflage , aktualisierte und überarbeitete Auflage 2011 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 Lektorat: Thomas Zipsner Imke Zander Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt ins be sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Technische Redaktion: Stefan Kreickenbaum, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN

4 V Vorwort Seit dem Erscheinen der 3. Auflage dieses Lehrbuches hat sich die Struktur der Studiengänge stark verändert. Diplomstudiengänge sind weitgehend ausgelaufen und durch Bachelor- und Masterstudiengänge ersetzt. In diesem Zusammenhang wurde in vielen technischen Studiengängen der Umfang der Physikvorlesungen gestrafft und gekürzt. Die gründliche Überarbeitung dieses Lehrbuches trägt dieser Entwicklung Rechnung. Theoretische Betrachtungen wurden etwas praxisbezogener dargestellt und einige sehr spezielle Abschnitte wurden herausgenommen. Dafür wurde Anteil der Übungsaufgaben erhöht, um zum Selbststudium anzuregen, den Text zu vertiefen und die Anwendungen der Physik aufzuzeigen. Anhand der Lösungen kann der Leser sein Wissen überprüfen. Dabei ist es hilfreich, dass die wichtigsten Formeln im Buch durch Rahmen hervorgehoben sind. Das Buch ist hauptsächlich als Lehrbuch gedacht, jedoch übersteigt der Stofffülle in vielen Fällen den Umfang der Physikvorlesungen. Daher wurde versucht, dem Buch auch eine Systematik zu geben, damit es als Nachschlagewerk für den Ingenieur in der beruflichen Praxis dienen kann. 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, Schwingungen und Wellen, Akustik, Elektromagnetismus und Optik 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 Atom-, Festkörper- und Kernphysik sowie der Gravitation wieder. Das Buch entstand aus Vorlesungsunterlagen der Kurse Physik für Hörer unterschiedlicher Fachrichtungen an der Beuth Hochschule für Technik, früher Technische 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+Teubner Verlag und dem Lektorat Maschinenbau 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, Frühjahr 2011 Jürgen Eichler

5 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: geradlinige 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... 55

6 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

7 Inhaltsverzeichnis IX 6.2 Wellen Wellengleichung Ausbreitungsgeschwindigkeit Überlagerung von Wellen Doppler-Effekt Akustik Physiologische Akustik Schallwellen Schallempfindung Musikalische Akustik 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

8 X Inhaltsverzeichnis Linsen Auge Photoapparat Projektor Fernrohr Mikroskop Wellenoptik Polarisation von Licht Eigenschaften der Kohärenz Erscheinungen der Interferenz Beugung von Licht Holographie Quantenoptik Emission und Absorption von Licht 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 Röntgenstrahlung Spinresonanz Moleküle Festkörper Struktur der Festkörper Bindung in Kristallen Kristallstrukturen Nichtkristalline Festkörper Flüssigkristalle Elektronen in Festkörpern Energiebänder Metallische Leitung Supraleitung Halbleiter pn-übergang

9 Inhaltsverzeichnis XI 11.3 Halbleiterbauelemente 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 Elementarteilchen Sachwortverzeichnis