PHYSIK. für Wirtschaftsingenieure. Christopher Dietmaier Matthias Mändl

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1 Christopher Dietmaier Matthias Mändl PHYSIK für Wirtschaftsingenieure

2 Dietmaier/Mändl PHYSIK für Wirtschaftsingenieure

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4 Christopher Dietmaier / Matthias Mändl PHYSIK für Wirtschaftsingenieure Mit 199 Abbildungen und 71 Übungsaufgaben Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Autoren: Prof. Dr.-Ing. Christopher Dietmaier Prof. Dr.-Ing. Matthias Mändl Fachhochschule Amberg-Weiden Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN-10: ISBN-13: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2007 Carl Hanser Verlag München Wien Projektleitung: Dipl.-Phys. Jochen Horn Herstellung: Renate Roßbach Satz: Prof. Dr.-Ing. Christopher Dietmaier Zeichnungen: Peter Palm, Berlin; Prof. Dr.-Ing. Christopher Dietmaier Einbandgestaltung: MCP Susanne Kraus GbR, Holzkirchen Druck und Bindung: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza Printed in Germany

6 Vorwort Physik ist die Grundlage technischer Disziplinen und spielt daher nicht nur in reinen Ingenieurstudiengängen, sondern auch im Studium Wirtschaftsingenieurwesen eine grundlegende Rolle. Ziel des Faches Physik ist hier weder eine Qualifikation zu physikalischer Forschungs- und Entwicklungstätigkeit noch eine rein formelsammlungsartige Ansammlung vieler Einzelfakten aus allen Gebieten der Physik ohne wirkliches Verständnis. Die Aufgaben und Tätigkeiten eines Wirtschaftsingenieurs im technischen Umfeld erfordern vielmehr ein physikalisches Grundverständnis sowie die Fähigkeit, physikalisch-technische Zusammenhänge zu durchdringen und sich hierfür ggf. in neue Gebiete einzuarbeiten. Die Kenntnis und das Verständnis der wichtigsten Begriffe, Konzepte und physikalischen Gesetzmäßigkeiten der grundlegenden Gebiete der Physik sind hierfür unverzichtbar und stellen das Ziel dieses Buches dar. Die Behandlung dieser Gebiete bildet den Schwerpunkt des Buches. Dabei werden hier die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und Begriffe nicht nur dargestellt, sondern entwickelt und erläutert. Trotz der kompakten und prägnanten Darstellung wird viel Wert gelegt auf Genauigkeit und Klarheit. Aufgaben mit Lösungen unterstützen das Lernen und Verstehen der Physik, Anwendungsbeispiele zeigen den Praxisbezug auf. Inhalt und Art des Buches sind damit auch für reine Ingenieurstudiengänge geeignet. An mathematischen Werkzeugen wird das eingesetzt (und vorausgesetzt), was Gegenstand der Mathematikvorlesung im Studium ist, insbesondere die Analysis mit der Differenzial- und Integralrechnung sowie die Vektorrechnung. Auch dieses Vorwort soll kompakt sein. Deshalb zum Schluss nur noch ein Dank: Allen, die uns bei der Realisierung des Buches unterstützt haben (Kollegen, Verlag, Grafiker, Firmen und Personen, die Bilder zur Verfügung gestellt haben) danken wir herzlich. Im Voraus bedanken wir uns auch schon für Anregungen und Verbesserungsvorschläge, die jederzeit willkommen sind. Für die Arbeit mit diesem Buch wünschen wir allen Lesern viel Freude an der Physik! Weiden, Amberg, im August 2006 Christopher Dietmaier, Matthias Mändl

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Was ist Physik? Größen und Einheiten Mechanik Mechanik der Massenpunkte Kinematik der Massenpunkte Dynamik der Massenpunkte, Axiome von Newton, Kräfte Energie, Arbeit und Leistung Impuls und Impulserhaltung Drehimpuls und Drehimpulserhaltung Dynamik starrer Körper Allgemeine Bewegung, Schwerpunkt- und Drehimpulssatz Rotation und ebene Bewegung des starren Körpers Aufgaben Elektromagnetismus Ruhende Ladungen: Elektrostatik Ladung, Feld und Potenzial Kapazitäten und Dielektrika Bewegte Ladungen: Magnetostatik Bewegte Ladungen, Ströme und magnetisches Feld Materie und Magnetfeld Elektrodynamik Induktion Induktivitäten Maxwell sche Gleichungen und elektromagnetische Wellen Aufgaben... 82

8 8 Inhaltsverzeichnis 4 Thermodynamik Temperatur und thermische Ausdehnung Zustandsgleichung für ideale Gase Kinetische Gastheorie Der erste Hauptsatz der Thermodynamik und Zustandsänderungen Innere Energie, Wärme und erster Hauptsatz der Thermodynamik Volumenänderung und Arbeit Wärmeübertragung und Wärmekapazität Spezielle Zustandsänderungen Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, Kreisprozesse und Wärmekraftmaschinen Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Kreisprozesse und Wärmekraftmaschinen Reale Gase und Phasenübergänge Wärmetransport Aufgaben Schwingungen Die freie harmonische Schwingung Drehschwingungen Physisches Pendel Schwingungsenergie Gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen und Resonanz Überlagerung von Schwingungen Gekoppelte Schwingungen Elektrische Schwingungen Aufgaben Wellen Phasengeschwindigkeit Wellengleichung Überlagerung von Wellen und Interferenz Stehende Wellen Reflexion Brechung Geometrische Optik Brechung an Kugelflächen Optische Abbildung Dicke Linsen...163

9 Inhaltsverzeichnis Abbildungsfehler Wellenoptik Kohärenz und Monochromasie Beugung Interferenz an dünnen Schichten Polarisation Aufgaben Quanten- und Atomphysik Phänomene der Quanten- und Atomphysik Welle-Teilchen-Dualismus Quantelung Quantenphysik Die Schrödinger-Gleichung Die Prinzipien der Quantenphysik Beispiele Atomphysik Das Bohr sche Atommodell Quantenphysikalische Behandlung des Wasserstoffatoms Mehrelektronenatome und das Periodensystem der Elemente Röntgenstrahlen Der Laser Aufgaben Kernphysik Aufbau der Atomkerne Kernbausteine Massendefekt und Kernkräfte Radioaktivität Radioaktiver Zerfall Natürliche Zerfallsreihen Kernspaltung Kernfusion Strahlenschutz Aufgaben Festkörperphysik Kristalle Halbleiter Energiebänder...228

10 10 Inhaltsverzeichnis Leitungsmechanismen Der pn-übergang Supraleitung Aufgaben A Anhang: Lösungen der Aufgaben Literatur- und Quellenverzeichnis Sachwortverzeichnis