Frank Thuselt Physik

Transkript

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2 Frank Thuselt Physik

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4 Professor Dr. rer. nat. Frank Thuselt Physik Vogel Buchverlag

5 Professor Dr. rer. nat. Frank Thuselt Jahrgang Studium der Physik in Dresden und Leipzig Promotion mit einer Arbeit zur Halbleiteroptik Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bereich Halbleiterphysik der Universität Leipzig (gemeinsam mit vier weiteren Kollegen) Gustav-Hertz-Preis der Physikalischen Gesellschaft der DDR für Arbeiten zu Elektron-Loch-Tropfen im Galliumphosphid Arbeitsgruppe Wissenschaftlicher Gerätebau der Universität Leipzig Projektleiter: Entwicklung/Automatisierung. CONVAC GmbH Geräte zur Halbleitertechnologie, Wiernsheim/Vaihingen/Enz Projektleiter: Unternehmensberatung, Feldbustechnologie. TMG i-tec GmbH (Unternehmen der Technologie Management Gruppe), Karlsruhe Fachhochschule Schmalkalden, Fachbereich Informatik. Seit 1996 Hochschule Pforzheim: Automatisierungstechnik (SPS, Feldbusse, Mikrocontroller), Physik/Halbleiterphysik, numerische Mathematik mit MATLAB. Weitere Informationen: ISBN Auflage Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Hiervon sind die in 53, 54 UrhG ausdrücklich genannten Ausnahmefälle nicht berührt. Printed in Germany Copyright 2010 by Vogel Business Media GmbH & Co. KG, Würzburg

6 Vorwort Vorwort Das vorliegende Lehrbuch wurde speziell für Bachelor-Studenten geschrieben. Nach den Zielsetzungen der Bologna-Konferenz wird ein Großteil von ihnen anschließend in der Praxis tätig sein. Bei Ingenieuren ist das sowieso seit Langem der Fall, aber auch Physiker werden zunehmend praxisorientierte Aufgaben bearbeiten. Aus diesem Grund wurde hier Wert darauf gelegt, möglichst viele Bezüge zu ingenieurwissenschaftlichen Fragestellungen zu finden. Der Autor kennt diese Anforderungen aus eigener Praxistätigkeit und Lehre. Am Markt gibt es zahlreiche Physikbücher. Darunter finden sich berechtigterweise solche, die das Gesamtgebiet der Experimentalphysik umfassend behandeln. Diese sollte man sich auf jeden Fall zum Nachschlagen ins Bücherregal stellen. Verlag und Autor hatten nicht die Absicht, ein weiteres derartiges Lehrbuch zu schaffen, sondern eher ein Lernbuch. Dabei sollte, schon wegen des verdaulichen Pensums, aber auch um den Preis in Grenzen zu halten, der Umfang beschränkt bleiben. Der üblicherweise in einem einführenden Lehrbuch enthaltene Stoff musste deshalb notwendigerweise beschränkt werden. Wir haben dabei insbesondere solche Gebiete in den Mittelpunkt gestellt, die für die spätere Anknüpfung weiterer technischer Studienfächer wichtig sind. So haben wir dem Messvorgang und der Auswertung logarithmischer Darstellungen breiten Raum gewidmet. Bei der Behandlung der Schwingungsgleichung wird bereits in Kapitel 3 (Mechanik) auf Anwendungen in anderen Teilgebieten, hier der Elektrotechnik, hingewiesen. Relativ ausführlich werden Schwingungen mit Dämpfung und Fremderregung behandelt, einschließlich der Resonanz sowie Bode- und Nyquist-Diagramm. In der Thermodynamik wird Wert auf die Behandlung der Entropie mit Exergie und Anergie gelegt. Der thermodynamische Wirkungsgrad lässt sich mit diesen Größen am zweckmäßigsten beschreiben. Die Entropie hat außerdem Bezüge zur Informationstechnik. Die Mikrophysik allein ist ein sehr umfangreiches Gebiet. Hier steht der Aufbau der Substanzen, vor allem der Festkörper, im Vordergrund, während die Behandlung von Elementarteilchen und Atomkernen allein schon wegen des Umfangs gestrichen werden musste. Trotz der genannten Einschränkungen werden jedoch die wichtigsten mathematischen Herleitungen und physikalischen Zusammenhänge dargestellt. Damit wird die Denk- und Arbeitsweise der Physik deutlich gemacht eine Ansammlung lediglich einzelner Fakten eignet sich in dieser Wissenschaft nicht zum Lernen. An weniger zentralen Stellen werden die Verknüpfungen auf eher anschauliche Weise vermittelt. Die allgemeine Ableitung der Wellengleichung zum Beispiel ist für das Grundstudium zu kompliziert, deshalb wird sie lediglich mit Hilfe ihrer Lösungen (fortlaufende Sinuswellen) plausibel gemacht. Die Physik ist in großen Teilen eine messende Wissenschaft. Daher wird gezeigt, wie man misst, Messungen auswertet und Ergebnisse darstellt. Das experimentelle Vorgehen wird an einigen Beispielen ausführlich beschrieben. Daher ist das Buch auch für Fernstudenten geeignet, die nicht in Vorlesungen oder Laborveranstaltungen die Möglichkeit haben, Experimente mitzuerleben oder selbst durchzuführen. Die heutige Generation von Studenten ist es gewohnt, mit dem Internet zu arbeiten. Darauf haben wir auch Rücksicht genommen und die passenden Beiträge

7 Vorwort von dort in das Arbeiten mit dem Buch einbezogen. Tabellen mit Maßeinheiten und Substanzdaten (Dichte, spezifische Wärme, spezifische Widerstände usw.) stehen zum Beispiel ausführlich in Wikipedia zur Verfügung. Wir haben solche Angaben lediglich in wenigen Beispielen zur ersten Orientierung eingestreut. Auch zur ergänzenden Information über Gebiete, die im Buch keinen Platz mehr finden konnten, eignet sich das Internet hervorragend. Hinweise zur Suche im Internet sind an vielen Stellen des Buches eingestreut. Da das Internet ein Medium ist, das sich beständig verändert, haben wir Links auf konkrete Seiten in einer eigenen Datei zusammengetragen. Diese finden Sie auf der zum Buch gehörigen Webseite.... Zum Lernen gehört in der Physik auch Rechnen. Viele Zusammenhänge werden erst durch eigene Rechnung klar. Hierzu sind Übungsaufgaben und vorgerechnete Beispiele eingestreut. Heute steht neben der bewährten Zahlenrechnung auch die grafische Visualisierung als didaktisches Mittel zur Verfügung. Auf den begleitenden Webseiten zum Buch werden deshalb nachvollziehbare Numerik-Programme für das Arbeiten mit MATLAB/Octave oder Scilab bereitgestellt. Auf diesen Seiten finden Sie übrigens auch die Abbildungen in farbiger Ausführung als PDF zum Download für Studenten und Dozenten. Das Buch basiert auf Erfahrungen in eigenen Vorlesungen und zugehörigen Skripten. Größere Teile beruhen auf Lehrbriefen des Verfassers, die seit einiger Zeit in der AKAD Privat-Hochschule als Studienmaterial eingesetzt werden. Der Autor bedankt sich, insbesondere bei der verantwortlichen Programm-Managerin, Frau Constanze Weis, für die Möglichkeit, dieses Material auch in das vorliegende Buch übernehmen zu dürfen. Herzlichen Dank schulde ich meinem Kollegen und «de facto-sohn» Dipl.-Phys. Felix Paul Gennrich von der Universität Innsbruck sowie vor allem meinem langjährigen, immer hilfsbereiten Mitarbeiter an der Hochschule Pforzheim, Dipl.- Phys. Michael Bauer, für viele kritische Kommentare und Korrekturlesen. Michael Bauer steuerte außerdem Fotos bei und erarbeitete mit mir zusammen die Demonstrationsexperimente. Vor allem bedanke ich mich bei meiner Lebensgefährtin Henriette Gennrich für ihre unermüdliche Hilfe und ihre (fast) immer geduldige Mitarbeit am Manuskript. Sie hat mir den Rücken für die Arbeit freigehalten und auf Freizeit verzichtet, gemeinsam haben wir oft am Ausdruck gefeilt. Nicht zuletzt danke ich dem Vogel Buchverlag für die Möglichkeit der Publikation und für die anspruchsvolle Umsetzung. Neulußheim und Pforzheim Frank Thuselt

8 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Vorwort Einleitung Physikalisches Messen SI-Einheiten und ihre Dimension Maßangaben und Größengleichungen SI-Basisgrößen Länge Zeit Masse Stoffmenge Weitere SI-Basisgrößen Abgeleitete Größen Bedeutung des Einheitensystems für die Praxis Auswertung von Messungen Physik als messende Wissenschaft Darstellung von Messergebnissen Fehlerabschätzungen Zusammenfassung Kontrollfragen Kinematik Gleichförmige und ungleichförmige Bewegung Geradlinige gleichförmige Bewegung Geradlinige ungleichförmige Bewegung Physikalische Differentiale Exemplarischer Messvorgang zur beschleunigten Bewegung Gleichmäßig beschleunigte Bewegung Zusammensetzen von Geschwindigkeit und Beschleunigung Geschwindigkeit und Beschleunigung als vektorielle Größen Bezugssysteme Der Wurf Kreisbewegung Allgemeines Gleichförmige Kreisbewegung Gleichmäßig beschleunigte Kreisbewegung Gegenüberstellung von geradliniger Bewegung und Kreisbewegung Vektordarstellung der Winkelgeschwindigkeit Schwingungen Zusammenfassung Kontrollfragen

9 Inhaltsverzeichnis 3 Mechanik: Impuls, Kraft und Energie Impuls Erhaltung des Impulses Kraft Newtonsche Grundgesetze der Mechanik Zusammenhang von Kraft und Beschleunigung Trägheitsgesetz Gegenwirkungsprinzip Spezielle Kräfte Kraft im Schwerefeld Gravitation Elektrische Kraft im Feld einer Punktladung Elektrische Kraft im homogenen elektrischen Feld Elastische Federkräfte Kräfte am Fadenpendel Weitere Beispiele harmonischer Vorgänge Reibungskräfte Radialkräfte Kräfte im rotierenden Bezugssystem Energie Die mechanische Arbeit Kinetische Energie Potentielle Energie Energiesatz Stoßprozesse Elastischer gerader Stoß Unelastischer gerader Stoß Leistung Weitere Beispiele für potentielle Energien Mechanik starrer Körper Drehbewegungen Freiheitsgrade des starren Körpers Schwerpunkt Kräfte am starren Körper Drehimpuls Bewegung um eine Achse Drehmoment Gleichgewicht am starren Körper Trägheitsmomente Satz von Steiner Arbeit, Energie und Leistung beim starren Körper Beispiele und Anwendungen Zusammenfassung Kontrollfragen Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Ruhende Flüssigkeiten und Gase Druck Schweredruck in Flüssigkeiten Auftrieb und Schwimmen Das Boylesche Gesetz

10 Inhaltsverzeichnis Barometrische Höhenformel Rotierende Flüssigkeiten Strömende Flüssigkeiten und Gase Allgemeines zu Strömungsvorgängen Kontinuitätsgleichung Laminare Strömung in einem Rohr Bernoullische Gleichung Wirbel in Flüssigkeiten und Gasen Zusammenfassung Kontrollfragen Schwingungen Schwingungen in der Ebene Überlagerungen von Schwingungen und Fourier-Entwicklung Schwebungen Energiebilanz bei Schwingungen Einschub: Rechnen mit komplexen Zahlen Gedämpfte Schwingungen Lösung der Schwingungsgleichung Elektrischer Schwingkreis Erzwungene Schwingungen Vorläufige Abschätzungen und Diskussion der Lösung Gesamtverhalten im eingeschwungenen Zustand Zusammenfassung Kontrollfragen Elektrotechnik Der elektrische Gleichstromkreis Elektrischer Strom und elektrische Spannung Ladung als Ursache des elektrischen Stroms Zusammenhang zwischen Spannung und Strom das Ohmsche Gesetz Arbeit und Leistung des elektrischen Gleichstroms Kirchhoffsche Gesetze Anwendungen der Kirchhoffschen Gesetze Elektrostatik Die elektrische Ladung Coulombsches Gesetz Das elektrische Feld Elektrisches Potential und elektrische Spannung Elektrische Ladungen auf Leitern Spannung und Feldstärke im homogenen Feld Der Kondensator Ladung und Spannung am Plattenkondensator Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren Kapazitäten von Kondensatoren unterschiedlicher Geometrien Energieinhalt eines Kondensators

11 10 Inhaltsverzeichnis 6.4 Die elektrische Flussdichte Elektrisches Feld im Dielektrikum Elektrische Feldenergie Berechnung des Verschiebungsfeldes Magnetfeld elektrischer Ströme Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Das Durchflutungsgesetz Kraftwirkung im Magnetfeld Materie im Magnetfeld Der magnetische Kreis Die elektromagnetische Induktion Das Faradaysche Induktionsgesetz Gegenseitige Induktion zweier Stromkreise und Selbstinduktion Energieinhalt einer Spule und magnetische Feldenergie Generatoren und Motoren Ein- und Ausschalten einer Spule und eines Kondensators Die Maxwellschen Gleichungen Wechselströme Periodische Ströme und Spannungen Widerstand, Spule und Kondensator im Wechselstromkreis Zusammenfassung Kontrollfragen Geometrische Optik Natur des Lichts Reflexion Brechung Optische Abbildungen Brechung an einer Kugelfläche Abbildungen mit Linsen Linsensysteme und dicke Linsen Blenden Optische Geräte Abbildung durch das menschliche Auge Abbildung durch die Lupe Kamera und Projektionsgerät Abbildung durch das Fernrohr Abbildung durch das Mikroskop Hohl- und Wölbspiegel Energietransport durch Licht Zusammenfassung Kontrollfragen Wellen Eindimensionale Wellen Begriffe

12 Inhaltsverzeichnis Elektromagnetische Wellen Einige Eigenschaften von Schallwellen Mathematische Beschreibung von Wellen Wellengleichung Energie- und Impulsdichte von Wellen Die Maßeinheit Dezibel Das menschliche Hören Kugelwellen und Zylinderwellen Doppler-Effekt Überlagerung von Wellen (Interferenz) Übersicht Stehende Wellen Allgemeine Bedingung für Zweistrahl-Interferenz Interferenzen in großem Abstand von den Quellen Weitere Beispiele für Interferenzen von Licht Brechung und Reflexion von Wellen Huygenssches Prinzip Reflexionsgesetz Brechungsgesetz Zusammenfassung Kontrollfragen Wärmelehre Temperatur Masse und Stoffmenge Wärmemenge und Wärmekapazität Die Wärmemenge als extensive physikalische Größe Phasenübergänge Wärmetransport Arten des Wärmetransports Wärmeleitung Wärmeübergang Nichtstationärer Wärmetransport Wärmestrahlung Thermische Ausdehnung von Festkörpern Längenausdehnung fester Körper Volumenausdehnung von Flüssigkeiten und Gasen Zustandsgleichung idealer Gase Die Hauptsätze der Wärmelehre Der erste Hauptsatz Der zweite Hauptsatz und die Entropie Der dritte Hauptsatz Zustandsänderungen idealer Gase Ausdehnungsarbeit Wärmediagramme Isobare Zustandsänderungen Isochore Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Adiabatische Zustandsänderung

13 12 Inhaltsverzeichnis 9.9 Kreisprozesse Irreversible Prozesse Irreversible Prozesse und die Entropie Exergie und Anergie Reale Gase Zusammenfassung Kontrollfragen Aufbau der Substanzen aus Atomen Atome und die kleinsten Teilchen der Materie Vielfalt der Elementarteilchen Pauli-Prinzip Photonen Absorption und Emission von Licht Laser Elektronen Der Atomkern Das Bohrsche Atommodell Aufbau der Atome und Periodensystem Kristallstrukturen der Festkörper Bravais-Gitter und Elementarzellen Atomabstände, Packungsdichten und Konzentrationen Chemische Bindung Bindungsarten Bänder in Festkörpern Molekulares Bild der Gase Druck idealer Gase Die innere Energie idealer Gase Verteilung der Geschwindigkeiten und Energien Mikroskopische Definition der Entropie Anwendungen auf Festkörper Zusammenfassung Kontrollfragen Anhang Verwendete Formelzeichen und ihre Bedeutung Verwendete Einheitenzeichen Physikalische Konstanten und Zahlenwerte Einige mathematische Formeln Periodensystem der Elemente Farbbilder zu den Kapiteln 7 bis Literaturverzeichnis Quellenverzeichnis der Bilder Stichwortverzeichnis

14 Einleitung 13 Einleitung Die Physik ist eine Naturwissenschaft, die die Zusammenhänge der unbelebten Materie untersucht. Sie ist die Disziplin, die mit dem Denken in grundsätzlichen Kategorien und einer logisch-exakten Arbeitsweise vertraut macht. Physik ist, wie die Mathematik, auch eine der Grundlagen des Ingenieurstudiums. Im Altertum war Physik die Lehre von der unbelebten und der belebten Natur. Die alten Griechen waren jedoch eher Philosophen als Naturwissenschaftler im heutigen Sinne. Sie spekulierten lieber und stellten kaum Experimente an, um ihre Spekulationen zu erhärten. Heute wird immer wieder Demokrit (um 460 v.chr.) erwähnt, der sich bereits zu seiner Zeit Atome als kleinste Teilchen der Materie vorgestellt hatte. Seine Gedanken waren allerdings nicht besser begründet als beispielsweise die von Platon (um 427 v.chr.), der im Gegensatz zu ihm die Körper als homogen und unendlich oft teilbar angesehen hatte. Die heutige Arbeits- und Denkweise der Physik wurde erst mit Galilei und Newton eingeleitet. Galileis berühmte Fallexperimente am schiefen Turm von Pisa oder seine Sternbeobachtungen mittels Linsen zeugen davon; später dann Newtons Axiome, die durch Beobachtungen und Experimente gestützt wurden. Die heutige Physik, die sich schließlich daraus entwickelte, stellt eine Synthese von Experiment und mathematischer Beschreibung dar. Mit der Formulierung seiner Axiome der Mechanik begann Newton, die beobachteten und gemessenen Phänomene auf wenige Grundtatsachen zurückzuführen. Das ist heute noch das Ziel dieser Wissenschaft. Die Physik ist ein Werkzeug, mit dem wir die uns umgebende Welt mittels weniger rationaler Ordnungsprinzipien erfassen können. Bedingt durch immer ausgeklügeltere Experimente müssen diese Ordnungsprinzipien allerdings immer weiter in die Tiefe gehen. Die Physik erklärt die Geheimnisse der Natur nicht, sie führt sie auf tieferliegende Geheimnisse zurück. Dieser Satz des 2007 verstorbenen großen deutschen Physikers Carl Friedrich von Weizsäcker verdeutlicht dieses fortgesetzte Streben nach grundlegenden Erklärungen. Unser heutiges Verständnis von Physik ist gekennzeichnet durch eine Verbindung von Theorie und Experiment: Auf der Basis vieler einzelner Messungen, Beobachtungen und gezielter Experimente werden Hypothesen formuliert, die durch Abstraktion zu einem Gebäude von Gesetzmäßigkeiten führen. Ein grundlegendes Werkzeug ist dabei die mathematische Beschreibung der Phänomene. Die Gesetzmäßigkeiten bauen aufeinander auf beziehungsweise lassen sich voneinander ableiten. Diese Hierarchie der Gesetze kann nicht immer weiter fortgesetzt werden. Sie endet schließlich bei wenigen so genannten Axiomen. Das sind Gesetze, die nur noch auf Grund der aus ihnen fließenden zahlreichen Folgerungen legitimiert sind, die aber sich selbst (jedenfalls innerhalb der jeweiligen physikalischen Teildisziplin) nicht weiter auf andere Gesetze zurückführen lassen. Die Legitimation der Axiome und der daraus abgeleiteten Gesetze geschieht schließlich wieder durch neue konkrete Experimente womit sich der Kreis schließt (Bild E.1). Beim Erler-

15 14 Einleitung Theorie (Axiome, Erhaltungssätze, Grundgleichungen) Bild E.1 Erkenntniswege in der Physik Hypothesen Theorie Konkrete Situationen (Messungen, Experimente) nen der Physik erweist sich diese logische Hierarchie als sehr vorteilhaft man muss sich nicht unzählige Einzeltatsachen einprägen, sondern kann sie aus den Zusammenhängen ableiten. In heutiger Zeit ist zusätzlich zur experimentellen Verifikation noch die Simulation mittels Rechnerprogrammen hinzu gekommen. Seit dem Altertum haben sich viele Wissensgebiete der Naturwissenschaft aus der Physik ausgegliedert und sind zu selbstständigen Disziplinen geworden: die Chemie, die Mineralogie, Geologie und Astronomie und in letzter Zeit insbesondere die Molekularbiologie. Trotzdem folgt auch in diesen Wissenschaften der Erkenntnisgewinn im Großen und Ganzen dem obigen Prinzip. Die Ingenieurwissenschaften haben sich aus der Physik heraus erst später zu eigenständigen Wissenschaften entwickelt. Der Begriff des Ingenieurs geht auf den lateinischen Namen ingeniarius (Festungsbaumeister) zurück, der von Leonardo da Vinci und später von dem französischen Festungsbaumeister Vauban geprägt wurde. Die Physik liefert eine systematische und daher gut verständliche Beschreibung der Materie (des Atombaus, des Aufbaus der Kristalle und Moleküle usw.). Sie ist auch die Grundlage der technischen Wissenschaften und stellt die Basis für grundlegende neue Technologien (hochintegrierte mikroelektronische Bauelemente wie Computerchips, Nanotechnik, Sensorsysteme, neue Leuchtelemente) dar. Durch ihre Arbeitsweise, die präzise Messmethodik und die mathematische Beschreibung gibt sie wesentliche Anregungen auch für ingenieurwissenschaftliche Tätigkeiten. Vor allem ist die Physik auch die Grundlage aller Naturerkenntnis. Sie untersucht heute die Systematik der Elementarteilchen, den Aufbau und die Entwicklung des Kosmos, das Verhalten von Vielteilchensystemen und noch eine Vielzahl von grundsätzlichen Fragen mehr. Solche Aspekte werden wir hier jedoch nicht weiter behandeln, sondern überlassen dieses Feld den Physikern der entsprechenden Spezialdisziplinen. Während die Physik systematisch die Natur untersucht, ist das Ziel der Ingenieurwissenschaften die Entwicklung und Konstruktion. Für ihre Arbeit müssen die Ingenieure jedoch auf die Erkenntnisse und die Methoden der Physik zurückgreifen. Kurz gesagt: Physiker liefern die Grundlagen, Ingenieure wenden sie an. Später im Beruf werden sowohl Physiker als auch Ingenieure häufig an den gleichen Problemen arbeiten. Deshalb ist es auch für angehende Physiker sinnvoll, dass sie möglichst häufig auf Anwendungen in den Ingenieurwissenschaften hingewiesen werden.