PHYSIK. Alfred 8age. Grundlagen. Versuche. Aufgaben. LOsungen. Unter Mitarbeit von Walter Schlemmer

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Sigrid Kerner
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1 Alfred 8age PHYSIK Grundlagen. Versuche. Aufgaben. LOsungen Unter Mitarbeit von Walter Schlemmer mit 396 Bildern, 24 Tafeln, 340 Aufgaben und Losungen sowie einer Formelsammlung 6., durchgesehene Auflage Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden

2 1. Auflage , berichtigte Auflage , vollstandig neubearbeitete und erweiterte Auflage 1973 Nachdruck , durchgesehene Auflage 1975 Nachdruck , uberarbeitete Auflage 1980 Nachdruck , durchgesehene Auflage 1984 Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1984 Die Vervielfaltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall mub uber die Zahlung einer Gebuhr fur die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fur die Vervielfaltigung durch aile Verfahren einschlieblich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien. Dieser Vermerk umfabt nicht die in den 53 und 54 URG ausdrucklich erwahnten Ausnahmen. Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig ISBN-13: DOl: / e-isbn-13:

III Vorwort zur sechsten Auflage Dieses Physikbuch ist aus der Unterrichtsarbeit mit den Studierenden der Technikerschule Braunschweig entstanden und wird laufend weiterentwickelt.

Durch Auswahl, Gliederung, Anordnung und Gestaltung der Lerngegenstande fugt sich das Buch f6rdernd und fordernd in die schulische und hausliche Lehr- und Lernpraxis ein: Auf dem linken Teil der

Hinzu kommen die mathematischen Entwicklungen und Beispiele.

3 III Vorwort zur sechsten Auflage Dieses Physikbuch ist aus der Unterrichtsarbeit mit den Studierenden der Technikerschule Braunschweig entstanden und wird laufend weiterentwickelt. Es hat sich als Arbeitsbuch in der Technikerausbildung bewahrt. Diese Tatsache erlaubt den Vorschlag, die Verwendung des Buches in anderen Schulformen der Berufsbildenden Schulen zu erproben. Durch Auswahl, Gliederung, Anordnung und Gestaltung der Lerngegenstande fugt sich das Buch f6rdernd und fordernd in die schulische und hausliche Lehr- und Lernpraxis ein: Auf dem linken Teil der Buchseite steht der Lehrtext mit dem Merksatz, der einen Lernschritt abschliebt. Rechts daneben wird der Lehrtext erganzt und zeichnerisch erliiutert. Hinzu kommen die mathematischen Entwicklungen und Beispiele. Die rechte Spalte entspricht demnach dem Tafelbildim Unterricht: Lernschritt Linke Spalte Lehrtext und Merksatze Rechte Spalte Bilder, mathematische Entwicklung mit eingerahmter Berechnungsgleichung, Hinweise und Beispiele Neben den eigentlichen Lehrtextteilen (1 bis 9) enthalt das Buch einen Aufgabenteil (11) und einen L6sungsteil (12). Die vorgefuhrten L6sungen erleichtern dem Lehrer die Entscheidung dariiber, welche Aufgabe fur den Unterricht oder fur die hausliche Bearbeitung geeigneter ist. 1m Teil 10 des Buches werden ausgewahlte Versuche beschrieben und so ausgewertet, wie das auch im Unterricht geschehen wurde. Die aus zeit lichen Grunden nicht durchfuhrbaren Versuche k6nnen so wenigstens besprochen werden. Oem Buch liegt eine 16seitige Formelsammlung bei. Sie hat sich u.a. in schriftlichen Prufungen bewahrt. Braunschweig, Juli 1984 /) q 8 6 ;= Z 1/ 8(/ /Y11 Alfred 8age Walter Schlemmer

4 IV Zu den Versuchen Die vorliegende Auswahl von Versuchen kann nur beschriinkt richtig sein; jeder Lehrer hat seine wohlbegrundeten Vorstellungen von der Notwendigkeit eines Versuches. Richtiger schien es uns a) auf die Beschreibung von Standardversuchen und -geriiten (Wellenwanne, Fahrbahn, optische Bank usw.) zu verzichten und b) die ausgewiihlten Versuche so ausfuhrlich zu beschreiben (Versuchsaufbau, Versuchsbeschreibung, Ergebnisse), dab sich die Studierenden in Gruppen-Selbstarbeit allein hineinfinden und der Lehrer als Berater arbeiten kann. Die Firmen Dr. H. Kroncke OHG, 3001 Anderten-Hannover LEYBOLD-HERAEUS,5 Koln-Bayental PHYWE AG, 34 Gottingen haben uns bei der Auswahl und Erprobung der Versuche vorbildlich unterstutzt.

5 v I nhaltsverzeichnis Physikalische GroBen und Einheiten Was ist eine physikalische GroBe? Wie schreibt man physikalische GroBen richtig? Skalare und Vektoren BasisgroBen und abgeleitete GroBen Einheiten, Basiseinheiten, abgeleitete Einheiten, koharente Einheiten GroBengleichungen Bewegungen fester Korper Eine Obersicht Geschwindigkeit v und Beschleunigung a Das Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm hilft immer! Ordnung und Gesetze der Bewegungsarten Wie lost man Aufgaben der gleichmabig beschleunigten oder verzogerten Bewegung nach Plan? Die speziellen GroBen der Kreisbewegung Kraft und Masse Die Gleitreibkraft F R Fahrwiderstand Mechanische Arbeit und Energieerhaltungssatz Leistung und Wirkungsgrad Ruhende FlUssigkeiten und Gase Der Druckbegriff Die Druckeinheiten Besondere Druck-Kennzeichnungen Normzustand, Normvolumen Vo, Normdichte Ro Das Druck-Fortpflanzungsgesetz EinfluB der Schwerkraft auf den Druck Der Auftrieb Fa in Fliissigkeiten und Gasen Die Druck-Volumengleichung fiir Gase Stromende FlUssigkeiten und Gase Stromungsgeschwindigkeit w, Volumenstrom V, Massenstrom m Die Kontinuitatsgleichung Gilt die Kontinuitatsgleichung auch fiir Gase? Der Energieerhaltungssatz der Stromung (Bernoullische Druckgleichung)

6 VI I nhaltsverzeichnis Wiirmelehre Wiirmeausclehnung Warme und Arbeit Spezifische Warmekapazitat c und Warme Q bei festen und fliissigen Stoffen Spezifische Warmekapazitat c p, Cv und Warme Q bei Gasen Die Mischungsregel Die thermodynamische Temperatur T Die Gaszustandsgleichung (allgemeine Gasgleichung) Die Obertragung der Warme Q Mechanische Schwingungen Was ist eine mechanische Schwingung? Die Riickstellkraft FR Das Riickstellmoment MR Die harmonische Schwingung Das Schraubenfederpendel Das T orsionspendel Das Schwerependel (Fadenpendel) Schwingung einer Fliissigkeitssaule Analogiebetrachtung zum Schraubenfederpendel, Torsionspendel, Schwerependel und zur schwingenden Fliissigkeitssaule Dampfung, Energiezufuhr, erzwungene Schwingung, Resonanz Koppelschwingungen Oberlagerung von Schwingungen Schwebungen Mechanische Wellen Formen, Entstehung und Ausbreitung linearer Wellen Gleichung der harmonischen Welle Polarisation von Querwellen Entstehung und Ausbreitung flachenhafter Wellen (Oberflachenwellen) Entstehung und Ausbreitung der Wellen im Raum Oberlagerung gleichfrequenter Wellen (lnterferenz) Huygenssches Prinzip Beugung Reflexion Brechung von Oberflachenwellen Doppler-Effekt Stehende Wellen Eigenschwingungen (stehende Wellen auf begrenztem Wellentrager) Kennzeichen und Bedingungen fortschreitender und stehender Wellen Mathematische Behandlung stehender Wellen

7 I nhaltsverzeichn is VII Akustik Begriffsbestimmung und Einschriinkung Schallempfindungen Die Tonhohe Die Schallschnelle v Der Schalldruck p Die Schallstiirke J Die Schallgeschwindigkeit c Das Schalldruck-Frequenz-Schaubild Die Lautstiirke L Stehende Schallwellen Schallsender, Lautsprecher, Mikrophone Ultraschall Optik Einordnung und Ausbreitung des Lichtes Wellenoptik Geometrische Optik (Strahlenoptik) Ausgewiihlte Versuche zu den physikalischen Grundlagen Parallelogrammsatz, Gleichgewicht beim zentralen Kriiftesystem Triigheitskraft T = ma Haft- und Gleitreibzahlen trockener Fliichen Federrate c zylindrischer Schraubenfedern Elastizitiitsmodul E Wiirmekapazitiit WK eines Kalorimeters Schmelzwiirme qs von Wasser Mechanisches Wiirmeiiquivalent Elektrisches Wiirmeiiquivalent Schwingungsdauer T eines Federpendels Federrate c (RichtgroBe D) einer zylindrischen Schraubenfeder Triigheitsmoment J Aufnahme eines Amplituden-Frequenz-Schaubildes (Resonanzkurve) Ouerwellen auf der Schraubenfeder Polarisation mechanischer Ouerwellen Stehende Schallwellen Aufgaben Physikalische GroBen und Einheiten Bewegungen fester Korper Ruhende Fliissigkeiten und Gase Stromende Fliissigkeiten und Gase Wiirmelehre

8 VIII Inhaltsverzeichnis Meehanisehe Sehwingungen } Meehan isehe Wellen und Akustik Optik Losungen Physikalisehe GroBen und Einheiten Bewegungen fester Korper Ruhende Fliissigkeiten und Gase Stromende Fliissigkeiten und Gase Wiirmelehre Meehanisehe Sehwingungen } Meehanisehe Wellen und Akustik Optik Sachwortverzeichnis 288 Formelsammlung als Anlage Aufgaben ab Seite 209 Losungen ab Seite 240

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