H. Pfeifer/H. Schmiedel. Grundwissen Experimentalphysik

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1 H. Pfeifer/H. Schmiedel Grundwissen Experimentalphysik

2 Grundwissen Experi mental physi k Von Prof. Dr. Dr. h.c. Harry Pfeifer und Prof. Dr. Herbert Schmiedel Universitat Leipzig B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Stuttgart. Leipzig 1997

3 Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Pfeifer, Harry: Grundwissen Experimentalphysik / von Harry Pfeifer und Herbert Schmiedel. - Stuttgart; Leipzig: Teubner, 1997 ISBN-13 : e-isbn-13 : DOl: / Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschotzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt besonders for Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1997 Umschlaggestaltung: E. Kretschmer, Leipzig

4 Vorwort Das vorliegende Buch ist aus Vorlesungen entstanden, die an der Universitiit Leipzig in den 80er- und 90er-Jahren fur Studierende der Physik, Geophysik, Kristallographie und Informatik gehalten wurden. Es unterscheidet sich von den bisher erschienenen deutschen Lehrbiichern der Experimentalphysik vor allem in folgender Hinsicht: o Das Gesamtgebiet der Experimentalphysik wird auf nur ca. 600 Seiten umfassend dargestellt. o 1m Inhaltsverzeichnis wurde bewu6t auf eine Gruppierung der 29 Abschnitte in die iiblichen Teilgebiete der Physik, wie Mechanik, Optik usw., verzichtet. Der Hauptgrund dafiir ist der mit wachsender Erkenntnis immer enger werdende Zusammenhang dieser Teilgebiete. Wenn man beispielsweise die Gruppierung Mechanik Warme Elektrik Optik Quantenphysik Abschn Abschn Abschn Abschn Abschn vornehmen wiirde, fiele es schwer zu begriinden, warum die elektromagnetischen Wellen (Abschn. 20.2) zur Elektrik und nicht zur Optik gehoren oder warum die Warmestrahlung (Abschn. 25) ein Teil der Optik und nicht der Quantenphysik ist. Besonders problematisch wiirde eine solche Einteilung im Hinblick auf die Quantenphysik, die voll in den anderen vier Teilgebieten aufgehen konnte. o Es wurden Textteile ausgewahlt und durch Kleindruck abgesetzt, die bei einer ersten Durchsicht des Buches iibersprungen werden konnen, da sie entweder die mathematische Ableitung einer Formel oder Erganzungen zum behandelten Stoffgebiet enthalten. Bei Ableitungen kann der Leser diese Art der Darstellung auch nutzen, urn seine Fahigkeiten und Kenntnisse selbst zu iiberpriifen, indem er den kleingedruckten Text abdeckt und dann versucht, die Ableitung der betreffenden Formel zu finden. o Bei jedem neu eingefiihrten und durch Fettdruck hervorgehobenen Fachwort wird dahinter in Klammern das entsprechende englische Wort angegeben. Da sowohl das deutsche als auch das englische Fachwort jeweils gekoppelt im Sachverzeichnis erscheinen, wie z.b. Doppelbrechung (birefringence) und Jzirefringence (Doppelbrechung), lasst sich dieses Sachverzeichnis auch als deutsch-englisches und englisch-deutsches Fachworterbuch der Experimentalphysik verwenden. Zusammen mit dem Anhang A7 Redewendungen bei Verojjentlichungen in englischer Sprache

5 2 H. Pfeifer, H. Schmiedel: Grundwissen Experimentalphysik werden damit dem Leser fachliche Erganzungen zum Schulenglisch geboten, die ihm im Hinblick auf die dominierende Rolle der englischen Sprache in der physikalischen Fachliteratur niitzlich sein werden. Zur Bedeutung der im Text wiederholt verwendeten Bezeichnungen spezijisch, molar usw. gilt: Eine GroBe, deren Zahlenwert sich additiv aus den Zahlenwerten von Untersystemen zusammensetzt, nennt man extensiv (extensive). Beispiele sind die Masse, das Volumen oder die Energie. GrOBen, deren Zahlenwerte unabhangig von der Ausdehnung des Systems sind, nennt man dagegen intensiv (intensive). Beispiele sind die Temperatur, der Druck oder das chemische Potential. Das Adjektiv spezifisch (specific) bzw. molar (molar) vor dem Namen einer extensiven GrOBe bedeutet, dass die betreffende GroBe durch die Masse bzw. durch die Stoffmenge (Anzahl der Mole) dividiert wurde, wodurch sie zu einer intensiven GroBe wird. Beispiele sind die spezifische und die molare Warmekapazitiit. Ieweils am Anfang der 29 Abschnitte findet der Leser einen originellen Ausspruch eines beriihmten Wissenschaftlers, der zum Nachdenken und Schmunzeln anregen und das Studium etwas wiirzen soil. Bei den Lebensdaten der Physiker wurde die Nation mit Absicht weggelassen. Einerseits spielt man ja - erfreulicherweise - auch keine Nationalhymne nach einem besonders gelungenen wissenschaftlichen Vortrag und andererseits "ist die Falschung der Wissenschaftsgeschichte eine alte Kunst, in der sich die loblichen Nationen den Rang ablaufen" (A. Einstein). Fiir zahlreiche Hinweise bei der Abfassung und Uberarbeitung des Manuskripts sind wir den Herren Professoren Iorg Karger, Dieter Geschke und Dieter Michel sowie Herrn Dr. Martin Staudte, langjahriger Vorlesungsassistent am Physikalischen Institut der Universitat Leipzig, sehr zu Dank verpflichtet. Dem Verlag, insbesondere Herrn Iiirgen WeiB, gilt unser Dank fur die angenehme Zusammenarbeit. Schon im voraus danken wir all jenen Lesern, die uns auf noch vorhandene Fehler und auf Ungeschicklichkeiten bei der Darstellung hinweisen werden. Leipzig, Mai 1997 H. Pfeifer, H. Schmiedel Anschrift der Verfasser: Prof. (i.r.) Dr. Dr. h.c. Harry Pfeifer, Prof. Dr. Herbert Schmiedel Universitiit Leipzig - Physik, Linnestr Leipzig

6 Inhalt 1 Physikalische GrimeD und ihre Messung Physikalische Grofien Das SI (Systeme International d 'Unites) Messfehler Mechanik der Massenpunkte Eindimensionale Bewegungen Mehrdimensionale Bewegungen Der schiefe Wurf Die Kreisbewegung Kraft und Masse Die drei Newton'schen Axiome Schwere und trage Masse Das Pendel Impuls und Energie Der Impulssatz Der Energiesatz Raketenbewegung Der unelastische und der elastische Stofi Reibung Reibung auf einer Unterlage Reibung in einem Medium Gravitation Das Newton'sche Gravitationsgesetz Die Kepler'schen Gesetze Die kosmischen Geschwindigkeiten, die Gezeiten Tragheitskrafte Mechanik der starren Korper Ruhende starre Korper Drehbewegungen Punktmassen Starre Korper Der Kreisel Mechanik der deformierbaren Korper Ruhende Fluide (Fliissigkeiten und Gase) Der Schweredruck inkompressibler Fluide (Fliissigkeiten) Der Schweredruck idea1er Gase Oberflachen- und Grenzflachenspannung

7 4 H. Pfeifer, H. Schmiedel: Grundwissen Experimentalphysik Oberflachenspannung Grenzflachenspannung Stromungen Stromungen reibungsfreier Fluide Stromungen realer Fluide Deformation von Festkorpern Schwingungen und Wellen Schwingungen Freie Schwingungen des linearen Oszillators Erzwungene Schwingungen des linearen Oszillators Uberlagerung von Schwingungen Wellen Wellenausbreitung Stehende Wellen Der Doppler-Effekt Schallwellen ( Akustik ) Gr0J3en des Schallfeldes Die Lautstarke Die Zustandsgleichung idealer Gase Ableitung der Zustandsgleichung, das Gleichverteilungsgesetz Spezialfalle der Zustandsgleichung, die Warmeausdehnung Die Boltzmann-Verteilung Wlirmekapazitliten Der erste Hauptsatz der Wlirmelehre Der zweite Hauptsatz der Wlirmelehre Der Carnot'sche Kreisprozess Der zweite Hauptsatz der Warmelehre Die Entropie Definition und Eigenschaften der Entropie Die Entropie des idealen Gases Entropie und Wahrscheinlichkeit Entropie und Zeitumkehr Thermodynamische Potentiale und der dritte Hauptsatz der Wlirmelehre Thermodynamische Potentiale

8 Inhalt Der dritte Hauptsatz der Warmelehre Warmeleitung und Diffusion Die Warmeleitungsgleichungen Die Diffusionsgleichungen Warmeleitung und Selbstdiffusion in Gasen Dimpfe und reale Gase Van-der-Waals'sche Gleichung, Virialentwicklung Der Joule-Thomson-Effekt Hygrometrie Koexistenz und Ubergange bei Aggregatzustanden Fliissigkeit und Dampf Festk6rper und Fliissigkeit Festk6rper, Fliissigkeit und Dampf Losungen, osmotischer Druck Elektrische Gleichfelder (Elektrostatik) Elektrische Ladungen Elektrische Feldstarke, elektrisches Potential, elektrische Spannung Leiter im elektrischen Feld Kapazitiit, Energiedichte des elektrischen Feldes Elektrischer Dipol Dielektrika Elektrische Gleichstrome Grundbegriffe, Ohm'sches Gesetz, Kirchhoff'sche Regeln Anwendungen Elektrische Leistung Magnetfelder Das Biot-Savart'sche Gesetz und die Berechnung von Magnetfeldern Messung von Magnetfeldern, das magnetische Erdfeld Induktion Das Induktionsgesetz Die Lorentz-Kraft Selbstinduktion Magnetostatik

9 6 H. Pfeifer, H. Schmiede1: Grundwissen Experimentalphysik 19 Mechanismen der Elektrizitatsleitung Metalle Existenz und Beweglichkeit freier Elektronen in Metallen Abhangigkeit des Widerstands von auberen Parametern Elektrolyte Grundlagen, die Faraday'schen Gesetze Die Leitfahigkeit von Elektrolyten Galvani' sche Elemente Freie Elektronen Gasentladungen, Plasma Gasentladungen Plasma Elektrische Wechselstrome und elektromagnetische Wellen Elektrische Wechselstrome Grundlagen Elektrische Schwingkreise Nichtlineare Theorie elektrischer Schwingungen Der Transformator Elektromagnetische Wellen Die Maxwell' schen Gleichungen Die Entstehung elektromagnetischer Wellen Das elektromagnetische Spektrum, die Lichtgeschwindigkeit Die spezielle Relativiilitstheorie Geometrische Optik Reflexion und Brechung Reflexion Brechung Atomistische Deutung der Dispersion Optische Instrumente Wellenoptik Koharenz Interferenz Interferenz inkoharenter Strahlungsquellen Zwei- und dreidimensionale Gitter Optische Gitter (2-dimensionale Gitter) Krista1lgitter (3-dimensionale Gitter) Der Spalt Auflosungsvermogen optischer Gerate Spektrales Auflosungsvermogen

10 Inhalt 7 Raumliches Auflosungsvermogen Das Huygens' sche Prinzip Holografie Polarisation des Lichtes Die Fresnel'schen Formeln Natiirliche Doppelbrechung Zirkular und elliptisch polarisiertes Licht Kiinstliche Doppelbrechung Optische Aktivitat Drehung der Polarisationsebene Nichtreziproke Bauelemente Klassische Interpretation der Verdet'schen Konstanten und des Zeeman-Effektes Absorption und Streuung Absorption Streuung an isolierten Teilchen Streuung in kondensierter Materie Wannestrahlung Grundbegriffe, Photometrie Strahlungsformeln Pyrometrie / Farben Welle-Teilchen-Dualismus Das Photon Eigenschaften des Photons Anwendungen Materiewellen Quantenmechanik Axiome der Quantenmechanik Kraftefreie Teilchen Teilchen im Kasten Der Tunneleffekt Atome, Molekiile und Festkorper Das Wasserstoffatom Die SchrOdinger-Gleichung Diskussion der LOsungen Das Bohr'sche Atommodell und das Korrespondenzprinzip

11 8 H. Pfeifer, H. Schmiedel: Grundwissen Experimentalphysik Der Drehimpuls der Elektronenbahnbewegung Der Eigendrehimpuls des Elektrons und der Atomkerne Atombau und Atomspektren Das Pauli-Verbot und der Bau der Atome Atomspektren Molekiile Heteropolare und homoopolare Bindung Molekiilspektren Festkorper Das Bandermodell Boltzmann-, Bose- und Fermi-Statistik Elektronen und Defektelektronen Elektrizitatsleitung durch GrenzfIachen Transistoren Der Atomkern Kernstruktur Radioaktivitat Der a-zerfall Die f3-zerfaile Die y-strahlung Strahlendosimetrie Kernreaktionen Kernspaltung Kernfusion Elementarteilchen Entdeckung neuer Teilchen Eigenschaften und Klassifikation der Elementarteilchen Anhang A 1 Konstanten der Experimentalphysik A 2 Abgeleitete Einheiten des SI mit besonderen Namen A 3 Definition von Einheiten, die nicht zum SI gehoren A 4 Periodisches System der Elemente A 5 Elektronenkonfiguration der neutralen Atome im Grundzustand A 6 Einige mathematische Formeln A 7 Redewendungen bei VerOffentlichungen in englischer Sprache A 8 Literatur Sachverzeichnis Niiherungswerte fur physikalische Konstanten und Energieumrechnungen - 610