JUrgen Eichler Physik Grundlagen fur das Ingenieurstudium
~ Aus dem Programm Grundlagen fur das Ingenieurstudium Mathematik fiir Ingenieure I, II von L. Papula Ubungen zur Mathematik fiir Ingenieure von L. Papula Mathematische Formelsammlung fiir Ingenieure und Naturwissenschaftler von L. Papula Physik Grundlagen fur das Ingenieurstudium von J. Eichler Werkstoffkunde fiir Ingenieure von R. Laska und C. Felsch Regelungstechnik fiir Ingenieure von M. Reuter Elektrotechnik fiir Ingenieure I, II, III von W. WeiBgerber Mechanik fiir Ingenieure von J. Berger Informatik fiir Ingenieure von P. Rausch RoloffIMatek Maschinenelemente von W. Matek, D. Muhs, H. Wittel und M. Becker '---- Vieweg ----------------------
J iirgen Eichler Physik Grundlagen fiir das Ingenieurstudium Mit 247 Bildern und 58 Tabellen II vleweg
Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1993 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschtitzt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fallen bedarf deshalb der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN 978-3-528-04933-1 ISBN 978-3-322-96859-3 (ebook) DOI 10.1007/978-3-322-96859-3
v Vorwort Es gibt mehrere gute Lehrbiicher zum Thema "Physik flir Ingenieure". Das vorliegende Buch zeichnet sich durch seine knappe Darstellung aus, ohne wesentliche Faktoren wegzulassen. Es entstand aus Vorlesungsunterlagen der Kurse "Physik" flir Horer unterschiedlicher Fachrichtungen an der Technischen Fachhochschule Berlin. Neben diesem Horerkreis eignet es sich auch fur Ingenieure in der Praxis als Nachschlagewerk. Besonderer Wert wird auf die Anwendung der Physik in der modem en Technik gelegt. Die Physik ist eine der wichtigsten Grundlagen flir die Tatigkeit eines Ingenieurs. In diesem Sinne wurde das Basiswissen der klassischen Physik in den Kapiteln der Mechanik, Thermodynamik, Akustik, Wellenlehre und Elektrodynamik dargestellt. Daneben dient die Physikvorlesung auch einer naturwissenschaftlichen Allgemeinbildung, die zum Verstehen von Erscheinungen der Urn welt notwendig ist. Dies spiegelt sich in den moderneren Kapiteln der Optik, Atorn- und Kernphysik sowie der Gravitation wieder. Naturwissenschaften und Technik werden stark un sere Zukunft pragen. Nutzen und Gefahr liegen dicht beieinander. Hoffentlich trag en Physiker und Ingenieure nur zum Fortschritt der Menschheit bei, nicht aber zur Zerstorung. Ohne die jahrelange aktive Teilnahrne der Studenten an den Vorlesungen ware dieses Buch nicht entstanden. Frau G. Krohnert, Technische Fachhochschule Berlin, hat die Abbildungen angefertigt und das Manuskript in den Rechner iibertragen. Ich danke ihr flir das gro/3e Engagement. Natiirlich habe ich die Lehrbiicher anderer Autoren gelesen und viele Anregungen daraus entnomrnen. Ich widrne dieses Buch Sascha. Berlin, Dezernber 1992 Jurgen Eichler
VI Inhaltsverzeichnis 1 Physikalische Grimen... 1.1 Basisgro13en und -einheiten... 1 1.1.1 SI-System... 1 1.1.2 Naturkonstanten... 3 2 Mechanik fester Korper... 4 2.1 Kinematik (Lehre von der Bewegung)... 4 2.1.1 Geradlinige Bewegung... 4 2.1.1.1 Geschwindigkeit... 4 2.1.1.2 Beschleunigung... 5 2.1.1.3 Fallbewegungen... 9 2.1.2 Dreidimensionale Bewegung... 11 2.1.2.1 Geschwindigkeitsvektor... 11 2.1.2.2 Tangential- und Zentripetalbeschleunigung... 12 2.1.3 Kreisbewegung... 12 2.1.3.1 Winkelgeschwindigkeit... 12 2.1.3.2 Zentripetalbeschleunigung... 13 2.1.3.3 Winkelbeschleunigung...... 15 2.2 Dynamik (Lehre von den Kriiften)... 16 2.2.1 Newtonsche Axiome... 16 2.2.2 Masse und Kraft... 18 2.2.3 Bewegte Bezugssysteme, Triigheitskraft... 20 2.2.4 Zentrifugal- und Corioliskraft... 21 2.3 Arbeit, Energie und Leistung... 24 2.3.1 Arbeit... 24 2.3.2 Energie... 24 2.3.3 Leistung... 25 2.3.4 Energieerhaltung... 26 2.4 Impuls... 26 2.4.1 Impulserhaltung... 26 2.4.2 Schwerpunkt... 27 2.4.3 Sto13gesetze...... 27 2.5 Dynamik der Rotation... 29 2.5.1 Energie und Triigheitsmoment... 29 2.5.2 Drehmoment... 32 2.5.3 Drehimpuls... 33 2.5.4 Vektorielle Schreibung... 35 2.5.5 Kreisel... 36
VII 3 Mechanik deformierbarer Medien... 39 3.1 Defonnation fester Korper... 39 3.1.1 Dehnung... 39 3.1.2 Scherung... 42 3.1.3 Anwendungen, Belastung... 42 3.1.4 Plastische Verfonnung... 44 3.2 Statik der Fliissigkeiten und Gase... 44 3.2.1 Druck und Kompressibilitiit... 45 3.2.2 Druck in Fliissigkeiten... 46 3.2.3 Druck in Gasen... 47 3.2.4 Auftrieb... 49 3.2.5 Oberfliichenspannung... 51 3.3 Dynamik der Fliissigkeiten und Gase... 53 3.3.1 Reibungsfreie Stromungen... 53 3.3.2 Innere Reibung... 58 3.3.3 Turbulenz... 60 4 Gravitation... 63 4.1 Klassische Gravitationstheorie... 63 4.1.1 Gravitationsgesetz... 63 4.1.2 Planetensystem... 65 4.1.3 Potentielle Energie... 66 4.1.4 Satellitenbahnen... 67 4.2 Relativitiitstheorie... 68 4.2.1 Spezielle Relativitiitstheorie... 68 4.2.2 Allgemeine Relativitiitstheorie... 71 4.2.3 Kosmologie... 72 5 Thermodynamik... 75 5.1 Zustandsgleichungen von Gasen... 75 5.1.1 Temperatur... 75 5.1.2 Zustandsgleichung idealer Gase... 79 5.1.3 Molare GroJ3en... 80 5.1.4 Reale Gase... 82 5.1.5 Aggregatzustiinde... 84 5.2 Kinetische Gastheorie... 87 5.2.1 Gasdruck... 87 5.2.2 Thennische Energie... 88 5.2.3 Geschwindigkeitsverteilung... 89 5.3 Hauptsiitze der Thennodynamik... 90 5.3.1 Spezifische Wiinnekapazitiit... 90 5.3.2 Erster Hauptsatz der Wiinnelehre... 93 5.3.3 Zustandsiinderungen... 94 5.3.4 Kreisprozesse... 96 5.3.5 Zweiter Hauptsatz der Wiinnelehre... 98 5.3.6 Entropie... 100 5.4 Thennische Maschinen... 103
VIII 5.4.1 Wiinnekraftmaschinen... 103 5.4.2 Wiinnepumpe... 106 5.5 Wiirmetransport... 107 5.5.1 Wiinneleitung... 107 5.5.2 Konvektion... 110 5.5.3 Wiinnestrahlung... 110 6 Schwingungen und Wellen... 115 6.1 Schwingungen.................. 115 6.1.1 Freie ungediimpfte Schwingung..................... 115 6.1.2 Freie gediimpfte Schwingung... 120 6.1.3 Erzwungene Schwingungen... 122 6.1.4 Uberiagerung von Schwingungen... 124 6.1.5 Fourier-Analyse... 128 6.1.6 Gekoppelte Schwingungen... 129 6.2 We\len... 131 6.2.1 Wellengleichung... 131 6.2.2 Ausbreitungsgeschwindigkeit... 133 6.2.3 Uberlagerung von Wellen... 134 6.2.4 Doppler-Effekt... 136 7 Akustik... 138 7.1 Physiologische Akustik... 138 7.1.1 Schallwellen... 138 7.1.2 Schallempfindung... 140 7.1.3 Musikalische Akustik................................. 143 7.2 Technische Akustik... 144 7.2.1 Mel3technik... 144 7.2.2 Ultraschall... 145 8 Elektromagnetismus... 147 8.1 Elektrisches Feld... 147 8.1.1 Elektrische Ladung... 147 8.1.2 Elektrische Feldstiirke... 148 8.1.3 Spannung und Potential... 149 8.1.4 Influenz und elektrischer Flul3... 150 8.1.5 Kapazitiit... 152 8.1.6 Materie im elektrischen Feld... 153 8.2 Magnetisches Feld... 155 8.2.1 Magnetische Feldstiirke... 155 8.2.2 Kriifte im Magnetfeld... 157 8.2.3 Materie im Magnetfeld... 160 8.3 Elektromagnetische Wechselfelder... 165 8.3.1 Variable Magnetfelder: Induktion... 165 8.3.2 Variable elektrische Felder... 167 8.3.3 Maxwellsche Gleichungen... 168 8.3.4 Elektromagnetische Wellen... 169
8.4 Elektrische Strome... 172 8.4.1 Gleichstromkreise... 172 8.4.2 Wechselstromkreise... 175 8.4.3 Elektromagnetische Schwingungen... 180 8.4.4 Strome im Vakuum... 182 8.4.5 Strome in Gasen... 186 8.4.6 Leitung in Fliissigkeiten... 187 9 Optik... 190 9.1 Geometrische Optik... 190 9.1.1 Reflexion und Brechung... 190 9.1.2 Hohlspiegel... 194 9.1.3 Linsen... 196 9.1.4 Auge... 200 9.1.5 Photoapparat... 202 9.1.6 Projektor... 204 9.1.7 Femrohr... 205 9.1.8 Mikroskop... 207 9.2 Wellenoptik... 209 9.2.1 Polarisation von Licht... 210 9.2.2 Eigenschaften der Kohiirenz... 214 9.2.3 Erscheinungen der Interferenz... 216 9.2.4 Beugung von Licht... 220 9.2.5 Holographie... 224 9.3 Quantenoptik... 227 9.3.1 Prinzipien des Lasers... 227 9.3.2 Lasertypen... 232 9.3.3 Nichtlineare Optik... 233 9.4 Photometrie... 234 9.4.1 Farbmetrik... 234 9.4.2 Grundbegriffe der Lichttechnik... 236 10 Atome und Molekiile... 238 10.1 Bestandteile der Atome... 238 10.1.1 Schematischer Aufbau der Atome... 238 10.1.2 Lichtwellen und Photonen... 239 10.1.3 Materiewellen und -strahlen... 243 10.2 Aufbau der Atome... 247 10.2.1 Wasserstoffatom... 247 10.2.2 Quantenzahlen... 251 10.2.3 Deutung des Periodensystems... 255 10.3 Licht, Rontgenstrahlung und Spinresonanz... 257 10.3.1 Emission und Absorption von Licht... 257 10.3.2 Rontgenstrahlung... 260 10.3.3 Spinresonanz... 265 10.3.4 Molekiile... 267 IX
x 11 Festkorper... 270 11.1 Struktur der Festkorper............... 270 11.l.l Bindung in Kristallen.................. 270 11.1.2 Kristallstrukturen... 271 1l.1.3 Nichtkristalline Festkorper... 274 11.1.4 Fliissigkristalle... 274 11.2 Elektronen in Festkorpern... 276 11.2.1 Energiebiinder... 276 11.2.2 Metallische Leitung................... 277 11.2.3 Supraleitung... 280 11.2.4 Halbleiter........................... 282 11.2.5 pn-dbergang... 285 11.3 Halbleiterbauelemente.............................. 289 11.3.1 Transistoren............................... 289 11.3.2 Integrierte Schaltungen... 293 11.3.3 Optoelektronik... 294 12 Atomkerne und Elementarteilchen... 300 12.1 Struktur der Atomkerne... 300 12.1.1 Kernteilchen... 300 12.1.2 Kernniveaus... 303 12.2 Radioaktive Kernumwandlungen... 304 12.2.1 <X-, ~- und y-strahlung... 304 12.2.2 Radioaktives ZerfaIlsgesetz... 307 12.2.3 Natiirliche Radioaktivitiit... 308 12.2.4 Kiinstliche Kernreaktionen... 310 12.3 Kernspaltung und Kernfusion... 312 12.3.1 Spaltung durch Neutronen...... 312 12.3.. 2 Kernreaktoren... 315 12.3.3 Kernfusion... 317 12.3.4 Fusionsreaktoren... 320 12.4 Strahlenschutz... 322 12.4.1 Wechselwirkung von Strahlung und Materie... 322 12.4.2 Messung radioaktiver Strahlung... 325 12.4.3 Dosimetrie... 326 12.5 Physik der Elementarteilchen... 329 12.5.1 Fundamentale Wechselwirkungen... 329 12.5.2 Beschreibung der Elementarteilchen... 330 12.5.3 Quarks und Hadronen... 331 Sachwortverzeichnis... 333