PHYSIK (eBook)

Prof. Dr. sc. nat. Dr.-Ing. Heribert Stroppe (†) war Ordinarius für Technische Physik und Kooperationspartner des MFF e. V. am Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

Vorwort 9
Inhaltsverzeichnis 11
Teil I Einführung 21
1 Was ist „Physik“?Wege physikalischerErkenntnisgewinnung 22
2 Physikalische Größen, Einheiten,Dimensionen, Gleichungen 24
2.1 Größen, Einheiten, Dimensionen 24
2.2 Physikalische Gleichungen 26
2.3 Das neue SI-Einheitensystem 27
Teil II Teilchen: Mechanik der Punktmasse und des starren Körpers. Stoffe 29
3 Kinematik der Punktmasse 30
3.1 Raum, Zeit, Bezugssystem 30
3.2 Die gleichförmige Bewegung 32
3.3 Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung 33
3.4 Freier Fall. Senkrechter Wurf 36
3.5 Allgemeine Definition von Geschwindigkeit undBeschleunigung. Ungleichmäßig beschleunigte Bewegung 38
3.6 Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektoren.Zusammengesetzte Bewegungen (Superposition) 41
3.7 Die gleichförmige Kreisbewegung 43
3.8 Die ungleichförmige Kreisbewegung 47
3.9 Bewegung auf beliebig krummliniger Bahn 49
4 Dynamik der Punktmasse 51
4.1 Der Kraftbegriff in der Physik. Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften. Statisches Gleichgewicht 51
4.2 Das Trägheitsgesetz (1. newtonsches Axiom) 53
4.3 Das Grundgesetz der Dynamik (2. newtonsches Axiom) 54
4.4 Träge und schwere Masse. Gewichtskraft. Radialkraft 55
4.5 Kraftstoß. Impuls (Bewegungsgröße) 57
4.6 Lösung der Bewegungsgleichung für konstante Kraft. Die Wurfbewegung 60
4.7 Das Wechselwirkungsgesetz (3. newtonsches Axiom) 63
4.8 Reibungskräfte 64
5 Bewegte Bezugssysteme 68
5.1 Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme. Trägheitskräfte 68
5.2 Gleichförmig rotierende Bezugssysteme. Zentrifugalkraft, Coriolis-Kraft 71
5.3 Inertialsysteme. Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik 74
6 Grundzüge der speziellen Relativitätstheorie 76
6.1 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die Lorentz-Transformation 76
6.2 Folgerungen aus der Lorentz-Transformation 80
6.3 Relativistische Bewegungsgleichung 81
7 Arbeit und Energie 83
7.1 Arbeit 83
7.2 Leistung. Wirkung 87
7.3 Der Energiebegriff. Potenzielle und kinetische Energie 88
7.4 Das Gesetz von der Erhaltung der Energie (Energiesatz) 89
7.5 Äquivalenz von Masse und Energie 91
8 Gravitation 93
8.1 Die keplerschen Gesetze der Planetenbewegung und das Gravitationsgesetz 93
8.2 Arbeit gegen die Schwerkraft. Kosmische Geschwindigkeiten 96
9 Dynamik der Punktmassen-Systeme 98
9.1 Impulserhaltungssatz. Massenmittelpunkt 98
9.2 Die Gesetze des Stoßes 100
9.3 Raketenantrieb 105
10 Statik des starren Körpers 107
10.1 Freiheitsgrade des starren Körpers 107
10.2 Kräfte am starren Körper. Drehmoment. Gleichgewichtsbedingungen 107
10.3 Kräftepaar 112
10.4 Der Schwerpunkt 112
10.5 Arten des Gleichgewichts 115
11 Dynamik des starren Körpers 116
11.1 Bewegung eines frei beweglichen Körpers bei Einwirkung einer Kraft 116
11.2 Kinetische Energie der Drehbewegung. Massenträgheitsmoment 116
11.3 Arbeit und Leistung bei der Drehbewegung. Grundgesetz der Dynamik 119
11.4 Der Drehimpuls (Drall). Drehimpulserhaltungssatz 121
11.5 Kreiselbewegungen. Freie Achsen 123
11.6 Bewegung des symmetrischen Kreisels 125
12 Die Zustandsformen der Stoffe 128
12.1 Einteilung der Stoffe. Aggregatzustände 128
12.2 Der kristalline Aufbau der Festkörper 129
12.3 Bindungsarten 132
Teil III Kontinua: Mechanik der deformierbaren Medien 133
13 Der deformierbare feste Körper 134
13.1 Elastische Verformung. Hookesches Gesetz 134
13.2 Querkontraktion. Kompressibilität 136
13.3 Elastisches Verhalten bei Scherbeanspruchung 137
13.4 Der einachsige Spannungszustand 138
13.5 Dreiachsiger Spannungs- und Dehnungszustand 139
13.6 Zusammenhang zwischen Schubmodul, Elastizitätsmodulund poissonscher Querkontraktionszahl 140
13.7 Plastische Verformung. Spannungs-Dehnungs-Diagramm 141
13.8 Härte fester Körper 143
14 Ruhende Flüssigkeiten und Gase 144
14.1 Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck) 144
14.2 Schweredruck. Auftrieb. Schwimmstabilität 145
14.3 Druck in Gasen. Zusammenhang zwischen Druck, Volumenund Dichte 149
14.4 Schweredruck in Gasen. Barometrische Höhenformel 150
14.5 Erscheinungen an Grenzflächen. Kohäsion und Adhäsion 152
14.6 Spezifische Oberflächenenergie, Oberflächenspannung 152
14.7 Benetzung und Kapillarwirkung 154
15 Strömende Flüssigkeiten und Gase (Strömungsmechanik) 156
15.1 Das Strömungsfeld. Kennzeichnung und Einteilung von Strömungen 156
15.2 Strömungen idealer Flüssigkeiten und Gase. Kontinuitätsgleichung 158
15.3 Die bernoullische Gleichung. Druckmessung 160
15.4 Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase. Laminare Strömung 164
15.5 Gesetze von Hagen-Poiseuille und Stokes 165
15.6 Umströmung durch reale Flüssigkeiten und Gase. Reynolds-Zahl 167
15.7 Die Bewegungsgleichung eines Fluids 169
Teil IV Wärme: Thermodynamik und Gaskinetik 173
16 Verhalten der Körper bei Temperaturänderung 174
16.1 Die Temperatur und ihre Messung 174
16.2 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper 176
16.3 Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderungen der Gase. Der absolute Nullpunkt 178
16.4 Die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases 181
17 Der I. Hauptsatz der Thermodynamik (Energiesatz) 184
17.1 Wärmemenge und Wärmekapazität 184
17.2 Innere Energie eines Systems. Formulierung des I. Hauptsatzes 186
17.3 Spezifische Wärmekapazität des idealen Gases. Kalorische Zustandsgleichung 188
17.4 Anwendung des I. Hauptsatzes auf spezielle Zustandsänderungen des idealen Gases 190
17.5 Zustandsänderungen des idealen Gases in offenenSystemen. Technische Arbeit. Enthalpie 195
18 Kinetische Gastheorie 197
18.1 Die Masse der Atome und Moleküle 197
18.2 Druck und mittlere quadratische Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Grundgleichung der kinetischen Gastheorie 198
18.3 Die Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle 201
18.4 Molekularenergie und Temperatur. Wärmekapazität der Körper 204
18.5 Stoßzahl und mittlere freie Weglänge 207
18.6 Gemische idealer Gase. Gesetz von Dalton 208
19 Der II. Hauptsatz der Thermodynamik(Entropiesatz) 210
19.1 Der Carnot-Kreisprozess. Wärmekraftmaschine, Kältemaschine und Wärmepumpe 210
19.2 Thermodynamische Temperatur 214
19.3 Reversible und irreversible Vorgänge. II. Hauptsatz 215
19.4 Entropie 217
19.5 Entropieänderung des idealen Gases. Irreversible Prozesse 222
19.6 Entropie und Wahrscheinlichkeit 224
19.7 III. Hauptsatz (Satz von der Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts) 227
20 Reale Gase. Phasenumwandlungen 228
20.1 Die van-der-Waalssche Zustandsgleichung. Gasverflüssigung 228
20.2 Joule-Thomson-Effekt. Erzeugung tiefer Temperaturen 231
20.3 Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Sieden und Verdunsten 233
20.4 Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase. Koexistenz dreier Phasen 238
20.5 Lösungen. Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktserniedrigung 241
21 Ausgleichsvorgänge 243
21.1 Wärmeleitung 243
21.2 Wärmeübergang, Wärmedurchgang, Konvektion 246
21.3 Diffusion 248
Teil V Felder: Gravitation. Elektrizität und Magnetismus 251
22 Das Gravitationsfeld 252
22.1 Nahwirkungstheorie. Der Feldbegriff 252
22.2 Gravitationsfeldstärke, Gravitationspotenzial 254
22.3 Massen als Senken des Gravitationsfeldes 257
22.4 Grundaussagen der allgemeinen Relativitätstheorie 259
23 Das elektrostatische Feld 261
23.1 Die elektrische Ladung. Ladungsnachweis 261
23.2 Ladungen als Quellen bzw. Senken des elektrischen Feldes 263
23.3 Kraftwirkungen des elektrischen Feldes. Elektrische Feldstärke 264
23.4 Elektrostatisches Potenzial. Spannung 267
23.5 Elektrische Ladungen auf Leitern. Influenz 269
23.6 Elektrischer Fluss, Flussdichte 270
23.7 Das elektrische Zentralfeld (Punktladung und Punktladungssystem) 272
23.8 Kapazität. Kondensatoren 274
24 Das elektrische Feld in Isolatoren(Dielektrika) 277
24.1 Elektrische Polarisation der Dielektrika. Piezoelektrizität 277
24.2 Permittivität (Dielektrizitätskonstante), elektrische Suszeptibilität 278
24.3 Verhalten von D und E an der Grenzfläche zweier Medien 280
24.4 Energieinhalt des elektrischen Feldes 282
25 Der Gleichstromkreis 284
25.1 Das stationäre elektrische Feld in einem Leiter 284
25.2 Stromstärke, Spannung, Widerstand. Ohmsches Gesetz 284
25.3 Schaltungen und Messmethoden 287
25.4 Arbeit und Leistung elektrischer Gleichströme 293
26 Elektrische Leitungsvorgänge in Festkörpern und Flüssigkeiten 294
26.1 Klassische Theorie der freien Elektronen in Metallen 294
26.2 Thermoelektrische Effekte 296
26.3 Elektrokinetische Effekte 298
26.4 Elektrolytische Stromleitung. Faradaysche Gesetze 298
26.5 Elektrochemische Spannungsquellen 300
27 Elektrische Leitungsvorgänge im Vakuum und in Gasen 302
27.1 Bewegung freier Ladungsträger im elektrischen Feld 302
27.2 Ladungsträgerinjektion, Katodenstrahlen 304
27.3 Gasentladungen 305
27.4 Plasmaströme 308
28 Das magnetostatische Feld der Dipole und Gleichströme 309
28.1 Analogien und Unterschiede zum elektrostatischen Feld 309
28.2 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf magnetischeDipole. Magnetische Feldstärke 310
28.3 Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters. Durchflutungsgesetz 311
28.4 Einfache Feldberechnungen 313
28.5 Magnetische Flussdichte (Induktion) 315
28.6 Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf Stromleiter 316
28.7 Bewegung freier Ladungsträger im magnetischen Feld. Lorentz-Kraft 318
28.8 Galvano- und thermomagnetische Effekte. Hall-Effekt. Quanten-Hall-Effekt 320
29 Das magnetische Feld in Stoffen 322
29.1 Magnetische Polarisation der Stoffe 322
29.2 Magnetisierung der Ferromagnetika. Hysterese 323
29.3 Der magnetische Kreis. Entmagnetisierung 325
30 Elektromagnetische Induktion 328
30.1 Das faradaysche Induktionsgesetz 328
30.2 Selbstinduktion 330
30.3 Energieinhalt des magnetischen Feldes 332
30.4 Elektromagnetische Induktion in einem bewegten Leiter 333
31 Der Wechselstromkreis 335
31.1 Wechselspannung, Wechselstrom, Dreiphasenstrom 335
31.2 Arbeit und Leistung elektrischer Wechselströme 337
31.3 Wechselstromwiderstände. Ohmsches Gesetzfür Wechselstrom 339
31.4 Der Transformator 345
31.5 Anharmonische Wechselströme in der Elektronik 346
31.6 Gleichrichter und Verstärker. Elektronische Bauelemente 347
32 Die maxwellschen Gleichungen 351
32.1 Wirbel des magnetischen Feldes. Verschiebungsstrom 351
32.2 Wirbel des elektrischen Feldes. Wirbelströme. Skineffekt 352
32.3 Elektromagnetisches Feld. System der maxwellschenGleichungen 354
32.4 Relativistische Elektrodynamik 355
Teil VI Wellen: Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen 357
33 Mechanische Schwingungen 358
33.1 Lineare Federschwingungen 358
33.2 Energiebilanz des harmonischen Oszillators 361
33.3 Drehschwingungen 362
33.4 Pendelschwingungen 364
33.5 Freie gedämpfte Schwingungen 366
33.6 Erzwungene Schwingungen 369
34 Elektrische Schwingungen 373
34.1 Der geschlossene Schwingkreis 373
34.2 Strom- und Spannungsresonanz 375
34.3 Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen 378
35 Überlagerung harmonischerSchwingungen 380
35.1 Überlagerung zweier Schwingungen längs gleicher Richtung 380
35.2 Gekoppelte Schwingungen 382
35.3 Überlagerung zweier Schwingungen längs aufeinandersenkrechter Richtungen 385
35.4 Überlagerung von harmonischen zu anharmonischen Schwingungen 388
35.5 Nichtlineare Schwingungen. Deterministisches Chaos 390
36 Allgemeine Wellenlehre 394
36.1 Zusammenhang von Schwingungen und Wellen 394
36.2 Die eindimensionale Wellengleichung und ihre allgemeineLösung 397
36.3 Transversal- und Longitudinalwellen 398
36.4 Stehende Wellen. Eigenschwingungen 401
36.5 Wellenausbreitung in ausgedehnten Medien 404
37 Schallwellen (Akustik) 407
37.1 Wellenausbreitung im Schallfeld. Phasengeschwindigkeit 407
37.2 Schallfeldgrößen 409
37.3 Schallquellen. Ton, Klang, Geräusch 411
37.4 Schallempfänger und Gehör. Schallpegel und Lautstärke 412
37.5 Stehende Schallwellen 414
37.6 Doppler-Effekt 416
37.7 Machscher Kegel 418
38 Elektromagnetische Wellen 419
38.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entlang von Leitungen 419
38.2 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im freien Raum 421
38.3 Erzeugung und Nachweis elektromagnetischer Wellen 425
38.4 Die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen (H. Hertz, 1888) 427
38.5 Das elektromagnetische Spektrum 428
39 Einfluss von Stoffen auf die Wellenausbreitung 431
39.1 Absorption und Streuung 431
39.2 Phasengeschwindigkeit und Dispersion.Gruppengeschwindigkeit 432
39.3 Huygenssches Prinzip 436
39.4 Reflexion und Brechung (Refraktion). Totalreflexion 437
39.5 Optische Dispersion. Prisma, Spektral- und Körperfarben 440
40 Strahlenoptik (Geometrische Optik) 443
40.1 Lichtstrahlen. Fermatsches Prinzip 443
40.2 Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen 445
40.3 Abbildung durch Spiegel (ebener und gekrümmte Spiegel) 447
40.4 Abbildung durch Linsen (dünne und dicke Linsen, Linsensysteme) 452
40.6 Optische Geräte zur Sehwinkelvergrößerung (Lupe, Mikroskop, Fernrohr) 458
40.7 Abbildungsfehler 461
41 Wellenoptik 462
41.1 Interferenz. Interferenzbedingungen 462
41.2 Interferenzen gleicher Neigung und gleicher Dicke 464
41.3 Beugung (Diffraktion). Das Beugungsphänomen 466
41.4 Fraunhofersche Beugung am Spalt und an der Lochblende 468
41.5 Auflösungsvermögen optischer Geräte. Holografie 471
41.6 Fraunhofersche Beugung am Strichgitter 474
41.7 Spektrometer 476
41.8 Beugung von Röntgenstrahlen am Raumgitter der Kristalle 477
41.9 Polarisation. Polarisation des Lichts durch Reflexion und Brechung 481
41.10 Polarisation durch Doppelbrechung 484
41.11 Interferenz des polarisierten Lichts 486
41.12 Drehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts 489
41.13 Nichtlineare Optik 491
Teil VII: Quanten Struktur und Eigenschaften der Materie 493
42 Die Gesetze der Strahlung 494
42.1 Das Wesen der Temperaturstrahlung (Wärmestrahlung) 494
42.2 Strahlungsphysikalische Größen 495
42.3 Emission und Absorption von Strahlung. Kirchhoffsches Strahlungsgesetz 497
42.4 Das plancksche Strahlungsgesetz 499
42.5 Folgerungen aus dem planckschen Strahlungsgesetz 500
42.6 Lichttechnische Größen (Photometrie) 503
42.7 Zusammenhang zwischen strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Größen 506
43 Der Welle-Teilchen-Dualismus derMikroobjekte 507
43.1 Die Teilchennatur des Lichts. Lichtquanten (Photonen) 507
43.2 Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt) 508
43.3 Der Compton-Effekt 511
43.4 Rückstoß durch Quantenemission. Mößbauer-Effekt 512
43.5 Die Wellennatur der Teilchen 514
43.6 Das heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip(Unschärferelation) 517
44 Atombau und Spektren 520
44.1 Die Streuexperimente von Lenard und Rutherford.Das rutherfordsche Atommodell 520
44.2 Das Spektrum des Wasserstoffatoms 522
44.3 Das bohrsche Atommodell 524
44.4 Die Spektren der Alkaliatome. Bahndrehimpulsquantenzahl 528
44.5 Richtungsquantelung des Bahndrehimpulses der Elektronen 531
44.6 Das magnetische Bahnmoment der Elektronen. Bohrsches Magneton 532
44.7 Elektronenspin und magnetisches Spinmoment. Die Feinstruktur der Atomspektren 533
44.8 Mehrelektronensysteme 535
44.9 Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld (Zeeman-Effekt) 536
44.10 Das Pauli-Prinzip und das Periodensystem der Elemente 538
44.11 Die Röntgenspektren und ihre Deutung 542
44.12 Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen 544
44.13 Induzierte Emission. Maser und Laser 548
45 Wellenmechanik 551
45.1 Die Schrödinger-Gleichung 551
45.2 Elektron im Kastenpotenzial 553
45.3 Das wellenmechanische Bild des Atoms 555
45.4 Der Tunneleffekt 557
46 Elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern 559
46.1 Elektrische Leitfähigkeit. Das Modell des Elektronengases 559
46.2 Bändermodell des Festkörpers. Metalle, Halbleiter, Isolatoren 560
46.3 Elektrische Ströme in Halbleitern. Eigenleitung, Störstellenleitung 564
46.4 Der pn-Übergang 567
46.5 Halbleiterdiode, Transistor 569
46.6 Magnetische Eigenschaften. Dia- und Paramagnetismus 571
46.7 Ferromagnetismus, Antiferro- und Ferrimagnetismus 573
46.8 Supraleitung. Der Josephson-Effekt 576
46.9 Supraflüssigkeit 579
47 Atomkerne 580
47.1 Masse, Ladung und Zusammensetzung der Kerne 580
47.2 Isotope 581
47.3 Isobare, Isotone, Nuklide, Isomere 582
47.4 Massendefekt und Bindungsenergie der Kerne 582
47.5 Stabilitätskriterien. Kernsystematik 584
47.6 Kernkräfte 587
47.7 Kernmodelle 588
48 Die natürliche Radioaktivität 590
48.1 Der ?-Zerfall der schweren Kerne 590
48.2 Der ?-Zerfall. Gammastrahlung 591
48.3 Das Zerfallsgesetz. Spezifische Aktivität 593
48.4 Radioaktive Zerfallsreihen und radioaktives Gleichgewicht 595
48.5 Dosimetrie und biologische Wirkung ionisierender Strahlung 596
49 Künstliche Kernumwandlungen 599
49.1 Arten künstlicher Kernumwandlungen 599
49.2 Massen- und Energiebilanz von Kernreaktionen.Wirkungsquerschnitt 600
49.3 Kernspaltung. Gewinnung von Kernspaltungsenergie 601
49.4 Arten von Kernreaktoren 604
49.5 Kernfusion 605
50 Elementarteilchen 607
50.1 Entwicklung zum Teilchen-„Zoo“ 607
50.2 Erhaltungssätze für Baryonenladung, Leptonenladung, Isospin, Strangeness und Hyperladung 608
50.3 Die elementaren Teilchen: Leptonen und Quarks 610
50.4 Zusammengesetzte Elementarteilchen. Hadronen 612
50.5 Die elementaren Kräfte (Wechselwirkungen). Feldquanten 613
50.6 Standardmodell der Teilchenphysik. Vereinheitlichte Theorieder elementaren Kräfte 615
50.7 Kosmologie. Dunkle Materie und Dunkle Energie 616
A ANHANG: Fehlerrechnung(Messabweichungen) 618
A.1 Arten und Ursachen von Messabweichungen 618
A.2 Ermittlung von Messergebnis und Messabweichung 619
A.3 Zufallsstreuung von Messwerten 621
A.4 Fehlerfortpflanzung 625
A.5 Geradenausgleich (lineare Regression). Korrelation 627
Bildquellenverzeichnis 630
Lösungen der Aufgaben 631
Index 637