Physik für Wirtschaftsingenieure (eBook)

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 7
1 Einführung 11
1.1 Was ist Physik? 11
1.2 Größen und Einheiten 12
2 Mechanik 15
2.1 Mechanik der Massenpunkte 16
2.1.1 Kinematik der Massenpunkte 16
2.1.2 Dynamik der Massenpunkte, Axiome von Newton, Kräfte 22
2.1.3 Energie, Arbeit und Leistung 30
2.1.4 Impuls und Impulserhaltung 37
2.1.5 Drehimpuls und Drehimpulserhaltung 40
2.2 Dynamik starrer Körper 45
2.2.1 Allgemeine Bewegung, Schwerpunkt- und Drehimpulssatz 45
2.2.2 Rotation und ebene Bewegung des starren Körpers 46
2.3 Aufgaben 51
3 Elektromagnetismus 58
3.1 Ruhende Ladungen: Elektrostatik 58
3.1.1 Ladung, Feld und Potenzial 58
3.1.2 Kapazitäten und Dielektrika 65
3.2 Bewegte Ladungen: Magnetostatik 68
3.2.1 Bewegte Ladungen, Ströme und magnetisches Feld 68
3.2.2 Materie und Magnetfeld 73
3.3 Elektrodynamik 75
3.3.1 Induktion 76
3.3.2 Induktivitäten 79
3.3.3 Maxwell’sche Gleichungen und elektromagnetische Wellen 80
3.4 Aufgaben 82
4 Thermodynamik 84
4.1 Temperatur und thermische Ausdehnung 84
4.2 Zustandsgleichung für ideale Gase 87
4.3 Kinetische Gastheorie 89
4.4 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik und Zustandsänderungen 93
4.4.1 Innere Energie, Wärme und erster Hauptsatz der Thermodynamik 93
4.4.2 Volumenänderung und Arbeit 95
4.4.3 Wärmeübertragung und Wärmekapazität 96
4.4.4 Spezielle Zustandsänderungen 98
4.5 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, Kreisprozesse und Wärmekraftmaschinen 101
4.5.1 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 101
4.5.2 Kreisprozesse und Wärmekraftmaschinen 107
4.6 Reale Gase und Phasenübergänge 116
4.7 Wärmetransport 118
4.8 Aufgaben 123
5 Schwingungen 127
5.1 Die freie harmonische Schwingung 128
5.1.1 Drehschwingungen 131
5.1.2 Physisches Pendel 132
5.1.3 Schwingungsenergie 133
5.2 Gedämpfte Schwingungen 134
5.3 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 136
5.4 Überlagerung von Schwingungen 139
5.5 Gekoppelte Schwingungen 142
5.6 Elektrische Schwingungen 144
5.7 Aufgaben 146
6 Wellen 148
6.1 Phasengeschwindigkeit 149
6.2 Wellengleichung 152
6.3 Überlagerung von Wellen und Interferenz 153
6.3.1 Stehende Wellen 155
6.3.2 Reflexion 156
6.3.3 Brechung 157
6.4 Geometrische Optik 159
6.4.1 Brechung an Kugelflächen 160
6.4.2 Optische Abbildung 162
6.4.3 Dicke Linsen 163
6.4.4 Abbildungsfehler 163
6.5 Wellenoptik 164
6.5.1 Kohärenz und Monochromasie 166
6.5.2 Beugung 166
6.5.3 Interferenz an dünnen Schichten 169
6.5.4 Polarisation 171
6.6 Aufgaben 175
7 Quanten- und Atomphysik 177
7.1 Phänomene der Quanten- und Atomphysik 178
7.1.1 Welle-Teilchen-Dualismus 178
7.1.2 Quantelung 181
7.2 Quantenphysik 182
7.2.1 Die Schrödinger-Gleichung 182
7.2.2 Die Prinzipien der Quantenphysik 184
7.2.3 Beispiele 187
7.3 Atomphysik 190
7.3.1 Das Bohr’sche Atommodell 190
7.3.2 Quantenphysikalische Behandlung des Wasserstoffatoms 193
7.3.3 Mehrelektronenatome und das Periodensystem der Elemente 196
7.3.4 Röntgenstrahlen 199
7.3.5 Der Laser 202
7.4 Aufgaben 204
8 Kernphysik 206
8.1 Aufbau der Atomkerne 207
8.1.1 Kernbausteine 207
8.1.2 Massendefekt und Kernkräfte 208
8.2 Radioaktivität 210
8.2.1 Radioaktiver Zerfall 210
8.2.2 Natürliche Zerfallsreihen 213
8.3 Kernspaltung 214
8.4 Kernfusion 217
8.5 Strahlenschutz 219
8.6 Aufgaben 223
9 Festkörperphysik 224
9.1 Kristalle 224
9.2 Halbleiter 227
9.2.1 Energiebänder 228
9.2.2 Leitungsmechanismen 229
9.2.3 Der pn-Übergang 232
9.3 Supraleitung 233
9.4 Aufgaben 236
A Anhang: Lösungen der Aufgaben 237
Literatur- und Quellenverzeichnis 260
Sachwortverzeichnis 262

1 Einführung ( S. 11)

1.1 Was ist Physik?

Physik ist die grundlegende und umfassende Wissenschaft der unbelebten Natur.

Physik beschäftigt sich mit den letzten und den ersten wissenschaftlich erklärbaren Fragestellungen. Das Forschungsgebiet der Physik reicht von den kleinsten Bausteinen der Natur, den Elementarteilchen, über das Verständnis der Struktur der Materie in der Atom- und Festkörperphysik bis hin zum Einblick in den Aufbau des Universums und dessen Ursprung in Zeit und Raum im Rahmen von Astrophysik und Kosmologie.

Physik ist Grundlage jeder technischen Entwicklung. Erst das physikalische Verständnis der Vorgänge und Zusammenhänge in der Natur und dessen Abstraktion in mathematische Formulierungen ermöglicht einen gezielten technischen Fortschritt. Alle anderen Naturwissenschaften, ebenso wie die Ingenieurwissenschaften, gründen letztlich in der Physik und entwickeln darauf ihre eigene Disziplin. Tatsächlich gingen technischen Innovationen häufig bahnbrechende physikalische Erkenntnisse voraus.

Im 19. Jahrhundert war das Verständnis der Thermodynamik Basis für die Entwicklung thermischer Maschinen wie Dampfmaschine und Verbrennungsmotor. Gleiches gilt für die Erforschung des Elektromagnetismus und den Einzug der Elektrizität in das Alltagsleben. Im 20. Jahrhundert waren es vor allem die Einsichten der modernen Quantenphysik, die Innovationen wie Nachrichtentechnik, Elektronik, Kernenergienutzung oder Laser erst ermöglichten.

Heute erleben wir, wie immer öfter selbst abstrakteste physikalische Einsichten und Konzepte zum Nutzen der Menschen eingesetzt werden. Als nur ein Beispiel sei hierfür die Kernspintomografie genannt. Selbstverständlich profitiert auch die Physik von anderen Wissenschaften, insbesondere von der Ingenieurskunst und der Mathematik. Experimentelle Aufbauten sind ohne den kreativen Beitrag von Ingenieuren ebenso wenig denkbar wie physikalische Theorien ohne die Mathematik.

Die Methode der Physik – wie aller Naturwissenschaften – ist die Erforschung der Natur durch Beobachtung und Experiment und die Erklärung der Erscheinungen durch Modelle und Naturgesetze im Rahmen von Theorien. Eine Naturerscheinung gilt dann als erklärt und verstanden, wenn es eine Theorie, aufbauend auf bekannten bewiesenen Modellen und Gesetzen, dazu gibt.

Umgekehrt gilt eine neue Theorie erst dann als bewiesen, wenn mehrere unabhängige experimentelle Befunde oder Beobachtungen sie bestätigen. Experimentalphysiker und Theoretiker spornen sich bei diesem Wechselspiel auf fruchtbarste Weise gegenseitig an. So wurde die spezielle Relativitätstheorie erst vierzehn Jahre nach ihrer Veröffentlichung, durch exakte Vermessung von Sternpositionen bei einer totalen Sonnenfinsternis, endgültig bestätigt. Andererseits dauerte es fast 30 Jahre, bis die vielfach gemessenen Linienspektren des Wasserstoffatoms eine erste theoretische Begründung im Bohr’schen Atommodell fanden.

1.2 Größen und Einheiten

Eine physikalische Größe besteht aus Zahlenwert und Einheit.

Man unterscheidet skalare und vektorielle Größen. Im Gegensatz zu skalaren Größen benötigen vektorielle Größen zur vollständigen Charakterisierung zusätzlich noch die Angabe einer Richtung im Raum. Beispiele für vektorielle Größen sind die Geschwindigkeit v , , die Beschleunigung a , , die Kraft F roder der elektrische Strom I , .

Die Formelzeichen vektorieller Größen werden zur Kennzeichnung mit einem Pfeil versehen. Wird der Pfeil weggelassen, ist der Betrag des Vektors gemeint. Beispiele für skalare Größen sind die Zeit t, die Masse m oder die Temperatur T. Alle physikalischen Größen gründen auf sieben Basisgrößenarten, denen nach dem internationalen Einheitensystem SI (Système International d’Unités) jeweils eine Basiseinheit zugeordnet ist (Tabelle 1.1).

Die Basiseinheiten werden durch möglichst unveränderliche und ortsunabhängige Normale oder durch Definitionen auf Grundlage von Naturkonstanten festgelegt (Beispiel 1.1). Alle weiteren zulässigen SIEinheiten werden daraus in Form von Potenzprodukten ohne Zahlenfaktor kohärent abgeleitet.