Physik für Ingenieure: mit 102 Tabellen
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer
2004
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| Edition: | 9. Aufl. |
| Series: | Springer-Lehrbuch
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
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Inhalt
Verwendete physikalische Symbole XIX
1. Einführung 1
1.1. Physikalischer Erkenntnisprozeß 1
1.2. Bereiche der physikalischen Erkenntnis 2
1.3. Physikalische Größen 5
1.3.1. Definition und Maßeinheit 5
1.3.2. Meßgenauigkeit 9
1.3.3. Fehlerfortpflanzung 13
1.3.4. Kurvenanpassung 13
1.3.5. Ausgleichsgeradenkonstruktion 15
1.3.6. Korrelationsanalyse 16
2. Mechanik 19
2.1. Einführung 19
2.2. Kinematik des Punktes 19
2.2.1. Eindimensionale Kinematik 19
2.2.1.1. Geschwindigkeit 19
2.2.1.2. Beschleunigung 22
2.2.1.3. Einfache Spezialfälle 24
2.2.2. Dreidimensionale Kinematik 25
2.2.2.1. Ortsvektor und Bahnkurve 25
2.2.2.2. Geschwindigkeitsvektor 25
2.2.2.3. Beschleunigungsvektor 26
2.2.3. Kreisbewegungen 28
2.3. Grundgesetze der klassischen Mechanik 31
2.3.1. Konzept der klassischen Dynamik 31
2.3.2. Die Newtonschen Axiome 31
2.3.3. Masse 32
2.3.4. Kraft 33
2.4. Dynamik in bewegten Bezugssystemen 37
2.4.1. Relativ zueinander geradlinig bewegte Bezugssysteme 37
2.4.2. Gleichförmig rotierende Bezugssysteme 39
2.5. Impuls 42
2.5.1. Impuls eines materiellen Punktes 42
2.5.2. Impuls eines Systems materieller Punkte 43
2.5.2.1. Impulssatz 44
2.5.2.2. Massenmittelpunkt und Schwerpunktsatz 44
2.5.2.3. Impulserhaltungssatz 45
2.5.3. Raketengleichung 45
X Inhalt
2.6. Arbeit und Energie 47
2.6.1. Arbeit 47
2.6.2. Leistung, Wirkungsgrad 50
2.6.3. Energie 51
2.6.4. Energieerhaltungssatz 51
2.7. Stoßprozesse 52
2.7.1. Übersicht und Grundbegriffe 52
2.7.2. Gerader, zentraler, elastischer Stoß 53
2.7.3. Gerader, zentraler, inelastischer Stoß 55
2.7.4. Schiefe, zentrale Stöße 56
2.7.4.1. Elastische Stöße 56
2.7.4.2. Inelastische Stöße 57
2.8. Drehbewegungen 58
2.8.1. Drehmoment 58
2.8.2. Newtonsches Aktionsgesetz der Drehbewegung 59
2.8.2.1. Drehimpuls eines materiellen Punktes 59
2.8.2.2. Dynamisches Grundgesetz der Rotation 59
2.8.3. Arbeit, Leistung und Energie bei der Drehbewegung 60
2.8.4. Drehbewegungen von Systemen materieller Punkte 61
2.8.4.1. Drehimpulssatz 61
2.8.4.2. Drehimpulserhaltungssatz 61
2.8.4.3. Energieerhaltungssatz 63
2.8.5. Analogie Translation und Rotation 63
2.9. Mechanik starrer Körper 63
2.9.1. Freiheitsgrade und Kinematik 64
2.9.2. Kräfte am starren Körper 65
2.9.3. Schwerpunkte und potentielle Energie eines starren Körpers 67
2.9.4. Kinetische Energie eines starren Körpers 68
2.9.5. Massenträgheitsmomente starrer Körper 70
2.9.6. Kreisel 74
2.10. Gravitation 79
2.10.1. Beobachtungen 79
2.10.2. Newtonsches Gravitationsgesetz 81
2.10.3. Hubarbeit und potentielle Energie 83
2.11. Mechanik deformierbarer Körper 84
2.11.1. Deformierbarer fester Körper 84
2.11.1.1. Elastische Verformung 85
2.11.1.2. Plastische Verformung 92
2.11.1.3. Härte fester Körper 94
2.11.2. Ruhende Flüssigkeiten (Hydrostatik) und Gase (Aerostatik) 96
2.11.2.1. Druck 96
2.11.2.2. Kompressibilität 98
2.11.2.3. Raumausdehnungskoeffizient 99
2.11.2.4. Schweredruck 100
2.11.2.5. Auftrieb 102
2.11.2.6. Grenzflächeneffekte 104
2.11.3. Fluide - Strömende Flüssigkeiten (Hydrodynamik) und Gase (Aerodynamik). 107
2.11.3.1. Strömungsfeld 107
Inhalt XI
2.11.3.2. Grundgleichungen idealer (reibungsfreier) Strömungen 109
2.11.3.3. Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase 120
2.11.3.4. Anwendungen 133
3. Thermodynamik 140
3.1. Grundlagen 140
3.1.1. Einführung 140
3.1.2. Thermodynamische Grundbegriffe 140
3.1.3. Temperatur 143
3.1.4. Thermische Ausdehnung 147
3.1.5. Allgemeine Zustandsgieichung idealer Gase 149
3.2. Kinetische Gastheorie 151
3.2.1. Gasdruck 151
3.2.2. Thermische Energie und Temperatur 153
3.2.3. Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle 154
3.3. Hauptsätze der Thermodynamik 156
3.3.1. Wärme 156
3.3.2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik 159
3.3.3. Berechnung der Wärmekapazitäten 162
3.3.4. Spezielle Zustandsänderungen idealer Gase 165
3.3.4.1. Isotherme Zustandsänderung 165
3.3.4.2. Isochore Zustandsänderung 166
3.3.4.3. Isobare Zustandsänderung 167
3.3.4.4. Isentrope Zustandsänderung 167
3.3.4.5. Polytrope Zustandsänderung 169
3.3.5. Kreisprozesse 171
3.3.5.1. Carnotscher Kreisprozeß 172
3.3.5.2. Technische Kreisprozesse 176
3.3.6. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 180
3.3.6.1. Reversible und irreversible Prozesse 180
3.3.6.2. Formulierungen des zweiten Hauptsatzes 181
3.3.6.3. Entropie 182
3.3.6.4. Statistische Deutung der Entropie 185
3.3.7. Thermodynamische Potentiale 187
3.3.8. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik 188
3.4. Zustandsänderungen realer Gase 189
3.4.1. Van-der-Waalssche Zustandsgieichung 190
3.4.2. Gasverflüssigung (Joule-Thomson-Effekt) 192
3.4.3. Phasenumwandlungen 193
3.4.3.1. Thermodynamisches Gleichgewicht 195
3.4.3.2. Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase 196
3.4.3.3. Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase 198
3.4.3.4. Koexistenz dreier Phasen 198
3.4.4. Dämpfe und Luftfeuchtigkeit 199
3.5. Wärmeübertragung 203
3.5.1. Wärmeleitung 204
3.5.2. Konvektion 208
XII Inhalt
3.5.3. Wärmestrahlung 214
3.5.4. Wärmedurchgang 217
4. Elektrizität und Magnetismus 220
4.1. Physikalische Gesetze und Definitionen 221
4.1.1. Ladung 221
4.1.2. Stromstärke 223
4.1.3. Spannung 224
4.1.4. Widerstand und Leitwert 225
4.1.5. Ohmsches Gesetz 228
4.1.6. Kirchhoffsche Regeln im verzweigten Stromkreis 228
4.1.7. Schaltung von Widerständen 230
4.1.8. Meßbereichserweiterung 232
4.1.9. Ausgewählte Meßanordnungen 234
4.1.10. Klemmenspannung und innerer Widerstand 235
4.1.11. Schaltung von Spannungsquellen 236
4.1.12. Elektrische Leistung und elektrische Arbeit 238
4.2. Ladungstransport in Flüssigkeiten und Gasen 240
4.2.1. Ladungstransport in Flüssigkeiten 240
4.2.1.1. Dissoziation und Elektrolyse 240
4.2.1.2. Faradaysche Gesetze 241
4.2.1.3. Elektrochemische Spannungsquellen 243
4.2.1.4. Elektrokinetische Vorgänge 248
4.2.2. Ladungstransport im Vakuum und in Gasen 250
4.2.2.1. Ladungstransport im Vakuum 250
4.2.2.2. Ladungstransport in Gasen 251
4.2.3. Plasmaströme 256
4.3. Elektrisches Feld 257
4.3.1. Allgemeiner Feldbegriff 257
4.3.2. Beschreibung des elektrischen Feldes 258
4.3.3. Elektrische Feldstärke und Kraft 259
4.3.4. Elektrische Feldstärke und elektrostatisches Potential 260
4.3.5. Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Feld 264
4.3.5.1. Grundlegende Betrachtungen 264
4.3.5.2. Bewegung eines geladenen Teilchens quer zum elektrischen Feld . 266
4.3.5.3. Bewegung eines geladenen Teilchens parallel zum elektrischen Feld . . . 267
4.3.5.4. Elektronenstrahl-Oszilloskop 267
4.3.5.5. Bewegung elektrisch geladener Körper in einer Flüssigkeit und im
elektrischen Feld 268
4.3.6. Leiter im elektrischen Feld 269
4.3.6.1. Elektrische Influenz, elektrische Verschiebungsdichte und elektrische
Feldstärke 269
4.3.6.2. Kondensator und Kapazität 272
4.3.7. Nichtleiter im elektrischen Feld, elektrische Polarisation und
Permittivitätszahl 276
4.3.8. Energieinhalt des elektrischen Feldes 285
4.4. Magnetisches Feld 286
4.4.1. Beschreibung des magnetischen Feldes 286
Inhalt XIII
4.4.2. Magnetische Feldstärke und Durchflutungsgesetz 287
4.4.3. Magnetische Flußdichte und Kraftwirkungen im Magnetfeld 292
4.4.3.1. Magnetischer Fluß, magnetische Flußdichte 292
4.4.3.2. Kraftwirkungen im Magnetfeld 293
4.4.4. Materie im Magnetfeld 300
4.4.4.1. Grundbegriffe 300
4.4.4.2. Stoffmagnetismus 301
4.4.4.3. Magnetische Werkstoffe 306
4.5. Instationäre Felder 312
4.5.1. Elektromagnetische Induktion 312
4.5.1.1. Induktionsgesetz 312
4.5.1.2. Induktionsvorgänge 313
4.5.1.3. Selbstinduktion 316
4.5.1.4. Energie des magnetischen Feldes 317
4.5.2. Periodische Felder (Wechselstromkreis) 318
4.5.2.1. Grundlagen des Wechselstromkreises 319
4.5.2.2. Bauelemente im Wechselstromkreis 320
4.5.2.3. Reihenschaltung von Bauelementen im Wechselstromkreis 320
4.5.2.4. Parallelschaltung von Bauelementen im Wechselstromkreis 323
4.5.2.5. Leistung im Wechselstromkreis 323
4.5.2.6. Drehstrom 326
4.5.2.7. Transformation von Wechselströmen 327
4.5.2.8. Elektrische Maschinen 328
4.5.3. Ein-und Ausschaltvorgänge in Stromkreisen 331
4.5.3.1. Ein-und Ausschalten mit einem Kondensator 331
4.5.3.2. Ein- und Ausschalten mit einer Induktivität 332
4.5.4. Meßgeräte 334
4.5.5. Zusammenhang elektrischer und magnetischer Größen 338
4.5.5.1. Vergleich elektrischer und magnetischer Größen 338
4.5.5.2. Maxwellsche Gleichungen 340
5. Schwingungen und Wellen 343
5.1. Schwingungen 343
5.1.1. Physikalische Grundlagen schwingungsfähiger Systeme 343
5.1.2. Freie Schwingung 347
5.1.2.1. Differentialgleichung des ungedämpften Feder-Masse-Systems 347
5.1.2.2. Allgemeine Differentialgleichung der freien, ungedämpften harmonischen
Schwingung 349
5.1.2.3. Differentialgleichungen und Lösungen spezieller mechanischer
Schwingungssysteme 350
5.1.2.4. Gesamtenergie der freien, ungedämpften Schwingung 354
5.1.2.5. Elektromagnetische Schwingung 355
5.1.2.6. Freie gedämpfte Schwingung 358
5.1.2.7. Gedämpfte elektromagnetische Schwingung 363
5.1.3. Erzwungene Schwingung 365
5.1.3.1. Differentialgleichung der erzwungenen Schwingung 365
5.1.3.2. Lösung der Differentialgleichung der erzwungenen gedämpften
Schwingung 365
5.1.3.3. Amplitudenresonanzfunktion 367
5.1.3.4. Phasenresonanzfunktion 369
XIV Inhalt
5.1.4. Überlagerung von Schwingungen 370
5.1.4.1. Überlagerung harmonischer Schwingungen gleicher Raumrichtung und
gleicher Frequenz 370
5.1.4.2. Überlagerung harmonischer Schwingungen gleicher Raumrichtung mit
geringen Frequenzunterschieden (Schwebung) 372
5.1.4.3. Überlagerung harmonischer Schwingungen gleicher Raumrichtung mit
ganzzahligen Frequenzverhältnissen (Fourier-Analyse) 373
5.1.4.4. Überlagerung harmonischer Schwingungen mit ganzzahligem
Frequenzverhältnis, die senkrecht zueinander schwingen (Lissajous-Figuren) 376
5.1.5. Schwingungen mit mehreren Freiheitsgraden (gekoppeltes
Schwingungssystem) 378
5.1.6. Nichtlineare Schwinger 381
5.1.7. Parametrisch erregte Schwingungen 382
5.2. Wellen 382
5.2.1. Physikalische Grundlagen der Wellenausbreitung 382
5.2.2. Harmonische Wellen 386
5.2.2.1. Mathematische Beschreibung harmonischer Wellen 386
5.2.2.2. Energietransport 386
5.2.2.3. Phasengeschwindigkeit 387
5.2.3. Doppler-Effekt 390
5.2.4. Interferenz 392
5.2.4.1. Überlagerung von Wellen gleicher Frequenz 392
5.2.4.2. Stehende Wellen 394
5.2.4.3. Beugung s 397
5.2.4.4. Überlagerung von Wellen unterschiedlicher Frequenz 399
6. Optik 402
6.1. Einführung 402
6.2. Geometrische Optik 403
6.2.1. Lichtstrahlen 403
6.2.2. Reflexion des Lichtes 404
6.2.2.1. Reflexion an ebenen Flächen 404
6.2.2.2. Reflexion an gekrümmten Flächen 405
6.2.3. Brechung des Lichtes 409
6.2.3.1. Brechung an ebenen Grenzflächen 409
6.2.3.2. Brechung an einem Prisma 413
6.2.3.3. Brechung an Kugelfiächen 416
6.2.4. Abbildung durch Linsen 418
6.2.4.1. Dünne Linsen 418
6.2.4.2. Dicke Linsen 422
6.2.4.3. Linsensysteme 424
6.2.5. Blenden im Strahlengang 425
6.2.6. Abbildungsfehler 426
6.2.7. Optische Instrumente 426
6.2.7.1. Das menschliche Auge 426
6.2.7.2. Lupe 429
6.2.7.3. Mikroskop 430
6.2.7.4. Fernrohr 431
6.2.7.5. Photoapparat 434
Inhalt XV
6.3. Radio- und Photometrie 435
6.3.1. Einführung 435
6.3.2. Strahlungsphysikalische Größen 436
6.3.3. Lichttechnische Größen 441
6.4. Wellenoptik 444
6.4.1. Interferenz und Beugung 444
6.4.1.1. Kohärenz 444
6.4.1.2. Interferenzen an dünnen Schichten 446
6.4.1.3. Interferometer 450
6.4.1.4. Beugung am Spalt 452
6.4.1.5. Auflösungsvermögen optischer Instrumente 455
6.4.1.6. Beugung am Gitter 456
6.4.1.7. Spektralapparate 459
6.4.1.8. Röntgenbeugung an Kristallgittern 462
6.4.1.9. Holographie 465
6.4.2. Polarisation des Lichtes 468
6.4.2.1. Einführung 468
6.4.2.2. Erzeugung von polarisiertem Licht 470
6.4.2.3. Technische Anwendungen der Doppelbrechung 473
6.4.2.4. Optische Aktivität 475
6.5. Quantenoptik 477
6.5.1. Lichtquanten 477
6.5.1.1. Lichtelektrischer Effekt 477
6.5.1.2. Compton-Effekt 479
6.5.2. Dualismus Teilchen-Welle . 481
6.5.3. Wärmestrahlung 482
6.5.4. Laser 483
6.5.5. Materiewellen 486
6.5.5.1. De-Broglie-Beziehung 486
6.5.5.2. Heisenbergsche Unschärferelation 488
7. Akustik 490
7.1. Einführung 490
7.2. Schallwellen 490
7.2.1. Schallausbreitung 490
7.2.2. Schallwandler 495
7.2.3. Schallwellen an Grenzflächen 499
7.3. Schallempfindung 504
7.3.1. Physiologische Akustik 504
7.3.2. Musikalische Akustik 507
7.4. Technische Akustik 510
7.4.1. Raumakustik 510
7.4.2. Luftschalldämmung 512
7.4.3. Körperschalldämmung 513
7.4.4. Strömungsgeräusche 516
7.4.5. Ultraschall 517
XVI Inhalt
8. Atom- und Kernphysik 519
8.1. Bohrsches Atommodell 520
8.1.1. Optisches Spektrum des Wasserstoffatoms 520
8.1.2. Bohrsche Postulate 522
8.1.3. Quantenbedingungen nach Bohr/Sommerfeld 524
8.2. Quantentheorie 525
8.2.1. Hamilton-Operator 525
8.2.2. Schrödinger-Gleichung 528
8.2.3. Unschärferelation 533
8.2.4. Quantenmechanik des Wasserstoffatoms 537
8.2.5. Quanten-Hall-Effekt 541
8.2.5.1. Freies Elektron im Magnetfeld (quantenmechanisch) 541
8.2.5.2. Quanten-Hall-Effekt 543
8.2.6. Tunnelmikroskop 546
8.3. Bahn- und Spinmagnetismus 548
8.3.1. Zeeman-und Stark-Effekt 549
8.3.2. Elektronen- und Kernspinresonanz 549
8.4. Systematik des Atombaus 553
8.4.1. Periodensystem der Elemente 553
8.4.2. Aufbau der Elektronenhülle 553
8.5. Röntgenstrahlung 555
8.5.1. Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung 555
8.5.2. Absorption von Röntgenstrahlung, Computertomographie 556
8.6. Molekülspektren 558
8.6.1. Potentialkurve 558
8.6.2. Rotations-Schwingungs-Spektrum 560
8.6.3. Raman-Effekt 562
8.7. Aufbau der Atomkerne 563
8.7.1. Größe und Ladungsverteilung 563
8.7.2. Kernmodelle 565
8.7.2.1. Tröpfchenmodell 567
8.7.2.2. Schalenmodell 570
8.8. Kernumwandlung 573
8.8.1. Radioaktiver Zerfall 573
8.8.1.1. Strahlenarten 573
8.8.1.2. Zerfallsreaktionen 573
8.8.1.3. Radioaktives Zerfallsgesetz 576
8.8.1.4. Messung ionisierender Strahlung 578
8.8.1.5. Anwendung radioaktiver Stoffe 581
8.8.2. Kernreaktionen 586
8.8.2.1. Energetik 587
8.8.2.2. Wirkungsquerschnitt 588
8.8.3. Kernspaltung und Kernreaktoren 590
8.8.3.1. Kernspaltung 590
8.8.3.2. Kernreaktoren 592
Inhalt XVII
8.8.3.3. Reaktortypen 594
8.8.4. Kernfusion 596
8.8.4.1. Fusionsreaktion 596
8.8.4.2. Experimente zur kontrollierten Kernfusion 599
8.9. Elementarteilchen 601
8.9.1. Einteilung 603
8.9.2. Erhaltungssätze 607
8.9.3. Fundamentale Wechselwirkungen 608
8.10. Strahlenschutz 610
8.10.1. Wechselwirkung der Strahlung mit Materie 610
8.10.2. Dosisgrößen 618
8.10.3. Biologische Wirkung der Strahlung 622
8.10.4. Dosismessung 625
8.10.5. Strahlenschutzmaßnahmen 627
9. Festkörperphysik 633
9.1. Struktur fester Körper 633
9.1.1. Kristallbindungsarten 633
9.1.1.1. Van-der-Waalssche Bindung 633
9.1.1.2. Kovalente (homöopolare) Bindung 634
9.1.1.3. Ionenbindung 634
9.1.1.4. Metallische Bindung 635
9.1.2. Kristalline Strukturen 636
9.1.2.1. Kristallsysteme 636
9.1.2.2. Dichteste Kugelpackungen 637
9.1.2.3. Richtungen und Ebenen im Kristallgitter 638
9.1.3. Gitterfehler 639
9.1.3.1. Punktfehler 639
9.1.3.2. Linienfehler 639
9.1.3.3. Flächenfehler 641
9.1.4. Amorphe Werkstoffe 641
9.1.5. Makromolekulare Festkörper 642
9.1.5.1. Struktur und Eigenschaften der Polymerwerkstoffe 643
9.1.5.2. Spezielle Eigenschaften der Polymerwerkstoffe 644
9.1.6. Ausgewählte Werkstoffe 646
9.1.6.1. Verbundwerkstoffe 646
9.1.6.2. Formgedächtnis-Legierungen 650
9.1.7. Flüssigkristalle 652
9.1.7.1. Aufbau und Struktur 652
9.1.7.2. Eigenschaften 653
9.1.7.3. Anwendungsbereiche 653
9.2. Elektronen in Festkörpern 654
9.2.1. Energiebänder-Modell 654
9.2.2. Metalle 657
9.2.3. Halbleiter 662
9.2.3.1. Eigenleitung 663
9.2.3.2. Störstellenleitung 665
9.2.3.3. pn-Übergang 667
XVIII Inhalt
9.2.3.4. Transistor 671
9.2.4. Supraleitung 674
9.3. Thermodynamik fester Körper 678
9.3.1. Gitterschwingungen 678
9.3.1.1. Schwingende Gitterbausteine und Phononen 678
9.3.1.2. Molare und spezifische Wärmekapazität 681
9.3.1.3. Wärmeleitfähigkeit 683
9.3.2. Effekte im Zusammenhang mit Wärmefluß und elektrischem Strom . . . 685
9.3.2.1. Galvanomagnetische und thermomagnetische Effekte 685
9.3.2.2. Thermoelektrische Effekte 686
9.3.3. Piezoelektrizität 688
9.4. Optoelektronische Halbleiter-Bauelemente 690
9.4.1. Strahlungsquellen 690
9.4.1.1. Lumineszenzdioden 690
9.4.1.2. Halbleiterlaser 691
9.4.2. Empfänger 693
9.4.2.1. Absorption elektromagnetischer Strahlung 693
9.4.2.2. Photowiderstand 694
9.4.2.3. Photodioden 695
9.4.2.4. Phototransistor 698
10. Spezielle Relativitätstheorie 699
10.1. Relativität des Bezugssystems 699
10.2. Lorentz-Transformation 701
10.3. Relativistische Effekte 703
10.3.1. Längenkontraktion 703
10.3.2. Zeitdilatation 703
10.3.3. Relativistische Addition der Geschwindigkeiten 705
10.4. Relativistische Dynamik 705
10.5. Spezielle Relativitätstheorie in der Elektrodynamik 708
10.5.1. Elektrodynamische Kraft 708
10.5.2. Doppler-Effekt des Lichtes 709
11. Anhang 712
11.1. Lösungen der Übungsaufgaben 712
11.2. Nobelpreisträger der Physik 717
12. Sachwortverzeichnis 725
13. Periodensystem der Elemente 747 |
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