Physik für Ingenieure: mit zahlreichen Bildern, Tabellen und Beispielen
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Fachbuchverl. Leipzig im Carl-Hanser-Verl.
2006
|
| Ausgabe: | 17. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | 795 S. Ill., graph. Darst. 24 cm |
| ISBN: | 3446406093 9783446406094 |
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Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1 Physikalische Größen und Gleichungen 21
1.1 Physikalische Größen 21
1.2 Vektorielle und skalare Größen 22
1.3 Physikalische Gleichungen 22
1.3.1 Größengleichungen 22
1.3.2 Zugeschnittene Größengleichungen 23
1.3.3 Einheitengleichungen 24
1.3.4 Dimensionen 24
1.4 Internationales Einheitensystem 24
1.4.1 Längeneinheit Meter 26
1.4.2 Masseeinheit Kilogramm 27
1.4.3 Zeiteinheit Sekunde 28
1.5 Meßgrößen und Meßwerte 28
1.5.1 Grundbegriffe 28
1.5.2 Meßunsicherheiten 29
1.5.3 Meßreihen 29
1.5.4 Fehlerfortpflanzung 33
1.5.5 Regression 34
Mechanik des Massenpunkts und des starren Körpers
2 Kinematik 37
2.1 Einführung 37
2.2 Bezugssysteme, Ortsvektor 38
2.3 Geschwindigkeit 41
2.4 Beschleunigung 46
2.5 Bewegung im Schwerefeld der Erde 50
2.5.1 Freier Fall 50
2.5.2 Senkrechter Wurf 52
2.5.3 Waagerechter und schräger Wurf 53
2.6 Kreisbewegung 55
2.6.1 Polarkoordinaten 55
2.6.2 Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung 56
2.6.3 Radialbeschleunigung bei der Kreisbewegung 59
3 Kräfte am Massenpunkt 61
3.1 Das Trägheitsgesetz 61
3.2 Das Grundgesetz der Dynamik 62
3.3 Überlagerung von Kräften 65
3.4 Das Reaktionsprinzip 67
3.5 Messung von Kräften 68
3.6 Trägheitskräfte 69
3.7 Reibung 73
4 Gravitation 77
4.1 Schwerkraft 77
4.2 Das Gravitationsgesetz 78
4.3 Kraftfelder 82
5 Arbeit und Leistung 84
5.1 Arbeit als physikalische Größe 84
5.2 Formen mechanischer Arbeit 86
5.2.1 Beschleunigungsarbeit 87
5.2.2 Verschiebungsarbeit 88
5.3 Leistung 91
6 Energie 93
6.1 Kinetische und potentielle Energie 93
6.2 Die Erhaltung der Energie 96
6.3 Rotationsenergie 99
7 Impuls 103
7.1 Impulserhaltung 103
7.2 Stoßvorgänge 106
7.3 Der Massenmittelpunkt 111
8 Kräfte am starren Körper 113
8.1 Statik 114
8.1.1 Innere und äußere Kräfte 114
8.1.2 Kräfte mit unterschiedlichen Angriffspunkten 114
8.1.3 Drehmomente 116
8.1.4 Das Drehmoment als Vektor 120
8.1.5 Der Schwerpunkt 122
8.2 Kinetik starrer Körper 125
8.2.1 Drehbeschleunigung 125
8.2.2 Kreisel, Drehimpuls 129
8.2.3 Rotation und Translation 136
Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
9 Ruhende Flüssigkeiten und Gase 142
9.1 Kennzeichen des flüssigen Zustandes 142
9.2 Oberflächenspannung 143
9.3 Druck und Druckausbreitung 146
9.3.1 Druck 146
9.3.2 Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck) 149
9.3.3 Druck und Volumen der Gase 152
9.3.4 Schweredruck in Gasen 154
9.4 Auftrieb 157
10 Strömende inkompressible Flüssigkeiten 160
10.1 Reibungsfreie Strömungen 160
10.1.1 Grundbegriffe des Strömungsfeldes 160
10.1.2 Gesetz von Bernoulli 163
10.1.3 Ausfluß aus Gefäßen 165
10.1.4 Weitere Anwendungen der BERNOULLlschen Gleichung 166
10.2 Strömungen mit Reibung 169
10.2.1 Innere Reibung 169
10.2.2 Anwendungen des Reibungsgesetzes 171
10.2.3 Grenzschicht und Wirbelbildung 174
10.2.4 Strömungswiderstand von Körpern 175
10.2.5 Ähnlichkeitsgesetz der Strömungen 178
Schwingungen und Wellen
11 Kinematik schwingender Körper 182
11.1 Die harmonische Schwingung 183
11.2 Zusammengesetzte Schwingungen 187
11.2.1 Schwebungen 187
11.2.2 Allgemeine periodische Schwingungen 189
11.2.3 Schwingungen mit mehreren Freiheitsgraden 192
11.2.4 Drehschwingungen 194
12 Dynamik schwingender Körper 195
12.1 Der freie harmonische Oszillator 195
12.1.1 Lineare Federschwingung 195
12.1.2 Drehschwinger 197
12.1.3 Energiebilanz 200
12.2 Dämpfung 200
12.3 Erzwungene Schwingungen 203
12.4 Gekoppelte Oszillatoren 209
12.4.1 Systeme aus einzelnen Oszillatoren 209
12.4.2 Schwingungen ausgedehnter Körper 213
13 Wellen 217
13.1 Grundbegriffe 217
13.2 Harmonische Wellen 220
13.3 Energietransport 223
13.4 Wellengruppen 225
14 Überlagerung von Wellen 228
14.1 Interferenzen 229
14.2 Stehende Wellen 230
15 Reflexion, Brechung und Beugung 232
15.1 Elementarwellen 232
15.2 Reflexion 234
15.3 Brechung 234
15.4 Beugung 236
16 Schallwellen 237
16.1 Schallausschlag, Schallschnelle 237
16.2 Schallgeschwindigkeit 238
16.3 Schalldruck 241
16.4 Schallenergie 242
16.5 Strahlungsdruck 244
16.6 Schallpegel 245
16.7 Reflexion und Transmission 246
16.8 Lautstärke 248
16.9 DOPPLER-Effekt 250
16.10 Ultraschall 253
Wärmelehre
17 Temperatur und thermische Ausdehnung 255
17.1 Temperaturmessung 255
17.2 Ausdehnung fester und flüssiger Körper 257
17.2.1 Längenausdehnung 257
17.2.2 Volumenausdehnung 259
17.3 Verhalten der Gase bei Temperaturänderung 261
17.3.1 Gesetz von Gay-Lussac bei konstantem Druck 262
17.3.2 Gesetz von Gay-Lussac bei konstantem Volumen 263
17.3.3 Experimentelle Bestimmung des Volumenausdehnungs¬
koeffizienten 264
17.4 Zustandsgieichung idealer Gase 265
17.4.1 Stoffmenge, das Mol 266
17.4.2 Allgemeine und spezielle Gaskonstante 267
18 Wärme und erster Hauptsatz der Wärmelehre 269
18.1 Wärme und Wärmekapazität 269
18.2 Erster Hauptsatz der Wärmelehre 274
19 Zustandsänderungen idealer Gase 276
19.1 Isochore Zustandsänderung 276
19.2 Isobare Zustandsänderung 277
19.3 Isotherme Zustandsänderung 279
19.4 Adiabatische Zustandsänderung 282
19.5 Polytrope Zustandsänderung 285
19.6 Bestimmung des Verhältnisses der spezifischen Wärmekapazitäten 286
20 Kinetische Theorie der Wärme 287
20.1 Masse der Atome und Moleküle, AVOGADRO-Konstante 288
20.2 Geschwindigkeit der Gasteilchen 290
20.2.1 Grundgleichung der kinetischen Gastheorie, Druck 291
20.2.2 Kinetische Energie der Gasteilchen, Temperatur 293
20.2.3 MAXWELLsche Geschwindigkeitsverteilung 295
20.3 Theorie der Wärmekapazität 298
20.4 Stoßzahl und mittlere freie Weglänge 301
21 Kreisprozesse und zweiter Hauptsatz der Wärmelehre 302
21.1 Wirkungsweise einer Wärmekraftmaschine 303
21.2 Kältemaschine und Wärmepumpe 306
21.3 Reversible und irreversible Vorgänge 308
21.4 CARNOTscher Kreisprozeß 310
21.5 Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre 314
21.5.1 Entropie beim CARNOTschen Kreisprozeß 314
21.5.2 Berechnung der Entropie 315
21.5.3 Entropieänderung beim Temperaturausgleich 316
21.5.4 Entropie und Wahrscheinlichkeit 317
22 Reale Gase 319
22.1 Isothermen eines realen Gases 319
22.2 Kritischer Zustand 320
22.3 Verflüssigung der Gase 320
23 Änderungen des Aggregatzustandes 322
23.1 Schmelzen und Erstarren 322
23.1.1 Besonderheiten beim Schmelzen und Erstarren 323
23.2 Verdampfen und Kondensieren 324
23.2.1 Besonderheiten beim Verdampfen und Kondensieren 326
23.3 Dämpfe 326
23.3.1 Dampf-und Gaszustand 326
23.3.2 Dampfdruck und Temperatur 329
23.3.3 Luftfeuchtigkeit 331
24 Ausbreitung der Wärme 334
24.1 Wärmeleitung 334
24.2 Wärmeübergang 337
24.3 Wärmedurchgang 337
Optik
25 Wesen und Ausbreitung des Lichtes 339
25.1 Wesen des Lichtes 339
25.2 Ausbreitung des Lichtes 341
26 Reflexion des Lichtes 343
26.1 Ebener Spiegel 343
26.2 Gekrümmter Spiegel 346
26.2.1 Sphärischer Hohlspiegel 346
26.2.2 Abbildung im sphärischen Hohlspiegel 347
26.3 Sphärischer Wölbspiegel (Konvexspiegel oder erhabener Spiegel) 351
27 Brechung (Refraktion) des Lichtes 352
27.1 Brechungsgesetz 352
27.1.1 Planparallele Platte 354
27.2 Prisma 356
27.3 Totalreflexion 357
28 Zerlegung des Lichtes (Dispersion) 360
28.1 Dispersion 360
28.2 Spektren 362
29 Sphärische Linsen 365
29.1 Dünne Linsen 365
29.1.1 Brennweite und Vorzeichenregeln 366
29.1.2 Abbildungsgesetze 368
29.2 Dicke Linsen 371
29.3 Linsensysteme 372
29.4 Linsenfehler 375
29.4.1 Chromatischer Fehler 375
29.4.2 Sphärische Fehler 376
29.4.3 Astigmatismus und weitere Fehler 376
30 Optische Instrumente 378
30.1 Auge 378
30.1.1 Sehweite und Sehwinkel 378
30.1.2 Sehschärfe 379
30.2 Kamera und Projektor 380
30.3 Lupe 380
30.4 Fernrohre 381
30.4.1 Astronomisches Fernrohr 381
30.4.2 GALiLEisches Fernrohr 382
30.5 Mikroskop 383
31 Interferenz des Lichtes 384
31.1 Voraussetzungen für Interferenzerscheinungen 384
31.2 Interferenzen gleicher Neigung 387
31.3 Farben dünner Blättchen 389
31.4 Interferenzen gleicher Dicke 391
32 Beugung des Lichtes 393
32.1 Beugung am Spalt 394
32.2 Beugungsgitter 396
32.3 Auflösungsvermögen optischer Instrumente 398
32.4 Holografie 400
33 Polarisation des Lichtes 403
33.1 Polarisation durch Reflexion und Brechung 404
33.2 Polarisation durch Doppelbrechung und andere Polarisationseffekte . . . .405
34 Strahlungsgesetze 408
34.1 Strahlungsphysikalische Größen 408
34.1.1 Strahlungsfluß, Strahlungsflußdichte und spezifische Ausstrahlung 408
34.1.2 Strahlstärke 409
34.1.3 Strahldichte 410
34.1.4 Bestrahlungsstärke und Bestrahlung 411
34.1.5 Strahlungsenergiedichte und Strahlungsdruck 412
34.2 Temperaturstrahlung 412
34.2.1 Transmission, Reflexion und Absorption der Temperaturstrahlung .413
34.2.2 KiRCHHOFFsches Strahlungsgesetz 415
34.2.3 STEFAN-BOLTZMANNsches Strahlungsgesetz 418
34.2.4 Spektrale Verteilung der Temperaturstrahlung 419
34.2.5 Temperaturmessung durch Strahlung 422
35 Physiologische Wirkungen des Lichtes 423
35.1 Spektraler Heilempfindlichkeitsgrad 423
35.2 Lichttechnische Größen 424
35.2.1 Lichtstärke 424
35.2.2 Lichtstrom, Lichtmenge, spezifische Ausstrahlung und
Lichtausbeute 426
35.2.3 Leuchtdichte 428
35.2.4 Beleuchtungsstärke und Belichtung 429
35.3 Extinktion 431
35.4 Fotometrische Meßgeräte 433
36 Farbenlehre 434
36.1 Spektral- und Komplementärfarben 434
36.2 Additive und subtraktive Farbmischungen, Körperfarben 435
36.3 Farbmetrik 436
Elektrizitätslehre
37 Wichtige elektrische Größen 440
37.1 Vorbemerkungen 440
37.2 Elektrische Stromstärke und elektrische Ladung 441
37.3 Elektrische Spannung 443
37.4 Elektrischer Widerstand und elektrischer Leitwert 445
37.5 Elektrischer Widerstand und Temperatur 447
38 Gleichstromkreis 448
38.1 OHMsches Gesetz 448
38.2 KiRCHHOFFsche Gesetze 449
38.3 Verzweigter Stromkreis 450
38.4 Unverzweigter Stromkreis 452
38.5 Innerer Widerstand von Spannungsquellen, Klemmenspannung 455
38.6 Meßbereichserweiterungen von Strom- und Spannungsmessern 457
38.7 Spannungsteiler 458
38.8 Messung elektrischer Widerstände 460
38.9 Elektrische Energie und elektrische Leistung 462
39 Elektrisches Feld 463
39.1 Grunderscheinungen elektrischer Ladungen 463
39.1.1 Elektrische Feldlinien 465
39.1.2 Influenz 468
39.2 Elektrische Feldgrößen 469
39.2.1 Elektrische Feldstärke 469
39.2.2 Elektrische Flächenladungsdichte (Ladungsbedeckung) 471
39.2.3 Elektrische Flußdichte und elektrischer Fluß 472
39.3 Kraftwirkungen im elektrischen Feld 474
39.3.1 Kraft zwischen zwei Punktladungen (COULOMB-Kraft) 474
39.3.2 Kraft auf einen Dipol im elektrischen Feld 476
39.3.3 Potential und Spannung 477
39.4 Elektrisches Feld mehrerer Ladungen 482
39.5 Kapazität 484
39.6 Schaltung von Kondensatoren 487
39.7 Energie und Energiedichte des elektrischen Feldes 489
39.8 Lade-und Entladevorgänge in einem Stromkreis mit Kondensator 491
39.9 Elektrisches Feld und Stoff 492
39.9.1 Permittivitätszahl(Dielektrizitätszahl) 492
39.9.2 Vorgänge im Dielektrikum 494
39.9.3 Piezoelektrischer Effekt 496
39.9.4 Bildung elektrischer Doppelschichten 497
40 Magnetisches Feld 499
40.1 Grunderscheinungen des Magnetismus 499
40.2 Elektrischer Strom und Magnetfeld 500
40.3 Magnetische Feldgrößen 502
40.3.1 Magnetische Feldstärke (magnetische Erregung) 502
40.3.2 Durchflutungsgesetz 504
40.3.3 BiOT-SAVARTsches Gesetz 506
40.3.4 Magnetischer Fluß und magnetische Flußdichte 509
40.3.5 Magnetisches Moment 512
40.4 Magnetisches Feld und Stoff 513
40.4.1 Permeabilitätszahl 513
40.4.2 Ferromagnetismus, Magnetisierungskurve und Hysteresis 516
40.4.3 Para-und diamagnetische Stoffe 519
40.4.4 Magnetischer Kreis 520
40.5 Elektromagnetische Induktion 523
40.5.1 Induktionsgesetz 523
40.5.2 Induktionsvorgänge in bewegten Leitern 527
40.5.3 Gleichstromgenerator 529
40.5.4 Selbstinduktion 531
40.6 Kraft und Energie im Magnetfeld 533
40.6.1 Kraft auf eine bewegte Ladung im Magnetfeld (LORENTZ-Kraft) . 533
40.6.2 Kraft auf einen geraden stromführenden Leiter 534
40.6.3 Drehmoment auf einen magnetischen Dipol 536
40.6.4 Kraft zwischen parallelen stromführenden Leitern 540
40.6.5 Energie und Energiedichte des magnetischen Feldes 541
40.6.6 Zugkraft eines Magnets 543
40.7 Schaltvorgänge in einem Stromkreis mit Induktivität 544
40.8 Gegenüberstellung elektrischer und magnetischer Größen 545
41 Wechselstromkreis 547
41.1 Eigenschaften des Einphasenwechselstromes 547
41.1.1 Entstehung einer sinusförmigen Wechselspannung 547
41.1.2 Wechselstromgenerator 548
41.1.3 Gleichricht- und Effektivwerte von Wechselspannung und
Wechselstrom 549
41.2 Widerstände im Wechselstromkreis 551
41.2.1 Wirkwiderstand (Ohmscher Widerstand, Resistanz) 551
41.2.2 Induktiver Blindwiderstand (Induktive Reaktanz) 552
41.2.3 Kapazitiver Blindwiderstand (Kapazitive Reaktanz) 554
41.2.4 Addition phasenverschobener Spannungen und Stromstärken . . .555
41.2.5 Reihenschaltung von Wechselstromwiderständen 556
41.2.6 Parallelschaltung von Wechselstromwiderständen 559
41.2.7 Resonanz im Wechselstromkreis 562
41.3 Leistung im Wechselstromkreis 565
41.3.1 Wirkleistung 565
41.3.2 Blindleistung 565
41.3.3 Scheinleistung und Leistungsfaktor 567
41.4 Bedeutung und Kompensation der Blindleistung 569
41.5 Transformator 571
41.6 Berechnungen von Wechselstromkreisen mit komplexen Zahlen 573
41.7 Dreiphasenwechselstrom 575
41.7.1 Entstehung des Dreiphasenwechselstromes 575
41.7.2 Dreieckschaltung 576
41.7.3 Sternschaltung 577
41.7.4 Leistung im Drehstromkreis 578
42 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 579
42.1 Schwingkreis 579
42.2 Erzeugung elektrischer Schwingungen 581
42.3 Dipol als Schwingkreis 582
42.4 Freie elektromagnetische Wellen 583
42.5 MAXWELLsche Gleichungen 586
43 Leitung des elektrischen Stromes in festen Körpern 591
43.1 Geschwindigkeit freier Elektronen 591
43.2 Driftgeschwindigkeit und Beweglichkeit von Ladungsträgern 592
43.3 Metallische Leiter 593
43.4 Supraleitung 594
43.5 HALL-Effekt 597
43.6 Elektronengas 598
43.7 Thermoelektrische Erscheinungen 600
43.8 Halbleiter 602
43.8.1 Eigenleitung 603
43.8.2 Störleitung (Störstellenleitung) 606
43.8.3 pn-Übergang, Dioden 607
43.8.4 Bipolartransistor 612
43.8.5 Thyristor 616
43.8.6 Unipolar-oder Feldeffekt-Transistor 617
44 Elektrische Leitung in Elektrolyten 620
44.1 Ionenleitung und Ionenbeweglichkeit 620
44.2 FARADAYsche Gesetze 622
44.3 Galvanische Elemente 624
45 Elektrische Leitung in Gasen 629
45.1 Unselbständige und selbständige Entladung 629
45.2 Glimmentladung 631
46 Elektrische Leitung im Vakuum 633
46.1 Elektronenemission aus Metallen 633
46.2 Ablenkung von Elektronen im elektrischen Feld 634
46.3 Ablenkung von Elektronen im magnetischen Feld 636
46.4 Elektronenröhren 637
Quanten und Relativität
47 Quanteneigenschaften des Lichtes 641
47.1 Lichtquanten (Photonen) 641
47.2 Äußerer Fotoeffekt (Lichtelektrischer Effekt) 643
47.3 Innerer Fotoeffekt 645
48 Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie 649
48.1 MlCHELSON-Versuch 649
48.2 LORENTZ-Transformation 650
48.3 Masse-Energie-Beziehung 654
48.4 Relativistische Massenzunahme 656
49 Dualismus Welle-Teilchen 659
49.1 Masse und Impuls von Lichtquanten 659
49.2 Welleneigenschaften der Teilchen - Materiewellen 659
50 HElSENBERGsche Unbestimmtheitsrelation (Unschärfebeziehung) 663
Atomphysik
51 Atomhülle 668
51.1 Bestandteile des Atoms und ihre wichtigsten Eigenschaften 668
51.2 Ordnungszahl und Massenzahl 672
51.3 Wasserstoffatom 674
51.3.1 BOHRsche Postulate 675
51.3.2 Spektrallinien des Wasserstoffs 676
51.3.3 Quantenzahlen 679
51.3.4 Wellenmechanisches Atommodell 682
51.4 Aufbau der Atomhüllen der Elemente 687
51.5 Röntgenstrahlung 693
51.5.1 Röntgenbremsstrahlung 694
51.5.2 Charakteristische Röntgenstrahlung 696
51.6 Energiebändermodell 699
51.6.1 Bändermodell der metallischen Leiter und der Nichtleiter 701
51.6.2 Bändermodell der Halbleiter 702
51.7 Fluoreszenz und Phosphoreszenz 704
51.8 Laser 705
52 Atomkern 710
52.1 Natürliche Radioaktivität 710
52.2 Gesetze der radioaktiven Umwandlung 711
52.2.1 Allgemeine Merkmale 711
52.2.2 Wichtigste Arten der radioaktiven Umwandlungen 712
52.2.3 Statistischer Charakter der Kernumwandlungen 716
52.2.4 Zerfallsgesetz 717
52.2.5 Aktivität und spezifische Aktivität 719
52.3 Umwandlungsreihen (Zerfallsreihen) 720
52.4 Massen der Atomkerne 723
52.4.1 Kernarten 723
52.4.2 Massendefekt und Bindungsenergie, Reaktionsenergie 724
52.5 Kernmodelle 728
52.5.1 Kernkräfte 728
52.5.2 Tröpfchenmodell 729
52.5.3 Schalenmodell 730
52.5.4 Energietopfmodell 730
52.6 Künstliche Kernumwandlungen 732
52.6.1 Kernreaktionen 732
52.6.2 Teilchenbeschleuniger 735
52.6.3 Künstliche Radionuklide 736
53 Wechselwirkung zwischen Kernstrahlung und Materie 737
53.1 Schwächung von a-Strahlung 737
53.2 Schwächung von ß-Strahlung 738
53.3 Schwächung von y-Strahlung 741
53.4 Nachweis der Kernstrahlung 745
54 Grundlagen der Dosimetrie 749
54.1 Energieflußdichte (Strahlungsflußdichte) 749
54.2 Kerma, Kermaleistung, Energiedosis und Energiedosisleistung 750
54.3 Ionendosis und Ionendosisleistung 751
54.4 Äquivalentdosis (Bewertete Dosis) 752
54.5 Strahlenschutzmaßnahmen 753
54.6 Ionendosisleistung, Äquivalentdosisleistung, punktförmige y-Strahlenquelle 755
55 Gewinnung von Kernenergie 757
55.1 Vorgang der Kernspaltung 757
55.2 Kernspaltungsenergie 759
55.3 Wechselwirkung von Neutronen mit Atomkernen 760
55.4 Kernreaktor 762
55.5 Anwendung von Radionukliden 765
55.6 Thermonukleare Reaktion (Kernfusion) 766
56 Elementarteilchen 769
56.1 Kosmische Strahlung (Höhenstrahlung) 770
56.2 Standardmodell der Elementarteilchen 770
56.3 Ladungsartige Quantenzahlen und Erhaltungssätze 777
56.4 Wechselwirkungen 778
Sach Wortverzeichnis 781 |
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Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1 Physikalische Größen und Gleichungen 21
1.1 Physikalische Größen 21
1.2 Vektorielle und skalare Größen 22
1.3 Physikalische Gleichungen 22
1.3.1 Größengleichungen 22
1.3.2 Zugeschnittene Größengleichungen 23
1.3.3 Einheitengleichungen 24
1.3.4 Dimensionen 24
1.4 Internationales Einheitensystem 24
1.4.1 Längeneinheit Meter 26
1.4.2 Masseeinheit Kilogramm 27
1.4.3 Zeiteinheit Sekunde 28
1.5 Meßgrößen und Meßwerte 28
1.5.1 Grundbegriffe 28
1.5.2 Meßunsicherheiten 29
1.5.3 Meßreihen 29
1.5.4 Fehlerfortpflanzung 33
1.5.5 Regression 34
Mechanik des Massenpunkts und des starren Körpers
2 Kinematik 37
2.1 Einführung 37
2.2 Bezugssysteme, Ortsvektor 38
2.3 Geschwindigkeit 41
2.4 Beschleunigung 46
2.5 Bewegung im Schwerefeld der Erde 50
2.5.1 Freier Fall 50
2.5.2 Senkrechter Wurf 52
2.5.3 Waagerechter und schräger Wurf 53
2.6 Kreisbewegung 55
2.6.1 Polarkoordinaten 55
2.6.2 Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung 56
2.6.3 Radialbeschleunigung bei der Kreisbewegung 59
3 Kräfte am Massenpunkt 61
3.1 Das Trägheitsgesetz 61
3.2 Das Grundgesetz der Dynamik 62
3.3 Überlagerung von Kräften 65
3.4 Das Reaktionsprinzip 67
3.5 Messung von Kräften 68
3.6 Trägheitskräfte 69
3.7 Reibung 73
4 Gravitation 77
4.1 Schwerkraft 77
4.2 Das Gravitationsgesetz 78
4.3 Kraftfelder 82
5 Arbeit und Leistung 84
5.1 Arbeit als physikalische Größe 84
5.2 Formen mechanischer Arbeit 86
5.2.1 Beschleunigungsarbeit 87
5.2.2 Verschiebungsarbeit 88
5.3 Leistung 91
6 Energie 93
6.1 Kinetische und potentielle Energie 93
6.2 Die Erhaltung der Energie 96
6.3 Rotationsenergie 99
7 Impuls 103
7.1 Impulserhaltung 103
7.2 Stoßvorgänge 106
7.3 Der Massenmittelpunkt 111
8 Kräfte am starren Körper 113
8.1 Statik 114
8.1.1 Innere und äußere Kräfte 114
8.1.2 Kräfte mit unterschiedlichen Angriffspunkten 114
8.1.3 Drehmomente 116
8.1.4 Das Drehmoment als Vektor 120
8.1.5 Der Schwerpunkt 122
8.2 Kinetik starrer Körper 125
8.2.1 Drehbeschleunigung 125
8.2.2 Kreisel, Drehimpuls 129
8.2.3 Rotation und Translation 136
Mechanik der Flüssigkeiten und Gase
9 Ruhende Flüssigkeiten und Gase 142
9.1 Kennzeichen des flüssigen Zustandes 142
9.2 Oberflächenspannung 143
9.3 Druck und Druckausbreitung 146
9.3.1 Druck 146
9.3.2 Druck in Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck) 149
9.3.3 Druck und Volumen der Gase 152
9.3.4 Schweredruck in Gasen 154
9.4 Auftrieb 157
10 Strömende inkompressible Flüssigkeiten 160
10.1 Reibungsfreie Strömungen 160
10.1.1 Grundbegriffe des Strömungsfeldes 160
10.1.2 Gesetz von Bernoulli 163
10.1.3 Ausfluß aus Gefäßen 165
10.1.4 Weitere Anwendungen der BERNOULLlschen Gleichung 166
10.2 Strömungen mit Reibung 169
10.2.1 Innere Reibung 169
10.2.2 Anwendungen des Reibungsgesetzes 171
10.2.3 Grenzschicht und Wirbelbildung 174
10.2.4 Strömungswiderstand von Körpern 175
10.2.5 Ähnlichkeitsgesetz der Strömungen 178
Schwingungen und Wellen
11 Kinematik schwingender Körper 182
11.1 Die harmonische Schwingung 183
11.2 Zusammengesetzte Schwingungen 187
11.2.1 Schwebungen 187
11.2.2 Allgemeine periodische Schwingungen 189
11.2.3 Schwingungen mit mehreren Freiheitsgraden 192
11.2.4 Drehschwingungen 194
12 Dynamik schwingender Körper 195
12.1 Der freie harmonische Oszillator 195
12.1.1 Lineare Federschwingung 195
12.1.2 Drehschwinger 197
12.1.3 Energiebilanz 200
12.2 Dämpfung 200
12.3 Erzwungene Schwingungen 203
12.4 Gekoppelte Oszillatoren 209
12.4.1 Systeme aus einzelnen Oszillatoren 209
12.4.2 Schwingungen ausgedehnter Körper 213
13 Wellen 217
13.1 Grundbegriffe 217
13.2 Harmonische Wellen 220
13.3 Energietransport 223
13.4 Wellengruppen 225
14 Überlagerung von Wellen 228
14.1 Interferenzen 229
14.2 Stehende Wellen 230
15 Reflexion, Brechung und Beugung 232
15.1 Elementarwellen 232
15.2 Reflexion 234
15.3 Brechung 234
15.4 Beugung 236
16 Schallwellen 237
16.1 Schallausschlag, Schallschnelle 237
16.2 Schallgeschwindigkeit 238
16.3 Schalldruck 241
16.4 Schallenergie 242
16.5 Strahlungsdruck 244
16.6 Schallpegel 245
16.7 Reflexion und Transmission 246
16.8 Lautstärke 248
16.9 DOPPLER-Effekt 250
16.10 Ultraschall 253
Wärmelehre
17 Temperatur und thermische Ausdehnung 255
17.1 Temperaturmessung 255
17.2 Ausdehnung fester und flüssiger Körper 257
17.2.1 Längenausdehnung 257
17.2.2 Volumenausdehnung 259
17.3 Verhalten der Gase bei Temperaturänderung 261
17.3.1 Gesetz von Gay-Lussac bei konstantem Druck 262
17.3.2 Gesetz von Gay-Lussac bei konstantem Volumen 263
17.3.3 Experimentelle Bestimmung des Volumenausdehnungs¬
koeffizienten 264
17.4 Zustandsgieichung idealer Gase 265
17.4.1 Stoffmenge, das Mol 266
17.4.2 Allgemeine und spezielle Gaskonstante 267
18 Wärme und erster Hauptsatz der Wärmelehre 269
18.1 Wärme und Wärmekapazität 269
18.2 Erster Hauptsatz der Wärmelehre 274
19 Zustandsänderungen idealer Gase 276
19.1 Isochore Zustandsänderung 276
19.2 Isobare Zustandsänderung 277
19.3 Isotherme Zustandsänderung 279
19.4 Adiabatische Zustandsänderung 282
19.5 Polytrope Zustandsänderung 285
19.6 Bestimmung des Verhältnisses der spezifischen Wärmekapazitäten 286
20 Kinetische Theorie der Wärme 287
20.1 Masse der Atome und Moleküle, AVOGADRO-Konstante 288
20.2 Geschwindigkeit der Gasteilchen 290
20.2.1 Grundgleichung der kinetischen Gastheorie, Druck 291
20.2.2 Kinetische Energie der Gasteilchen, Temperatur 293
20.2.3 MAXWELLsche Geschwindigkeitsverteilung 295
20.3 Theorie der Wärmekapazität 298
20.4 Stoßzahl und mittlere freie Weglänge 301
21 Kreisprozesse und zweiter Hauptsatz der Wärmelehre 302
21.1 Wirkungsweise einer Wärmekraftmaschine 303
21.2 Kältemaschine und Wärmepumpe 306
21.3 Reversible und irreversible Vorgänge 308
21.4 CARNOTscher Kreisprozeß 310
21.5 Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre 314
21.5.1 Entropie beim CARNOTschen Kreisprozeß 314
21.5.2 Berechnung der Entropie 315
21.5.3 Entropieänderung beim Temperaturausgleich 316
21.5.4 Entropie und Wahrscheinlichkeit 317
22 Reale Gase 319
22.1 Isothermen eines realen Gases 319
22.2 Kritischer Zustand 320
22.3 Verflüssigung der Gase 320
23 Änderungen des Aggregatzustandes 322
23.1 Schmelzen und Erstarren 322
23.1.1 Besonderheiten beim Schmelzen und Erstarren 323
23.2 Verdampfen und Kondensieren 324
23.2.1 Besonderheiten beim Verdampfen und Kondensieren 326
23.3 Dämpfe 326
23.3.1 Dampf-und Gaszustand 326
23.3.2 Dampfdruck und Temperatur 329
23.3.3 Luftfeuchtigkeit 331
24 Ausbreitung der Wärme 334
24.1 Wärmeleitung 334
24.2 Wärmeübergang 337
24.3 Wärmedurchgang 337
Optik
25 Wesen und Ausbreitung des Lichtes 339
25.1 Wesen des Lichtes 339
25.2 Ausbreitung des Lichtes 341
26 Reflexion des Lichtes 343
26.1 Ebener Spiegel 343
26.2 Gekrümmter Spiegel 346
26.2.1 Sphärischer Hohlspiegel 346
26.2.2 Abbildung im sphärischen Hohlspiegel 347
26.3 Sphärischer Wölbspiegel (Konvexspiegel oder erhabener Spiegel) 351
27 Brechung (Refraktion) des Lichtes 352
27.1 Brechungsgesetz 352
27.1.1 Planparallele Platte 354
27.2 Prisma 356
27.3 Totalreflexion 357
28 Zerlegung des Lichtes (Dispersion) 360
28.1 Dispersion 360
28.2 Spektren 362
29 Sphärische Linsen 365
29.1 Dünne Linsen 365
29.1.1 Brennweite und Vorzeichenregeln 366
29.1.2 Abbildungsgesetze 368
29.2 Dicke Linsen 371
29.3 Linsensysteme 372
29.4 Linsenfehler 375
29.4.1 Chromatischer Fehler 375
29.4.2 Sphärische Fehler 376
29.4.3 Astigmatismus und weitere Fehler 376
30 Optische Instrumente 378
30.1 Auge 378
30.1.1 Sehweite und Sehwinkel 378
30.1.2 Sehschärfe 379
30.2 Kamera und Projektor 380
30.3 Lupe 380
30.4 Fernrohre 381
30.4.1 Astronomisches Fernrohr 381
30.4.2 GALiLEisches Fernrohr 382
30.5 Mikroskop 383
31 Interferenz des Lichtes 384
31.1 Voraussetzungen für Interferenzerscheinungen 384
31.2 Interferenzen gleicher Neigung 387
31.3 Farben dünner Blättchen 389
31.4 Interferenzen gleicher Dicke 391
32 Beugung des Lichtes 393
32.1 Beugung am Spalt 394
32.2 Beugungsgitter 396
32.3 Auflösungsvermögen optischer Instrumente 398
32.4 Holografie 400
33 Polarisation des Lichtes 403
33.1 Polarisation durch Reflexion und Brechung 404
33.2 Polarisation durch Doppelbrechung und andere Polarisationseffekte . . . .405
34 Strahlungsgesetze 408
34.1 Strahlungsphysikalische Größen 408
34.1.1 Strahlungsfluß, Strahlungsflußdichte und spezifische Ausstrahlung 408
34.1.2 Strahlstärke 409
34.1.3 Strahldichte 410
34.1.4 Bestrahlungsstärke und Bestrahlung 411
34.1.5 Strahlungsenergiedichte und Strahlungsdruck 412
34.2 Temperaturstrahlung 412
34.2.1 Transmission, Reflexion und Absorption der Temperaturstrahlung .413
34.2.2 KiRCHHOFFsches Strahlungsgesetz 415
34.2.3 STEFAN-BOLTZMANNsches Strahlungsgesetz 418
34.2.4 Spektrale Verteilung der Temperaturstrahlung 419
34.2.5 Temperaturmessung durch Strahlung 422
35 Physiologische Wirkungen des Lichtes 423
35.1 Spektraler Heilempfindlichkeitsgrad 423
35.2 Lichttechnische Größen 424
35.2.1 Lichtstärke 424
35.2.2 Lichtstrom, Lichtmenge, spezifische Ausstrahlung und
Lichtausbeute 426
35.2.3 Leuchtdichte 428
35.2.4 Beleuchtungsstärke und Belichtung 429
35.3 Extinktion 431
35.4 Fotometrische Meßgeräte 433
36 Farbenlehre 434
36.1 Spektral- und Komplementärfarben 434
36.2 Additive und subtraktive Farbmischungen, Körperfarben 435
36.3 Farbmetrik 436
Elektrizitätslehre
37 Wichtige elektrische Größen 440
37.1 Vorbemerkungen 440
37.2 Elektrische Stromstärke und elektrische Ladung 441
37.3 Elektrische Spannung 443
37.4 Elektrischer Widerstand und elektrischer Leitwert 445
37.5 Elektrischer Widerstand und Temperatur 447
38 Gleichstromkreis 448
38.1 OHMsches Gesetz 448
38.2 KiRCHHOFFsche Gesetze 449
38.3 Verzweigter Stromkreis 450
38.4 Unverzweigter Stromkreis 452
38.5 Innerer Widerstand von Spannungsquellen, Klemmenspannung 455
38.6 Meßbereichserweiterungen von Strom- und Spannungsmessern 457
38.7 Spannungsteiler 458
38.8 Messung elektrischer Widerstände 460
38.9 Elektrische Energie und elektrische Leistung 462
39 Elektrisches Feld 463
39.1 Grunderscheinungen elektrischer Ladungen 463
39.1.1 Elektrische Feldlinien 465
39.1.2 Influenz 468
39.2 Elektrische Feldgrößen 469
39.2.1 Elektrische Feldstärke 469
39.2.2 Elektrische Flächenladungsdichte (Ladungsbedeckung) 471
39.2.3 Elektrische Flußdichte und elektrischer Fluß 472
39.3 Kraftwirkungen im elektrischen Feld 474
39.3.1 Kraft zwischen zwei Punktladungen (COULOMB-Kraft) 474
39.3.2 Kraft auf einen Dipol im elektrischen Feld 476
39.3.3 Potential und Spannung 477
39.4 Elektrisches Feld mehrerer Ladungen 482
39.5 Kapazität 484
39.6 Schaltung von Kondensatoren 487
39.7 Energie und Energiedichte des elektrischen Feldes 489
39.8 Lade-und Entladevorgänge in einem Stromkreis mit Kondensator 491
39.9 Elektrisches Feld und Stoff 492
39.9.1 Permittivitätszahl(Dielektrizitätszahl) 492
39.9.2 Vorgänge im Dielektrikum 494
39.9.3 Piezoelektrischer Effekt 496
39.9.4 Bildung elektrischer Doppelschichten 497
40 Magnetisches Feld 499
40.1 Grunderscheinungen des Magnetismus 499
40.2 Elektrischer Strom und Magnetfeld 500
40.3 Magnetische Feldgrößen 502
40.3.1 Magnetische Feldstärke (magnetische Erregung) 502
40.3.2 Durchflutungsgesetz 504
40.3.3 BiOT-SAVARTsches Gesetz 506
40.3.4 Magnetischer Fluß und magnetische Flußdichte 509
40.3.5 Magnetisches Moment 512
40.4 Magnetisches Feld und Stoff 513
40.4.1 Permeabilitätszahl 513
40.4.2 Ferromagnetismus, Magnetisierungskurve und Hysteresis 516
40.4.3 Para-und diamagnetische Stoffe 519
40.4.4 Magnetischer Kreis 520
40.5 Elektromagnetische Induktion 523
40.5.1 Induktionsgesetz 523
40.5.2 Induktionsvorgänge in bewegten Leitern 527
40.5.3 Gleichstromgenerator 529
40.5.4 Selbstinduktion 531
40.6 Kraft und Energie im Magnetfeld 533
40.6.1 Kraft auf eine bewegte Ladung im Magnetfeld (LORENTZ-Kraft) . 533
40.6.2 Kraft auf einen geraden stromführenden Leiter 534
40.6.3 Drehmoment auf einen magnetischen Dipol 536
40.6.4 Kraft zwischen parallelen stromführenden Leitern 540
40.6.5 Energie und Energiedichte des magnetischen Feldes 541
40.6.6 Zugkraft eines Magnets 543
40.7 Schaltvorgänge in einem Stromkreis mit Induktivität 544
40.8 Gegenüberstellung elektrischer und magnetischer Größen 545
41 Wechselstromkreis 547
41.1 Eigenschaften des Einphasenwechselstromes 547
41.1.1 Entstehung einer sinusförmigen Wechselspannung 547
41.1.2 Wechselstromgenerator 548
41.1.3 Gleichricht- und Effektivwerte von Wechselspannung und
Wechselstrom 549
41.2 Widerstände im Wechselstromkreis 551
41.2.1 Wirkwiderstand (Ohmscher Widerstand, Resistanz) 551
41.2.2 Induktiver Blindwiderstand (Induktive Reaktanz) 552
41.2.3 Kapazitiver Blindwiderstand (Kapazitive Reaktanz) 554
41.2.4 Addition phasenverschobener Spannungen und Stromstärken . . .555
41.2.5 Reihenschaltung von Wechselstromwiderständen 556
41.2.6 Parallelschaltung von Wechselstromwiderständen 559
41.2.7 Resonanz im Wechselstromkreis 562
41.3 Leistung im Wechselstromkreis 565
41.3.1 Wirkleistung 565
41.3.2 Blindleistung 565
41.3.3 Scheinleistung und Leistungsfaktor 567
41.4 Bedeutung und Kompensation der Blindleistung 569
41.5 Transformator 571
41.6 Berechnungen von Wechselstromkreisen mit komplexen Zahlen 573
41.7 Dreiphasenwechselstrom 575
41.7.1 Entstehung des Dreiphasenwechselstromes 575
41.7.2 Dreieckschaltung 576
41.7.3 Sternschaltung 577
41.7.4 Leistung im Drehstromkreis 578
42 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen 579
42.1 Schwingkreis 579
42.2 Erzeugung elektrischer Schwingungen 581
42.3 Dipol als Schwingkreis 582
42.4 Freie elektromagnetische Wellen 583
42.5 MAXWELLsche Gleichungen 586
43 Leitung des elektrischen Stromes in festen Körpern 591
43.1 Geschwindigkeit freier Elektronen 591
43.2 Driftgeschwindigkeit und Beweglichkeit von Ladungsträgern 592
43.3 Metallische Leiter 593
43.4 Supraleitung 594
43.5 HALL-Effekt 597
43.6 Elektronengas 598
43.7 Thermoelektrische Erscheinungen 600
43.8 Halbleiter 602
43.8.1 Eigenleitung 603
43.8.2 Störleitung (Störstellenleitung) 606
43.8.3 pn-Übergang, Dioden 607
43.8.4 Bipolartransistor 612
43.8.5 Thyristor 616
43.8.6 Unipolar-oder Feldeffekt-Transistor 617
44 Elektrische Leitung in Elektrolyten 620
44.1 Ionenleitung und Ionenbeweglichkeit 620
44.2 FARADAYsche Gesetze 622
44.3 Galvanische Elemente 624
45 Elektrische Leitung in Gasen 629
45.1 Unselbständige und selbständige Entladung 629
45.2 Glimmentladung 631
46 Elektrische Leitung im Vakuum 633
46.1 Elektronenemission aus Metallen 633
46.2 Ablenkung von Elektronen im elektrischen Feld 634
46.3 Ablenkung von Elektronen im magnetischen Feld 636
46.4 Elektronenröhren 637
Quanten und Relativität
47 Quanteneigenschaften des Lichtes 641
47.1 Lichtquanten (Photonen) 641
47.2 Äußerer Fotoeffekt (Lichtelektrischer Effekt) 643
47.3 Innerer Fotoeffekt 645
48 Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie 649
48.1 MlCHELSON-Versuch 649
48.2 LORENTZ-Transformation 650
48.3 Masse-Energie-Beziehung 654
48.4 Relativistische Massenzunahme 656
49 Dualismus Welle-Teilchen 659
49.1 Masse und Impuls von Lichtquanten 659
49.2 Welleneigenschaften der Teilchen - Materiewellen 659
50 HElSENBERGsche Unbestimmtheitsrelation (Unschärfebeziehung) 663
Atomphysik
51 Atomhülle 668
51.1 Bestandteile des Atoms und ihre wichtigsten Eigenschaften 668
51.2 Ordnungszahl und Massenzahl 672
51.3 Wasserstoffatom 674
51.3.1 BOHRsche Postulate 675
51.3.2 Spektrallinien des Wasserstoffs 676
51.3.3 Quantenzahlen 679
51.3.4 Wellenmechanisches Atommodell 682
51.4 Aufbau der Atomhüllen der Elemente 687
51.5 Röntgenstrahlung 693
51.5.1 Röntgenbremsstrahlung 694
51.5.2 Charakteristische Röntgenstrahlung 696
51.6 Energiebändermodell 699
51.6.1 Bändermodell der metallischen Leiter und der Nichtleiter 701
51.6.2 Bändermodell der Halbleiter 702
51.7 Fluoreszenz und Phosphoreszenz 704
51.8 Laser 705
52 Atomkern 710
52.1 Natürliche Radioaktivität 710
52.2 Gesetze der radioaktiven Umwandlung 711
52.2.1 Allgemeine Merkmale 711
52.2.2 Wichtigste Arten der radioaktiven Umwandlungen 712
52.2.3 Statistischer Charakter der Kernumwandlungen 716
52.2.4 Zerfallsgesetz 717
52.2.5 Aktivität und spezifische Aktivität 719
52.3 Umwandlungsreihen (Zerfallsreihen) 720
52.4 Massen der Atomkerne 723
52.4.1 Kernarten 723
52.4.2 Massendefekt und Bindungsenergie, Reaktionsenergie 724
52.5 Kernmodelle 728
52.5.1 Kernkräfte 728
52.5.2 Tröpfchenmodell 729
52.5.3 Schalenmodell 730
52.5.4 Energietopfmodell 730
52.6 Künstliche Kernumwandlungen 732
52.6.1 Kernreaktionen 732
52.6.2 Teilchenbeschleuniger 735
52.6.3 Künstliche Radionuklide 736
53 Wechselwirkung zwischen Kernstrahlung und Materie 737
53.1 Schwächung von a-Strahlung 737
53.2 Schwächung von ß-Strahlung 738
53.3 Schwächung von y-Strahlung 741
53.4 Nachweis der Kernstrahlung 745
54 Grundlagen der Dosimetrie 749
54.1 Energieflußdichte (Strahlungsflußdichte) 749
54.2 Kerma, Kermaleistung, Energiedosis und Energiedosisleistung 750
54.3 Ionendosis und Ionendosisleistung 751
54.4 Äquivalentdosis (Bewertete Dosis) 752
54.5 Strahlenschutzmaßnahmen 753
54.6 Ionendosisleistung, Äquivalentdosisleistung, punktförmige y-Strahlenquelle 755
55 Gewinnung von Kernenergie 757
55.1 Vorgang der Kernspaltung 757
55.2 Kernspaltungsenergie 759
55.3 Wechselwirkung von Neutronen mit Atomkernen 760
55.4 Kernreaktor 762
55.5 Anwendung von Radionukliden 765
55.6 Thermonukleare Reaktion (Kernfusion) 766
56 Elementarteilchen 769
56.1 Kosmische Strahlung (Höhenstrahlung) 770
56.2 Standardmodell der Elementarteilchen 770
56.3 Ladungsartige Quantenzahlen und Erhaltungssätze 777
56.4 Wechselwirkungen 778
Sach Wortverzeichnis 781 |
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