Physik für Hochschulanfänger

514 Pages·1991·18.192 MB·German

by  Prof. Dr. phil. nat. Horst Wegener (auth.)

Teubner StudienbOcher
Physik
Becher/Bahm/Joos: Elchtheorien derstarken und elektroschwachen
Wechselwlrkung
2. Aufl. OM 39,80
Berry: Kosmologle und Gravitation. OM 26,80
Bopp: Kerne, Hadronen und Elementartellchen. OM 34,
Bourne/Kendall: Vektoranalysls. 2. Aufl. OM 28,80
Buttgenbach: Mikromechanlk. OM 32,-
Carlsson/Pipes: Hochlelstungsfaserverbundwerkstoffe. OM 28,80
Constantinescu: Distrlbutlonen und Ihre Anwendung In der Physik. OM 23,80
Daniel: Beschleuniger. OM 28,80
Engelke: Aufbau der Molekiile. OM 38,-
Fischer/Kaul: Mathematik fOr Physlker
Band 1: Grundkurs. 2. Aufl. OM 48,-
Goetzberger/Wittwer: SOflnenenergie. 2. Auf!. OM 29,80
Gross/Runge: Vielteilchentheorie. OM 39,80
GroBer: Einfiihrung in die Teilchenoptlk. OM 26,80
GroBmann: Mathematlscher Elnfiihrungskurs fiir die Physik.
6. Aufl. OM 36,80
Grotz/Klapdor: Ole schwache Wechselwirkung In Kern-, Teilchen-und
Astrophysik. OM 45,-
Heil/Kitzka: Grundkurs Theoretische Mechanik. OM 39,
Henzler/Gapel: OberfiAchenphyslk des Festk6rpers. OM 59,80
Heinloth: Energie. OM 42,-
Kamke/Kramer: Physlkalische Grundlagen der MaBelnhelten. OM 26,80
Kleinknecht: Detektoren fiirTeilchenstrahlung. 2. Auf!. OM 29,80
Kneubuhl: Repetltorium der Physik. 4. Aufl. OM 48,-
KneubOhllSigrist: Laser. 3. Aufl. OM 44,80
Kopitzki: Einfiihrung In die Festk6rperphyslk. 2. Auf!. OM 44,
Kunze: Physlkallsche MeBmethoden. OM 28,80
Lautz: Elektromagnetische Felder. 3. Autl. OM 32,-
Undner: Drehlmpulse In der Quantenmechanlk. OM 28,80
Lohrmann: Elnfiihrung In die Elementarteilchenphyslk. 2. Aufl. OM 26,80
Lohrmann: Hoc~energlephysik. 3. Auf!. OM 34,-
Mayer-Kuckuk: Atomphysik. 3. Autl. OM 34,-
B. G. Teubner Stuttgart
Physik fur
Hochschulanfanger
Von Prof. Dr. phil. nat. Horst Wegener
Universitat Erlangen-Nurnberg
3., durchgesehene Auflage
Mit zahlreichen Abbildungen und Tabellen
m
B. G. Teubner Stuttgart 1991
Prof. Dr. phil. nat. Horst Wegener
Geboren 1926 in Buxtehude. Physikstudium bei R. Fleischmann
in Hamburg; Promotion 1953 und Habilitation 1958 in Erlangen.
Von 1959 bis 1961 Wissenschaftler am Oak Ridge National Labora
tory ORNL, USA. Seit 1961 Professor (Lehrstuhl fUr Physik) und
Vorstandsmitglied des Physikalischen Instituts der Universitat Er
langen-Nurnberg; Forschungsaufenthalte u. a. am ORNL (1962,
1963, 1966/67), Centro Nuclear de Mexico (1967) und am Deut
schen Elektronensynchroton DESY in Hamburg (1974 und seit
1980). Hauptarbeitsgebiete: Schwache Wechselwirkung, Mossbauer
spektroskopie, Hochenergiephysik.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Wegener, Horst:
Physik fur Hochschulanfanger : mit Tabelien I von Horst
Wegener. - 3., durchges. Aufl. - Stuttgart: Teubner, 1991
Das Werk einschlieBlich alier seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzt.
Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgeset
zes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt
besonders fUr Vervielfaltigungen. Obersetzungen, Mikroverfilmungen und
die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1989
ISBN-13: 978-3-519-23053-3 e-ISBN-13: 978-3-322-89192-1
DOl: 10.1007/ 978-3-322-89192-1
Vorwort
An der Universitat Erlangen-Niirnberg wird fiir Studienanfanger die zweisemestrige
Vorlesung "Einfiihrung in die Physik (Experimentalphysik)" angeboten. Sie wen
det sich an Horer, die spater physikalische Praktika absolvieren oder weiterfiihrende
Vorlesungen iiber Festkorper-, Atom-, Kern- und Teilchenphysik besuchen. Ahnli
che Lehrveranstaltungen finden auch an den meisten anderen deutschen Hochschu
len statt. Dieses Buch ist aus meinem Erlanger Vorlesungsmanuskript hervorgegan
gen. Die Stoffauswahl erfolgte so, daB man die Diplomvorpriifung oder die Zwi
schenpriifung zum Staatsexamen in "Experimentalphysik" bestehen miiBte, wenn
man den Stoff beherrscht und das Anfangerpraktikum hinter sich gebracht hat.
Zu Form und Inhalt der Erlanger Vorlesungen: Trotz des Titels "Experimentalphy
sik", der durch verschiedene Priifungsordnungen vorgegeben ist, werden nur wenige
Experimente vorgefiihrt. Aufwendige Versuche miiBten sorgfaltig vorbereitet werden,
was in den iiberlasteten Horsalen kaum noch moglich ist. Und einfache Versuche sind
im Anfangerpraktikum aufgebaut. Die Vorlesungen beginnen mit einem Expose iiber
Materie, Antimaterie und Symmetrien. Es folgt die Mechanik, die verhaltnismaBig
bald relativistisch formuliert wird. Schwingungen und Wellen werden nicht in der Me
chanik (1. Semester) behandelt, sondern im Zusammenhang mit dem Wechselstrom
e·
(2. Semester), weil Studenten des 1. Semesters den Ausdruck wt noch nicht kennen.
Auch mit Funktionen von mehreren Veranderlichen ist der Anfanger nicht vertraut,
so daB man ihm z.B. die Warmelehre nicht als Wissenschaft der "Zustandsgro6en"
- die sie nun einmal ist - darbieten kann. Da die Warmelehre in den Anfangervor
lesungen nicht fehlen darf, muB sich der Dozent mit einer vereinfachten Darstellung
abfinden. So auch hier. Der Elektromagnetismus wird deduktiv abgehandelt, ausge
hend von den Maxwellschen Gleichungen in integraler Form. Die differentielle Form
wiirde wieder die Analysis von FUliktionen mit mehreren Variablen erfordern und
kommt deshalb nicht in Betracht. In der Optik wird der Dualismus Welle-Korpuskel
herausgearbeitet. Auf geometrische Optik wird ebensowenig eingegangen wie auf elek
tronische Schaltungen - zwei Gebiete, die ohnehin in jedem Physikpraktikum vertre-
IV
ten sind. Die Physik der Atome, Kerne und Elementarteilchen wird an ausgewahl
ten Beispielen exemplarisch dargestellt. Die Darstellung wird spater in Vorlesungen
und Seminaren iiber "Theoretische Physik" und "hOhere Experimentalphysik" ver
tieft und abgerundet. Das letzte Kapitel ,,2500 Jahre Elementarteilchen" handelt von
den aus heutiger Sicht unzerteilbaren Elementarteilchen (Leptonen und Quarks) und
den Krii.ften zwischen ihnen, die durch Wechselwirkungsfeldquanten (Gluonen, Pho
tonen und intermediii.re Vektorbosonen W+, W- und ZO) vermittelt werden. Auf
spektakulare Ereignisse, die seit der 1. Auflage 1982 des Skriptums stattgefunden
haben, wird besonders hingewiesen: 1983 die Entdeckung der W+, W- und ZO am
CERN, 1985 die Entdeckung der keramischen Hochtemperatursupraleiter durch Bed
norz und Miiller im IBM-Forschungslabor Riischlikon bei Ziirich, 1987 der Nachweis
von Neutrinos aus der Supernova 1987 A, die vor 165000 Jahren in der GroBen Ma
gellanschen Wolke stattgefunden hat, und 1989 die endgiiltige Bestatigung durch ein
CERN-Experiment, daB es genau 3 Neutrinoarten und damit 3 Generationen von
Leptonen und Quarks gibt.
Diese 3. Auflage unterscheidet sich nur unwesentlich von der 2. Auflage 1989. So ander
ten sich die Seitenzahlen und das Inhaltsverzeichnis nicht, obwohl auf 80 Seiten (meist
geringfiigige) Korrekturen vorgenommen und verschiedene Abbildungen umgezeich
net wurden. Kleinere Anderungen und Erganzungen gibt es z.B. in Kap. 15.2 bei
der "Weltraumstation" und der "Ostverlagerung der sibirischen Strome". In Kap. 38
wurden u.a. "Bottoniumzustii.nde" in "Bottomoniumzustande" umbenannt und die
Massenangaben der intermediaren Vektorbosonen verbessert.
Einige technische Hinweise: Gleichungen bzw. Abbildungen werden durch Zahlen
paare gekennzeichnet. (3.17) bzw. Abb.33.8 bedeutet Gleichung Nr.17 in Kapitel3
bzw. Abbildung Nr.8 in Kapitel33. Die Zeichen ex bzw. ~ bzw. '" stehen fiir "pro
portional" bzw. "ungefahr gleich" bzw. "von gleicher GroBenordnung". q:= p besagt,
daB fiir die als bekannt angenommene GroBe p die Bezeichnung "q" eingefiihrt wird.
Mein herzlicher Dank gilt Konrad Maier, Roland Stumpf und Martin Leghissa fiir
die miihsame Herstellung der Druckvorlagen und Frau Gisela Chucholowius fiir ihre
Beitrage zu den Abbildungen.
Erlangen, im Januar 1991
Horst Wegener
Inhaltsverzeichnis
Vorwort I
I Zur Einfiihrung: Materie und Symmetrien 1
1 Materie - Antimaterie 1
1.1 Materie ...... . 2
1.2 Erzeugung und Vernichtung von Teilchenpaaren 4
1.3 Antimaterie ................... . 5
2 Symmetriebetrachtungen 7
2.1 Das Spiegel-Klapp-Theorem 7
2.2 Raumspiegelung, Zeitumkehr, Ladungskonjugation . 9
2.3 Die Verletzung der P-Invarianz .. . 11
2.4 Das TCP-Theorem ......... . 13
2.5 Sind die Naturgesetze CP-invariant? 14
II Mechanik, auch relativistische 16
3 Bewegung von Massenpunkten 16
3.1 Orts- und Zeitangaben ... . 16
3.2 Drei Bewegungsbeispiele .. . 19
3.3 Geschwindigkeit und Beschleunigung 22
4 Einfiigung iiber Vektorrechnung 25
4.1 Vektoraddition ... 26
4.2 Vektormultiplikation 27
4.3 Einheitsvektoren 30
4.4 Der Ortsvektor 33
4.5 Kreisbewegung . 34
VI INHALTSVERZEICHNIS
5 Bewegte Koordinatensysteme und Lichtgeschwindigkeit 37
5.1 Inertialsysteme ..... . 37
5.2 Ereigniskoordinaten ........ . 39
5.3 Die Lichtgeschwindigkeit c .... . 40
5.4 Das Michelson-Morley-Experiment 42
5.5 Das Experiment von Sadeh. . . . . 46
5.6 Lichtgeschwindigkeit und Relativitatsprinzip 47
6 Lorentztransformation 49
6.1 Ableitung der Transformationsformeln 49
6.2 Diskussion der Lorentztransformation . 52
7 Das Grundgesetz der Mechanik 55
7.1 Massenmessung......... 56
7.2 Kraftmessung ......... . 57
7.3 Kraft gleich Masse mal Beschleunigung 59
7.4 Der reibungsfreie Wurf 60
7.5 Wechselwirkungen' .......... . 62
8 Methoden zur Integration der Bewegungsgleichung 64
8.1 Das Federpendel ................. . 64
8.2 Analytische Integration der Schwingungsgleichung . . 65
8.3 Numerische Integration der Schwingungsgleichung .. 67
8.4 Numerische Integration einer komplizierten Bewegungsgleichung 71
9 Der Energieerhaltungssatz der Mechanik 74
9.1 Arbeit ................... . 74
9.2 Konservative Krafte und Energieerhaltung 77
9.3 Anwendungen des Energieerhaltungssatzes 79
10 Der Impulserhaltungssatz 85
=
10.1 Impulserhaltung als Folge von actio reactio 85
10.2 Anwendungen des Impulserhaltungssatzes 89
11 Der Drehimpulserhaltungssatz 94
11.1 Drehimpuls eines Massenpunktes und Drehmoment 94
11.2 Drehimpuls von N Massenpunkten und Drehimpulserhaltung . 95
11.3 Drehbewegung starrer Korper . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
INHALTSVERZEICHNIS VII
11.4 Drehschemelversuche 101
11.5 Kreisel . . . . . . 103
11.6 Rotationsenergie 107
11. 7 Drehimpuls von Elementarteilchen (Spin) . 108
12 Relativistische Mechanik 110
12.1 Newtonsche Mechanik als Grenzfall vic < 1 111
12.2 Impulserhaltung und relativistische Massenformel 111
12.3 Energieerhaltung und Energie-Masse-Aquivalenz . 114
12.4 Lorentztransformation fiir Impuls und Energie . 115
12.5 Verkniipfung von Impuls- und Energieerhaltung 117
13 Anwendungen der relativistischen Mechanik 119
13.1 Elektrische und magnetische GroBen ..... 119
13.2 Elektronenkanone und Grenzgeschwindigkeit . 122
13.3 Ablenkung bewegter Teilchen durch ein Magnetfeld 124
13.4 Blasenkammeruntersuchungen 127
14 Gravitation 133
14.1 Das Newtonsche Gravitationsgesetz und die Keplerschen Gesetze . 133
14.2 Gravitationskonstante und Masse von Himmelskorpern 136
14.3 Himmelsmechanik und Entwicklung des Universums . 140
14.4 Ableitung der Keplerschen Gesetze ......... . 145
15 Beschleunigte Koordinatensysteme 148
15.1 Der Einsteinsche Fahrstuhl ..... 148
15.2 Die Drehscheibe als Beispiel eines rotierenden Koordinatensystems . 151
16 Eigenschaften fester, fliissiger und gasformiger Korper 156
<f
16.1 Aggregatzustande . . . . . . 156
16.2 Dichte, Druck und Auftrieb 157
16.3 Elastizitat von Festkorpern . 161
16.4 Oberflachenspannung von Fliissigkeiten . 163
16.5 Zwei Beispiele zur Oberflachenspannung 165
16.6 Innere Reibung in Fliissigkeiten und Gasen . 167
16.7 Drei Beispiele zur inneren Reibung . . . . . 168
VIII INHALTSVERZEICHNIS
17 Stromungen in Fliissigkeiten und Gasen 170
17.1 Laminare und turbulente Stromungen . 171
17.2 Die Bernoulli-Gleichung ....... . 174
17.3 Anwendungen der Bernoulli-Gleichung 176
III Thermodynamik und statistische Mechanik 179
18 Temperatur, Wiirme, Zustandsgleichung 179
18.1 Temperaturmessung ........ . 180
18.2 Warmemenge und spezifische Warme 184
18.3 Zustandsgleichungen ........ . 187
19 Der erste Hauptsatz der Wiirmelehre 193
19.1 Erster Hauptsatz und innere Energie U . 194
19.2 Adiabatische Zustandsanderungen . 196
19.3 Ein quantitativer Test ........ . 199
20 Der zweite Hauptsatz der Wiirmelehre 200
20.1 Der Carnotsche Kreisproze6 ..... 200
20.2 Reversible und irreversible Vorgiinge 203
20.3 Zweiter Hauptsatz und Temperatur 204
20.4 Die Dampfdruckkurve ...... . 207
20.5 Die Clausius-Clapeyron-Gleichung . 210
20.6 Phasendiagramme .. 211
21 Kinetische Gastheorie 213
21.1 Die Poissonsche Gleichung 213
21.2 Das ideale Gasgesetz und die Boltzmannkonstante k . 216
21.3 Der Boltzmannfaktor e-E/kT •.. 219
21.4 Der Energiegleichverteilungssatz . 223
21.5 Die Maxwell-Verteilung ..... . 226
IV Elektromagnetismus 228
22 Teilchen und Felder im Raum-Zeit-Kontinuum 228
22.1 Massenpunkte und starre Korper ....... . 229
INHALTSVERZEICHNIS IX
22.2 Felder ..... . 230
23 Ladungen, Strome, Felder 232
23.1 Elektrostatische und elektromagnetisme MeBgerate 232
23.2 Ladung ................ . 235
23.3 Stromstarke ............... . 238
J .. .
23.4 Ladungsdichte p und Stromdichte 240
23.5 Elektrische und magnetische Feldstiirke . 242
24 Die Maxwellschen Gleichungen 243
24.1 Zirkulation und FluB von Vektorfeldern . 244
24.2 Die Aussagen der Maxwellschen Gleichungen . 248
25 Elektrostatik 252
25.1 Bestimmung elektrostatischer Felder 253
25.2 Energie in elektrischen Feldern . 258
26 Leiter im elektrischen Feld 262
26.1 Ohmsches Gesetz und Joulesche Wiirme 262
26.2 Stromlose Elektrostatik . 264
26.3 Der Faradaybecher 267
26.4 Spannung ... 269
26.5 Stromquellen . 271
26.6 Kondensatoren 273
27 Magnetostatik 278
27.1 Das B-Feld urn stromdurchflossenen geraden Draht 278
27.2 Das B-Feld einer langen Stromspule . 281
27.3 Das B-Feld eines Stabmagneten . 283
27.4 Das magnetische Moment .... 285
27.5 Magnetostatik und Elektrostatik . 288
28 Stromkreise und Leitungsmechanismen 293
28.1 Das Ohmsche Gesetz ... 293
28.2 Die Kirchhoffschen Regeln . . . . . . . . 295
28.3 Einfache Schaltungen . . . . . . . . . . . 296
28.4 Leitungsmechanismen und Elementarladung 299