Arbeitsbuch zu Tipler/Mosca Physik: Alle Aufgaben und Fragen mit Lösungen zur 7.Auflage

586 Pages·2016·16.98 MB·German

by  David Mills (auth.)

David Mills
Alexander Knochel Hrsg.
Arbeitsbuch
zu Tipler/Mosca
Physik
Alle Aufgaben und Fragen mit Lösungen
zur 7. Aufl age
Arbeitsbuch zu Tipler/Mosca Physik
David Mills

Alexander Knochel (Hrsg.)
Arbeitsbuch zu
Tipler/Mosca Physik
Alle Aufgaben und Fragen mit Lösungen
zur 7. Auflage
Herausgegeben von Alexander Knochel
Aus dem Amerikanischen übersetzt von Michael Basler und
Michael Zillgitt
Autor Herausgeber
David Mills Alexander Knochel
New York, USA Heidelberg, Deutschland
ISBN 978-3-662-51504-4 ISBN 978-3-662-51505-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-51505-1
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Planung: Margit Maly
Coverbild: Dr. Kristin Riebe
Solutions Manual to Accompany Tipler/Mosca Physics 6e
Die amerikanische Originalausgabe (zur 6. Auflage) ist erschienen in den Vereinigten Staaten bei Worth Publishers,
New York und Basingstoke. Copyright 2008 Worth Publishers. Alle Rechte vorbehalten.
6e first published in the United States by Worth Publishers, New York and Basingstoke. Copyright 2008 by Worth
Publishers. All rights reserved.
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Vorwortzur7.Auflage es allen deutschsprachigen Lesern zugänglich machen wol-
len, also nicht nur den Dozenten, sondern auch den Stu-
denten. Das war umso notwendiger, als sich unsere Gege-
Die aktuelle 7. deutschsprachige Auflage des Lehrbuchs
benheiten von denen in den USA unterscheiden. Dort sind
Tipler/MoscaPhysik(JennyWagner,Hrsg.)wurdespeziell
die Lehrbücher enger an den Kursstoff gebunden als hier-
an die Bachelorlehrpläne im deutschsprachigen Raum an-
zulande, und die Studierenden können sich kostenpflichtig
gepasst,neustrukturiertundumeinigeThemengebieteer-
perInternetbeimLösenderAufgabenbetreuenlassen,d.h.,
weitert. Das vorliegende Arbeitsbuch spiegelt diese Verän-
SchrittfürSchrittdieLösungabrufenbzw.mitdereigenen
derungen wider und enthält alle Aufgaben der 7. Auflage
vergleichen–einService,dervonDeutschlandausnichtzu-
mitausführlichvorgerechnetenLösungen,teilweiseinüber-
gänglich ist. Für die deutschsprachigen Leser sind hier die
arbeiteterFassung.
Lösungen sämtlicher Aufgaben der deutschen Ausgabe des
MeinDankgiltDipl.Phys.MargitMalyundStefanieAdam, Lehrbuchs zusammengestellt. Damit wird die in Amerika
M.A.,vonSpringerSpektrumfürdiehervorragendeBetreu- praktizierteschrittweiseBetreuungsozusagendemLernen-
ung und technische Unterstützung, insbesondere M.M. für denselbstindieHandgegeben.
die Überprüfungs- und Korrekturarbeiten, sowie Prof. Dr.
ChristianH.KautzfürdiefachlicheBeratunginFragender WieauchbeiderdeutschenFassungdesLehrbuchsgingdie
technischenMechanik. ÜbertragunginsDeutscheübereinebloßeÜbersetzunghin-
aus.ImEinzelnenseiauffolgendePunktehingewiesen:
Ich kann mich nur meinen Vorgängern anschließen, Ihnen
vielErfolgbeimArbeitenzuwünschen,undzuhoffen,dass DieFormelnotationwurdeaufunsereVerhältnisseange-
SiewiewirvondiesemfaszinierendenundvielseitigenMa- passt.
terialbegeistertsind! Die Vielzahl der Aufgaben im amerikanischen Origi-
nalwurdereduziert,wobeidiesesArbeitsbuchselbstver-
Heidelberg,imMai2016
ständlichdieselbenAufgabenwiedasdeutscheLehrbuch
Dr.AlexanderKnochel,Herausgeber
enthält.DamitwirddenVorkenntnissendereuropäischen
Studenten besser Rechnung getragen, und der Umfang
desrechtvoluminösenWerksbliebhandlich.
VorwortzurdeutschenAusgabeder6.Auflage SchließlichhabenwirdieoptischeGestaltungderAufga-
benlösungengestrafftundineinemneuenLayoutgestal-
tet. Jede Lösung wird schrittweise vorgestellt, wie auch
Das Arbeitsbuch zur 6. Auflage des Lehrbuchs Physik für
imOriginal.IndenLösungenwerdenTextundFormeln
WissenschaftlerundIngenieurevonPaulA.TiplerundGe-
fortlaufend angeordnet und Abbildungen und Tabellen
neMoscahatsichzueinemBachelor-Trainergewandelt,der
demTextdirektzugeordnet.Wirhabenbeialldemver-
vorlesungsbegleitend Lern- und Testmaterial für Dozenten
sucht, mit der vorliegenden Übertragung ins Deutsche
wie auch Studierende der Physik zur Verfügung stellt: in
denIntentionenunddemdidaktischenKonzeptderAu-
gedruckterFormdieLösungenzahlreicherAufgabenausal-
torengerechtzuwerden.
len physikalischen Teilgebieten, kombiniert mit rund 2000
VerständnisfragenaufDVD,dieimMultiple-choice-Format Die DVD [Anm. des Hrsg.: Die DVD ist in der 7. Auflage
zum Selbsttest einladen. Der Bachelor-Trainer ist unab- nicht mehr enthalten] enthält 2000 Verständnisfragen, die
hängigvomLehrbuchnutzbar,weildieAufgabenstellungen derVerlagW.H.FreemanaufderDozentenwebsitezusam-
undLösungenmitallenerforderlichenAbbildungeneinege- mengestellthatundmitdenendieLernerfolgeeffizientbe-
schlossene Einheit bilden und auch die Verständnisfragen wertetwerdenkönnen.WirbietendieÜbersetzungendieser
eineseparateEinheitdarstellen. FragenalsErgänzungzudiesemArbeitsbuchan,weilwirsie
imRahmenderneuenStudiengängefüreineguteUnterstüt-
Die gedruckte Aufgaben- und Lösungssammlung dieses Ar-
zungderVorlesungenundÜbungenhalten.DerWissenstest
beitsbuchsgingausdemamerikanischenHandbuchfürDo-
istindenUSAstandardisiert,undbeiunskanndessenÜber-
zentenhervor,dasdieLösungswegesämtlicherAufgabendes
setzungalsweitererFundusfürDozentendienen,dieKlau-
amerikanischenLehrbuchsenthält.Allerdingsistdasame-
surenoderTestszusammenstellenwollen.FürStudierende
rikanischeHandbuchnurDozentenanamerikanischenUni-
bietendienachKapitelngeordnetenFrageneinenSelbsttest,
versitätenzugänglich.KonzipiertvoneinemTeamauszahl-
mit dem sie nach der Lektüre des betreffenden Lehrbuch-
reichenCollege-undUniversitätslehrern,wurdeesvonDa-
kapitels den Stoff rekapitulieren können. Dabei kann zwar
vidMillsherausgegeben.
keine Simulation oder gar Auswertung hiesiger Prüfungen
Wirmeinen,diesesprofundeMaterialistzumergänzenden, gebotenwerden,weildiesebeiunsnichtstandardisiertsind,
sozusagenautodidaktischenLernensogutgeeignet,dasswir aber das Training mit Multiple Choice-Fragen zum vertie-
VI
fendenundrekapitulierendenLernenisteineansprechende mir eine große Freude, bei der Erstellung dieses Arbeits-
undnachhaltigePrüfungsvorbereitung. buchsmitihmzusammenzuarbeiten.Sicherlichteiltermei-
ne Hoffnung, dass die hier zusammengestellten Aufgaben
Was den Dank an alle diejenigen betrifft, die am Entste-
undausführlichenLösungenbeimErlernenderPhysikhilf-
hen des Bachelor-Trainers mitgewirkt haben, so möchten
reichsind.
wir zunächst auf die Aufgabenauswahl von Prof. Dr. Diet-
rich Pelte hinweisen, der als Emeritus an der Universität Viele Lösungen wurden von Carlos Delgado (Community
Heidelberg forscht und über lange Zeit hinweg die Didak- College of Southern Nevada) und Mike Crivello (San Die-
tikanseinerFakultätwesentlichmitbestimmthat.Erhatte go Mesa College) überprüft. Ohne ihre gründliche Arbeit
fürdievorigedeutscheAuflagedieAuswahlnachKriterien hättenetlicheFehlernochderEntdeckungdurchdieLeser-
getroffen, die wir auch nach seinem Ausscheiden als Her- schaftgeharrt.CarlosDelgadoschlugauchmehrerealterna-
ausgeber bei dieser Auflage beibehalten haben. Weiterhin tiveLösungswegevor.WeilsiesämtlichVerbesserungendar-
dankenwirdenÜbersetzerndesLehrbuchs,derenÜberset- stellten, fanden sie natürlich auch Eingang in dieses Buch.
zungenderAufgabentextehierwiederumEinganggefunden BeidenKollegendankeichsehrfürihreunschätzbareHilfe.
haben:Dr.MichaelBasler,Dr.RenateMarianneDohmen, FürdietrotzihrerüberausgründlichenArbeitimmernoch
CarstenHeinischundDr.AnnaSchleitzer.Schließlichdan- vorhandenenFehlerbinnatürlichalleinichverantwortlich.
ken wir allen Mitgliedern des Projektteams im Verlag, die
Mein großer Dank gilt schließlich Susan Brennan, Clancy
uns bei den vielen Arbeitsschritten geholfen haben, Fehler
MarshallundKharissaPettus,diedieErstellungdiesesAr-
zu vermeiden oder zu beseitigen: Regine Zimmerschied als
beitsbuchs maßgeblich begleiteten, sowie Kathryn Tread-
Redakteurin für die sprachliche Seite sowie Stefanie Adam
wayundJanieChanfürdieÜberprüfungs-undKorrektur-
undSilkeHuttfürdieQualitätsprüfungbeiSatzundLay-
arbeiten.
out.NatürlichliegtdieVerantwortungfürFehler,dietrotz
aller unserer Bemühungen noch vorhanden sind, allein bei Juni2007DavidMills,Prof.(em.),
uns.FürdieseFehlermöchtenwirunsnichtnurentschuldi- CollegeoftheRedwoods
gen,sondernauchdaranmitwirken,ihreAuswirkungenab-
zumildern.Dazuwirdaufwww.tipler-physik.deeineErrata-
Liste veröffentlicht, die bei Notwendigkeit jeweils aktuali-
siertwird.FürdieMitteilungjeglicherFehler,dieSiebeim
NutzendiesesWerksentdecken,sindwirstetssehrdankbar.
Wir wünschen nun viel Erfolg, beim Ausprobieren eigener
LösungenderphysikalischenProblemeundAufgabeneben-
sowiebeimSelbsttestmitdenMultiple-choice-Fragen.Las-
sen Sie sich nicht entmutigen – auch wir haben als gestan-
denePhysikernichtimmersofortallesrichtigbeantwortet.
AbereshatunsSpaßgemacht,unsdenAufgabenundden
FragenzustellenundwieinStudienzeitenausunserenFeh-
lern zu lernen. Wir hoffen, dass sich von unserer Begeiste-
rung für die Physik und ihre Herausforderungen ein wenig
auchaufDozentenundStudierendeüberträgt.
Heidelberg,imAugust2009
Dr.MichaelZillgitt,Herausgeber
Dipl.-Phys.KatharinaNeuser-vonOettingen,Lektorin
DavidMillsistEmeritusfürPhysikamCollegeoftheRed-
woodsimkalifornischenEurekaundhatalserfahrenerDi-
daktiker für Physik in Schule und Hochschule bereits das
ArbeitsbuchderVorauflageherausgegeben.
DanksagungendesAutors
MichaelZillgittundMichaelBaslerhabeninPhysikali-
scherChemiebzw.Physikpromoviertundsindseitetlichen
Gene Mosca (Mitautor der 6. Auflage der Physik für Wis- Jahren als Fachübersetzer – auch für den Tipler/Mosca –
senschaftlerundIngenieurevonPaulA.Tipler),derander tätig.
UnitedStatesNavalAcademylehrte,unterstütztemichdan- Alexander Knochel hat in Theoretischer Hochenergie-
kenswerterweisesehr,indemeretlichemeinerLösungenver- physikpromoviertundistalsSach-undLehrbuchautortä-
besserteodereinenklarerenLösungswegvorschlug.Eswar tig.
Themenübersicht
PhysikalischeGrößenundMessungen DasersteunddaszweiteNewton’sche
Axiom:Masse,TrägheitundKraft 38
1 PhysikalischeGrößenundMessungen 1
MasseundGewicht 38
Verständnisaufgaben 1
Kräftediagramme:StatischesGleichgewicht 38
Schätzungs-undNäherungsaufgaben 1
Kräftediagramme:GeneigteEbenenundNor-
Maßeinheiten 1 malkräfte 39
UmrechnenvonEinheiten 1 Kräftediagramme:Fahrstühle 39
DimensionenphysikalischerGrößen 1 KrummlinigeundKreisbewegung 39
Exponentialschreibweise und signifikante
Stellen 2
4 WeitereAnwendungenderNewton’schen
AllgemeineAufgaben 2
Axiome 53
Verständnisaufgaben 53
Mechanik Schätzungs-undNäherungsaufgaben 54
Reibung 54
2 MechanikvonMassenpunkten 7
Widerstandskräfte 56
Verständnisaufgaben 7
DieKepler’schenGesetze 56
Schätzungs-undNäherungsaufgabe 9
DasNewton’scheGravitationsgesetz 57
Orts-undVerschiebungsvektor 9
SchwereMasseundträgeMasse 57
Geschwindigkeit 9
DasGravitationsfeld 57
Beschleunigung 10
AllgemeineAufgaben 58
Gleichförmig beschleunigte Bewegung in ei-
nerDimension 10
DerschrägeWurf 11 5 EnergieundArbeit 83
Kreisbewegung und Zentripetalbeschleuni- Verständnisaufgaben 83
gung 12
Schätzungs-undNäherungsaufgaben 84
AllgemeineAufgaben 13
Arbeit,kinetischeEnergieundAnwendungen 85
Leistung 85
3 DieNewton’schenAxiome 37 DieErhaltungdermechanischenEnergie 86
Verständnisaufgaben 37 Energieerhaltung 87
Schätzungs-undNäherungsaufgabe 37 AllgemeineAufgaben 88
VIII
6 DerImpuls 113 9 MechanikdeformierbarerKörper 173
Verständnisaufgaben 113 Verständnisaufgaben 173
Schätzungs-undNäherungsaufgabe 114 Schätzungs-undNäherungsaufgabe 173
Impulserhaltung 114 SpannungundDehnung 173
KraftstoßundzeitlichesMitteleinerKraft 114 Kompression 174
StößeineinerRaumrichtung 115 Scherung 174
*StößeinmehralseinerRaumrichtung 115 Biegung 175
Elastizitätszahl 116
AllgemeineAufgaben 116
10 Fluide 183
Verständnisaufgaben 183
7 Teilchensysteme 131 Schätzungs-undNäherungsaufgaben 184
Verständnisaufgaben 131 Dichte 184
Schätzungs-undNäherungsaufgabe 131 Druck 184
Mehrkörperprobleme 131 Auftrieb 185
Massenmittelpunktsystem 133 Kontinuitäts-undBernoulli-Gleichung 186
Raketen-undStrahlantrieb 134 StrömungviskoserFlüssigkeiten 186
AllgemeineAufgaben 134 AllgemeineAufgaben 187
8 Drehbewegungen 149 SchwingungenundWellen
Verständnisaufgaben 149 11 Schwingungen 197
Schätzungs-undNäherungsaufgaben 150 Verständnisaufgaben 197
Winkelgeschwindigkeit und Schätzungs-undNäherungsaufgaben 197
Winkelbeschleunigung 150
HarmonischeSchwingungen 198
BerechnungvonTrägheitsmomenten 151
Harmonische Schwingungen und
Drehmoment 151 Kreisbewegung 198
KinetischeEnergiederRotation 152 EnergieeinesharmonischenOszillators 198
Rollen, Fallmaschinen und herabhängende HarmonischeSchwingungenundFederschwin-
Teile 152 ger 198
DrehimpulsundDrehimpulserhaltung 153 MathematischesPendel 199
RollenohneSchlupf 154 PhysikalischePendel 199
RollenmitSchlupf 154 GedämpfteSchwingungen 200
Kreisel 154 ErzwungeneSchwingungenundResonanz 200
AllgemeineAufgaben 155 AllgemeineAufgaben 201
IX
12 Wellen 223 DiemittlerefreieWeglänge 254
Verständnisaufgaben 223 DieVan-der-Waals-GleichungfürrealeGase 254
Schätzungs-undNäherungsaufgaben 224
AllgemeineAufgaben 254
AusbreitungsgeschwindigkeitvonWellen 224
DieWellengleichung 224
15 WärmeundderErsteHauptsatz
HarmonischeWellenaufeinerSaite 224
derThermodynamik 263
HarmonischeSchallwellen 225
Verständnisaufgaben 263
Intensität 225
Schätzungs-undNäherungsaufgaben 263
Schallpegel 225
Wärmekapazität, spezifische Wärme, latente
Doppler-Effekt 225 Wärme 263
ReflexionundTransmission 226
Kalorimetrie 264
ÜberlagerungundInterferenz 226
ErsterHauptsatzderThermodynamik 264
Schwebungen 227
Arbeitunddasp-V-DiagrammeinesGases 264
StehendeWellen 227
WärmekapazitätenvonGasenundderGleich-
*HarmonischeAnalyse 228 verteilungssatz 264
*Wellenpakete 228 Wärmekapazitäten von Festkörpern und die
AllgemeineAufgaben 228 Dulong-Petit’scheRegel 264
Reversible adiabatische Expansion eines Ga-
ses 265
Thermodynamik
ZyklischeProzesse 265
13 TemperaturundderNullteHauptsatzder
AllgemeineAufgaben 265
Thermodynamik 249
Verständnisaufgaben 249
Schätzungs-undNäherungsaufgabe 249 16 DerZweiteHauptsatzderThermodynamik 275
Temperaturskalen 249 Verständnisaufgaben 275
Wärmeausdehnung 249 Schätzungs-undNäherungsaufgaben 275
AllgemeineAufgaben 249
WärmekraftmaschinenundKältemaschinen 276
DerZweiteHauptsatz 276
14 DiekinetischeGastheorie 253 Carnot-Kreisprozesse 276
Verständnisaufgaben 253
Wärmepumpen 277
Schätzungs-undNäherungsaufgabe 253
Entropieänderungen 277
DieZustandsgleichungfürdasidealeGas 253
EntropieundentwerteteEnergie 277
Die molekulare Geschwindigkeit und der
Gleichverteilungssatz 254 AllgemeineAufgaben 277
X
17 Wärmeübertragung 287 20 DaselektrischePotenzial 329
Verständnisaufgaben 287 Verständnisaufgaben 329
Schätzungs-undNäherungsaufgaben 287 Schätzungs-undNäherungsaufgaben 329
Wärmeleitung 287 Potenzialdifferenz 329
Wärmestrahlung 287 DasPotenzialeinesPunktladungssystems 330
AllgemeineAufgaben 288 Berechnung des elektrischen Felds aus dem
Potenzial 330
Berechnung des Potenzials φ kontinuierli-
ElektrizitätundMagnetismus cherLadungsverteilungen 330
Äquipotenzialflächen 331
18 DaselektrischeFeldI:
DiskreteLadungsverteilungen 293 DieelektrischeEnergie 331
Verständnisaufgaben 293 AllgemeineAufgaben 332
Schätzungs-undNäherungsaufgaben 294
ElektrischeLadung 294
21 DieKapazität 347
DasCoulomb’scheGesetz 294 Verständnisaufgaben 347
ElektrischesFeld 294 Schätzungs-undNäherungsaufgaben 347
Bewegung von Punktladungen in elektri- Kapazität 347
schenFeldern 295
DieSpeicherungelektrischerEnergie 347
Dipole 295
Parallel- und Reihenschaltung von Konden-
AllgemeineAufgaben 295 satoren 348
Plattenkondensatoren 348
Zylinderkondensatoren 348
19 DaselektrischeFeldII:
KontinuierlicheLadungsverteilungen 309 Kugelkondensatoren 349
Verständnisaufgaben 309 GetrennteundwiederverbundeneKondensa-
toren 349
Schätzungs-undNäherungsaufgabe 309
Dielektrika 349
BerechnungvonEausdemCoulomb’schenGe-
setz 309 AllgemeineAufgaben 349
DasGauß’scheGesetz 310
Anwendungen des Gauß’schen Gesetzes bei
22 ElektrischerStrom-Gleichstromkreise 365
Kugelsymmetrie 311
Verständnisaufgaben 365
Anwendungen des Gauß’schen Gesetzes bei
Zylindersymmetrie 311 Schätzungs-undNäherungsaufgaben 365
ElektrischeLadungenundFelderanLeitero- ElektrischerStromunddieBewegungvonLa-
berflächen 312 dungsträgern 366
AllgemeineAufgaben 312 WiderstandundOhm’schesGesetz 366