Experimentalphysik 1: Mechanik und Wärme

478 Pages·2018·21.68 MB·German

by  Wolfgang Demtröder (auth.)

Wolfgang Demtröder
Experimental-
physik 1
Mechanik und Wärme
8. Aufl age
Springer-Lehrbuch
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik 1
Mechanik und Wärme
8. Auflage
WolfgangDemtröder
Kaiserslautern,Deutschland
ISSN0937-7433
Springer-Lehrbuch
ISBN978-3-662-54846-2 ISBN978-3-662-54847-9(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-54847-9
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Vorwort zur achten Auflage
DieseAuflagehateinneuesDesignerhalten.DieFarbtafeln,dieinder7.AuflageamEndedesBu-
cheszusammengestelltwaren,sindnunindenTextintegriert.DadurchwirddasAusseheneinerSeite
lebendigerunddieVerbindungenzwischenFarbtafelundTextdeutlicher.ImgesamtenTextsindeine
ReihekleinerEinfügungenundKorrekturenvorgenommenworden,welchedasVerständniserleich-
ternsollen.ZurIllustrationsindeinigeneueAbbildungeneingefügt,welchez.B.dieexperimentellen
AufbautenderOriginalarbeitenzeigen,oderdieentsprechendenAbschnittebesserverdeutlichen.So
sindz.B.einigeneuereVerfahrenzurMessungderGravitationskonstantenGkurzskizziert.
Im Abschnitt über alternative Energien wurden die Daten auf den neuesten Stand gebracht und der
Textüberarbeitet.
DerAutordanktallenaufmerksamenLesernfürHinweiseaufFehlerodermöglicheVerbesserungen.
Erwürdesichauch fürdieseneueAuflageeineaktiveMitarbeit derLeserundKollegenwünschen.
Allee-mailswerdensoschnellwiemöglichbeantwortet.
Mein Dank geht auch an Dr. Lisa Edelhäuser für die gute Begleitung der Neuauflage und an Frau
Krokevonle-texpublishingservicesfürLayoutundTextgestaltung.
Kaiserslautern,
imMai2017 WolfgangDemtröder
V
Vorwort zur ersten Auflage
Dieses vierbändige Lehrbuch der Experimentalphysik, dessen erster Band hiermit vorgestellt wird,
istgedachtzurBegleitungundVertiefung derVorlesungenzurEinführungindiePhysik,wiesiean
den meisten deutschen Universitäten bis zum Vordiplom gehalten werden. Das Buch ist durch eine
gründlicheÜberarbeitung und Erweiterung von Vorlesungsskriptendes Autors entstanden, die über
vieleJahrehinwegvondenStudenteninKaiserslauternbenutztwurden.
Dieses Lehrbuch soll deutlich machen, dass physikalische Erkenntnisgewinnung auf der Entwick-
lungundBeschreibungvonModellenderNaturberuht,derenexperimentellePrüfungundsukzessive
Verfeinerung zu einem immer detaillierteren Verständnis der uns umgebenden Welt und der in ihr
ablaufendenVorgängeführt.
DeshalbbeginntdieDarstellung–nacheinemeinführendenKapitel,indemdiehistorischeEntwick-
lungderPhysikundihreBedeutungfürandereBereichevonWissenschaft,KulturundTechnikkurz
gestreiftwerdenunddieRollederMessungfüreinquantitativesVerständnisderNaturillustriertwird
–mitdemeinfachstenModelldesMassenpunkteszurBeschreibungderBewegungvonKörpernunter
demEinflussvonKräften.NacheinerDiskussionderDarstellungvonVorgängeninbewegtenBezugs-
systemenunddergrundlegendenIdeenderspeziellenRelativitätstheoriewerdendannim4.Kapitel
SystemevonMassenpunktenundStößezwischenzweiTeilchenbehandelt.
RäumlicheAusdehnungvonKörpernundunterschiedlicheEigenschaftenderAggregatzuständefest,
flüssigundgasförmigwerdendannindenKap.5–7berücksichtigt.StrömungenvonFlüssigkeitenund
GasenunddiezuihrerBeschreibungverwendetenModellebildendenInhaltdes8.Kapitels,während
Kap.9dastechnologischwichtigeGebietderVakuumphysikkurzdarstellt.
ZudenwichtigstendynamischenVorgängeninderNaturgehörenSchwingungenundWellenphäno-
mene,dierelativausführlichinKap.10(cid:2)behandeltwerden.WärmelehreundThermodynamikwerden
hierinnureinemKapitelrelativknappdargestellt,weilnochetwasRaumbleibensolltefürdasneue
und rasch expandierende Gebiet der Physik nichtlinearer Phänomene, das viele überraschende und
faszinierendeEinsichtenindierealeNaturbietet.ImSinnederverfeinertenApproximationvonMo-
dellenstelltdienichtlineareDynamikeinengroßenSchrittindergenauen,wenn auchmeistensnur
numerischmöglichenBeschreibungrealerNaturvorgängedar.
DieindiesemLehrbuchbehandeltengrundlegendenBegriffeundihreAnwendungaufdieLösungvon
ProblemenwerdenanvielenBeispielenillustriert,undÜbungsaufgabenamEndejedesKapitelsbieten
demLeserdieMöglichkeit,seinVerständnisdesStoffesselbstzuprüfen.Dazukannerseineeigene
LösungmitdenimAnhangangegebenenLösungenvergleichen.DortsindaucheinigeGrundbegriffe
derVektorrechnung,derkomplexenZahlenundderBeschreibungvonphysikalischenVorgängenin
problemangepasstenKoordinatensystemendargestellt,umdenZugangzurmathematischenBeschrei-
bungindiesemLehrbuchzuerleichtern.
JedesLehrbuchlebtvonderkritischenMitarbeitderLeser.DerAutorfreutsichdeshalbüberVerbes-
serungsvorschlägeundHinweiseaufmöglicheFehler.
ZumSchlussmöchteichallenherzlichdanken,diebeiderHerstellungdiesesBuchesgeholfenhaben.
InsbesonderesindhierHerrDr.KölschundFrauKaiservomSpringer-Verlagzunennen,diemitviel
Geduld undgroßemEngagementden Autor während der Herstellungsphaseunterstützthaben.Frau
Wollscheid hat viele der Abbildungen gezeichnet. Frau Weyland und Frau Heider haben Teile des
Manuskripts geschrieben, Ihnen sei dafür ganz herzlich gedankt. Ich danke Herrn Imsieke, der das
(cid:2)IndervorliegendenachtenAuflageistdiesKap.11
VII
VIII VorwortzurerstenAuflage
gesamteManuskriptgelesenunddurchHinweiseaufUnklarheitenvielzurVerbesserungderDarstel-
lung beigetragen hat. BesondererDank gebührtmeiner lieben Frau, die viel Verständnis gehabthat
fürdiezahlreichenArbeitswochenenden,welchefürdiesesBuchgebrauchtwurdenunddiemirdurch
ihreHilfedieZeitzumSchreibenermöglichthat.
Ichhoffe,dassdiesesBuchnichtnurfürPhysikstudenten,sondernauchfürStudentenandererFach-
richtungen,dieEinführungsvorlesungeninPhysikhören,vonNutzen ist.Wennes dieBegeisterung
desAutorsfürunserschönesFachaufmöglichstvieleStudentenübertragenkann,hatesseinenZweck
erfüllt.
Kaiserslautern,
imMai1994 WolfgangDemtröder
Inhaltsverzeichnis
1 EinführungundÜberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 DieBedeutungdesExperimentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 DerModellbegriffinderPhysik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 HistorischerRückblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 DieantikeNaturphilosophie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 DieEntwicklungderklassischenPhysik . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.3 DiemodernePhysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 UnserheutigesphysikalischesWeltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 BeziehungenzwischenPhysikundNachbarwissenschaften . . . . . . . . 13
1.5.1 BiophysikundmedizinischePhysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.2 Astrophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.3 GeophysikundMeteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.4 PhysikundTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.5 PhysikundPhilosophie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6 DieGrundgrößeninderPhysik,ihreNormaleundMessverfahren . . . 15
1.6.1 Längeneinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6.2 MessverfahrenfürLängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6.3 Zeiteinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6.4 Zeitmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.5 MasseneinheitenundihreMessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.6 Stoffmengeneinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6.7 Temperatureinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6.8 EinheitderelektrischenStromstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.9 EinheitderLichtstärke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.10 Winkeleinheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.7 Maßsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.8 MessgenauigkeitundMessfehler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.8.1 SystematischeFehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.8.2 StatistischeFehler.MesswertverteilungundMittelwert . . . . . 26
1.8.3 Streuungsmaße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.8.4 Fehlerverteilungsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.8.5 Fehlerfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.8.6 Ausgleichsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2 MechanikeinesMassenpunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1 DasModelldesMassenpunktes.Bahnkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 GeschwindigkeitundBeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.3 GleichförmigbeschleunigteBewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.1 DerfreieFall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.2 DerschrägeWurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4 Bewegungenmitnicht-konstanterBeschleunigung . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1 DiegleichförmigeKreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2 DieallgemeinekrummlinigeBewegung . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.1 KräftealsVektoren.AdditionvonKräften . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.2 Kraftfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.3 MessungvonKräften.DiskussiondesKraftbegriffes . . . . . . . 47
2.6 DieGrundgleichungen derMechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.1 DieNewtonschenAxiome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.2 TrägeundschwereMasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.3 DieBewegungsgleichung einesTeilchens
ineinembeliebigenKraftfeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7 DerEnergiesatzderMechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.1 ArbeitundLeistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.2 WegunabhängigeArbeit.KonservativeKraftfelder . . . . . . . . 56
2.7.3 PotentielleEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.7.4 DerEnergiesatzderMechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.7.5 ZusammenhangzwischenKraftfeldundPotential. . . . . . . . . 59
2.8 DrehimpulsundDrehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.9 GravitationundPlanetenbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.9.1 DieKeplerschenGesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.9.2 NewtonsGravitationsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.9.3 Planetenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.9.4 DaseffektivePotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.9.5 GravitationsfeldausgedehnterKörper. . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.9.6 ExperimentellePrüfungdesGravitationsgesetzes . . . . . . . . . 69
2.9.7 ExperimentelleBestimmungderErdbeschleunigung . . . . . . . 72
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3 BewegteBezugssystemeundspezielleRelativitätstheorie. . . . . . . . . . . . . 79
3.1 Relativbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.2 InertialsystemeundGalilei-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3 BeschleunigteBezugssysteme,Trägheitskräfte. . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 GeradlinigbeschleunigteBezugssysteme . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.2 RotierendeBezugssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.3 Zentrifugal-undCorioliskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4 DieKonstanzderLichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5 Lorentz-Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.6 SpezielleRelativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.1 DasProblemderGleichzeitigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.2 Minkowski-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.6.3 Skalenlängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.6.4 Lorentz-KontraktionvonLängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.6.5 Zeitdilatation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Inhaltsverzeichnis XI
3.6.6 Zwillings-Paradoxon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.6.7 Raumzeit-EreignisseundKausalität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4 SystemevonMassenpunkten.Stöße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1 Grundbegriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.1.1 Massenschwerpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.1.2 ReduzierteMasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1.3 DrehimpulseinesTeilchensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2 StößezwischenzweiTeilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.1 Grundgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.2 ElastischeStößeimLaborsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2.3 ElastischeStößeimSchwerpunktsystem . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2.4 InelastischeStöße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2.5 Newton-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3 WaslerntmanausderUntersuchungvonStößen?. . . . . . . . . . . . . . 115
4.3.1 StreuungineinemkugelsymmetrischenPotential . . . . . . . . . 116
4.3.2 ReaktiveStöße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4 StößebeirelativistischenEnergien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.1 RelativistischeMassenzunahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.2 KraftundrelativistischerImpuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4.3 DierelativistischeEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4.4 InelastischeStößebeirelativistischenEnergien . . . . . . . . . . . 123
4.4.5 RelativistischerEnergiesatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.5 Erhaltungssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.5.1 Impulserhaltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.5.2 Energieerhaltungssatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.5.3 Drehimpulserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.5.4 ErhaltungssätzeundSymmetrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5 DynamikstarrerausgedehnterKörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.1 DasModelldesstarrenKörpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.2 Massenschwerpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3 DieBewegungeinesstarrenKörpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4 KräfteundKräftepaare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.5 TrägheitsmomentundRotationsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.5.1 SteinerscherSatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.6 Bewegungsgleichung derRotationeinesstarrenKörpers . . . . . . . . . 137
5.6.1 RotationumeineAchsebeikonstantemDrehmoment . . . . . 138
5.6.2 DrehschwingungenumeinefesteAchse . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.6.3 VergleichvonTranslationundRotation . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.7 RotationumfreieAchsen;Kreiselbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.7.1 TrägheitstensorundTrägheitsellipsoid. . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.7.2 Hauptträgheitsmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142