Experimentalphysik 1: Mechanik und Wärme

501 Pages·1998·39.32 MB·German

by  Professor Dr. Wolfgang Demtröder (auth.)

Werte der physikalischen Fundamentalkonstanten nach der Empfehlung von 1986*
G10ße Symbol \\ert E1nhe11 Relall\e Uns1cherhe11
111 10 b
Lichtgeschwindigkeit c 299792458 m s~1 exakt
Gravitationskonstante G 6,672591. 10~11 m3kg~ls~2 128
Planck-Konstante h 6,6260755 . 10~34 J s 0,6
Reduzierte Planck-Konstante h/2n Ii 1,0545726 .... 10~34 J s 0,60
Gaskonstante R 8,314510 J mol~l K~1 8,4
Avogadro-Konstante NA 6,0221367. 1023 mol~1 0,59
Boltzmann-Konstante R/NA k 1,380658. 10~23 J K~l 8,5
Molvolumen VM 22,41410 . 10~3 m3mol~1 8,4
(T = 273, 15 K, p = 101 325 Pa)
Elementarladung e 1,60217733. 10~19 A s D=ef . c 0,30
Elektronenmasse me 9,1093897 . 10~31 kg 0,59
Protonenmasse mp 1,6726231 . 10~27 kg 0,59
Massenverhältnis mp/me 1836,152701 0,02
Ladungs-Massen-Verhältnis -e/me -1,7588196. 10~ll C kg~1 0,30
Permeabilitätskonstante flo 4n · 10~7 = VsA~1m~1 exakt
I ,25663706 .... 10~6
Dielektrizitätskonstante 1/ (J10c2) eo 8,854187817 .... 10~12 Asv~1m~1 exakt
Feinstrukturkonstante f1oce2 /2h (J. 7,29735308 . 10~3 0,045
Rydberg-Konstante meca2 /2h Ryoo 1,0973731534 . 107 m~l 0,0012
Bohr-Radius aj(4nR00) ao 5,2917725. 10~11 m 0,045
rz
Atomare Masseneinheit m ( 12C) AME 1,6605402 . 10~27 kg 0,59
*Nach E. R. Cohen and B. N. Taylor: The 1986 CODATA Recommended Values ofthe Fundamental Physical Constants, J. Phys. Chem. Ref.
Data, 17, 1795 ~ 1803 (1988)
Astronomische Konstanten
Masse der Erde ME = 5,975 · 1024 kg
Masse des Mondes MM = 7,35 · 1022 kg ~ 0,0123 ME
Masse der Sonne M8 = 1,989 · 1030 kg ~ 3,33 · 105 ME
Radius der Sonne: 6,96 · 108 m
Standard-Erdbeschleunigung g = 9,80665 m/s2
Erdradius am Äquator R = 6,378 · 106 m
Entfernung Erde - Mond:
Minimum (Perihel): 3,564 · 108m
Maximum (Aphel): 4,067 · 108 m
Entfernung Erde - Sonne: 1,496 · 1011 m og. 1 AE
Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Experimentalphysik
Band1
Mechanik und Wärme
2. Auflage
ISBN 3-540-64292-7
Band2
Elektrizität und Optik
ISBN 3-540-57095-0
Band3
Atome, Moleküle und Festkörper
ISBN 3-540-57096-9
Band4
Kern-, Teilchen- und Astrophysik
ISBN 3-540-57097-7
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik1
Mechanik und Wärme
Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 57 4, meist zweifarbigen Abbildungen,
9 Farbtafeln, 38 Tabellen,
zahlreichen durchgerechneten Beispielen
und 168 Übungsaufgaben
mit ausführlichen Lösungen
Springer
Professor Dr. Wolfgang Demtröder
Universität Kaiserslautern
Fachbereich Physik
D-67663 Kaiserslautern
e-mail: [email protected]
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik I Wolfgang Demtröder.
Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand;
Paris; Singapur; Tokio: Springer.
(Springer-Lehrbuch)
Bd. 1. Mechanik und Wärme: mit 38 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen
und 168 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen. - 2., überarb. und erw. Auf!. - 1998
ISBN 978-3-540-64292-3 ISBN 978-3-662-08598-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-08598-1
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SPIN: 10674607 56/3144 - 5 4 3 2 1 o - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort zur zweiten Auflage
Nachdem die erste Auflage erfreulicherweise eine überwiegend positive Resonanz
gefunden hat, wurde es schon bald notwendig, eine zweite Auflage herauszubringen,
in der vor allem Fehler korrigiert und Verbesserungsvorschläge berücksichtigt wur
den. Zudem schließt jedes Kapitel nun mit einer Zusammenfassung ab.
Allen, die bei der Neuauflage geholfen haben, bin ich zu Dank verpflichtet.
Dazu gehört vor allem Herr lmsieke mit seinem Team, der sich engagiert um Satz
erstellung, Layout und Optimierung des Bandes gekümmert hat sowie Herrn Stefan
Scheel, der durch Korrekturlesen zur Verbesserung der Darstellung beigetragen hat.
Frau Kühler und Herrn Dr. Kölsch vom Springer-Verlag danke ich für ihre Hilfe und
Betreuung.
Da ein Lehrbuch, das maximalen Nutzen für die Leser haben soll, ganz wesent
lich von deren aktiver Mitarbeit profitiert, möchte ich besonders allen Lesern sehr
herzlich danken für ihre zahlreichen Korrekturhin weise, Ergänzungen und Verbesse
rungen in der Darstellung zur Vermeidung von Mißverständnissen.
Der Autor wünscht sich auch weiterhin kritische Leser, die dazu beitragen, dieses
Lehrbuch zu vervollkommnen.
Kaiserslautern,
im August 1998 Wolfgang Demtröder
Vorwort zur ersten Auflage
Dieses vierbändige Lehrbuch der Experimentalphysik, dessen erster Band hiermit
vorgestellt wird, ist gedacht zur Begleitung und Vertiefung der Vorlesungen zur Ein
führung in die Physik, wie sie an den meisten deutschen Universitäten bis zum
Vordiplom gehalten werden. Das Buch ist durch eine gründliche Überarbeitung und
Erweiterung von Vorlesungsskripten des Autors entstanden, die über viele Jahre hin
weg von den Studenten in Kaiserslautern benutzt wurden.
Dieses Lehrbuch soll deutlich machen, daß physikalische Erkenntnisgewinnung
auf der Entwicklung und Beschreibung von Modellen der Natur beruht, deren ex
perimentelle Prüfung und sukzessive Verfeinerung zu einem immer detaillierteren
Verständnis der uns umgebenden Welt und der in ihr ablaufenden Vorgänge führt.
Deshalb beginnt die Darstellung - nach einem einführenden Kapitel, in dem die
historische Entwicklung der Physik und ihre Bedeutung für andere Bereiche von
Wissenschaft, Kultur und Technik kurz gestreift werden und die Rolle der Mes
sung für ein quantitatives Verständnis der Natur illustriert wird-mit dem einfachsten
Modell des Massenpunktes zur Beschreibung der Bewegung von Körpern unter
dem Einfluß von Kräften. Nach einer Diskussion der Darstellung von Vorgängen in
bewegten Bezugssystemen und der grundlegenden Ideen der speziellen Relativitäts
theorie werden dann im 4. Kapitel Systeme von Massenpunkten und Stöße zwischen
zwei Teilchen behandelt.
Räumliche Ausdehnung von Körpern und unterschiedliche Eigenschaften der
Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig werden dann in den Kap. 5-7 berück
sichtigt. Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen und die zu ihrer Beschreibung
verwendeten Modelle bilden den Inhalt des 8. Kapitels, während Kap. 9 das techno
logisch wichtige Gebiet der Vakuumphysik kurz darstellt.
Zu den wichtigsten dynamischen Vorgängen in der Natur gehören Schwingun
gen und Wellenphänomene, die relativ ausführlich in Kap. 10 * behandelt werden.
Wärmelehre und Thermodynamik werden hier in nur einem Kapitel relativ knapp
dargestellt, weil noch etwas Raum bleiben sollte für das neue und rasch expan
dierende Gebiet der Physik nichtlinearer Phänomene, das viele überraschende und
faszinierende Einsichten in die reale Natur bietet. Im Sinne der verfeinerten Appro
ximation von Modellen stellt die nichtlineare Dynamik einen großen Schritt in der
genauen, wenn auch meistens nur numerisch möglichen Beschreibung realer Natur
vorgänge dar.
Die in diesem Lehrbuch behandelten grundlegenden Begriffe und ihre Anwen
dung auf die Lösung von Problemen werden an vielen Beispielen illustriert, und
*in der vorliegenden zweiten Auflage ist dies Kap. 11
VIII Vorwort zur ersten Auflage
Übungsaufgaben am Ende jedes Kapitels bieten dem Leser die Möglichkeit, sein
Verständnis des Stoffes selbst zu, prüfen. Dazu kann er seine eigene Lösung mit den
im Anhang angegebenen Lösungen vergleichen. Dort sind auch einige Grundbegriffe
der Vektorrechnung, der komplexen Zahlen und der Beschreibung von physikali
schen Vorgängen in problemaugepaßten Koordinatensystemen dargestellt, um den
Zugang zur mathematischen Beschreibung in diesem Lehrbuch zu erleichtern.
Jedes Lehrbuch lebt von der kritischen Mitarbeit der Leser. Der Autor freut sich
deshalb über Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf mögliche Fehler.
Zum Schluß möchte ich allen herzlich danken, die bei der Herstellung dieses Bu
ches geholfen haben. Insbesondere sind hier Herr Dr. Kölsch und Frau Kaiser vom
Springer-Verlag zu nennen, die mit viel Geduld und großem Engagement den Autor
während der Herstellungsphase unterstützt haben. Frau Wollscheid hat viele der Ab
bildungen gezeichnet. Frau Weyland und Frau Heider haben Teile des Manuskripts
geschrieben, Ihnen sei dafür ganz herzlich gedankt. Ich danke Herrn Imsieke, der
das gesamte Manuskript gelesen und durch Hinweise auf Unklarheiten viel zur Ver
besserung der Darstellung beigetragen hat. Besonderer Dank gebührt meiner lieben
Frau, die viel Verständnis gehabt hat für die zahlreichen Arbeitswochenenden, wel
che für dieses Buch gebraucht wurden und die mir durch ihre Hilfe die Zeit zum
Schreiben ermöglicht hat.
Ich hoffe, daß dieses Buch nicht nur für Physikstudenten, sondern auch für Stu
denten anderer Fachrichtungen, die Einführungsvorlesungen in Physik hören, von
Nutzen ist. Wenn es die Begeisterung des Autors für unser schönes Fach auf mög
lichst viele Studenten übertragen kann, hat es seinen Zweck erfüllt.
Kaiserslautern,
im Mai 1994 Wolfgang Demtröder
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung und Überblick
1.1 Die Bedeutung des Experimentes .............................. . 1
1.2 Der Modellbegriff in der Physik ............................... . 3
1.3 Historischer Rückblick ....................................... . 5
1.3.1 Die antike Naturphilosophie .......................... . 5
1.3.2 Die Entwicklung der klassischen Physik ............... . 7
1.3.3 Die moderne Physik ................................. . 9
1.4 Unser heutiges physikalisches Weltbild ........................ . 11
1.5 Beziehungen zwischen Physik und Nachbarwissenschaften ...... . 15
1.5.1 Biophysik und medizinische Physik ................... . 15
1.5.2 Astrophysik ......................................... . 16
1.5.3 Geophysik und Meteorologie ......................... . 16
1.5.4 Physik und Technik .................................. . 16
1.5.5 Physik und Philosophie .............................. . 17
1.6 Die Grundgrößen in der Physik,
ihre Normale und Meßverfahren ............................... . 18
1.6.1 Längeneinheiten ..................................... . 19
1.6.2 Meßverfahren für Längen ............................ . 20
1.6.3 Zeiteinheiten ........................................ . 22
1.6.4 Zeitmessungen ...................................... . 25
1.6.5 Masseneinheiten und ihre Messung ................... . 25
1.6.6 Stoffmengeneinheit .................................. . 26
1.6.7 Temperatureinheit ................................... . 26
1.6.8 Einheit der elektrischen Stromstärke .................. . 27
1.6.9 Winkeleinheiten ..................................... . 27
1.7 Maßsysteme ................................................. . 28
1.8 Meßgenauigkeit und Meßfehler ............................... . 28
1.8.1 Systematische Fehler ................................ . 28
1.8.2 Statistische Fehler. Meßwertverteilung und Mittelwert .. . 29
1.8.3 Streuungsmaße ...................................... . 31
1.8.4 Fehlerverteilungsgesetz .............................. . 31
1.8.5 Fehlerfortpflanzung .................................. . 33
1.8.6 Ausgleichsrechnung ................................. . 34
Zusammenfassung ............................................... . 36
Übungsaufgaben ................................................. . 37