Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik (Springer-Lehrbuch)

522 Pages·2004·9.13 MB·German

by  Wolfgang Demtröder

Springer-Lehrbuch
Experimentalphysik
Band1
MechanikundWärme
4.Auflage
ISBN3-540-26034-x
Band2
ElektrizitätundOptik
3.Auflage
ISBN3-540-20210-2
Band3
Atome,MoleküleundFestkörper
3.Auflage
ISBN3-540-21473-9
Band4
Kern-,Teilchen-undAstrophysik
2.Auflage
ISBN3-540-21451-8
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik 1
Mechanik und Wärme
Vierte,neubearbeiteteundaktualisierteAuflage
Mit595,meistzweifarbigenAbbildungen,
9Farbtafeln,40Tabellen,
zahlreichendurchgerechnetenBeispielen
und167Übungsaufgaben
mitausführlichenLösungen
123
ProfessorDr.WolfgangDemtröder
UniversitätKaiserslautern
FachbereichPhysik
67663Kaiserslautern,Deutschland
e-mail:[email protected]@physik.uni-kl.de
URL:http://www.physik.uni-kl.de/w_demtro/w_demtro.html
ISBN3-540-26034-x 4.Auflage
SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN3-540-43559-x 3.Auflage
SpringerBerlinHeidelbergNewYork
BibliografischeInformationDerDeutschenBibliothek
DieDeutscheBibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschen
Nationalbibliografie;detailliertebibliografischeDatensindimInternet
über<http://dnb.ddb.de>abrufbar.
DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.DiedadurchbegründetenRechte,insbesonderediederÜbersetzung,
desNachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAbbildungenundTabellen,derFunksendung,derMikrover-
filmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von
TeilendiesesWerkesistauchimEinzelfallnurindenGrenzendergesetzlichenBestimmungendesUrheberrechts-
gesetzesderBundesrepublikDeutschlandvom9.September1965inderjeweilsgeltendenFassungzulässig.Sieist
grundsätzlichvergütungspflichtig.ZuwiderhandlungenunterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechts-
gesetzes.
SpringeristeinUnternehmenvonSpringerScience+BusinessMedia
springer.de
(cid:1)c Springer-VerlagBerlinHeidelberg1994,1998,2003,2006
PrintedinGermany
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungenusw. in diesemWerk berechtigt
auchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen-und
Markenschutz-GesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonJedermannbenutztwerdendürften.
Lektorat,Satz,IllustrationenundUmbruch:LE-TeXJelonek,Schmidt&VöcklerGbR,Leipzig
Umschlaggestaltung:design&productionGmbH,Heidelberg
GedrucktaufsäurefreiemPapier 56/3141/mf-5432
Vorwort zur vierten Auflage
Indernunvorliegenden4.AuflagederExperimentalphysik1wurdeneineReihevon
Fehlernkorrigiert,mancheHerleitungenetwasausführlicherdargestelltundkleinere
Ergänzungeneingefügt.AnsonstenwurdeamKonzeptdesBuchesnichtsgeändert.
Der Autor dankt allen Lesern, die durch konstruktive Zuschriften zur Verbes-
serung des Buches beigetragen haben. Insbesondere sollen hier Herr Dr. P. Straub
vonderTUWienundHerrDr.H.SchulzanderTUHannovernamentlichgenannt
werden,diemirdurchausführlichereZuschriftenguteVorschlägegemachthaben.
Der Autor hofft auch weiterhin auf kritische Leser für die Optimierung der
kommendenAuflagen.
MeinDankgehtanHerrnDr.SchneiderundFrauUteHeuservomSpringer-Verlag
undandasTeamderFirmaLE-TeX,dieLayout,BildkorrekturenundSatzgestaltung
übernommenhaben.
Kaiserslautern,
imMai2005 WolfgangDemtröder
Vorwort zur ersten Auflage
Dieses vierbändige Lehrbuch der Experimentalphysik, dessen erster Band hiermit
vorgestellt wird, ist gedacht zur Begleitung und Vertiefung der Vorlesungen zur
Einführung in die Physik, wie sie an den meisten deutschen Universitäten bis
zum Vordiplom gehalten werden. Das Buch ist durch eine gründliche Überarbei-
tungundErweiterungvonVorlesungsskriptendesAutorsentstanden,dieüberviele
JahrehinwegvondenStudenteninKaiserslauternbenutztwurden.
Dieses Lehrbuch soll deutlich machen, dass physikalische Erkenntnisgewin-
nung auf der Entwicklung und Beschreibung von Modellen der Natur beruht,
derenexperimentelle Prüfungundsukzessive Verfeinerungzueinemimmer detail-
lierterenVerständnisderunsumgebendenWeltundderinihrablaufendenVorgän-
geführt.
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
Messung für ein quantitatives Verständnis der Natur illustriert wird – mit dem ein-
fachsten Modell des Massenpunktes zur Beschreibung der Bewegung von Körpern
unter dem Einfluss von Kräften. Nach einer Diskussion der Darstellung von Vor-
gängen in bewegten Bezugssystemen und der grundlegenden Ideen der speziellen
Relativitätstheorie werden dann im 4. Kapitel Systeme von Massenpunkten und
StößezwischenzweiTeilchenbehandelt.
Räumliche Ausdehnung von Körpern und unterschiedliche Eigenschaften der
Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig werden dann in den Kap. 5–7 be-
rücksichtigt. Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen und die zu ihrer Beschrei-
bung verwendeten Modelle bilden den Inhalt des 8. Kapitels, während Kap. 9 das
technologischwichtigeGebietderVakuumphysikkurzdarstellt.
Zu den wichtigsten dynamischen Vorgängen in der Natur gehören Schwingun-
gen und Wellenphänomene, die relativ ausführlich in Kap. 101 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 expandie-
rende Gebiet der Physik nichtlinearer Phänomene, das viele überraschende und
faszinierende Einsichten in die reale Natur bietet. Im Sinne der verfeinerten
Approximation von Modellen stellt die nichtlineare Dynamik einen großen Schritt
indergenauen,wennauchmeistensnurnumerischmöglichenBeschreibungrealer
Naturvorgängedar.
Die in diesem Lehrbuch behandelten grundlegenden Begriffe und ihre Anwen-
dung auf die Lösung von Problemen werden an vielen Beispielen illustriert, und
1indervorliegendenzweitenAuflageistdiesKap.11
VIII VorwortzurerstenAuflage
Übungsaufgaben am Ende jedes Kapitels bieten dem Leser die Möglichkeit, sein
VerständnisdesStoffesselbstzuprüfen.DazukannerseineeigeneLösungmitden
im Anhang angegebenen Lösungen vergleichen. Dort sind auch einige Grund-
begriffe der Vektorrechnung, der komplexen Zahlen und der Beschreibung von
physikalischen Vorgängen in problemangepassten Koordinatensystemen darge-
stellt, um den Zugang zur mathematischen Beschreibung in diesem Lehrbuch
zuerleichtern.
JedesLehrbuchlebtvonderkritischenMitarbeitderLeser.DerAutorfreutsich
deshalbüberVerbesserungsvorschlägeundHinweiseaufmöglicheFehler.
Zum Schluss möchte ich allen herzlich danken, die bei der Herstellung dieses
Buches 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 Abbildungen gezeichnet. Frau Weyland und Frau Heider haben Teile des Ma-
nuskripts geschrieben, Ihnen sei dafür ganz herzlich gedankt. Ich danke Herrn
Imsieke, der das gesamte Manuskript gelesen und durch Hinweise auf Unklar-
heiten viel zur Verbesserung der Darstellung beigetragen hat. Besonderer Dank
gebührt meiner lieben Frau, die viel Verständnis gehabt hat für die zahlreichen
Arbeitswochenenden, welchefürdieses Buchgebraucht wurdenunddiemirdurch
ihreHilfedieZeitzumSchreibenermöglichthat.
Ich hoffe, dass dieses Buch nicht nur für Physikstudenten, sondern auch für
Studenten anderer Fachrichtungen, die Einführungsvorlesungen in Physik hören,
von Nutzen ist. Wenn es die Begeisterung des Autors für unser schönes Fach
aufmöglichstvieleStudentenübertragenkann,hatesseinenZweckerfüllt.
Kaiserslautern,
imMai1994 WolfgangDemtröder
Inhaltsverzeichnis
1. EinführungundÜberblick
1.1 DieBedeutungdesExperimentes .............................. 1
1.2 DerModellbegriffinderPhysik ............................... 3
1.3 HistorischerRückblick ....................................... 5
1.3.1 DieantikeNaturphilosophie ........................... 5
1.3.2 DieEntwicklungderklassischenPhysik ................ 7
1.3.3 DiemodernePhysik .................................. 9
1.4 UnserheutigesphysikalischesWeltbild ......................... 11
1.5 BeziehungenzwischenPhysikundNachbarwissenschaften ....... 15
1.5.1 BiophysikundmedizinischePhysik .................... 15
1.5.2 Astrophysik .......................................... 16
1.5.3 GeophysikundMeteorologie .......................... 16
1.5.4 PhysikundTechnik ................................... 16
1.5.5 PhysikundPhilosophie ............................... 17
1.6 DieGrundgrößeninderPhysik,ihreNormaleundMessverfahren . 18
1.6.1 Längeneinheiten ..................................... 19
1.6.2 MessverfahrenfürLängen ............................. 20
1.6.3 Zeiteinheiten ......................................... 22
1.6.4 Zeitmessungen ....................................... 25
1.6.5 MasseneinheitenundihreMessung .................... 26
1.6.6 Stoffmengeneinheit ................................... 27
1.6.7 Temperatureinheit .................................... 27
1.6.8 EinheitderelektrischenStromstärke ................... 27
1.6.9 EinheitderLichtstärke ................................ 27
1.6.10 Winkeleinheiten ...................................... 28
1.7 Maßsysteme ................................................. 29
1.8 MessgenauigkeitundMessfehler .............................. 29
1.8.1 SystematischeFehler ................................. 30
1.8.2 StatistischeFehler.MesswertverteilungundMittelwert ... 30
1.8.3 Streuungsmaße ....................................... 32
1.8.4 Fehlerverteilungsgesetz ............................... 32
1.8.5 Fehlerfortpflanzung ................................... 34
1.8.6 Ausgleichsrechnung .................................. 35
Zusammenfassung .................................................. 37
Übungsaufgaben ................................................... 38
X Inhaltsverzeichnis
2. MechanikeinesMassenpunktes
2.1 DasModelldesMassenpunktes.Bahnkurve .................... 39
2.2 GeschwindigkeitundBeschleunigung .......................... 41
2.3 GleichförmigbeschleunigteBewegung ......................... 42
2.3.1 DerfreieFall ........................................ 43
2.3.2 DerschrägeWurf .................................... 43
2.4 Bewegungenmitnicht-konstanterBeschleunigung .............. 44
2.4.1 DiegleichförmigeKreisbewegung ..................... 44
2.4.2 DieallgemeinekrummlinigeBewegung ................ 46
2.5 Kräfte ....................................................... 47
2.5.1 KräftealsVektoren.AdditionvonKräften .............. 48
2.5.2 Kraftfelder ........................................... 49
2.5.3 MessungvonKräften.DiskussiondesKraftbegriffes ..... 50
2.6 DieGrundgleichungenderMechanik .......................... 51
2.6.1 DieNewtonschenAxiome ............................. 51
2.6.2 TrägeundschwereMasse ............................. 53
2.6.3 DieBewegungsgleichungeinesTeilchens
ineinembeliebigenKraftfeld .......................... 54
2.7 DerEnergiesatzderMechanik ................................. 57
2.7.1 ArbeitundLeistung .................................. 57
2.7.2 WegunabhängigeArbeit.KonservativeKraftfelder ....... 59
2.7.3 PotentielleEnergie ................................... 61
2.7.4 DerEnergiesatzderMechanik ......................... 62
2.7.5 ZusammenhangzwischenKraftfeldundPotential ........ 63
2.8 DrehimpulsundDrehmoment ................................. 64
2.9 GravitationundPlanetenbewegungen .......................... 66
2.9.1 DieKeplerschenGesetze .............................. 66
2.9.2 NewtonsGravitationsgesetz ........................... 67
2.9.3 Planetenbahnen ...................................... 68
2.9.4 DaseffektivePotential ................................ 71
2.9.5 GravitationsfeldausgedehnterKörper .................. 71
2.9.6 ExperimentellePrüfungdesGravitationsgesetzes ........ 74
2.9.7 ExperimentelleBestimmungderErdbeschleunigung ..... 76
Zusammenfassung .................................................. 78
Übungsaufgaben ................................................... 79
3. BewegteBezugssystemeundspezielleRelativitätstheorie
3.1 Relativbewegung ............................................. 83
3.2 InertialsystemeundGalilei-Transformation ..................... 83
3.3 BeschleunigteBezugssysteme,Trägheitskräfte .................. 85
3.3.1 GeradlinigbeschleunigteBezugssysteme ............... 85
3.3.2 RotierendeBezugssysteme ............................ 87
3.3.3 Zentrifugal-undCorioliskräfte ........................ 89
3.3.4 Zusammenfassung .................................... 91
3.4 DieKonstanzderLichtgeschwindigkeit ........................ 92
3.5 Lorentz-Transformationen .................................... 94
3.6 SpezielleRelativitätstheorie ................................... 95