Gerthsen Physik

1057 Pages·2015·95.771 MB·German

by  Dieter Meschede (auth.)

Dieter Meschede Hrsg.
Ger thsen
Physik
25. Aufl age
Springer-Lehrbuch
Dieter Meschede
Gerthsen Physik
25. Auflage
Bis zur 20. Auflage betreut von Helmut Vogel
Herausgeber
ProfessorDr.DieterMeschede
InstitutfürAngewandtePhysik
UniversitätBonn
WegelerStraße8
53115Bonn
Deutschland
e-mail:[email protected]
ISSN0937-7433
ISBN978-3-662-45976-8 ISBN978-3-662-45977-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-45977-5
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;de-
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©Springer-VerlagBerlinHeidelberg1956,1958,1960,1963,1964,1966,1969,1971,1974,1977,1982,
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Vorwort zur 25. Auflage
„DiesesBuchistausNiederschriftenhervorgegangen,die verwendenkann.HeutewillderGerthsendazubeitragen,
ichimStudienjahr/denHörernmeinerVorlesun- dieBildungsinhaltedesPhysikstudiumsnichtalleinaufdie
genüberExperimentalphysikanderUniversitätBerlinaus- prüfungsrelevantenThemender neuenBachelor-Master-
gehändigt habe. Sie sollten den drückenden Mangel an Struktur zu verengen, sondern auch die perspektivische
Lehrbüchern der Physik überwindenhelfen. Diesem Ur- SichtaufweiterebedeutendeKonzepte–zumBeispieldie
sprungverdanktdasBuchseineninmancherHinsichtvom Himmelsmechanik–undderenEntwicklunginderzeitge-
üblichenabweichendenCharakter.EserhebtnichtdenAn- nössischenWissenschaftimBlickzubehalten.Dievorlie-
spruch,einLehrbuchzusein,dessenStudiumeineVorle- gende.Auflagebleibtdahergegenüberder.unverän-
sungzuersetzenvermag.Essollnichtstatt,sondernneben dert.
einerVorlesungverwendetwerden.“,soChristianGerth- DieAufgabenbleibenintegralerundhochgeschätzter
seninseinemVorwortzur.Auflagevon. Bestandteildes„Gerthsen“.SiesindinderPrintausgabeauf
Der „Gerthsen“ hat von Beginn an einen zeitlosen, ausgewählteBeispielereduziert,dervollständigeAufgaben-
bereits formuliertenAnspruchvertreten:Erwill ein KatalogbleibtalsExtra-Materialunterextra.springer.com
verlässlicherBegleitersein,denmanzurkompaktenPrü- verfugbarundwirdweiterentwickelt.
fungsvorbereitungebensowiespäteralsNachschlagewerk
Prof.Dr.DieterMeschede
Vorwort des Verlags zur 25. Auflage
Der„Gerthsen“istseitJahrzehnteneinesderbeliebtesten Für die . Auflage sind dann deutliche Neuerungen
Standardwerke für das Physikstudium. Grund dafür ist geplant,umden„Gerthsen“besseranstudentischeBedürf-
unteranderemdiebesondereThemenvielfaltunddieVoll- nisse des Bachelorstudiums anzupassen. Dieses neue
ständigkeitdesInhaltes:wennStudenteneinspeziellesphy- KonzeptistjedochaufwändigundbedarflängererBearbei-
sikalisches Problem suchen, eine bestimmte Konstante tungszeitbiszurFertigstellung,sodassunsereLesersich
nachschlagenmöchtenodereineexperimentelleMethode biszurNeuauflagenocheinpaarJahregeduldenmüssen.
verstehenmüssen, werden sie dazu etwas im „Gerthsen“ UmauchinderZwischenzeitden„Gerthsen“verfügbarzu
finden. Somit ist und bleibt der Gerthsen bis heute halten, hat der Verlag diese . Auflage nun für unsere
das bekannteste Nachschlagewerk der Experimental- LeseraufdenMarktgebracht.
physik. WieimmerfreutderVerlagsichüberFeedback.Unsere
Inder.Auflagedes„Gerthsen“istderVerlagseinen Leser wissen am besten, wie der „Gerthsen“ noch
Lesernpreislichentgegengekommen–füreinenstuden- besserwerdenkann.SchreibenSiedazugernejederzeitan
tisch-freundlichen Preis gibt es auf über  Seiten das dasPhysiklektoratbeiSpringerSpektrum.Wirwünschen
kompletteWissenfürsStudiummitvielenAufgabenund IhnenvielFreudebeimLesenundEntdecken,beimNach-
durchgerechnetenBeispielen. schlagen,RechnenundLernen.
MargitMaly&VeraSpillner,
LektoratfürPhysikbeiSpringerSpektrum
Vorwort zur 24. Auflage
„DiesesBuchistausNiederschriftenhervorgegangen,die ger wichtige Themen ohne Erhöhung der Seitenzahl zu
ichimStudienjahr/denHörernmeinerVorlesun- berücksichtigen.DemKapitelüberNichtlineareDynamik
gen über Experimentalphysik an der Universität Berlin wurdenunderinderLogikderThemenangemessenePlatz
ausgehändigt habe. Sie sollten den drückenden Mangel zugeordnet.
an Lehrbüchern der Physik überwinden helfen. Diesem UmdenZugangzudenThemenzuerleichtern,umdie
UrsprungverdanktdasBuchseineninmancherHinsicht Lesbarkeitzuerhöhen,wurdeeinneues,zweispaltigesFor-
vom üblichen abweichenden Charakter. Es erhebt nicht matmitneuerFarbgestaltungunddervorsichtigerweiter-
denAnspruch,einLehrbuchzusein,dessenStudiumeine tenVerwendungdesVierfarbdrucksgewählt.InderNeu-
Vorlesungzuersetzenvermag.Essollnichtstatt,sondern auflagesindeinzelneKapitelmiteinem M für„Masterstu-
nebeneinerVorlesungverwendetwerden.“ dium“ gekennzeichnet,um derUmstellungdes Studiums
SoleiteteC.GerthsenseinVorwortzur.Auflage aufdieBachelor-Master-StrukturRechnungzutragen.
ein. Mehr als  Jahre später spielen Mangelsituationen DieAufgaben,dieintegralerBestandteildes„Gerthsen“
keineRolleinderKonzeptionvonLehrbüchern.Stattdes- sind,wurdeninderPrintausgabeaufausgewählteBeispie-
senwirddiedynamischeEntwicklungdesVerhältnisseszu le reduziert, der vollständige Aufgaben-Katalog ist nun
denelektronischenMedienindenkommendenJahreneine alsExtra-Materialunterextra.springer.comverfügbarund
wichtigeRollespielen.Der„Gerthsen“erhebtdarineinen wirdweiterentwickelt.BeiderverlegerischenUmsetzung
zeitlosen,imzweitenAbsatzdeserstenVorwortes bereits der neuen Auflage haben sich viele Personen engagiert,
formulierten Anspruch: Er will ein verlässlicher Beglei- ich bedanke mich stellvertretendbeiHerrn Dr. Thorsten
ter sein, den man zur kompakten Prüfungsvorbereitung SchneidervomSpringer-Verlag, beidemTeamvonle-tex
ebensowiespäteralsNachschlagewerkverwendenkann. publishing servicesGmbH,beidemgeschätztenKommi-
ZeitlosigkeitistnichtgleichzusetzenmitStillstand.Für litonenUlrichWalterfürdasDurchsehenderAbschnitte
dieseNeuauflagewurdendieerstenvierKapitel–voll- zur Himmelsmechanik, in besonderer Weise bei Herrn
ständig neu bearbeitet. Die klassischen Inhalte ändern Dr. Remmer Meyer-Fennekohl, der mit unermüdlichem
sichdabeinurunwesentlich,wohlaberderenDarstellung Eifer geholfen hat, Unklarheiten und Fehler in den neu
und ihre Bezüge. Neuee-Unterkapitelerlaubenes, weni- gestaltetenKapitelnzuvermeiden.
Bonn,August DieterMeschede
Inhaltsverzeichnis
0 Einführung .. Anwendungen
0.1 ExperimentundTheorie ............... 2 vonEnergie-undImpulssatz...... 33
0.2 MessenundMaße ..................... 2 .. Stoßgesetze...................... 34
.. Messen.......................... 2 1.6 PhasenraumundErhaltungssätze ...... 37
.. KalibrierenundNormale ......... 2 .. Impulsraum ..................... 37
.. Maßeinheiten.................... 2 .. Phasenraum..................... 39
.. Meter,Sekunde,Kilogramm ...... 3 .. HamiltonsMechanik............. 39
0.3 DatenanalyseundMessunsicherheit ... 7 .. InvarianzenundErhaltungssätze .. 40
.. NormalverteilungundMessfehler . 8 .. DerVirialsatz.................... 40
.. Messfehler ...................... 9 1.7 KräfteinbewegtenBezugssystemen ... 41
.. Fehlerfortpflanzung .............. 9 .. KontaktkräfteundFernkräfte ..... 41
.. LineareRegression............... 9 .. Inertialsysteme .................. 42
0.4 GraphischeDarstellung .. RotierendeBezugssysteme........ 42
physikalischerZusammenhänge ....... 10 .. CorioliskraftundFoucault-Effekt.. 43
0.5 Fermi-Probleme........................ 11 1.8 GravitationundHimmelsmechanik..... 45
Aufgaben ................................... 12 .. AufstiegimSchwerefeld .......... 45
.. DasGravitationsgesetz ........... 45
1 MechanikderMassenpunkte .. Äquivalenzvonträgerund
schwererMasse.................. 47
1.1 Kinematik ............................. 14
.. DasGravitationsfeld ............. 48
.. OrtsvektorundBezugssystem..... 14
.. Gravitationspotentialausgedehnter
.. Geschwindigkeit................. 14
Körper.......................... 49
.. Beschleunigung.................. 16
.. Gezeitenkräfte................... 50
1.2 DynamikundStatik.................... 16
.. Zwei-Körper-Probleme........... 51
.. Trägheit......................... 16
.. Planetenbahnen ................. 52
.. KraftundMasse ................. 17
.. Himmelsmechanik............... 55
.. Maßeinheiten.................... 18
.. Bahnstörungen .................. 56
.. NewtonsAxiome ................ 18
.. BahnstörungenvonPlaneten...... 58
1.3 EinfacheBewegungen ................. 19
1.9 Reibung ............................... 60
.. Diegleichmäßigbeschleunigte
.. Reibungsmechanismen........... 60
Bewegung....................... 19
.. BewegungunterReibungseinfluss . 62
.. DiegleichförmigeKreisbewegung . 21
.. FlugvonGeschossen............. 62
.. DieharmonischeSchwingung..... 23
1.4 ImpulseundKraftstöße ................ 25 .. DietechnischeBedeutung
derReibung ..................... 63
.. Impuls .......................... 25
1.5 Arbeit,Energie,Leistung ............... 26 1.10 OffeneFragenundGrenzen ............ 65
Aufgaben ................................... 67
.. Arbeit........................... 26
.. KinetischeEnergie ............... 28
2 MechanikdesstarrenKörpers
.. Kraftfelder ...................... 28
.. PotentielleEnergie ............... 29 2.1 TranslationundRotation............... 70
.. DerEnergiesatz.................. 31 .. Bewegungsmöglichkeiten
.. Leistung......................... 32 einesstarrenKörpers............. 70
.. DrehimpulsundFlächensatz...... 32 .. FreiheitsgradedesstarrenKörpers. 71
Inhaltsverzeichnis
2.2 DrehmomenteundGleichgewicht...... 71 .. DieMaxwellsche
.. InfinitesimaleDrehungen......... 71 Geschwindigkeitsverteilung....... 108
.. HebelgesetzundDrehmoment.... 72 .. MittlerefreieWeglängeund
.. HilfskräfteundLinienflüchtigkeit . 73 Wirkungsquerschnitt............. 110
.. Kräftepaare...................... 73 .. ViskositätundinnereReibung .... 111
.. Gleichgewichtsbedingungen ...... 74 3.4 Strömungen ........................... 112
.. Schwerpunkt .................... 75 .. Strömungen,QuellenundSenken . 112
.. GleichgewichtschwererKörper ... 76 .. Druckkräfte ..................... 115
.. EinfacheMaschinen.............. 76 .. IdealeFlüssigkeiten .............. 115
.. VirtuelleVerschiebungen......... 78 .. AnwendungenderBernoulli-
2.3 DynamikdesstarrenKörpers........... 78 Gleichung....................... 116
.. DieWinkelgeschwindigkeit....... 79 .. RotationundZirkulation ......... 118
.. DasTrägheitsmoment............ 79 .. Wirbel .......................... 120
.. SteinerscherSatzundDrehachsen. 80 .. Potentialströmungen ............. 121
.. DerDrehimpuls ................. 81 .. DieMagnus-Kraft................ 123
.. DerDrehimpulssatz.............. 82 3.5 ViskoseStrömungen ................... 123
.. BewegungsgleichungderRotation. 83 .. Reibungskräfte................... 123
.. Vorschau: .. LaminareStrömungen............ 124
MikroskopischeDrehimpulse..... 84 .. Strömungswiderstände ........... 126
.. Rotationsenergie................. 85 .. WarumkönnenFlugzeugefliegen? 128
2.4 DieBewegungdesstarrenKörpers ..... 85 .. TurbulenzundReynoldszahl...... 129
.. Gleichmäßigbeschleunigte .. Navier-Stokes-Gleichung ......... 130
Rotation ........................ 85 3.6 Vakuum ............................... 131
.. RotationaufderschiefenEbene... 85 .. BedeutungderVakuumtechnik ... 131
.. Drehschwingungen .............. 86 .. Vakuumpumpen................. 132
.. Kippung ........................ 87 .. StrömungverdünnterGase ....... 134
.. FreieAchsen..................... 88 .. Vakuum-Messgeräte.............. 135
.. Euler-Gleichungen............... 90 Aufgaben ................................... 137
2.5 Kreisel................................. 90
.. KräftefreierKreisel,Nutation ..... 90 4 DeformierbareKörper,Schwingungen
.. SchwereKreisel,Präzession....... 92 undWellen
.. Kreiseleigenschaften 4.1 DerdeformierbarefesteKörper ........ 140
desErdkörpers .................. 94 .. DehnungundKompression....... 140
2.6 OffeneFragen ......................... 96 .. Scherung........................ 141
Aufgaben ................................... 97 .. ZusammenhangzwischenE-Modul
undG-Modul ................... 142
3 MechanikvonFluiden
.. AnelastischesVerhalten .......... 143
3.1 Derfeste,flüssige .. ElastischeEnergie................ 144
undgasförmigeZustand ............... 100 .. WiebiegensichdieBalken?....... 144
3.2 DruckinruhendenFlüssigkeiten .. Härte ........................... 145
undGasen............................. 101 4.2 Schwingungen......................... 145
.. DruckundKompressibilität....... 101 .. ÜberlagerungvonSchwingungen . 146
.. DerSchweredruck ............... 102 .. GedämpfteSchwingungen ........ 154
.. Gasdruck ....................... 105 .. ErzwungeneSinusschwingungen .. 158
.. DerAtmosphärendruck .......... 106 .. Amplituden-undPhasen-
3.3 GrundlagenderkinetischenGastheorie 107 modulation...................... 162
.. DerDruckderMoleküle.......... 107 4.3 Wellen................................. 163
.. DieBoltzmann-Verteilung ........ 108 .. BeschreibungvonWellen......... 163
Inhaltsverzeichnis viii/ix
.. DieWellengleichung ............. 164 5.3 BiologischeundchemischeSysteme.... 227
.. ElastischeWellen ................ 164 .. Populationsdynamik ............. 227
.. ÜberlagerungvonWellen......... 166 .. EinfacheökologischeModelle..... 232
.. IntensitäteinerWelle............. 170 .. KinetischeProbleme ............. 235
4.4 Wellenausbreitung..................... 172 5.4 ChaosundOrdnung ................... 239
.. Streuung ........................ 172 .. EinfacheWegeinsChaos ......... 239
.. DasPrinzipvonHuygens-Fresnel . 173 .. ChaosundFraktale .............. 240
.. DasPrinzipvonFermat .......... 174 .. IterativesGleichungslösen ........ 245
.. Beugung ........................ 176 .. ChaosimKochtopf .............. 246
.. Doppler-Effekt;Mach-Wellen ..... 177 Aufgaben ................................... 249
.. Absorption...................... 178
6 Wärme
.. Stoßwellen ...................... 179
4.5 Eigenschwingungen ................... 180 6.1 WärmeenergieundTemperatur ........ 252
.. GekoppeltePendel ............... 181 .. WasistWärme?.................. 252
.. WellenimKristallgitter; .. Temperatur...................... 253
dieKlein-Gordon-Gleichung...... 182 .. BrownscheBewegung ............ 254
.. StehendeelastischeWellen........ 183 .. DieBoltzmann-Verteilung(II) .... 255
.. EigenschwingungenvonPlatten, .. Freiheitsgrade ................... 256
MembranenundHohlräumen .... 186 6.2 ThermometerundWärmekapazität .... 257
.. Entartung ....................... 188 .. Thermometer.................... 257
4.6 Schallwellen ........................... 189 .. Wärmekapazität ................. 258
.. Kalorimeter ..................... 260
.. Schallmessungen................. 190
6.3 IdealeGase ............................ 261
.. TöneundKlänge................. 192
.. DieZustandsgleichungidealerGase 261
.. Lautstärke....................... 193
.. Der.HauptsatzderWärmelehre.. 262
.. DasOhr......................... 195
.. c undc beiGasen.............. 263
.. UltraschallundHyperschall ...... 196 V p
.. AdiabatischeZustandsänderungen 263
4.7 Oberflächen ........................... 197
.. Druckarbeit ..................... 266
.. DieGestaltvonFlüssigkeits-
6.4 Wärmekraftmaschinen................. 266
oberflächen...................... 197
.. ThermischeEnergiewandler ...... 266
.. Oberflächenspannung............ 197
.. Arbeitsdiagramme ............... 267
.. Oberflächenwellen
.. Wirkungsgradvonthermischen
aufFlüssigkeiten................. 203
Energiewandlern................. 268
Aufgaben ................................... 208
6.5 WärmeleitungundDiffusion ........... 270
.. Mechanismen
5 NichtlineareDynamik
desWärmetransportes............ 270
5.1 Stabilität............................... 212 .. DieGesetzederWärmeleitung .... 271
.. DynamischeSysteme............. 212 .. Wärmeübergang
.. StabilitätvonFixpunkten ......... 214 undWärmedurchgang............ 275
.. DerPhasenraum .. WärmetransportdurchKonvektion 276
deterministischerSysteme ........ 215 .. DiffusioninGasenundLösungen . 277
5.2 NichtlineareSchwingungen............ 218 .. Transportphänomene ............ 278
.. PendelmitgroßerAmplitude ..... 218 6.6 Entropie ............................... 281
.. ErzwungeneSchwingungen .. Irreversibilität ................... 281
mitnichtlinearerRückstellkraft.... 219 .. WahrscheinlichkeitundEntropie.. 282
.. SelbsterregteSchwingungen ...... 223 .. EntropieundWärmeenergie ...... 283
.. Parametrische .. BerechnungvonEntropien ....... 284
Schwingungserregung............ 226 .. Der.HauptsatzderWärmelehre . 286
Inhaltsverzeichnis
.. ReversibleKreisprozesse.......... 287 7.3 Gleichströme .......................... 340
.. Dasthermodynamische .. Stromstärke ..................... 341
Gleichgewicht ................... 289 .. DasohmscheGesetz ............. 342
.. ChemischeEnergie............... 292 .. EnergieundLeistung
.. FreieEnergie,Helmholtz-Gleichung elektrischerStröme............... 344
und.HauptsatzderWärmelehre . 294 .. Gleichstromtechnik .............. 344
6.7 Aggregatzustände ..................... 296 7.4 MechanismenderelektrischenLeitung. 348
.. Koexistenz .. NachweisfreierElektronen
vonFlüssigkeitundDampf ....... 296 inMetallen...................... 348
.. KoexistenzvonFestkörper .. ElektronentransportinMetallen... 349
undFlüssigkeit .................. 301 .. ElektrischeLeitfähigkeit.......... 350
.. KoexistenzdreierPhasen ......... 301 .. Elektrolyse ...................... 352
.. RealeGase ...................... 302 .. ElektrolytischeLeitfähigkeit ...... 354
.. KinetischeDeutung .. Ionenwolken;
dervanderWaals-Gleichung...... 304 elektrochemischesPotential....... 357
.. Joule-Thomson-Effekt; 7.5 GalvanischeElemente.................. 361
Gasverflüssigung................. 305 .. Ionengleichgewichtund
.. ErzeugungtiefsterTemperaturen.. 306 Nernst-Gleichung................ 361
6.8 Lösungen.............................. 308 .. AuflösungvonMetallionen....... 361
.. Grundbegriffe ................... 308 .. GalvanischeElemente............ 362
.. Osmose......................... 309 .. GalvanischePolarisation.......... 362
.. Dampfdrucksenkung............. 309 .. Polarisationund
Oberflächenspannung............ 363
.. Destillation...................... 310
Aufgaben ................................... 312 7.6 Thermoelektrizität ..................... 364
.. DerSeebeck-Effekt............... 364
7 Elektromagnetismus: .. Peltier-Effekt
undThomson-Effekt ............. 366
LadungenundStröme
7.7 StrömeundFelder ..................... 367
7.1 Elektrostatik ........................... 316
.. Elektrostatik..................... 367
.. ElektrischeLadungen ............ 316
.. Lorentz-KraftundMagnetfeld .... 368
.. DaselektrischeFeld.............. 317
.. KräfteaufStrömeimMagnetfeld .. 368
.. SpannungundPotential .......... 320
.. DerHall-Effekt .................. 370
.. BerechnungvonFeldern.......... 324
.. RelativitätderFelder ............. 371
.. Kapazität........................ 328 7.8 ErzeugungvonMagnetfeldern ......... 372
.. Dipole .......................... 331 .. DasFeld
.. Influenz......................... 332 desgeradenElektronenstrahls
.. EnergieeinerLadungsverteilung .. 333 oderdesgeradenDrahtes......... 372
.. DaselektrischeFeldalsTräger .. DergeradeDraht,
derelektrischenEnergie .......... 334 relativistischbetrachtet........... 374
7.2 Dielektrika............................. 334 .. AllgemeineEigenschaften
.. DieVerschiebungsdichte ......... 334 desMagnetfeldes................. 374
.. Dielektrizitätskonstante .......... 334 .. Bezeichnungen
.. Mechanismenderdielektrischen elektromagnetischerFelder ....... 376
Polarisation ..................... 336 7.9 DasMagnetfeldvonStrömen .......... 376
.. Energiedichtedeselektrischen .. VergleichmitdemelektrischenFeld;
FeldesimDielektrikum........... 338 derSatzvonBiot-Savart .......... 379
.. Elektrostriktion; .. Magnetostatik ................... 381
Piezo-undPyroelektrizität........ 339 .. Elektromagnete.................. 382