Grundriss der Physik nach dem neuesten Stande der Wissenschaft: Zum Gebrauch an höheren Lehranstalten und zum Selbststudium

273 Pages·1898·17.401 MB·German

by  Dr. K. F. Jordan (auth.)

Grundriss der Physik
nach dem
neuesten Stande der Wissenschaft.
Gebrauch an hohel'en Lehranstalten
ZUlli
Llnd zum Selbststudium.
Von
Dr. K. F. Jordan.
Mit 142 in den Text gedntckten Abbildllngen.
Berlin.
Verlag von Julius Springer.
1898.
ISBN-13: 978-3-642-89908-9 e-ISBN -13: 978-3-642-91765-3
DOl: 10.1007/978-3-642-91765-3
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1898
Zweite, 8ehr vel'mehl'te und vel'besserte Auflage
des "Physikalischen Theils" del' "Schule del' Pharmacie'·.
Vorwort.
1m Jahre 1893 veroffentlichte ich aJs dritten Theil eines
grosseren Werkes, del' "Schule del' Pharmacie", einen Grundriss
del' Physik, der gewisse Eigenheiten in sich vereinigte, in 1!'olgc
deren von befreundeter Seite mehrfach die .Aufforderung an mich
erging, die zweite .Auflage des Ruches einem grosseren Publikum
zuglinglich zu machen. Dies ist him'mit geschehen.
Was die Eigenart des Ruches anbetl'ifft, die es rechtfertigt,
dass dasselbe den Vel'such macht, sich innerhalb del' grossen 1!'iille
physikalischer Lehrbiicher, die der Riichermarkt aufweist, auch
seinerseits noch einen Platz zu erobern, so handelt es sich um
folgende Gesichtspunkte, die bei del' .Abfassung des Ruches, be
sonders in seiner jetzigen, gegeniiber del' ersten .Auflage stark
erweiterten Gestalt, maassgebend waren:
1. In heutiger Zeit, wo die Technik, VOl' .Allem auf dem
Gebiete del' Elektricitlit, so aussel'ordentliche Fol'tschritte macht,
Entdeckung auf Entdeckung zeitigt und in unser Leben umgestal
tend einwirkt, muss ein Ruch, das den Leser mit del' Welt del'
physikalischen El'scheinungen vertraut machen will, iiberall auf
das Technische und Praktische, soweit es zur Physik in Reziehung'
steht, Riicksicht nehmen, statt sich darauf zu beschrltnken, alt
ehrwitrdige Schulversuche zu beschreiben und Schulanschauungen
vorzutl'agen.
2. Will abel' ein Physikbuch nicht nul' Techniker unterweisen,
sondern ('ine allgemeine physikalische Bildung gewlihren, so muss
es in noch hoherem l\'[aasse einem zweiten El'forderniss geniigen:
es muss die Erscheinungen, die es bespricht, erklliren, auf illr
inneres Wesen eingehen, iln'en tieferen Zusammenhang aufzu
decken such en. Erst dann steht del' Leser und Lernende nicht
mehr VOl' eilier blossen Menge von Thatsachen, sondern es wird
IV Vorwort.
ihm der Sinn des physikalischen Geschehens, der gesammten
pbysikalischen Erscheinungswelt kIaI'. Die Vertiefung in die wissen
schaftliche Theorie halte ich gerade in unserem Zeitalter fUr be
son del's wichtig und nothwendig, weil eben die Technik sich so
ausserordentlich entwickelt hat und voraussichtlich weiter ent
wickelt, dass die Gefahr der Verausserlichung nahelieg"t.
In beiderlei Beziehung sucht del' vorliegende Grundriss den
Bediirfnissen in hoherem Maasse, als es Seitens anderer Lehrbiicher
geschieht, zu geniigen, und zwar
3. in knapper Form und in del' Weise, dass er die Gesetze
iibel'all nach Moglichkeit aus del' Beobachtung und dem Versuch
abzuleiten und dem gefundenen Gesetz den kiil'zestell und schal'fsten
Ausdl'uck zu geben bestrebt ist.
Dass er dabei die modernen Forschungen bis in die neueste
Zeit bel'iicksichtigt, darf besonders hervol'g'ehobell werden.
Das Vel'stalldniss des Textes wird
4. durch zahlreiche Abbildungen ullterstiitzt, die zwar llicht
kiillstlerisch ausgefUhrt, ibrer Einfachheit und Deutlichkeit wegen
abel' hoffelltlich urn so instruktiver sind.
Mage dem Buche eine gilnstige Aufnahme zu Theil werden!
Berlin, Juli 1898.
Karl Friedr. Jordan.
Inhaltsverzeichniss.
Seite
1. Kapitel: Materie und Kraft; Tragheit und Reibung 1
2. Kapitel: Allgemeine Eigenschaften der Korper . . 7
3. Kapitel: Krystallographie (Lphre von den Krystallformen) 21
4. Kapitel: Wirkungen der Schwerkraft auf aIle Arten von Korpern (All-
gemeine Mechanik). . . . 32
5. Kapitel: Wirkungen der Schwerkraft auf feste Korper (Mechanik der
festen Korper) 51
6. Kapitel: Wirkungen der Schwerkraft auf fHissige Korper (Mechanik del·
fiiissigen Korper) 64
7. Kapitel: Wirkungen der Schwerkraft auf luftformige Korper (Mechanik
der luftformigen Korper) 83
8. Kapitel: Stoss elastischer Korper und Wellenbewegung 103
9. Kapitel: Die Lehre vom Schall (Akustik) 108
10. Kapitel: Die Lehre vom Licht (Optik) 114
11. Kapitel: Warmelehre . . . 156
12. Kapitel: Reibungselektricitat 187
13. Kapitel: Magnetismns. . . 202
14. Kapitel: Galvanismus . . . 208
15. Kapitel: Elektromagnetismus und Magnetoelektricitat; Elektrodynamik
und DYllamoelektricitat; Thermo- und Pyroelektricitat 232
16. Kapitel: Elektrische Wellen und Strahl ell . . . . . . . 247
1. Materie nnd Kraft; Tragheit nnd Reibung.
Physik. Die Physik ist die Lehre von den allgemeinen
Eigenschaften .und Bewegungs-Erscheinungen der Materie
und den sie bewirkenden Krafte'n.
Hierin' liegt ausgesprochen, dass eine Betrachtung d'er be
sonderen Bewegungs-Erscheinungen, wie WIT sie iill Gebiete der
belebten Natur antreffen (z. B. der Wachsthumsvorgange, der Be
wegungen von Pfianzentheilen unter dem Einfiusse des Lichts u. dgl. m.),
nich t zu den Aufgaben der Physik gehOrt: Aber auch mit den
jenigen Vorgangen im Bereiche des Unorganischen hat es die
Physik nicht zu thun, bei denen es sich um stoffliche Ver:
anderungen der Korper hande1t; sie gehoren ins Gebiet der
Chemie, die iibrigens eine der Physik nahe verwandte Wissen
schaft und nicht immer leicht von ihr zu trennen ist.
Materie. Die Materie (oder der Stoff) ist durch drei Grund
eigenschaften gekennzeichnet; diese sind: 1. die· Raumerfiillung
(Ausdehnung), 2. die Undurchdringlichkeit seitens anderer Materie
und 3. die Fahigkeit einer .A.nderung ~der raumlichen'Lage (die
Bewegungsfahigkeit).
Kraft. Mit dem Worte Kraft bezeichnet man die Ursache
einer Anderung des Bewegungszustandes eines Korpers. - Ais
Bewegungszustand ist nicht nur eine Bewegung irgend welcher
Art, sondern aueh die Ruhe - als Abwesenheit ,ieglicher Bewe
gung (Geschwindigkeit = 0, vgl. S. 3) - aufzufassen. Ein Korper
(im physikalischen Sinne) ist ein bestimmter Mengentheil der ge
sammten Materie, der als ein in gewissem Maasse einheitliches
We sen - als Individuum - erscheint.
Zu der Annahme von Kraften sind wi!' durch un sere Kausalanschauung
genothigt. Da lIDser Denken nii.mlich (gemass dieser .A.nschauung) fitr jedes
Geschehniss ein anderes verlangt, durch welches es hervorgerufen wird, sowie
1
2 1. Materie und Kraft; Tritgheit und Reibung.
ein weiteres, das eine Folge von ihm ist - oder kiirzer: da wir uns keine
Wirkung ohne Ursache und keine Ursache ohne Wirkung denken konnen, 1) so
muss auch jede .A.nderung (und damit Neugestaltung) des Bewegungszustandes,
den ein Korper hat, durch irgend etwas verursacht werden; dieses Etwas
nennt man Kraft. Damit ist liber das Wesen, liber die innere Natur der
Krafte nichts entschieden. Man wird gut tbun, dies festzubalten und sich
nicht vorschnell metaphysischen Vorstellungen von dem Wesen der Krafte hin
zugeben. -
Trligbeit oder Bebarrungsvermogen der Korper. Wie einer
seits durch die Einwirkung einer Kraft auf einen Karper eine
Anderung in dem Bewegungszustande des letzteren hervorgebracht
wird, so verharrt andererseits ein Karpel', auf den keine Kraft
einwirkt, unverandert in dem Bewegungszustande, den er gerade
hat. - Es ist !lies nul' die andere Seite der soeben angegebenen
Folgerung aus dem Grundsatze der Kausalitat. Trotzdem be
zeichnet man die Eigenschaft der Karpel', ohne die Einwirkung
einer andernden Kraft in ihrem jeweiligen Bewegungszustande zu
verharren (da sie vielfach von besonderer Bedeutung ist) , mit
einem eigenen Namen: namlich als das Beharrungsvermagen
oder die Tragheit del' Karpel', und man spricht demgemass von
einem Beharrungs- odeI' Tragheitsgesetz - als einem Grund
gesetz del' Physik. - Dasselbe wurde von Galilei, einem italie
nischen Physiker, im Jahre 1638 aufgestellt. Erst auf Grund
dieses Gesetzes ist eine richtige Erklarung des freien Falls, der
Schwungkraft, del' Pendelschwingungen, del' Planetenbewegung
u. s. w. maglich.
Wir kannen demselben folgende Fassung geben:
(Beharrungs- oder Tragheitsgesetz.) Jeder Karpel' be
halt den Bewegungszustand, den er in irgend ehiem :Momente hat,
nach Richtung nnd Geschwindigkeit unverandert bei, so hinge keine
ltussere Kraft (ltndernd) auf ihn einwirkt.
Man kann dies Gesetz in zwei Theile zerlegen:
a) Jeder in Rube befindlicbe Korper bleibt so lange in Ruhe, bis er durch
eine aussere Kraft in Bewegung gesetzt wird;
b) jeder in Bewegung befindIiche Korper beMIt seine Bewegung nach Rich
tung und Geschwindigkeit so lange unverandert bei, bis eine aussere Kraft ihn
daran hindert.
') Das vollstandige Kausalgesetz sagt noch etwas mehr aus, namlich,
dass jede Wirkung eine bestimmte Ursache hat, mit der sie nothwendig
verlmnden ist, sodass auf dieselbe keine andere Wirkung folgen kann. Del'
Physiker und Philosoph Fe c h n e r hat dem Kausalgesetz folgende Fassung ge
geben: Unter gleichen Bedingungen treten jedes Mal gleiche Folgen ein, unter
abgeanderten Bedingungen abgeanderte Folgen.
1. Materie und Kraft; Tragheit und Reibung. 3
Geschwindigkeit. Hier ist der Ausdruck Geschwindigkeit
zu erklaren. Die Geschwindigkeit ist der Weg, den ein bewegter
Karper in der Zeiteinheit (Sekunde, Minute, Stunde u. s. w.)
zurucklegt.
Arten der Bewegung. Je nachdem, ob die Geschwindigkeit
eines bewegten Korpers eine Anzahl von Zeiteinheiten hindurch
fortwahrend die gleiche ist oder ob sie sich andert, unterscheidet
man zwei Arten der Bewegung: die gleichformige und die
ungleichformige Bewegung. Die letztere nennt man be
schleunigte Bewegung, wenn die Geschwindigkeit fortwahrend
zunimmt, verzogerte Bewegung, wenn die Geschwindigkeit fort
wahl' end abnimmt. Die Zunahme del' Geschwindigkeit in del' Zeit
einheit (gewohnlich: in der Sekunde) heisst Beschleunig-ung-,
clie Abnahme Verzogerung (negative Beschleunigung). 1st die
Beschleunigung oder Verzogerung in jeder Zeiteinheit dieselbe, so
bezeichnet man die Bewegung als gleichmassig beschleunigte
odeI' gleichmassig verzogerte.
Der Weg, den ein gleichformig bewegter Korper zuruck
legt, andert sich genau entsprechend der Zeit, in der er durch
laufen wird: 1st die Zeit 2, 3, 4 ... xmal so lang, so ist auch del'
Weg 2, 3, 4 ... xmal so gross. Anders ausgedriickt: Bei del'
gleichformigen Bewegung ist der Weg proportional der
Zeit.
Bezeichnet man den Weg, del' in t Sekunden zuruckgelegt
wird, mit 8, die Geschwindigkeit (in del' Sekunde) mit v, so ist:
8=v.t(1).
Die Gesetze der gleichmassig beschleunigten Bewegung werden
bei L1er Betraehtung des fl'eien Falls del' Korpel' (als des hervorragendsten Bei
Hpiels einer solchen Bewegung) besprochen werden. (Vergl. Kapitel 4: "vVirkungen
der Schwerkraft auf aIle Arten von Korpern. ")
Beschleunigungswiderstand. Nach del' Ansicht mancher Physiker setzt
dem Tragheitsgesetze zufoIge ein Korper jeder Kraft, welche seinen Bewegungs
zustand zu andern strebt, einen "\Viderstand entgcgen. Das Beharrungs
vermogen odeI' die Tragheit del' Korper wiirde dann auf dies em vViderstande be
mhen oder gar in ihm bestehen. Da nun die Anderung des Bewegungszustandes
sich in einer Zunahme oder Abnahme del' Gesch.windigkeit, d. h. also eineT
Beschleunigung odeI' Verzagerung 0 del': ciner positiven odeI' negativen Be
schleunigung zeigt, wahrend gegen eine gleichformige Bewegung seitens
L1cr Tragheit kein Widerstand ausgeiibt wird, so hat man den Tragheitswider
stand zum Unterschiede von anderen Widerstanden (z. B. dcm Luftwiderstande,
den ein fallender Karpel' erfiihrt, odeI' del' Reibung, die an L1er Grellze zweier
sich gegeneinander bewcgender Korper auftritt) auch Beschleunigungswider
stand genannt. - Abel' ein soIcher Widerstand, der nUl' zeitweise in del'
1*
4 1. Materie und Kraft; 'fragheit und Reibung.
Materie wirksam sein soIl, namlich nul' dann, wenn aussere Krafte auf sie ein
wirken, ist nicht annehmbar. Zudem miisste eiu Widerstand, del' doch einer
Kraft entgegenwirkt, selbst eine Kraft sein; wir wurden also mit dem
Trag'heitswiderstande von vornherein eine Kraft in del' Materie annehmen, ehe
wir noch durch nnsere Kausalanschauung zu einer Annahme von' Krliften
genothigt waren.
Wirkungen des Beharrungsvermogens. a) Wird ein mit Wassel' ge
fiilltes Glas plOtzlich und schnell in wagerechter Richtung fortbewegt, so schwappt
das Wassel' in der entgegengesetzten Richtung libel' den Rand des Glases (~ndem
es an dem zuvor von ihm im Raume eingenommenen Platze zu verharren strebt).
Rlickt ein Wagen plOtzlich an, so fallen odeI' kippen die darin benndlichen Per
sonen nach hinten znriick; das Gleiche geschieht, wenn ein Boot, wOlin jemanrl
steht, vom Lande abstiisst. Festklopfen eines Hammerstiels auf die "Veise, dass
man den Hammer mit dem Kopf nach unten halt lmd auf das obere Ende des
Stiels kurze Schliige fiihrt. Entfel'llen del' Asche von einer Cigarre dnrch kurze~
Daraufklopfen mit dem Finger. - Das Ausgleiten (insbesondere beim Schlitt·
schuhlaufen, wenn man angerannt wird); hierbei erhalten die Fiisse plotzlich
eine schnell ere Bewegung als der OberkOrper, so dass dieser zurUckbleibt, sich
nicht mehr im Gleichgewicht liber den Fiissen befindet und ein Hinfallen mog
lich ist. Ein sich in Bewegung setzender Eisenbahnzug erlangt seine Fahr
geschwindigkeit nicht sofort, sondel'll erst nach und nacho Ahnliches gilt von
dem Schwungrad einer Maschine, das erst stilI strmd und nun in Umdrehung'
versetzt wird.
b) Wird ein mit ,Vasser gcfiilltes, gleichformig fOltbewegtes Glas pHitzlich
angehalten, so ~chwappt das "Vasser in der Richtung iiber den Rand des Glases,
in welcher letzteres zuvor bewegt wurde (es setzt das vVasser die innegehabte
Bewegung' fort). Halt ein Wagen plUtzlich an oder stOsst ein Boot ans Ufer,
so fallen die darin befindliehen Personen entwedel' ganz oder nul' mit dem Obel'
kol'peT vorwarts. Festklopfen eines Hammerstiels auf die 'Veise, dass man den
Kopf des Hammers nach oben halt und das Ende des Stiels auf eine feste Unter
Jage mehl'mals kraftig aufstosst. Abschleudel'n der Asche von einer Cigarre.
- Ein SchlittschuhlaufeT, del' auf eine Sandstelle gerath, fallt nach vorn. Da~
Stolpern. Das Hinfallen beim Abspl'ingen von einem in del' Fahrt benndlichen
Pferdeeisenbahnwagen (die Fiisse werden, sowie sie den ruhenden El'dboden be
l'iihl'en, festgehalten, w1thrend der OberkOTper die innegehabte Bewegung fort
setzt; lauft man ein StUck mit dem Wag'en mit oder biegt man den OberkOrper
nachdriicklich nach hinten iiber, so kann man das Hinfallen v81'meiden). -
Wenn ein Eisenbahnzug in einen Bahllhof einf1thrt und daselbst anhalt en soU.
so nntel'bl'icht man die Arbeit cler Lokomotive schon eine Stl'ecke vor delll
Bahnhof, weil die Bewegung des Zuges (aueh ohne die Thiitigkeit der Lokomo
tive) noeh eine Weile andaumt; uud sehliesslich muss der Zug' gebremst wenleu,
um vollstandig zum Stillstand zu kommen. Das Schwungrad einer Masehine setzt
seine UmdTehung noeh eine Weile fort, naehdem die Kmft, welche die Maschine
tl'eibt, zn wirken aufgehort hat. - Anf einen Pfeil, den man aus eiuer Arm
brust abschiesst, wirkt die Sehne, auf das Geschoss einer Feuel'waffe die Kraft
1. Materie und Kraft; Tragheit nnt! Reibung. 5
der Pulvergase nur kurze Zeit; abel' Pfeil und Geschoss beharren in der Be
wegung, die ihnen mitgetheilt ist, noch langere Zeit nachher.
Damit einem Korpel' eine Bewegung mitgetheilt oder genonnnen werde, ist
eine gewisse Zeit erforderlich, wahrend welcher die den Beweglmgszustand
andernde ausscre Kraft auf den Korper einwirkt. Aus dies em Grllnde muss z. B.
das in Ruhe befilldliche GIas mit Wasser plotzlich in Bewegung gesetzt werden.
wenn das 'Wasser iiberschwappen soIl; weil sonst die Bewegung des GIases sich
auf das Wasser ltbertragen wlirde, sodass dieses die Bewegung des GIases mit
zllmachen im Stande ware. Es kommt [hierbei noch eine andere Art von Um
standen in Betracht, die abel' erst an spaterer Stelle verstandlich gemacht werden
kal1ll. - Aus dem Gesagten geht hervor, dass es, streng gcnommen, keine
momentan odcr augenblicklich wirkende Kraft giebt. 'rrotzdem wird von mo
mentanen Kraften gesprochen; es werden daruntcr solche Krafte verstanden,
die nicht eine Anzahl von Zeiteinheiten hindurch in stets del' gleichen Weise
anf einen Korper einwirken. (Siehe Kapitel 4, Abschnitt: "A.rten del' Krafte".)
Erloschen der Bewegungen. Die Thatsache, dass aIle Be
wegungen auf del' Erde schliesslich doch ein Ende nehmen, erkHirt
sich damus, dass ihnen die (schon erwahnten) Krafte del' Rei
bung und des Luftwiderstandes entgegenwirken.
Reibung. Die Reibung ist del' Widerstand, den die Bewegung
eines Korpers erfahrt, del' einen anderen Karpel' beriihrt, welcher
die Bewegung des ersteren entweder gar nicbt odeI' nicht in der
selben Weise (mit derselben Geschwindigkeii:) mitmacht. Sie wird
dadurch hervorgerufen, dass die Erhabenheiten einer jeden del'
an einander reibenden Flachen in die Vertiefungen del' anderen
eingreifen und nun entweder abgerissen odeI' aus den Vertiefungen
heraus- und iiber daraui' folgende Erhabenheiten hinweggehoben
werden miissen, wenn die Bewegung ii berhau pt stattfinden solI.
(Das erstere geschieht mehr bei rauhen, das letztere mehr bei
glatten Flachen.) Die Reibung ist um so grosser, je grosser del'
Druck zwischen den sich beriihrenden Korpel'll und je Tauher die
reibenden FHichen sind. Ausserdem hangt die Grosse del' Reibung
von del' Natur del' Stoffe ab, zwischen welchen sie stattfindet.
Durch geeignete Schmiermittel kann del' Reibungswiderstand ver
ringert werden; (in erster Linie, weil durch das Schmieren die
reibenden Flachen glatter werden). Zu merken ist, class Schmier
mittel, welche in den Karpel' einziehen, die Reibung nicht ver
mindel'll; daher wird Holz mit Talg odeI' harter Seife, nicht abel'
mit Oel geschmiert; letzteres eignet sich fiir Metalle. - Als Rei
bungs-Koefficienten bezeichnet man das Verhaltniss del' Kraft,
welche nothig ist, die Reibung zu iiberwinden, zur Last, welche
die Reibung hervorruft (das Verhaltniss zwischen Reibung und
Druck).