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Lehrbuch der Theoretischen Physik: Erster Band Physik der Vorgänge Bewegung · Elektrizität · Licht · Wärme PDF

832 Pages·1963·26.224 MB·German
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LEHRBUCH DER THEORETISCHEN PHYSIK VON WALTER WEIZEL O. PROFESSOR DER PHYSIK AN DER UNIVERSITAT BONN DRITTE VERBESSERTE AUFLAGE ERSTER BAND PHYSIK DER VORGANGE BEWEGUNG . ELEKTRIZITAT . LICHT. WARME MIT 283 ABBILDUNGEN SPRING ER-VERLAG BERLIN· GOTTINGEN . HEIDELBERG 1963 ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER OBERSETZUNG IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN. OHNE AUSDROCKLICHE GENEHMIGUNG DES VERLAGES 1ST ES AUCH NICHT GESTATTET, DJESES BUCH ODER TEILE DARAUS AUF PHOTOMECHANISCHEM WEGE (PHOTOKOPJE, MIKROKOPIE) ODER AUF ANDERE ART ZU VERVJELFALTIGEN. COPYRIGHT '949 BY SPRINGER-VERLAG OHG., BERLIN/GOTTINGEN/HEIDELBERG. ® BY SPRINGER·VERLAG OHG., BERLIN/GOTTINGEN/HEIDELBERG 1955 AND 1963. Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 1963 ISBN 978-3-642-87338-6 ISBN 978-3-642-87337-9 (eBook) DOl 10.1007/978-3-642-87337-9 Die Wiedergabe von Gebrauchsnameo, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohoe besondere Kennzeichnung nieht zu der An nahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- nnd Markenschutz-Gesetz gebung als frei zu betrachten waren nnd daher von jedennann benutzt werden dOrfteD Vorwort zur dritten Auflage. Der Inhalt des ersten Bandes der dritten Auflage ist. gegenuber der zweiten Auflage nicht viel verandert worden, urn den Umfang des Buches nicht weiter anschwellen zu lassen. Einige Abschnitte der Stromungslehre und der Thermo dynamik sind umgearbeitet worden, urn die enge Verkntipfung dieser Gebiete besser hervortreten zu lassen. Hierbei glaube ich eine gewisse Konzentration er zielt zu haben, so daB einige Erganzungen aufgenommen werden konnten, ohne daB mehr Raum benotigt wurde. In der Elektrodynamik wurden zwei Abschnitte tiber Wellen-Hohlleiter und Resonatoren eingefUgt, urn auch der Mikrowellen technik ein wenig Raum zu geben. Ein neuer Abschnitt uber Zerfalls- und StoB prozesse gibt einige einfache Beispiele fUr die relativistische Behandlung von Vorgangen, die sich bei der Wechselwirkung schneller Teilchen abspielen. Bonn, im Juli 1963 Walter Weizel. Vorwort zur ersten Auflage. Ein neues Lehrbuch der Theoretischen Physik kann kaum vollig neue Wege beschreiten. Viele Teilgebiete haben ihre endgiiltige, ihre "klassische" Form schon vor geraumer Zeit erlangt und mussen in jedem Lehrbuch ungefahr in der gleichen Gestalt wiederkehren. Eine reizvolle Aufgabe besteht darin, die Quantentheorie, die dem System der Theoretischen Physik in den letzten Jahr zehnten zugewachsen ist, auch in einem Lehrbuch den ihr zukommenden Platz zuzuweisen. An einigen Stellen habe ich auch Gegenstand€ aufgenommen, die sonst in den Lehrbtichern nicht zu finden sind, urn den Inhalt des Buches etwas naher an den Stand der Forschung heranzuftihren oder die Brucke zu den tech nischen Anwendungen zu schlagen. Die meisten Abschnitte sind so geschrieben, daB sie Studierenden der mittleren Semester keine groBen Schwierigkeiten bereiten soUten. An mathematischen Hilfsmitteln wird demzufolge die sichere Beherrschung der Infinitesimalrechnung, die Kenntnis der Vektoranalysis, der Elemente der analytischen Geometrie und der Theorie der gewohnHchen D~fferentiatgieichung vorausgesetzt. Allerdings ist das Niveau der Darstellung etwas dem Gegenstand angepaBt. So konnten natur Iich die Vorgange der Kristalioptik nicht mit derselben Breite entwickelt werden wie die Grundgesetze der Elektrostatik. SchlieBlich ist damit zu rechnen, daB der Leser der Theorie der Siebketten oder der DIRACSchen Theorie des Elektrons schon tiber weit groBere Vorkenntnisse verfiigt ais der Leser der Punktmechanik. Schwierigere Absatze und Abschnitte sind deshalb durch einen Stern (*) gekenn zeichnet. In ihnen sind mathematische Urr.formungen viel knapper behandelt und physikalische Zusammenhange nur mit kurzen Hinweisen angedeutet. Bei einigen Abschnitten wird durch zwei Sterne (**) kenntlich gemacht, daB der Gang der Oberlegung nur noch kurz skizziert und keine Beschrankung der mathe matischen Hilfsmittel mehr eingehalten wird. Diese Abschnitte werden dem fort geschrittenen Leser manche Anregung ftir eigene Studien bieten. IV Vorwort zur ersten Auflage Es konnten einige Einriehtungen getroffen werden, welche die Orientierung in dem Bueh erleiehtern. Fast allen Absehnitten ist eine kurze Inhaltsangabe in einigen Stiehworten vorausgesetzt. N ur wo der Inhalt schon aus der Ubersehrift hervorgeht, ist dies unterblieben. Ebenso findet man vor jedem Absehnitt die jenigen Bezeiehnungen aufgezahlt, die in vorausgehenden Absehnitten einge ftihrt oder erklart wurden. Hierdureh hoffte ieh, das uberaus lastige Suehen naeh der Bedeutung der in den Formeln vorkommenden Buehstaben zu vermindern. Bei Rtiekverweisen auf Formeln frtiherer Kapitel wurde fast immer die Seiten zahl angegeben. Nieht ganz leieht war es, dem Ubelstande abzuhelfen, daJ3 das Alphabet viel zuwenig Buehstaben hat. Urn dies zu bessern, wurden auJ3er den normalen Latein-, Fraktur- und grieehisehen Buehstaben nieht nur fette Bueh staben, sondern noeh mehrere Arten von Zierbuehstaben verwendet. Vektoren sind gewohnlieh dureh Fraktur gekennzeiehnet. Ihre Komponenten sind ent weder dureh Frakturbuehstaben mit Index oder dureh Lateinbuehstaben be zeiehnet. Hier hat sieh leider ein einheitliehes Verfahren nieht durehfUhren lassen. Tensoren, Operatoren, Weltvektoren und einige andere besondere GroJ3en sind dureh Zierbuehstaben, Matrizen dureh Fettdruek hervorgehoben. Die Verwen dung ungewohlieher Buehstabensymbole ist gewissermaJ3en als Signal fUr den Leser gedaeht, seine Aufmerksamkeit zu erh6hen. Ieh hoffe, daJ3 dureh diese Unterseheidung ein gewisser Ausweg aus den Bezeiehnungssehwierigkeiten be sonders in Relativitatstheorie und Quantentheorie gefunden ist. Auf jeden Fall ist die Flut der Indices ein wenig eingedammt worden. Von der leidigen Frage der MaJ3systeme bleibt aueh dieses Bueh nieht ver sehont. Ftir die Theoretisehe Physik ist an sieh das benutzte MaJ3system vollig unerheblieh. Da aber die Formeln in irgendeinem MaJ3system gesehrieben werden mussen, laJ3t sieh dieses Problem nicht ganz aussehalten. Da das internationale elektrisehe MaBsystem sieh mit der Zeit durehsetzen sollte, habe ieh es ver wendet, obwohl es besonders in der Optik und Atomphysik nieht angenehm ist. Ieh hoffe, daB es mir einigermaJ3en gelungen ist, alle Formeln in dieses System tiberzufUhren. Ieh wage jedoeh nieht zu hoffen, die Anerkennung der MaBsystem fanatiker fUr meine Bemuhungen zu erringen. Aber es gewiihrt vielleicht manehem Physiker, der sieh tiber die MaBsysteme argern muB, einen Trost zu wissen, daB er nieht allein mit seinem Kummer steht. Das Lehrbueh ist in zwei Biinde unterteilt. Der erste Band enthalt eine Pha nomenologie der Physikalisehen Erseheinungen und damit im wesentliehen die Gebiete der klassisehen Physik. Das gemeinsame Kennzeichen dieser Gebiete besteht darin, daB die Eigensehaften der Materie nur in einigen Materialkon stanten in die Theorie eingehen, wahrend Struktur und Eigensehaften der Materie selbst nieht diskutiert werden. In diesem Sinne gehOrt die Relativitatstheorie zur klassisehen Physik, und die kinetisehe Gastheorie gehOrt nieht dazu. Der erste Band umfaBt demgemaJ3 die Teile: Meehanik der Punkte und starren Korper, Meehanik der Kontinua, Elektrodynamik, Optik, Relativitatstheorie und Ther modynamik. Der zweite Band stellt der klassisehen Physik die Theorie der Materie gegenuber. Eine systematisehe Darstellung muBte mit der Quanten theorie beginnen und dann die Atomkeme, die Atome und die Molekule be handeln. Naeh einem Kapitel uber die Statistisehe Methode muBte sieh daran die Theorie der Gase und der kompakten Materie ansehlieJ3en. Zu einem so systematisehen Verfahren konnte ieh mieh aus zwei Grunden nieht entsehlieBen. Manehe Benutzer des Buehes werden es vorziehen, einen Ein bliek in den Bau der Atome zu gewinnen, ohne sieh erst dureh die begriffliehen und mathematisehen Sehwierigkeiten einer systematisehen Quantentheorie .dureharbeiten zu mussen. Deshalb beginnt der zweite Band mit einer elementaren v Vorwort zur ersten Auflage Atomtheorie, in der die Quantentheorie nur in einer primitiven Form zur An wendung kommt. Als zweiter Teil schlieBt sich dann erst eine systematische Quantentheorie an. Die Theorie der Atomkerne ist als ein etwas kiimmerliches Anhangsel an den SchluB des Buches gehangt. Diese Theorie ist zur Zeit erst im Werden. So interessant die gegenwartigen Ansatze auch sind, es ware nicht zu rechtfertigen, sie als Grundlage der Struktur der Materie an den Anfang eines Lehrbuches zu setzen. So ist die Systematik des Aufbaues im zweiten Band etwas durchbrochen, was sich aber durch den gegenwartigen Stand der Forschung rechtfertigt. Bonn, den 28. August 1949. Walter Weizel. Inhaltsverzeichniso • Diese Abschnitte sind schwieriger und stellen groBere mathematische Anforderungen. *. In diesen Abschnitten ist def Gang der O'berlegungen nur skizziert, Zwischenrechnungen sind eingespart. Die Theorie als ordnendes Prinzip des Erkennenso A. Mechanik der Massenpnnkte nnd starren Korper. Seite I. Die freie Bewegung des einzelnen Massenpunktes. 3 § 1. Das Modell des Massenpunktes . . . . . . . 4 § 2. Bahn, Geschwindigkeit und Beschleunigung. . 5 § 3. Die NEWToNschen Grundgesetze der Mechanik 7 § 4. Impuls, BewegungsgriiBe, Drehmoment, Drehimpuls 8 § 5. Arbeit. Kinetische Energie 9 § 6. Klassifikation der Kriifte . . . . . 10 § 7· Konservative Kriifte. Das Potential 11 § 8. Der Energiesatz . . . . . . . . . 14 § 9. Zentralkriifte. Fliichensatz 15 § 10. Grav itat ionskriifte. Planeten bewegung 18 § 11. Quasielastische Kriifte 20 § 12. Kraftfelder ohne Potential 23 § 13. Reibungskriifte. Gedampfte Schwingungen 24 § 14. Zeitabhiingige Kriifte. Erzwungene Schwingungen 28 * § 15· StoBkriifte. . . . . . . . . . . . . . . 31 § 16. Allgemeine mathematische Gesichtspunkte flir die Behandlung der Be- wegungsgleichungen 32 § 17. Anfangsbedingungen und Integrationskonstanten 34 *§ 18. Relativbewegung. Zentrifugalkraft. Corioliskriifte 35 II. Mechanik eines Systems von vie len Massenpunkten. 38 § 1. Die freie Bewegung vieler Massenpunkte . . . . . . . 39 § 2. Beschriinkungen der Bewegungsfreiheit. . . . . . . . 40 § 3. Die Zwangskriifte. Das Prinzip der virtuellen Verrtickungen 41 § 4. Das D' ALEMBERTsche Prinzip. Die LAGRANGESchen Gleichungen I. Art 44 § 5. Generalisierte Koordinaten. LAGRANGESche Gleichungen II. Art 45 § 6. Kriifte, die sich aus einem Vektorpotential herleiten. 49 § 7. Zyklische Koordinaten ..... 50 § 8. Der Schwerpunktsatz. Impulssatz 51 § 9. Der Drehimpulssatz . . . . . . 52 § 10. Kinetische Energie eines Systems von Massenpunkten. Energiesatz 54 § 11. Das Zweikiirperproblem. . . . . 55 § 12. Das ebene mathematische Pen del 58 *§ 13. Das Raumpendel ....... . 61 Inhaltsverzeichnis. VII Seite § 14. Schwingungen urn eine Gleichgewichtslage 63 *§ 15. Berechnung der Zwangskrafte in generalisierten Koordinaten . 66 III. Die Bewegung des starren Korpers 68 § 1. Das Modell des starren Korpers. . 68 § 2. Translation und Rotation eines starren Korpers 69 § 3. Impuls, Drehimpuls und kinetische Energie eines starren Korpers 69 § 4. Das Tragheitsmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 § 5. Rotation urn eine feste Achse. Physisches Pendel. . . . . . . 74 *§ 6. Drehung urn einen festen Punkt. EULERsche Kreiselgleichungen 76 § 7. Die EULERschen Winkel als generalisierte Koordinaten 79 § 8. Der symmetrische Kreisel. . 82 IV. Die Prinzipien der Dynamik . 88 § 1. Das D' ALEMBERTsche Prinzip 89 § 2. Die Prinzipien von JOURDAIN und GAUSS 90 § 3. Differential- und Integralprinzipien .. 92 § 4. Das HAMILToNsche Prinzip . 93 V. Die HAMILTON-JACoBIsche Theorie 94 § 1. Die kanonischen Gleichungen der Mechanik 95 § 2. Die HAMILToN-Funktion . . . . . . . 98 § 3. Zyklische Koordinaten. Verwertung von Integralen 100 § 4. Das Energieintegral . . . . . . . . . 102 § 5. Kanonische Transformationen . . . . . 103 § 6. Die partielle HAMILToNsche Differentialgleichung 106 § 7. Die Methode der Separation. 108 *§ 8. Die Wirkungsfunktion . . . . . . . 110 *§ 9. Der Phasenraum ......... . 114 *§ 10. Dbergang zur statistischen Mechanik. 118 *VI. Periodische und bedingt periodische Bewegungen 119 *§ 1. Periodische Bewegungen mit einem Freiheitsgrad 119 .... § 2. Winkelvariablen und Wirkungsvariablen 121 .. *§ 3. Mehrfach periodische Bewegungen . 122 *§ 4. Doppelt periodische Schwingungen . 123 VII. Der "Obergang zur Wellenmechanik 128 § 1. Wirkungswellen und Wellengleichung der klassischen Mechanik . 129 § 2. Analogien zur Optik . . . . . . . . 131 § 3. \Vellenmechanik ......... . 133 § 4. Die Wellenfunktion. Randbedingungen 135 B. Mechanik der Kontinua. 1. Bewegungen und Spannungen in einem Kontinuum . 136 § 1. Drehung und Verzerrung (Deformation). Verzerrungstensor. 137 § 2. Die Volumendilatation 142 § 3. Das Stromungsfeld. . 143 § 4. Der Spannungstensor . 144 VIII Inhaltsverzeichnis. Seite § 5. Symmetrie des Spannungstensors . . . . . . . . . 146 § 6. Spannungshauptachsen. Hauptspannungen ..... 148 § 7. Klassifikation der Krafte. Die drei Aggregatzustande 149 II. Elastizi ta tstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 § 1. Die Beziehung zwischen Spannung und Verzerrung . 151 Die potentielle Energie der elastischen Deformation. 151 Elastizitatsmodul und PorssoNsche Querkontraktionszahl. HOoKEsches Gesetz ..................... . 152 § 2. Die Differentialgleichungen fUr elastische Bewegungen 155 § 3. Randbedingungen fiir die K6rperoberflache. . . . 157 § 4. Das Gleichgewicht elastischer K6rper. Elastostatik 157 § 5· Minimalprinzipien .............. . 159 § 6. Virtuelle Verriickungen. D' ALEMBERTsches Prinzip . 160 § 7· Das Minimum der potentiellen Energie im Gleichgewicht 160 § 8. Das HAMILToNsche Prinzip . . . . . . . . . . . 163 III. Einfache Anwendungen der Elastizitatstheorie. 164 § 1. Die Dehnung . . . . . . 165 § 2. Die Scherung . . . . . . 166 § 3. Die gleichmaBige Kompression. 168 § 4. Die Torsion . . . . . . . . . 168 § 5. Die gleichf6rmige Biegung 171 § 6. Biegung eines am freien Ende belasteten Balkens . 174 § 7. Bewegungen elastischer K6rper . . . 175 § 8. Tragheitslose Schwingungen elastischer K6rper 177 Dehnungsschwingungen 177 Torsionsschwingungen 178 Biegungsschwingungen 178 IV. Elastische Wellen und Eigenschwingungen 179 § 1. Fortschreitende Wellen in elastischen Medien 179 § 2. Ebene elastische Wellen . . . . . 180 § 3. Elastische Kugelwellen . . . . . . 183 § 4. Die Reflexion elastischer Wellen an den Grenzflachen zweier Medien 1S5 § 5. Stehende Wellen. . . . . . . .. ............ . 187 V. Eigenschwingungen elastischer K6rper 189 § 1. Schwingungen gespannter Saiten. 191 § 2. Stabschwingungen .. 195 Langsschwingungen. . . . . . . 195 Torsionsschwingungen . . . . . 197 *Querschwingungen, Biegeschwingungen 198 Kompliziertere Probleme . . . . . . 200 *§ 3. Die schwingende Membran ..... 201 § 4. Schwingungen von Platten und Schalen 204 *§ 5. Anregung von Schwingungen, Anfangsbedingungen 205 Anregungen von Saitenschwingungen . 205 Stabschwingungen . . . . . . . . . 208 ** Anregung von Membranschwingungen . 209 Inhaltsverzeichnis. IX Seite *§ 6. Erzwungene Schwingungen 210 Erzwungene Saitenschwingungen .. 210 **Erzwungene Membranschwingungen 212 VI. Die Grundgleichungen der Hydrodynamik 213 § 1. Das Stromungsfeld . 214 Die Beschleunigung 215 Die Deformation eines Fliissigkeitselementes. Das \Virbelfeld 215 Die Volumendilatation. Kontinuitatsgleichung 217 § 2. Die Krafte in der Fliissigkeit 218 Der hydrostatische Druck . . . . . . . . . 218 Reibungskrafte 219 § 3. Die NAVIER-STOKEsschen Bewegungsgleichungen 221 *§ 4. Energiebilanz. Energiedissipation. Entropie . 222 § 5. Randbedingungen ........... . 224 VII. Ideale FI iissigkei ten . . . . . . . . . 225 § 1. Die ruhende Fliissigkeit. Hydrostatik . 225 Auftrieb. Archimedisches Prinzip. . . 226 Schwimmen ........... . 227 § 2. GleichfOrmige Rotation einer Fliissigkeit 229 § 3. Die BERNOULLIsche Energiegleichung. Potentialstromungen 231 § 4. Die Zirkulation. Erhaltungssatz von THOMSON. . . 233 § 5. Die HELMHOLTzschen Wirbelsatze . . . . . . . . 235 § 6. Berechnung des Stromungsfeldes aus dem Wirbelfeld 237 § 7· Die Potentialstromung . . . . . . . 239 Die e.bene Potentialstromung 240 *§ 8. Die ebene Stromung urn ein Hindernis 241 Stromung urn einen Kreiszylinder. Staupunkte 244 **Beliebige Profile . . . . 249 *§ 9. Stromung urn eine Kugel 251 VIII. Zahe Fliissigkeiten .......... . 252 § 1. Ahnlichkeitsgesetze. REYNOLDSSche Zahl 253 § 2. Stromungen mit iiberwiegendem Reibungseinflu13 254 Die laminare Stromung durch zylindrische Rohren 254 Die Stromung zwischen bewegten Platten und Zylindern 256 *§ 3. Die Bewegung einer Kugel in einer zahen Fliissigkeit . . 259 § 4. Die Grenzschicht an festen Wanden. . . . . . . . . . 263 Die Differentialgleichung der PRANDTLschen Grenzschicht 264 Die Ablosung der laminaren Grenzschicht . . . . . . . 265 **§ 5. Wirbelablosung hinter einer Spitze und die Entstehung der Zirkulation urn einen Tragfliigel . . . . . . 267 6. Turbulenz. . . . . . . . . 270 **§ 7. Storungstheorie der Turbulenz 271 IX. Ka pillarita t 273 § 1. Kap illark rafte 274 § 2. Grenzbedingungen an festen Wanden 275 x Inhaltsverzeichnis. Seite *§ 3. Die Differentialgleichung der Fliissigkeitsoberflache . 276 Der Anstieg einer Fliissigkeit an ebenen Wanden 277 Fliissigkeitsspiegel in Rohren 278 § 4. Fliissigkeitslamellen, Seifenblasen 280 X. Zeitlich veranderliche Stromungen. Schallwellen 281 *§ 1- Wasserwellen 282 § 2. Die barotrope Stromung 288 *§ 3. Der Schall in Gasen und Fliissigkeiten 290 Die kugelformige Ausbreitung von Schallwellen 292 Ebene Wellen, periodische Wellen 293 *§ 4. Die Schallabstrahlung 293 § 5· Die Schallgeschwindigkeit . 296 § 6. Reflexion, Brechung und Beugung des Schalls 296 XI. Gasdynamik 299 1. Grundgleichungen der Gasdynamik 299 2. Stromung durch eine Diise 302 3. Bewegung eines Korpers mit "Oberschallgeschwindigkeit 304 *§ 4. Linearisierte Stromung bei Unterschallgeschwindigkeit .. 306 **§ 5. Die linearisierte Uberschallstromung ...... . 308 **§ 6. Nichtlineare Uberschallstromung. VerdichtungsstoB 310 c. Elektrodynamik. I. Elektrostatik ..... 316 § 1. Das COULoMBsche Gesetz. Einheiten der elektrischen Ladung ... 316 § 2. Das elektrische Feld. Die Feldstarke 317 § 3. Der elektrische FluB . . . . . . 318 § 4. Das elektrische Potential . . . . . 319 § 5. Systeme mehrerer Punktladungen. Der Dipol 321 § 6. Raumladungen und Flachenladungen .... 322 § 7. Berechnung des Feldes aus der Ladungsverteilung 324 Geladene Kugelflache . 324 Geladene Vollkugel. . . 325 Der Kugelkondensator . 327 Der Zylinderkondensator 329 Der Plattenkondensator . 329 *§ 8. Das Feld einer beliebigen elektrischen Anordnung in groBer Entfemung 330 § 9. Leiter im elektrostatischen Feld . . 332 § 10. Influenz 334 § 11- Aquipotentialflachen und Kraftlinien 336 § 12. Die elektrische Doppelschicht. Kontaktpotential 338 § 13. Die Dielektrizitatskonstante . 340 § 14. Grenzflachen zweier Medien . 341 § 15. Die dielektrische Polarisation 342 § 16. Dielektrische Kugel im homogenen Feld . 345 § 17· Die Energie des elektrostatischen Feldes 347 § 18. Das elektrische Feld als Sitz der Energie 348 § 19. Die elektrostatischen Krafte . . . . . . 350

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