Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 1: Mechanik

302 Pages·2014·14.78 MB·German

by  Joachim Heintze (auth.)

Joachim Heintze
Peter Bock Hrsg.
Lehrbuch
zur Experimental-
physik Band 1:
Mechanik
Lehrbuch zur Experimentalphysik
Band 1: Mechanik
Joachim Heintze
Peter Bock (Hrsg.)
Lehrbuch zur
Experimentalphysik
Band 1: Mechanik
JoachimHeintze
PhysikalischesInstitut
UniversitätHeidelberg
Heidelberg,Deutschland
Herausgeber
PeterBock
PhysikalischesInstitut
UniversitätHeidelberg
Heidelberg,Deutschland
[email protected]
ISBN978-3-642-41209-7 ISBN978-3-642-41210-3(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-41210-3
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Vorwort
ÜbervieleJahrzehntewurde imgroßenHörsaalimPhysikalischenInstitutderUniversität
Heidelberg, am Philosophenweg 12, eine große Physikvorlesung veranstaltet. Haupt- und
Nebenfach-StudentenhörtengemeinsamdieseVorlesung.Inden1970erJahrenplatztedann
jedoch der Hörsaalaus allen Nähten.Die Vorlesungen warentotalüberfüllt. Herr Heintze
erkannte,dassdiesgeändertwerdenmuss.AlsDekansorgteerfürdenNeubaudesneuen
HörsaalgebäudesINF308.1979wurdehierschließlichdieersteVorlesunggehalten.
HerrnHeintzewar,wiemandaransehenkann,dieLehresehrwichtig,besondersdieVorle-
sung.BisherhatteichihnalsInstitutsdirektorodergroßenWissenschaftlererlebt.Von1981
anlernteichihnauchalsVorlesungsdozentkennen.
AndersalsmancheanderenDozentenhatHerrHeintzeüberdieZeithinwegalleKapitelder
Experimentalphysik behandelt, so dass ich das gesamte Programm der Vorlesung kennen
lernen durfte. Neue Methoden wurden geprüft, traditionelle Erkenntnisse erhalten, histo-
rische Experimente restauriert. Herr Heintze stellte sich mir dabei nicht nur als Professor
dar, sondern er war auch Ingenieur. So bautenwir gemeinsam über die Jahre hinweg vie-
leExperimentefürunsereStudenten.AuchderberühmteHeidelbergerLöwenschussistso
entstanden,mitdemdieSuperpositionvonBewegungenveranschaulichtwird.
In dieser Vorlesungsphase habe ich viel gelernt und den Sinn und Lerneffekt der Experi-
menteverstanden.FürmichistHerrHeintzederVaterdieserVorlesungundeinväterlicher
Freundgeworden.
AuchdieIdeezudiesemBuchentstandhierindieserVorlesung.Icherinneremich,dassHerr
Heintze einmal am Dozentenschreibtisch saß, unweit meines Schreibtisches. Und er nahm
ausunsererkleinenBibliothekeinBuchnachdemandern,fandabernichtdas,wasersuchte
und war recht unzufrieden dabei. Nach einiger Zeit machte ich Herrn Heintze klar, dass
nurerinderLagesei,dieszuändern.ErhatteingenaudieserVorlesunggroßeErfahrung,
underkanntedieVorlesungvonOttoHaxel,denerauchmanchmalhattevertretenmüssen.
ZunächststießdieIdeeeineseigenenBuchesnichtaufZustimmung.HerrHeintzeverneinte,
soeinfachseidiesnichtundüberhaupt... KurzeZeitspäterjedochstanderaufundverließ
dasGebäude,umnach15Minutenzurückzukehren.Ersagte:„Ichhabemirdasüberlegt,ich
werdeeinBuchschreiben.“
Auch nach seiner Emeritierung 1991 haben wir zusammen Experimente aufgebaut und
ausgewertet, um einiges näher zu untersuchen, was in vielen Physikbüchern nicht richtig
dargestelltist.BeiderWeihnachtsfeier2011sagteerzumir:„Wirmüssenunsnochmalmit
deranomalenDispersionbeschäftigen.“Leiderkamesnichtmehrdazu.
30 Jahre hat es gedauert, bis die Physikbücher zur Experimentalphysik entstanden sind.
HerrnHeintzewaresnichtmehrvergönnt,seinWerkzuvollenden.Sofühlenwirunsver-
pflichtet, dies zu tun. Möge es dazu dienen, unseren Studenten die Schönheit der Physik
aufzuzeigen,Zusammenhängezusehen,dasStudiumzuerleichternunddamitdiesesVer-
mächtniszuerkennenundweiterzutragen.
Hans-GeorgSiebig,Vorlesungsassistent
Vorwort
Dieses Buch ist das Vermächtnis meines Mentors, Lehrers und Kollegen Joachim Heintze
(1926–2012),derab1962alsProfessoranderUniversitätHeidelbergwirkteundauchnach
seiner Emeritierung im Jahre 1991weiterhinam Lebender Fakultätund anneuenwissen-
schaftlichenEntwicklungenregenAnteilnahm.DieEntstehungsgeschichtediesesLehrbuchs
hatH.-G.Siebigeingehendbeschrieben.ÜberJahrehinweghabeichdasEntstehendesBu-
chesintechnischerHinsichtundmitmancherleiDiskussionenbegleitet.ZuletztlagderText,
abgesehenvondreiUnterkapitelnundzweinichtüberarbeitetenUnterkapiteln,vollständig
vor.Esfehltenrund10%derAbbildungenunddieÜbungsaufgaben,fürdienurvereinzelte
Vorschläge vorhanden waren. Dies wurde hinzugefügt. Davon abgesehen, wurde der vor-
liegendeTextnichtgeändertmitAusnahmewenigerPassagenundAbbildungen,indiesich
Fehlereingeschlichenhatten.EinigeZahlenwerteundSachverhaltebedurfteneinerAktuali-
sierung.EinigesBildmaterialwurdevonM.HeintzeinderLiteraturaufgespürt.
EsgibtzahlreicheguteeinführendeLehrbücherüberPhysik,warumalsoeinweiteresschrei-
ben?DasführtautomatischzuderFrage:WaszeichnetdiesesBuchaus?
1. J. Heintze hat mehrfach die physikalischen Anfängervorlesungen gehalten. Viele der
darin vorkommenden Experimente sind in in dieses Buch eingegangen, und ohne die
MithilfevonH.-G.SiebigundG.JähnichenwärediesesBuchniemalszuStandegekom-
men. Experimentemussmanaberauchrichtig interpretieren.Es wardasAnliegenvon
J.Heintze,vieleSachverhalteausseinerSichtdarzustellen.
2. Dieses Buch zeichnet sich durch zahlreiche historische Anmerkungen aus, die man an-
derswo kaum findet und die mitunter helfen können, die Entwicklung physikalischer
Begriffezuverstehen.
3. EswarimmerdasZielvonJ.Heintze,dieStudentenvonAnfanganauchanmoderneFor-
schungsthemenheranzuführen.SowerdenindiesemBuchgleichnachderBehandlung
der Newtonschen Mechanik deren Grenzen aufgezeigt und es wird die relativistische
Mechanik eingeführt. Dazu findet manbereits in diesem Band etliche Beispiele aus der
Atom-,Kern-undElementarteilchenphysikmitHinweisenaufdieQuantenphysik.
4. DieAnfangsgründederKernphysikwerdenbehandelt,soweitdiesimRahmenderMe-
chanik möglich ist. Das Schlusskapitel, wichtig für jeden angehenden Physiker, ist den
GrundlagendesStrahlenschutzesgewidmet.
5. DiefürStudienanfängernotwendigenMathematikkenntnissesindineinemAnhangzu-
sammengefasst.
6. Der begrenzte Umfang eines Buches führt immer dazu, dass ein Kompromiss zwi-
schen einer genügend ausführlichen und verständlichen Darstellung und dem Umfang
desbehandeltenMaterialsgefundenwerdenmuss.Ersteresbedingt eineinhaltlicheBe-
schränkung.ManfindetalsoallesWichtigeundetlicheweitergehendeDetails,darfaber
keineumfassendeMonographieerwarten.
DerStoffdesLehrbuchssollteursprünglichinzweiBändenabgehandeltwerden.AusGrün-
den der besseren Handhabbarkeit wurde er im Konsens mit dem Verlag auf nun 5 Bände
aufgeteilt. Um die Bände in ihrem Umfang einigermaßen aneinander anzugleichen, wur-
dendieElastizitätslehre,dieHydrostatikunddieHydrodynamikausdemMechanik-Band
herausgenommen.Sie befindensichzusammenmit derWärmelehre im BandII,der somit
das enthält, was man als „innere Zustände“ von Stoffen ansehen kann. Band III folgt der
VIII Vorwort
pädagogischenTraditionundumfasstdieElektrizitätslehreinklusiveihrertechnischenAn-
wendungen, Band IV die Wellenlehre und die Optik und Band V ist der Quantenphysik
gewidmet.
EtlicheKollegenundFachleutehabendemAutorberatendzurSeitegestanden,andereha-
ben Teile des Manuskripts kritisch gelesen. Leider ist es mir mangels Kenntnis gar nicht
möglich,alleBeteiligtennamentlichzunennen.IchmöchteIhnengleichwohldanken,auch
imNamenderFamilieHeintze.
Möge dieses Buch dazu beitragen, dass sich Studenten für die Physik begeistern und von
Anfangandazuangeregtwerden,immerauchüberdenmomentanen„Tellerrand“hinaus-
zusehen.
PeterBock
Vorwort
DiesistderersteBanddesPhysikbuchsunseresVaters.ErwarPhysikermitLeibundSeele.
GelangdieVorlesungoderdasExperiment,kamergutgelauntnachHause.Dahintersteckte
seinetiefeLiebezurPhysikunddasBedürfnisdieseErkenntniszuverbreiten.
In der Forschung hatte er das Glück in einer überaus spannenden Zeit bei der Entwick-
lung der Elementarteilchenphysik durch „elegante“ Lösungen und „schöne“ Experimente
anCERNundDESYmitzuwirken.DabeiwurdennichtnurErfolge gefeiert.Auchwennes
mal nicht so recht voranging, setzte man sich mit den Kollegen erst mal bei gutem Essen
zusammen.
Nachdenken konnte unser Vater am besten bei körperlicher Arbeit und zwar an der fri-
schen Luft. Manche Steinplatte in unserem Garten lässt sich wohl so der Lösung eines
physikalischenProblemszuordnen.DetektorenausHeidelbergwiederumhießenTulpeund
Margerite.
VielerleiPlänefürdieZeitnachseinerEmeritierunggaberauf,umdiesesBuchzuschreiben.
DiesführteihnzueinemimmertieferenVerständnisderklassischenPhysikundzuintensi-
verAuseinandersetzungmitdermodernenForschung.SeinAnspruchwares,vorgefertigte
Denkwegenurzubeschreiten,wennsieauchseinerstrengenÜberprüfungstandhielten.War
dasnichtderFall,musstenneueWegegefundenwerden,umZusammenhängedarzustellen.
Prof.Dr.PeterBockhatesübernommen,dasBuchimSinneunseresVatersnachdessenTod
zuvervollständigen.IhmgiltunserbesondererDank.
MoritzundRenateHeintze
JoachimHeintze(1926–2012)studiertenachdemEndedesZweitenWeltkriegesinBerlinund
GöttingenPhysikundwurdeinGöttingenSchülervonOttoHaxel,demernachHeidelberg
folgte,woerseinePromotionabschlossundsichauchhabilitierte.Anschließendarbeiteteer
mehrereJahreamCERNinGenf.Von1963anbiszuseinerEmeritierung1991warerOrdi-
nariusfürPhysikamI.PhysikalischenInstitutderUniversitätHeidelberg,woerzeitweilig
auchalsDekanwirkte.
Als Forscher ist sein Name untrennbar mit der Entwicklung von Spurendetektoren für
hochenergetischgeladeneTeilchenverbunden.DurchseineArbeitenüberschwacheWech-
selwirkung und Elektron-Positron-Vernichtung hat er die Teilchenphysik über viele Jahre
hinwegwesentlichmitgeprägt.
Für seine Arbeiten über seltene Pionen-Zerfälle erhielt er 1963 den Physikpreis der DPG;
1992wurdeihmderMaxBorn-Preisverliehen.J.HeintzewaraucheinengagierterLehrer;
dieses Buch ist aus seinen Vorlesungen über Experimentalphysik für Studenten der ersten
Semesterhervorgegangen.
Inhaltsverzeichnis
TeilI Mechanik
1 Längen-undZeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Längenmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Zeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Zeit-undLängenstandardsunddasInternationaleEinheitensystem . . . . . 10
1.4 MessungderLichtgeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Kinematik
desMassenpunkts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 GeradlinigeBewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 MaßeinheitenundDimensionenvonphysikalischenGrößen . . . . . . . . . 19
2.3 BewegungimRaum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 DieKreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 WechseldesKoordinatensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 SkalareundVektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3 NewtonscheDynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 DieNewtonschenGesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 HarmonischeSchwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 GravitationundPlanetenbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 QuantitativeszurMasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5 GrenzenderNewtonschenMechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Impuls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1 ImpulsundKraftstoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 SystemevonMassenpunkten,derSchwerpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Raketenantrieb,BewegungvonKörpern
mitveränderlicherMasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4 Stoßprozesse:DerkollineareStoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5 DerschiefeStoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1 Energie,Arbeit,LeistungbeigeradlinigerBewegung
einesMassenpunkts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2 MaßeinheitenfürEnergie,ArbeitundLeistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 EnergieundArbeitbeiderBewegungimRaum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4 EnergieundArbeitbeieinemSystemvonMassenpunkten. . . . . . . . . . . . 71
5.5 Energiediagramme,Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.6 EnergieundQuantenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76