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Springer-Lebrbuch H.Niedrig Mit 386 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest Prof. Dr.-Ing. Heinz Niedrig Optisches Institut Technische Universitiit Berlin Sekr. PH StraBe des 17.Juni 135 1000 Berlin 12 ISBN 978-3-540-54470-8 ISBN 978-3-642-87838-1 (eBook) DOl 10.1007/978-3-642-87838-1 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfliltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugs weiserVerwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes odervon Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9.September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsiitzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhand lungen unterliegen den Straibestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen. und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jederrndnn benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine GewahrfUr Richtigkeit, Vollstimdigkeit oderA ktualitiit iibemehmen. Es empfiehltsich, gegebenenfalls fUr die eigenen Arbeiten die vollstiindigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Reproduktionsfertige. Vorlage vom Autor Vorwort In den Experimentalphysik-Vorlesungen im Grundstudium fUr Studenten der Physik und anderer Naturwissenschaften sowie der Ingenieurwissenschaften sollen die Grundlagen der Physik anhand von physikalischen Experimenten vermittelt werden. Dazu ist auch ein gewisses MindestmaB an theoretlschen Grundlagen erforderlich. Dieser theoretlsche Hintergrund wird im Rahmen der haufig zweisemestrigen Experimentalphysik-Grundvorlesungen sehr ver kUrzt anhand einfach zu durchschauender Sonderfalle dargeboten. Das Hauptgewlcht soIl dabei, soweit maglich, auf den Experimenten liegen. Dieses Begleitbuch solI dagegen einen tiberblick Uber den theoretischen Hintergrund in zusammengefaBter Form wiedergeben, um dem Harer die Maglichkeit zu geben, sich darUber parallel zur Experimentalphysik-Vorlesung zu orientieren. Dabei wird die Mechanik des Massenpunktes (Kapitel 1 bis 4) im Sinne einer relativ kurz gefaBten EinfUhrung behandelt, einschlieBlich der wichtlgsten Ergebnisse der speziellen Relatlvititstheorie. Es wird nicht der Anspruch erhoben, mit den viel umfassenderen Vorlesungen oder Lehr bUchern der theoretlschen Physik konkurrieren zu wollen. Auch ist dieses Buch keln Ersatz fUr den Besuch der Experlmentalphysik Vorlesung und fUr das Mitschreiben und Skizzieren der in der Vorlesung behandelten physikalischen Experimente und MeBanordnungen, die im Buch nicht oder nicht im Detail beschrieben werden! Die Physik wird erst durch die direkte Anschauung, durch die optische und akustlsche Erfahrung lebendig und pragt sich dadurch ein. Der Harer muB auch ein GefUhl dafUr bekommen, welch experimenteller Aufwand oftmals notwendig ist, um ein bestlmmtes physikalisches Phinomen deutlich und einwandfrei herauszu arbeiten. Das stlchwortartlge Mitschreiben und Skizzieren zwingt 1m Ubrigen den Harer zur geistlgen Mitarbeit und hilft ihm auf diese Weise bei der Verarbeitung des Stoffes. Die in diesem Begleitbuch dargestellten physikalischen Grundlagen sind in ihrer Gliederung teilweise angelehnt an die LehrbUcher von Alonso und Finn sowie von Stroppe (siehe Kapitel 26, Literatur). Den Kurs von Alonso und Finn hatte der Autor zusammen mit seinem Kollegen Prof. Dr. W. Muschlk in den vergangenen Jahren wegen seiner moderneren Darstellungssystematik zum Tell als Grundlage eines zweisemestrigen Physik-Grundkurses verwendet und erweitert. Die Gliederung in die Teile VI Vorwort I. Teilchen und Teilchensysteme II. Wechselwirkungen und Felder III. Wellen und Quanten zeigt die systematischen Zusammenhange in den verschiedenen Teilgebieten der Physik starker, als es die klassische Einteilung (Mechanik, Akustik, Warmelehre, Elektrizitatslehre, ... ) zu leisten vermag. Anregungen fUr die Darstellung mancher physikalischer Sachverhalte wurden auch einem unver affentlichten Vorlesungsmanuskript von Prof. Dr. G. Herziger (Aachen) sowie aus den in Kapitel 26 (Literatur) aufgefUhrten BUchern entnommen, auf die hier zum weiteren Studium verwiesen seL Zahlreiche Tabellenwerte entstammen u. a. dem "Taschenbuch der Physik" von Kuchling. Die mathematischen Anforderungen beschranken sich auf einfache Vektor rechnung bis zum Vektorprodukt, sowie auf Differential- und Integralrech nung mit gewahnlich einer unabhiingigen Variablen. Die verwendete Mathe matik sollte daher weitgehend - mit Ausnahme weniger einfacher Differen tialgleichungen - von Studienanfangern nachvollziehbar sein. Vektorielle GraBen werden fettgedruckt dargestellt. Die zeichnerische Darstellung geschieht durch Pfeile in der Zeichenebene. Vektoren, die senkrecht zur Zeiehenebene stehen, werden durch "0" (Rich tung aus der Zeiehenebene heraus) oder durch "6" (Richtung in die Zeichenebene hinein) dargestellt. Dem Springer-Verlag sei fUr die Anregung zu diesem Buch gedankt, das eine erweiterte Version des Kapitels B (Physik) in dem Ingenieur-Taschen buch HtiTTE: "Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften" (29. beriehtigte Auflage, Hrsg. H. Cziehos, Springer-Verlag, Berlin 1991) darstellt. Insbe sondere wurden die Abschnitte 5.7 (niehtlineare Oszillatoren, chaotisches Schwingungsverhalten), 7.6 <Deformierbare Festkarper), 22.3 (Kontrastent stehung) und 23.3 (Interferenzen an dUnnen Schichten) hinzugefUgt. AuBer dem wurden Erweiterungen in den Kapiteln 9 <Transporterscheinungen), 10 (Hydro- und Aerodynamik), 16 (Transport elektrischer Ladung: Leitungs mechanismen), insbesondere 16.4.4 (PN-libergange, Halbleiterbauelemente), 19 (Elektromagnetische Wellen), 20 (Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie) und 25 (Materiewellen) sowie eine Reihe kleinerer Erganzungen vorgenommen. Dem Springer-Verlag Berlin sei auch fUr die verstandnisvolle und geduldige Betreuung bei der Herstellung des Manuskripts und des Druckes herzlich gedankt. FUr Hinweise der Leser auf (sieher vorhandene) Fehler bin ieh dankbar. Meiner Frau danke ieh fUr die unendliche Geduld, mit der sie Meine jahre lange abendliche und wochenendliche Arbeit an dies em Buch verstandnisvoll ertragen hat. Technische Universitat Berlin, im Miirz 1992 H. Niedrig lnhaltsverzeichtds 1 PhYlikalilche GrUen UI1d Eillbeiten 1.1 Physikalische GroBen 1 1.2 BasisgroBen und -einheiten 1 1.3 Das internationale Einheitensystem 2 TEILCHEN und TEILCHENSYSTEME 9 2 Kb1ematik 11 2.1 Geradlinige Bewegung 12 2.2 Kreisbewegung 15 2.3 Gleichformig translatorische Relativbewegung 17 2.3.1 Galilei-Transformation 17 2.3.2 Lorentz-Transformation 19 2.3.3 Relativistische Kinematik 21 2.4 Geradlinig beschleunigte Relativbewegung 23 2.5 Rotatorische Relativbewegung 24 3 Kraft unci Impull 27 3.1 Trigheitsgesetz 27 3.2 Kraftgesetz 27 3.2.1 Gewichtskraft (Schwerkraft) 29 3.2.2 Federkraft 29 3.2.3 Reibungskrifte 30 3.3 Reaktionsgesetz 32 3.3.1 Krifte bei elastischen Verformungen 32 3.3.2 Krifte zwischen freien Korpern {"innere Krifte"} 33 3.4 Aquivalenzprinzip: Schwer- und Trigheitskrifte 34 35 Trigheitskrifte bei Rotation 35 3.5.1 Zentripetal- und Zentrifugalkraft 35 3.5.2 Corio lis-Kraft 36 3.6 Drehmoment und Gleichgewicht 36 3.7 Drehimpuls 38 3.8 Drehimpulserhaltung 40 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Arbeit unll Eneraie 41 4.1 Beschleunigungsarbeit, kinetische Energie 42 4.2 Potentielle Energie, Hub- und Spannungsarbeit 43 4.3 Energieerhaltung bei konservativen Kraften 45 4.4 Energiesatz bei nichtkonservativen Kraften 47 4.5 Relativistische Dynamik 48 5 SchwiD&unlea 51 5.1 Kinematik der harmonischen Bewegung 52 5.2 Der ungedampfte, harmonische Oszillator 53 5.2.1 Mechanische harmonische Oszillatoren 53 5.2.2 Schwingungsgleichung und Schwingungsenergie des harmonischen Oszillators 57 5.3 Freie gedampfte Schwingungen 59 5.3.1 Periodischer Fall (Schwingfall) 61 5.3.2 Aperiodischer Grenzfall 62 5.3.3 Aperiodischer Fall (KriechfaU) 63 5.3.4 Abklingzeit 63 5.4 Erzwungene Schwingungen, Resonanz 64 5.4.1 Resonanz 65 5.4.2 Leistungsaufnahme des Oszillators 68 5.5 tiberlagerung von harmonischen Schwingungen 70 5.5.1 Schwingungen gleicher Frequenz 71 55.2 Schwingungen verschiedener Frequenz 72 5.6 Gekoppelte Oszillatoren 77 5.6.1 GekCippelte Pendel 77 5.6.2 N gekoppelte Oszillatoren 80 5,7 Nichtlineare Oszillatoren, chaotisches Schwingungsverhalten 81 6 TeUchensylteme 84 6.1 Schwerpunkt (Massenzentrum), Impuls und Drehimpuls von Teilchensystemen 85 6.1.1 Schwerpunktbewegung ohne auDere Krafte 87 6.1.2 Schwerpunktbewegung bei Einwirkung auBerer Krafte 88 6.1.3 Drehimpuls eines Teilchensystems 89 6.2 Energieinhalt von Teilchensystemen 90 6.2.1 Energieerhaltungssatz in Teilchensystemen 92 6.2.2 Bindungsenergie eines Teilchensystems 93 6.3 StoBe 94 6.3.1 Zentraler elastischer StoB 95 6.3.2 Nichtzentraler elastischer StoB 98 6.3.3 Unelastischer StoB 101 7 Dynamik darrel' Kllrper 103 7.1 Translation und Rotation eines starren K/jrpers 103 7.2 Rotationsenergie, Tragheitsmoment 105 Inhaltsverzeichnis IX 7.3 Drehimpuls eines starren Korpers 108 7.4 Kreisel 110 7.5 Vergleich Translation - Rotation 112 7.6 Deformierbare Festkorper 113 8 StaUstilche Meclwlik 117 8.1 Kinetische Theorie der Gase 117 8.2 Temperaturskalen. Gasgesetze 122 8.3 Freiheitsgrade. Gleichverteilungssatz 127 8.4 Reale Gase. tiefe Temperaturen 131 85 Energieaustausch bei Vielteilchensystemen 137 8.5.1 Volumenarbeit 138 8.5.2 Wlirme 140 8.5.3 Energieerhaltungssatz fUr Vielteilchensysteme 141 8.6 Wlirmemengen bei thermodynamischen Prozessen 142 8.6.1 Spezifische und molare Wlirmekapazitliten 142 8.6.2 Phasenumwandlungswlirmen 146 8.7 Zustandsanderungen bei idealen Gasen 148 8.8 Kreisprozesse 152 8.8.1 Wlirmekraftmaschine 156 8.8.2 Kaltemaschine und Wlirmepumpe 156 8.9 Richtungsablauf physikalischer Prozesse 158 9 TransporterachefnllllPft 164 9.1 StoBquerschnitt. mittlere freie Wegllinge 164 9.2 Molekulardiffusion 166 9.3 Warmeleitung 168 9.4 Innere Reibung: Viskositat 171 10 Hyclro- und Aerodynamlk 179 10.1 Stromungen idealer FlUssigkeiten 180 10.2 Stromungen realer FlUssigkeiten 188 II WECHSELWIRKUNGEN und FELDER 193 Ubersicht Uber die fundamentalen Wechselwirkungen 195 11 GravitatiolllW8chlelwirltunl 197 11.1 Der Feldbegriff 197 11.2 Planetenbewegung: Kepler-Gesetze 197 11.3 Newtons Gravitationsgesetz 199 11.4 Das Gravitationsfeld 201 11.5 Satellitenbahnen im Zentralfeld 204 x Inhaltsverzeichnis 12 E1ektrilChe Wec:hlelwirkuq 210 12.1 Elektrische Ladung, Coulomb-Gesetz 210 12.2 Das elektrostatische Feld 211 12.3 Elektrisches Potential 218 12.4 Quantisierung der elektrischen Ladung 222 125 Energieaufnahme im elektrischen Feld 224 12.6 Elektrischer Strom 226 12.7 Elektrische Leiter im elektrostatischen Feld, Influenz 229 12.8 Kapazitit leitender Korper 232 12.9 Nichtleitende Materie im elektrischen Feld, elektrische Polarisation 236 13 MqnetllChe Wecblelwirkuq 246 13.1 Das magnetostatische Feld, stationire Magnetfelder 246 13.2 Die magnetische Kraft auf bewegte Ladungen 252 13.3 Die magnetische Kraft auf stromdurchflossene Leiter 257 13.4 Materie im magnetischen Feld, magnetische Polarisation 261 14 ZeitverlnderUche elektromllftllUlche Felder 272 14.1 Zeitverinderliche magnetische Felder: Induktion 272 14.2 Selbstinduktion 279 14.3 Energieinhalt des Magnetfeldes 280 14.4 Wirkung zeitverinderlicher elektrischer Felder 281 14.5 Maxwellsche Gleichungen 283 15 E1ektrillCbe Stromkreile 286 15.1 Ohmsches Gesetz 286 15.2 Gleichstromkreise, Kirchhoffsche Sitze 289 15.3 Wechselstromkreise 291 15.3.1 Wechselstromarbeit 292 15.3.2 Transformator 293 15.3.3 Scheinwiderstand von R, Lund C 295 15.4 Elektromagnetische Schwingungen 297 15.4.1 Freie, gedimpfte elektromagnetische Schwingungen 297 15.4.2 Erzwungene elektromagnetische Schwingungen, Resonanzkreise 299 15.4.3 Selbsterregung elektromagnetischer Schwingungen durch Riickkopplung 304 16 Truuport 11ektrilcher Laclun&: Llltuapnlchudlmea 307 16.1 Elektrische Struktur der Materie 307 16.1.1 Atomstruktur 307 16.1.2 Elekironen in Festkorpem 318 16.2 Metallische Leitung 323 16.3 Supraleitung 327 16.4 Halbleitung 334 Inhaltsverzeichnis XI 16.4.1 Eigenleitung 334 16.4.2 StlSrstellenleitung 338 16.4.3 Hall-Effekt in Halbleitem 340 16.4.4 PN-tiberglinge 341 165 Elektrolytische Leitung 345 16.6 Stromleitung in Gasen 348 16.6.1 Unselbstiindige Gasentladung 348 16.6.2 Selbstiindige Gasentladung 349 16.6.3 Der Plasmazustand 352 16.7 Elektrische Leitung im Hochvakuum 354 16.7.1 Elektronenemission 354 16.7.2 Bewegung freier Ladungstriger im Vakuum 360 17 Stlrke un. S~ Wechselwirkun& Atomkeme untI Elemeatarteilchn 364 17.1 Atomkerne 364 17.2 Massendefekt, Kernbindungsenergie 367 17.3 Radioaktiver Zerfa11 369 17.3.1 Alpha-Zerfall 370 17.3.2 Beta-Zerfall 371 17.4 Kiinstliche Kernumwandlungen, Kemergiegewinnung 374 175 Elementarteilchen 381 III WELLEN und QUANTEN 387 18 Wellenaulllreltuna 389 18.1 Beschreibung von Wellenbewegungen, WeUengleichung 389 18.2 Elastische Wellen, Schallwellen 397 18.3 Doppler-Effekt, Kopfwellen 401 19 Elelctromlp8tllche Wellea 406 19.1 Erzeugung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen 406 19.2 Elektromagnetisches Spektrum 415 20 Wech. .l w1rkuac elelctromqnetllCher Strahluaa mit Materle 419 20.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Materie, Dispersion 419 20.2 Emission und Absorption des Schwarzen Kiirpers, Plancksches Strahlungsgesetz 423 20.3 Quantisierung des Lichtes, Pbotonen 429 20.4 Stationlire Energiezustiinde, Spektroskopie 434 205 Induzierte Emission, Laser 438 21 Renexlon untI Brechlllllo Polariaatlon 443 21.1 Reflexion, Brechung, Totalreflexion 443 21.2 Optische Polarisation 449
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