Physik: Ein Lehrbuch für Studierende an den Universitäten und Technischen Hochschulen

611 Pages·1933·33.438 MB·German

by  Wilhelm H. Westphal (auth.)

PHYSIK
PHYSIK
EIN LEHRBUCH FÜR STUDIERENDE AN DEN
UNIVERSITÄTEN UND TECHNISCHEN HOCHSCHULEN
VON
WILHELM H. WESTPHAL
A. 0. PROFESSOR DER PHYSIK AN DER UNIVERSITÄT BERLIN UND
LEITER DER PHYSIKALISCHEN ÜBUNGEN AN DER
TECHNISCHEN HOCHSCHULE BERLIN
DRITTE AUFLAGE
MIT 503 ABBILDUNGEN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH 1933
ISBN 978-3-662-35577-0 ISBN 978-3-662-36406-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-36406-2
AlLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER OBERSETZUNO
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN.
COPYRIGHT 1933 BY SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG
URSPRUNGLieH ERSCHIENEN BEI JULIUS SPRINGER IN BERLIN 1933
SOFTCOVER REPRINT OF THE HARDCOVER 3RD EDITION 1933
DEM ANDENKEN MEINES LEHRERS
HEINRICH RUBENS
GEWIDMET
Vorwort zur dritten Auflage.
Die vorliegende Auflage ist gegenüber den vorhergehenden in vielen Be
ziehungen verbessert und stofflich stark erweitert. Um den Umfang nicht
wesentlich zu erhöhen, wurde einiges weniger Wichtige gestrichen, anderes
knapper gefaßt.
In der Mechanik habe ich mich bemüht, die Unterscheidung zwischen den
skalaren und den vektoriellen Größen klarer als bisher herauszuarbeiten. Dabei
liegt aber eine erhebliche Schwierigkeit in dem Umstand, daß eine Kenntnis
der Vektorrechnung bei den meisten meiner Leser noch nicht vorausgesetzt
werden darf. Ganz neu geschrieben sind, von zahlreichen einzelnen Paragraphen
abgesehen, unter anderen die folgenden Teile: § 17-19 (Bewegungslehre),
Kap. 8 (Elastizität), Kap. II (Hydrodynamik), Kap. 18 (Binäre Systeme),
Kap. 25 und 26 (Magnetismus und Elektrodynamik), ein erheblicher Teil des
Kap. 28 (Wechselstrom und Schwingungen), § 477-479 (Farben und Farben
sehen). Die Elektrizitätslehre und die Kap. 33 und 34 (Quantentheorie und
Atombau) wurden neu disponiert.
Bei der Neubearbeitung der Elektrizitätslehre habe ich ernstlich erwogen,
ob ich das elektrostatische und das elektromagnetische Maßsystem ganz durch
das internationale elektrische Maßsystem ersetzen solle, wie das heute in den
Vorlesungen und Lehrbüchern über Experimentalphysik vielfach der Fall ist.
Ich habe das, von anderen Gründen abgesehen, auch deshalb nicht getan, weil
dieses Buch kein Lehrbuch der reinen Experimentalphysik sein, sondern den
Leser auch wenigstens in die ersten Anfänge der theoretischen Physik einführen
will. Dazu aber ist das internationale Maßsystem sehr viel weniger geeignet
als die an das CGS-System angeschlossenen Maßsysteme. Ein jedes der ge
bräuchlichen Maßsysteme hat seine volle Berechtigung an seinem Platze. Ich
bin der Meinung, daß nicht nur selbstverständlich jeder Physiker, sondern auch
jeder Chemiker und Ingenieur lernen muß, die verschiedenen Maßsysteme (auch
in der Mechanik) und ihre Zusammenhänge zu beherrschen. Für den Anfänger
aber liegt in der Vielheit der Maßsysteme und der prinzipiellen Verschiedenheit
der Grundlagen der praktischen und der CGS-Systeme eine Quelle großer
Schwierigkeiten. Ich habe mich deshalb bemüht, ihm diese Schwierigkeit zu er
leichtern, indem ich an verschiedenen Stellen die Beziehungen zwischen den
einzelnen Maßsystemen und die Art ihrer Grundlegung eingehend besprochen habe.
Wieder wurde ich bei der Vorbereitung der neuen Auflage durch zahlreiche
Zuschriften aus dem Leserkreise, insbesondere auch von Studierenden und
Lehrern, in dankenswerter Weise zu manchen Verbesserungen angeregt. Ich
bitte, mir auch künftig auf diese Weise bei der weiteren Ausgestaltung des Buches
zu helfen. Ganz besonderen Dank schulde ich Herrn Dr.-Ing. EGON ÜROWAN,
der mir bei der Korrektur außerordentlich wertvolle Hilfe geleistet hat.
Berlin, im November 1932.
WILHELM WESTPHAL.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
1. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
r. Kapitel. Inhalt und Methoden der Physik. § 1-5 ....... .
Die Physik im Rahmen der Naturwissenschaften r.-Kausalität 2.-Das
Experiment 3· - Physikalische Gesetze 3· - Einteilung der Physik 4·
2. Kapitel. Maß und Messen. § 6-II. . . . . . . . . . . . . . . . 5
Wesen und Zweck der physikalischen Messung 5·-Längenmessung 6.
Winkelmessung 8.-Zeitmessung 9.-Skalare und Vektoren ro.-Addition
und Zerlegung von Vektoren 10.
3· Kapitel. Die Materie. § 12-14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Der Satz von der Erhaltung der Materie 12. - Aggregatzustände 12. -
Vorläufiges über den Aufbau der Materie 13.
II. Mechanik starrer Körper. Schwerkraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4· Kapitel. Lehre von den Bewegungen. § 15-20. . . . . . . . . . 14
Definition des Massenpunktes 14. - Bewegung 14. - Bewegung auf einer
Geraden 15. - Bewegung im Raum 16. - Geschwindigkeit und Beschleu
nigung in vektorieller Darstellung 17.-Winkelgeschwindigkeit und Winkel
beschleunigung 19.
5· Kapitel. Das Verhalten starrer Körper unter der Wirkung von
Kräften. § 21-52 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Kräfte als Ursache von Bewegungsänderungen 21. - Der Trägheitssatz
(I. NEWTONsches Axiom) 21. -Die träge Masse (2. NEWTONsches Axiom) 22.
- Das wissenschaftliche Maßsystem (CGS-System) und das technische Maß
system 23. -Die Bewegungsgröße 24. - Trägheitskräfte. n' ALEMBERTsches
Prinzip 24.-Addition von Kräften. Satz vom Parallelogramm der Kräfte 24.
-Einige Versuche über die Zusammensetzung von Kräften 27.-Wirkung
und Gegenwirkung (3. NEWTONsches Axiom) 28. - Gleichgewicht 29. -
Kräftepaar. Drehmoment 29. - Der Hebel 30. - Der Satz von der Er
haltung der Bewegungsgröße (Impulssatz) 31. - Der Massenmittelpunkt
oder Schwerpunkt 32. - Der Satz von der Erhaltung der Bewegung des
Schwerpunkts 34· - Trägheitsmoment 34· - Kreisbewegung. Zentripetal-
kraft und Zentrifugalkraft 36. - Die Zentrifugalkraft, vom rotierenden
System aus beurteilt 37· - Beispiele für die Trägheitskräfte rotierender
Massen 39· - Arbeit 41. - Beschleunigungsarbeit 42. - Der Satz von der
Erhaltung der Arbeit oder Energie 43· - Energie der Bewegung oder kine
tische Energie 44·-Energie der Lage oder potentielle Energie 44·-Leistung
45·-Rotationsenergie. Drehimpuls 46.-Direktionsmoment 48.-Rotation
um freie Achsen. Der Kreisel 48. - Die Erddrehung 50. - Die Polflucht
der Kontinente 52. -Elastischer und unelastischer Stoß 53· - Die Dimen
sionen der mechanischen Größen 56.
6. Kapitel. Die Schwerkraft. § 53-69 . . . . . . . . . . . . . . . 56
Schwerkraft und Beschleunigung durch die Schwere 56. - Die schwere
Masse 57· - Gewicht 58. - Spezifisches Gewicht. Dichte. Spezifisches
Volumen 58.-Bewegungen im Schwerefeld der Erde. Fall und Wurf 6o.
Fall auf der schiefen Ebene 62. - Der Schwerpunkt 63. - Das Pendel 63.
- Bestimmung von g mit dem Pendel 65. - Stabiles, labiles und indiffe
rentes Gleichgewicht 66. - Das NEwToNsehe Gravitationsgesetz 68. -
Inhaltsverzeichnis. IX
Seite
Die Schwerkraft im Erdinnern 69. - Die Mondbewegung 70. - Die Be
wegung der Planeten 71. - Die Gezeiten 73· - Fernwirkung und Nahe
wirkung 7S· - Gravitationspotential und Feldstärke 76.
7· Kapitel. Einige praktische Anwendungen der mechanischen
Gesetze. § 70-So. . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . 77
Maschinen 77· - Der Hebel als Maschine 7S. - Rollen und Flaschen
züge 79.- Zahnräder SI.- Keil und Schraube SI.-Präzisionswagen S2.
- Absolute Wägung Ss. - Verwandlung von hin- und hergehender in
drehende Bewegung Ss. - Wagenräder S6. - Trägheitswirkungen bei ge
krümmten Bahnen (Zentrifugalkraft) S6. - Uhren 89.
III. Mechanik deformierbarer Körper 90
8. Kapitel. Die elastischen Eigenschaften fester Körper. § SI-SS 90
Begriff der Elastizität und allgemeine Tatsachen 90. - Kleine Deforma
tionen. HooKEsches Gesetz. Biegung 91. - Scherung 92. -Druck 94· -
Elastische Energie 94·
9· Kapitel. Mechanik ruhender Flüssigkeiten. § 86-g3 . . . . . . 9S
Druck im Innern einer Flüssigkeit unter Vernachlässigung der Schwerkraft
9S· -Wirkung der Schwerkraft 96. -Freie Flüssigkeitsoberflächen 98. -
Auftrieb. Archimedisches Prinzip 99.- Schwimmen IOI.-Die elastischen
Eigenschaften der Flüssigkeiten I02. - Oberflächenspannung I03. -
Kapillarität I04.
IO. Kapitel. Mechanik ruhender Gase. § 94-107 . . • . . • Io6
Molekulartheorie der Gase (kinetische Gastheorie) I06. - Das Gesetz
von AvoGADRO IoS. - Molekulargewicht und Atomgewicht. Mol und Gramm
atom 109. - Der Druck der Gase no. - Das Gesetz von BoYLE-MARIOTTE
II2.-Freie Weglänge und Stoßzahl n3. -Die Kompressibilität der Gase.
Isotherme Volumänderungen II4.-Ideale und wirkliche Gase ns. -Gase
unter der Wirkung der Schwerkraft ns.-Der Luftdruck n6.-Wirkungen
des Luftdrucks II7.-Messung von Gasdrucken u8.-Luftpumpen I20.
Auftrieb in Gasen I2I.
II. Kapitel. Mechanik bewegter Flüssigkeiten und Gase. § IoS-u6 I24
Allgemeines über bewegte Flüssigkeiten und Gase I24. - Die BERNOUILLI
sche Gleichung I24. -Einige Anwendungen der BERNOUILLischen Gleichung
I26. - Trennungsflächen. Wirbel 129. -Tragflächen 129. -Zähe Flüssig
keiten. Innere Reibung I30. - Strömung durch Röhren I3L - Flüssig
keits- und Gasstrahlen I32. - Das SToKEssehe Fallgesetz I33·
IV. Schwingungen und Wellen . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
12. Kapitel. Mechanische Schwingungen und Wellen. § II7-137 . . I34
Wesen der Schwingungen I34· - Schwingungsgleichung. Gedämpfte
Schwingung I3S· - Saitenschwingungen I36. - Schwingungen von Luft
säulen I37·-Erzwungene Schwingungen. Resonanz I38.- Fortpflanzung
von Störungen I39· - Periodische Wellen I39· - Wellenlänge I40. -
Longitudinale und transversale Wellen. Polarisation I4L-Interferenz I42.
- Stehende Wellen I43· - Schwebungen I44· - DoPPLEReffekt I4S· -
Energietransport in einer Welle. Entfernungsgesetz I46.-Vorgänge an der
Grenzezweier Medien 146. -Reflexion I4 7.-Brechung I4 7.-Das FERMAT
sche Prinzip I4S. - Absorption von Wellen I49· - Das HuvGENssche
Prinzip 149· - Beugung I49·
I3. Kapitel. Die Lehre vom Schall (Akustik). § I38-IS3 . . . . . . ISO
Wesen und Fortpflanzung des Schalls ISO. - Geräusche. Klänge. Töne
ISO. - Tonhöhe, Schwingungszahl. Wellenlänge ISI. - Reflexion von
Schallwellen ISL - Interferenz von Schallwellen ISI. - Stehende Schall
wellen IS2. - Akustische Schwebungen. Kombinationstöne IS3· - Aku
stische Resonanz. Tönende Luftsäulen IS3·- Der akustische DoPPLER
effekt 1SS·-Die musikalische Tonleiter ISS·- Konsonanz und Dissonanz
IS6. - Die Saiteninstrumente IS7· - Pfeifen. Die Orgel IS7· - Blas
instrumente und sonstige Musikinstrumente ISS.-Das Ohr. Der Kehlkopf
I58. - Die Sprache und die Vokale I59·
X Inhaltsverzeichnis.
Seite
V. Wärmelehre (Thermodynamik) 161
14. Kapitel. Die Temperatur und das Wesen der Wärme. § 154-159 r6r
Temperatur r6I. - Temperaturskala. Absolute Temperatur r6r. -
Mechanische Wärmetheorie r62. - Das MAXWELLsehe Gesetz 165. - Dif
fusion r66. -Die BRoWNsche Bewegung. Schwankungserscheinungen r68.
15. Kapitel. Temperatur, Druck und Volumen. Zustandsgleichun-
gen. § r6o-r67 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Ausdehnung fester und flüssiger Körper durch die Wärme 170. - Ano
malie des \Vassers 172. - Die Zustandsgleichung der idealen Gase. Das
Gesetz von BoYLE-MARIOTTE-GAY LussAc I73· - Der Ausdehnungs- und
der Druckkoeffizient der idealen Gase I74· - Die Zustandsgleichung von
VAN DER WAALS 175.- Verschiedene Sonderfälle von Zustandsänderungen
176. - Flüssigkeitsthermometer 176. - Gasthermometer und sonstige
Methoden der Temperaturmessung 177.
r6. Kapitel. Spezifische Wärme. § r68-173 . . . . . . . . . . . . 178
\Värmemenge. Kalorie 178. - Wärmekapazität und spezifische Wärme
178. - Atomwärme. DuLONG-PETITsches Gesetz 179. - Die spezifische
Wärme der Gase 179. -Adiabatische Zustandsänderungen von Gasen rSr.
- Messung spezifischer Wärmen 183.
17. Kapitel. Änderungen des Aggregatzustandes. § 174-185 184
Die Arten der Änderungen des Aggregatzustandes 184. - Schmelzwärme
r86. - Volumänderung beim Schmelzen 187. -Abhängigkeit des Schmelz
punkts vom Druck r88.-Verdampfen 189.-Verdampfungswärme 190.
Gesättigter Dampf. Dampfdruck 190. - Sieden. Abhängigkeit des Siede
punkts vom Druck. Destillation 192. - Dampfdichte 193. - Sublimation
194. - Verflüssigung der Gase I95·- Verflüssigung von Luft, \Vasserstoff
und Helium. Sehr tiefe Temperaturen I98.
I8. Kapitel. Binäre Systeme. § 186-191 . . . . . . . . . . . . . . . 199
Lösungen 199. - Kolloidale Lösungen 200. - RAOULTsches Gesetz.
Gefrierpunkt und Siedepunkt von Lösungen 200. - Osmose 201. - Kryo
hydrate. Kältemischungen 202. - Absorption 203.
I9. Kapitel. Die drei Hauptsätze der ·Wärmelehre. ·wärme und
Arbeit. § I92-203 ........................ 204
Der erste Hauptsatz der Wärmetheorie 204. - Das mechanische \Värme
äquivalent 205. - Verwandlung von mechanischer Arbeit in Wärme. Rei-
bung 206. -Der zweite Hauptsatz der \Värmetheorie. Entropie 207.-Rever-
sible und irreversible Prozesse 2IO. - Temperaturausgleich 2II. - \Värme
leitung 2 I I. - Der dritte Hauptsatz der \Värmetheorie (~ERNSTsches \Värme
theorem) 214.-CARNOTscher Kreisprozeß 214.-Verwandlung von \\'ärme
in mechanische Arbeit 2I7.-\Värmekraftmaschinen 217.-\Värmequellen.
Thermochemie 2I9.
20. Kapitel. Physik der Atmosphäre. § 204-208 220
Allgemeine Eigenschaften der Atmosphäre 220. - Die Lufttemperatur
221. - Luftfeuchtigkeit. Kondensationserscheinungen 222. - Bewegungen
der Luft 225. - Das Wetter 226.
VI. Elektrizität und Magnetismus . . . . . 229
21. Kapitel. Elektrostatik. § 209-24I 229
Elektrostatischer Grundversuch. Positive und negative Elektrizität 229.
Elektrizitätsmenge und elektrische Ladung 230. - Das CouLOMBsehe Gesetz.
Einheit der Ladung 230. - Der Satz von der Erhaltung der Elektrizität
232. - Das \\'esen der Elektrizität und die elektrische Natur der Materie
232. - Schwerpunkt elektrischer Ladungen. Elektrischer Dipol 233. -
Gute und schlechte Leiter. Nichtleiter 234. - Die Elektrizitätsbewegung
in den Metallen 235. -Einige Versuche mit dem Elektroskop 235. - Elek
trisches Feld. Feldstärke 236. - Elektrische Spannung 238. - Elektrisches
Potential 239. -Elektrische Kraftlinien 240. - Flächen gleichen Potentials
Inhaltsverzeichnis. XI
Seite
241. - Das elektrische Feld einer einzelnen Punktladung und eines Dipols
241. - Feldstärke und Potential in Leitern 242. - Sitz der Ladung eines
Leiters an dessen Oberfläche 244. - Spitzenwirkung 245· -Influenz 245. -
Kraftwirkungen elektrischer Felder auf Dipole und ungeladene Leiter 246. -
Kapazität 248. - Kondensatoren 250. - Das Elektrometer als Spannungs
messer 251. -Einige Versuche mit dem Plattenkondensator 253. -Die
Energie eines geladenen Kondensators. Die Anziehung der Kondensator
platten. Elektrische Energiedichte 254. - Dielektrika. Dielektrische Polari
sation 255.-Dielektrische Verschiebung 257. - Verallgemeinerung des
CouLOMBsehen Gesetzes 258.-Kraftwirkung elektrischer Felder auf Dielek
trika 258. - Pyro- und Piezoelektrizität. Elektrostriktion 258. - Elek
trophor. Influenzmaschinen 259. - Die wichtigsten Gleichungen der Elek
trostatik in Einheiten des praktischen Maßsystems 261. - Die Dimen
sionen der elektrischen Größen im elektrostatischen Maßsystem 262.
22. Kapitel. Elektrische Ströme in festen Leitern. § 242-263 . . . 263
Stromquellen. Elektromotorische Kraft 263. - Der Spannungsverlauf
in einem von Elektrizität durchströmten Leiter 264. - Elektrischer Strom
265.-Elektrizitätsleitung in Metallen 267.-Das OHMsehe Gesetz. Wider
stand 268. - Die Geschwindigkeit der Elektrizitätsbewegung in den Me
tallen 269. - Das WIEDEMANN-FRANZsche Gesetz 270. - Die K1RCHHOFF
schen Sätze 270. - Reihen- und Parallelschaltung von Leitern. Spannungs
teilung 271. - Rheostaten 273. - Messung von Widerständen 274· -
Kapazitätsmessung in der Brückenschaltung 276.-Der JoHNSEN-RAHBEK
Effekt 276. - Temperaturkoeffizient des Widerstandes. Supraleitfähigkeit
277.-Elektrolytische Leitung in festen Körpern 278.-Charakteristik von
Leitern 279.-Innerer Widerstand, Reihen-und Parallelschaltung von Strom
quellen 280. - Berechnung der Stromstärke in verzweigten Systemen 281.
- Stromarbeit. Stromleistung 282.-Praktische Anwendungen der Strom
wärme 284. - Berührungsspannung. Reibungselektrizität 285. - Thermo
elektrische Erscheinungen 286.
23. Kapitel. Elektrische Ströme in flüssigen Leitern. § 264-280 .. 287
Leitfähigkeit reiner Flüssigkeiten 287.-Leitfähigkeit wässeriger Lösungen.
Elektrolyse 287. - Abscheidungen an den Elektroden 287. - Elektro
lytische Dissoziation 288. - Der Mechanismus der Elektrizitätsleitung in
Elektrolyten 289. - Die F ARADA vschen Gesetze 289. - Sekundäre Prozesse
an den Elektroden 291. - Elektrolytische Leitung in nichtwässerigen
Lösungen und Schmelzen 293. - Technische Anwendungen der Elektro
lyse 293. -·widerstand elektrolytischer Leiter 293. -Metalle in Berührung
mit Elektrolyten 294. - Elektrolytische Polarisation 295. - Galvanische
Elemente 296.-Akkumulatoren 297.-Elektrische und chemische Energie
298. - Lokalströme 299. - Elektrokinetische Erscheinungen 299.
24. Kapitel. Elektrische Ströme in Gasen. § 281-295. 300
Das Wesen der Elektrizitätsleitung durch Gase 300. - Die Grundtypen
der Elektrizitätsleitung durch Gase 300. -Unselbständige Entladung 301. -
Glühelektronen. Thermionen 302. - Temperaturionisation 303. - Wider
stand und Charakteristik einer leitenden Gasstrecke 303. - Selbständige
Entladung. Allgemeines 305. - Die stille Entladung oder Spitzenent
ladung 305.-Funkenentladung 306.- Glimmentladung 307.-Kathoden
strahlen 308. - Positive Strahlen in der Glimmentladung 309. - Licht
bogen 309. -Elektrische Figuren 310. -Atmosphärische Elektrizität 311.
25. Kapitel. Magnetische Felder im Vakuum. § 296-335 ...... 3II
Magnete 311.-Es gibt keinen wahren Magnetismus. Magnetische Dipole
312. -Das CouLOMBsehe Gesetz für Magnetpole 312. -Magnetische Feld
stärke. Kraftlinien 313. - Kraftwirkungen eines magnetischen Feldes
auf einen magnetischen Dipol 314.- Erdmagnetismus 315. -Magnetisches
Feld eines geradlinigen Stroms 316. - Magnetische Felder von Strom
schleifen und Spulen 318. - Das Gesetz von LAPLACE 320. - Kraftwir
kungen auf Stromleiter im magnetischen Feld 321. - Kraftwirkungen
magnetischer Felder auf bewegte Ladungsträger 322. - Magnetische und
elektrische Ablenkung der Kathodenstrahlen 323. - Kraftwirkung elek
trischer Felder auf bewegte Magnetpole 326. - Kraftwirkungen magnetischer