Physik: Eine Einführung für Ingenieure und Naturwissenschaftler (Springer-Lehrbuch) (German Edition)

454 Pages·2009·16.86 MB·German

by  Ulrich Harten

Springer-Lehrbuch
Ulrich Harten
Physik
Einführung für Ingenieure
und Naturwissenschaftler
4., bearbeitete und erweiterte Auflage
Mit teilweise zweifarbigen Abbildungen
123
Professor Dr. Ulrich Harten
Hochschule Mannheim
Paul-Wittsack-Straße 10
68163 Mannheim
e-mail: [email protected]
Internetseite zum Buch unter
www.physik.hs-mannheim.de/physikbuch.html
ISBN: 978-3-540-89100-0 e-ISBN: 978-3-540-89101-7
DOI: 10.1007/ 978-3-540-89101-7
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Herstellung & Satz: le-tex publishing services OHG, Leipzig
Gedruckt auf säurefreiem Papier
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springer.de
Vorwort zur 4. Aufl age
In dieser vierten Aufl age wurden die Kapitel vier und fünf weitge-
hend neu gefasst. In Kapitel vier ging es darum, die Wellen etwas
genauer als bisher zu beschreiben. In Kapitel fünf habe ich ver-
sucht, die Wärmelehre stärker vom mikroskopischen Bild her auf-
zuziehen. Ich denke, dies ist anschaulicher, als der übliche mehr an
der klassischen Th ermodynamik orientierte Weg.
Ich danke allen Leserinnen und Lesern, die mir Anregungen
und Korrekturen haben zukommen lassen. Insbesondere möchte
ich Herrn Kollegen Käß von der Hochschule Esslingen danken.
Diese Aufl age wurde in bewährter Weise im Springer-Verlag von
Frau Hestermann-Beyerle und Frau Kollmar-Th oni betreut. Auch
ihnen gilt mein Dank.
Frühjahr 2009 Ulrich Harten
Vorwort
Die Naturgesetze galten schon, als die Erde noch wüst und leer
war. Verstöße gegen sie werden nicht bestraft , sie sind gar nicht
erst möglich. Wer verstehen will, was um ihn herum passiert oder
gar technische Prozesse oder Maschinen entwickeln will, die auch
tun, was sie sollen, der muss die Naturgesetze kennen. Die fertige
Maschine wird sich erbarmungslos an sie halten.
Dieses Buch will Studienanfängern, die sich im Nebenfach mit
Physik zu befassen haben, ein leidliches Verständnis der wich-
tigsten physikalischen Gesetze vermitteln. Dies ist absichtsvoll so
vorsichtig formuliert, denn leider sind die meisten Gesetze kei-
neswegs einfach zu verstehen. Quantenphysik und Relativitäts-
theorie sind weitgehend ausgespart, denn hier kann der, der sich
nur nebenbei mit Physik beschäft igt, nur ein sehr oberfl ächliches
Verständnis erwerben und für den Ingenieur sind diese Gebiete
praktisch ohne Bedeutung.
Vorwort l V
Die „klassische“ Physik ist schwierig genug. Die Erfahrung zeigt,
dass schon die Newton’sche Mechanik Studienanfängern große
Schwierigkeit bereitet. Zu verlockend ist die anschauliche Mecha-
nik, die noch auf Aristoteles zurückgeht und sich vielleicht so auf
den Punkt bringen lässt: Ein Gegenstand bewegt sich immer in
die Richtung, in die er gezogen wird. Das ist selbst in einfachen
Alltagssituationen falsch, und dies zu verstehen erfordert schon
einiges Abstraktionsvermögen. Es erfordert außerdem die Bereit-
schaft , sich auf einige Mathematik einzulassen, auf die in der Phy-
sik nicht verzichtet werden kann.
Es geht mir mit diesem Buch also vor Allem um das Verstehen
scheinbar einfacher Dinge. Ein so relativ kurzes Lehrbuch kann
keine Vollständigkeit beanspruchen. Die Stoff auswahl orientiert
sich an dem, was typischerweise an einer Fachhochschule gelehrt
wird, ist aber natürlich auch persönlich gefärbt. Mancher Dozent
wird also in seiner Vorlesung auch Th emen behandeln, die in die-
sem Buch nur knapp erwähnt sind. Besteht dann weiterer Lesebe-
darf, so gibt es sehr gute „dicke“ Physikbücher, im Springer-Verlag
den „Gerthsen“ und den „Hering“, die dann weiterhelfen, sonst
aber vieleicht wieder zu viel des Guten sind.
Unentbehrlich beim Lernen sind Rechenbeispiele und Übungs-
aufgaben. Wenn es schon Physik sein muss, so hätte der Student sie
gerne an Beispielen aus seinem Fachgebiet erläutert. Dies hat aber
Grenzen, denn da wird es schnell zu kompliziert für den Anfang.
Ich habe mich bemüht, anschauliche Beispiele, die vor Allem an
Alltagserfahrungen anknüpfen, zu fi nden.
Viele Zusammenhänge in der Physik lassen sich am besten an
bewegten Bildern veranschaulichen. Auf einer Internetseite zu die-
sem Buch gebe ich Ihnen ständig aktualisierte Hinweise auf solche
Animationen im WWW.
Die Betreuung dieses Buches beim Verlag lag in den Händen der
Damen Eva Hestermann, Monika Lempe und Ursula Weisgerber.
Ihnen gilt mein besonderer Dank.
Ein großer Teil des Textes entstammt der Arbeit mit meinem
Vater, dessen Andenken ich dieses Buch widme.
Februar 2003 Ulrich Harten
VI l Vorwort
Hinweise zum Gebrauch des Buches
Lernen ist Arbeit. Darum passt ein Schreibtisch besser zum Lehr-
buch als ein Ohrensessel. Für die Physik gilt das in besonderem
Maße, denn sie macht Gebrauch von der Mathematik. Formeln im
Kopf umzuformen und auszurechnen, grenzt an Leichtsinn. Da-
rum hält der Kundige stets Bleistift , Papier, Taschenrechner und
Radiergummi griffb ereit.
Kleingedrucktes darf der eilige Leser überschlagen, ohne gleich befürch-
ten zu müssen, dass er den Faden verliert. Er verzichtet lediglich auf et-
was Butter zum Brot.
(cid:2)
Was so markiert ist gehört zum Grundwissen.
(cid:2)
Wo es jeweils langgehen soll, kündigen die „Übersichten“
zu Beginn der einzelnen Abschnitte an.
(cid:2)
Zusammenfassung
Diese Abschnitte am Ende der Kapitel fassen den Inhalt noch
einmal zusammen und sollen insbesondere bei der Prüfungs-
vorbereitung helfen.
Vor dem Sachverzeichnis fi ndet sich eine Liste aller im Buch
verwendeten Formelzeichen, die ebenso wie eine Tabelle der grie-
chischen Buchstaben das Lesen der Formeln unterstützen kann.
Lernen erschöpft sich nicht im Aufnehmen vorgedruckter Ge-
dankengänge: Es erfordert eigenes Tun. Auch droht am Ende der
Vorlesung in der Regel eine Klausur. Darum sollen Lösungen zu
den Übungsaufgaben nicht einfach am Ende des Buches nachge-
schlagen werden. Zunächst sollte zumindest versucht werden, sie
selbst zu lösen. Das gilt auch für die Rechenbeispiele im Text. Die
Übungsaufgaben sind nach Schwierigkeitsgrad sortiert: (I) leicht;
Hinweise zum Gebrauch des Buches l VII
(II) mittel; (III) schwer. Auch ein Nachdenken über die Verständ-
nisfragen vor den Aufgaben hilft bei der Prüfungsvorbereitung.
Weitere Kontrollfragen gibt es auf der Internetseite.
Vieles in der Physik lässt sich nicht beantworten ohne die Kennt-
nis einzelner Natur- und Materialkonstanten. Nur wenige verdienen
es, auswendig gelernt zu werden; den Rest schlägt man nach. Was
der Inhalt dieses Buches verlangt, fi ndet sich im Anhang.
Zu diesem Buch gibt es eine Internetseite. Sie enthält Hinweise
auf interessante andere Internetseiten. Manche Zusammenhänge
lassen sich viel besser anhand von bewegten Bildern verstehen, die
der Buchdruck nicht bieten kann. Deshalb wird in einigen Bild-
unterschrift en auf die Internetseite verwiesen („Animation im
Web“). Eine PDF-Seite dort enthält Links zu passenden Anima-
tionen, die frei im Internet verfügbar sind. Außerdem fi nden Sie
auf der Internetseite Multiple Choice Fragen, die Sie zusätzlich zur
Lernkontrolle verwenden können.
Sie fi nden die Internetseite am schnellsten, indem Sie bei
www.springer.de in die Katalogsuche die ISBN-Nummer des
Buches eingeben: 978-3-540-34053-9. Sie gelangen dann auf
die Katalogseite des Buches, auf der Sie auf weitere Informati-
onen klicken können. Oder Sie gehen direkt zur Internetadresse:
www.physik.hs-mannheim.de/physikbuch.html
VIII l Hinweise zum Gebrauch des Buches
Wichtige Zahlenwerte
π π = 3,141592…
e e = 2,718281…
√2 √2 = 1,4142…
ln 2 ln 2 = 0,6931…
Fallbeschleunigung g = 9,81 m/s2
Lichtgeschwindigkeit (Vakuum) c = 299792458 m/s
≈ 3 ∙ 108 m/s
Avogadro-Konstante N = 6,022 ∙ 1023 mol-1
A
Gaskonstante R = 8,31 J/(mol ∙ K)
Volumen eines Mol Gas (Normalbedingungen) 22,4 l/mol
Dichte von Wasser ρ = 1,0 kg/l
W
Spez. Wärmekapazität von Wasser 4,18 J/(g ∙ K)
Schallgeschwindigkeit in Wasser (20°C) 1483 m/s
Schallgeschwindigkeit in Luft (20°C) 343 m/s
Elementarladung e = 1,602 ∙ 10-19 As
0
elektrische Feldkonstante ε = 8,854 · 10-12 As/Vm
0
magnetische Feldkonstante μ = 1,257 · 10-6 Vs/Am
0
Energieeinheiten
1 Joule = 1 Newtonmeter = 1 Wattsekunde = 1 J = 1 N · m = 1 W · s
Kilowattstunde = 1 kWh = 3,600 · 106 J
Elektronvolt = 1 eV = 1,602 · 10-19 J
Kalorie = 1 cal = 4,184 J
Druckeinheiten
Pascal = 1 Pa = 1 N/m2;
Luftdruck: 1,013 ∙ 105 Pa = 760 mmHg ≈ 10 Meter H O
2
Bar = 1 bar = 1,000 ∙ 105 Pa
mm-Quecksilber = 1 mmHg = 133,3 Pa
mm-Wasser = 1 mmH O = 9,81 Pa
2
Atmosphäre = 1 atm = 1,013 ∙ 105 Pa
Wichtige Zahlenwerte l IX
Inhaltsverzeichnis
1 Grundbegriffe 1
1.1 Physikalische Größen und ihre Einheiten 2

1.1.1 Physikalische Größen 2

1.1.2 Zeit 4

1.1.3 Länge, Fläche, Volumen 5

1.1.4 SI-Einheiten 8

1.1.5 Dimensionskontrolle 9

1.2 Mengenangaben 10

1.2.1 Masse und Stoff menge 10

1.2.2 Dichten und Gehalte 11

1.3 Mathematische Hilfsmittel 13

1.3.1 Messfehler und Messunsicherheiten 13

1.3.2 Vektoren und Skalare 18

1.3.3 Winkelfunktionen 22

1.3.4 Exponentialfunktion und Logarithmus 23

1.3.5 Potenzfunktionen 26

1.3.6 Algebraische Gleichungen 27

2 Mechanik starrer Körper 31
2.1 Kinematik 32

2.1.1 Geschwindigkeit und Fahrstrecke

(Integration) 32
2.1.2 Fahrstrecke und Geschwindigkeit

(Diff erentiation) 35
2.1.3 Beschleunigung 36

2.1.4 Überlagerung von Bewegungen 39

2.1.5 Kinematik der Drehbewegungen 42

2.2 Statik starrer Körper 45

2.2.1 Kräft e 45

2.2.2 Gewichtskraft und Gravitation 48

2.2.3 Arbeit und Energie 49

Inhaltsverzeichnis l XI