Physik. Einführung für Ingenieure und Naturwissenschaftler

452 Pages·2007·14.52 MB·German

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 = 2,99792458 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 1480 m/s
Schallgeschwindigkeit in Luft 330 m/s
Elementarladung e = 1,602 · 1019 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
Springer-Lehrbuch
Ulrich Harten
Physik
Einführung für Ingenieure
und Naturwissenschaftler
3., bearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 484, teilweise zweifarbigen Abbildungen
1 23
Professor Dr. Ulrich Harten
Hochschule Mannheim
Windeckstr. 110
68163 Mannheim
e-mail: [email protected]
Internetseite zum Buch unter
www.physik.hs-mannheim.de/physikbuch.html
ISBN 13: 978-3-540-34053-9 Springer Berlin Heidelberg New York
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Gedruckt auf säurefreiem Papier 7/3100/YL 5 4 3 2 1 0
Vorwort zur 3. Auflage
In dieser neuen Aufl age wurden einige Überarbeitungen und
Ergänzungen vorgenommen. Die Kapitel über Wärmekraft-
maschinen und Hydrodynamik wurden völlig neu gefasst. Die
Zusammenfassungen an den Kapitelenden wurden in einer
Kombination von Text und Tabelle übersichtlicher gestaltet. In
Ergänzung zu den Übungsaufgaben wurden Verständnisfragen
eingeführt, die sich in meinem Unterricht sehr bewährt haben.
Sie werden natürlich im Anhang auch beantwortet. Eine Liste
wichtiger Zahlenwerte an leichter aufschlagbarer Stelle vor dem
Inhaltsverzeichnis, eine Tabelle der griechischen Buchstaben
und eine Liste aller im Buch verwendeter Formelzeichen sollen
das Arbeiten erleichtern. Das Sachverzeichnis wurde deutlich er-
weitert.
Ich danke allen Leserinnen und Lesern, die mir Anregungen
und Korrekturen haben zukommen lassen. Vieles wurde von mir
aufgegriffen.
Auch diese Aufl age wurde in bewährter Weise im Springer-
Verlag von Frau Hestermann und Frau Lempe betreut. Auch ih-
nen gilt mein Dank.
Frühjahr 2007 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
Vorwort l V
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 beschäftigt, nur ein sehr oberfl ächliches
Verständnis erwerben und für den Ingenieur sind diese Gebiete
praktisch ohne Bedeutung.
Die „klassische“ Physik ist schwierig genug. Die Erfahrung
zeigt, dass schon die Newton’sche Mechanik Studienanfängern
große Schwierigkeit bereitet. Zu verlockend ist die anschauliche
Mechanik, die noch auf Aristoteles zurückgeht und sich viel-
leicht 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 au-
ßerdem die Bereitschaft, sich auf einige Mathematik einzulassen,
auf die in der Physik 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 Stoffauswahl 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 Themen behandeln, die in
diesem Buch nur knapp erwähnt sind. Besteht dann weiterer Le-
sebedarf, 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
diesem 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 Weis-
gerber. 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.
Darum hält der Kundige stets Bleistift, Papier, Taschenrechner
und Radiergummi griffbereit.
Kleingedrucktes darf der eilige Leser überschlagen, ohne gleich be-
fürchten zu müssen, dass er den Faden verliert. Er verzichtet lediglich
auf etwas Butter zum Brot.
þ
Was so markiert ist gehört zum Grundwissen.
þ
Wo es jeweils langgehen soll, kündigen die „Übersichten“
zu Beginn der einzelnen Abschnitte an.
þ
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
griechischen 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 nach-
geschlagen werden. Zunächst sollte zumindest versucht werden,
sie selbst zu lösen. Das gilt auch für die Rechenbeispiele im Text.
Hinweise zum Gebrauch des Buches l VII
Die Übungsaufgaben sind nach Schwierigkeitsgrad sortiert: (I)
leicht; (II) mittel; (III) schwer. Auch ein Nachdenken über die
Verständnisfragen vor den Aufgaben hilft bei der Prüfungsvor-
bereitung. 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 verdie-
nen 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. Es gibt einige frei zugäng-
liche gute Animationen in Internet. Außerdem fi nden Sie dort
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
K atalogseite des Buches, auf der Sie auf weitere Informationen
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 = 2,99792458 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 1480 m/s
Schallgeschwindigkeit in Luft 330 m/s
Elementarladung e = 1,602 · 1019 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