Physik für Bachelors, 2. Auflage

327 Pages·2003·10.01 MB·german

by  Johannes Rybach

Johannes Rybach
Johannes Rybach
PHySIK für Bachelors
PHYSIK
DiesesersteLehrbuchderPhysikspeziellfürBachelor-Studiengängeliegtnunmehr
bereitsinderzweitenAuflagevor.SeinerfolgreichesKonzeptverbindetdieverständ-
licheundanschaulicheDarstellungderGrundlagenmiteinerklarenStrukturierungdes
umfangreichenStoffes,unterstütztvoneinemübersichtlichenLayoutdesTextes.Da-
durcheignetsichdasBuchebensofürStudierendemitgeringenVorkenntnissenwie
füralle,diePhysikohnetheoretischenBallast–alsospeziellimNebenfach–verstehen
für Bachelors
wollen.
s
r
EinneuesLehrbuchkonzeptfürdieneuenStudiengänge:
o
• beikompaktemUmfangvollständigeBeschreibungderklassischensowiedermo-
l
dernenSachgebieteundihrerQuerverbindungen
DerAutor: e
• lebendige,anderAnschauungorientierteDarstellungmitvielendurchgerechneten Prof.Dr.rer.nat.Johannes h
BeispielenimText RybachstudiertePhysik
c
inKölnundDüsseldorf.
• zusätzlicheInfo-Kästen,HinweiseauftypischeMissverständnisseundprägnante
NachForschungs-und a
ZusammenfassungenjedesAbschnitts
Entwicklungstätigkeitenan
B
• zweifarbigeZeichnungensowieaussagekräftigeFotosvonExperimentenund
derUniversitätundinder
technischenAnwendungen
Industrielehrterseitvielen
r
• »Vernetzung«derKapiteldurchzahlreiche»Links«,dieZusammenhängeaufzeigen JahreninKrefeld.Fürseine
ü
unddasVerständnisvertiefen Physikveranstaltungenim
Grundstudiumerhielterden f
• interessanteundgrundlegendeÜbungsaufgaben,diemitvollständigen,kommen-
LehrpreisderHochschule
tiertenMusterlösungendasSelbststudiumunterstützen
K
Niederrhein.
I
S
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H
P
2., aktualisierte Auflage
h
c
a
b
y
R
www.hanser.de
ISBN978-3-446-42169-1
9 783446 421691
www.wiwobooks.com
Wichtige Konstanten
Bezeichnung Symbol Wert
genau[CODATA] gerundet
(Standardabweichung (WieindenBeispielenund
inKlammern,anderenfalls Übungsaufgaben)
exakteKonstante)
AtomareMasseneinheit u 1,660538782(83)·10–27kg 1,66·10–27kg
Avogadro-Konstante N 6,02214179(30)·10231/mol 6·10231/mol
A
Boltzmann-Konstante k 1,3806504(24)·10–23J/K 1,38·10–23J/K
ElektrischeFeldkonstante e 8,8541878176…·10–12F/m 8,85·10–12A2·s4/(kg·m3)
0
Elementarladung e 1,602176487(40)·10–19C 1,6·10–19A·s
Fallbeschleunigung(Normwert) g 9,80665m/s2 9,81m/s2
n
Gaskonstante(universelle) R 8,314472(15)·J/(mol·K) 8,3145·J/(mol·K)
Gravitationskonstante g 6,67428(67)·10–11m3/(kg·s2) 6,67·10–11m3/(kg·s2)
Lichtgeschwindigkeit
(imVakuum) c 2,99792458·108m/s 3·108m/s
0
MagnetischeFeldkonstante m 12,566370614…·10–7N/A2 4π·10–7V·s/(A·m)(exakt)
0
PlanckschesWirkungsquantum h 6,62606896(33)·10–34J·s 6,626·10–34J·s
RuhmassedesElektrons m 9,10938215(45)·10–31kg 9,1·10–31kg
e
Stefan-Boltzmann-Konstante s 5,670400(40)·10–8W/(m2·K4) 5,67·10–8W/(m2·K4)
DieabsoluteStandardabweichunginrundenKlammernbeziehtsichauf dieletztenbeidenDezimalstellen.ZumBeispielwirdfür
dieatomareMasseneinheiteinschließlichdesVertrauensbereiches(füreinVertrauensniveauvon68,3%,→Kap.1.5)folgenderWert
angegeben:(1,660538782±0,000000083)·10–27kg.
Häufig verwendete physikalische Daten
DichtevonLuftbei20°Csowie0°C 1,20kg/m3bzw.1,29kg/m3
DichtevonWasserimBereich0…20°C 1,00·103kg/m3
LuftdruckaufderErdoberfläche 1,013·105Pa
MassederErde 5,98·1024kg
MassedesMondes 7,36·1022kg
MassederSonne 1,99·1030kg
MittlererErdradius 6,37·106m
MittlererAbstandErde–Mond 3,84·108m
MittlererAbstandErde–Sonne 1,50·1011m
DiesegerundetenWertewerdenindenBeispielenundÜbungsaufgabenverwendet.Genauere
ZahlenundihreAbhängigkeitenvonanderenParameternsindinTabellenwerkenundHand-
büchernzufinden(→Literatur-undQuellenverzeichnisimAnhang).
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JohannesRybach
PHYSIK
fürBachelors
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DiePhysikgiltüberall,auf derErdewieimWeltraum–
undbeantwortet(fast)alleFragen,diediesesBildaufwirft:
• WerdenMenschenimWeltallschwerelos?
• WarumistkeineLuftimWeltraum?
• WarumisteskaltimWeltall?
• WarumisteineWolkeweißodergrau,derHimmelaberblau?
• WasistüberhauptLicht?
DieAntwortenauf dieseundvieleandereFragenfindenSie
indiesemBuch!
Gewichtskraft und Gravitationskraft (nur Erstere verschwindet im Weltraum) werden in den Kapiteln 2.2
und 2.7 unterschieden. Die Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe (siehe Kap. 2.8) erklärt die kinetische
GastheorieinKapitel3.3.DassimluftleerenAllnurWärmetransportdurchStrahlungmöglichist,begründet
Abschnitt3.2.DiekomplexeNaturdesLichtesundseinevielfältigenEigenschaftenwerdenindenKapiteln5
und6erläutert.
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Johannes Rybach
PHYSIK
für Bachelors
2., aktualisierte Auflage
Mit 301 Abbildungen, 92 durchgerechneten Beispielen,
176 Testfragen mit Antworten sowie 93 Übungsaufgaben
mit kommentierten Musterlösungen
Fachbuchverlag Leipzig
im Carl Hanser Verlag
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Prof.Dr.rer.nat.JohannesRybach
HochschuleNiederrheinKrefeld
FachbereichElektrotechnikundInformatik
BibliografischeInformationderDeutschenNationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detail-
liertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
ISBN978-3-446-42169-1
Einbandbild: FaseroptischeSondenfürdieoptischeSpektroskopie
(SEDIFibresOptiquesS.A.S;LASERCOMPONENTSGmbH)
BildSeite2: NASA
DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.
AlleRechte,auchdiederÜbersetzung,desNachdrucksundderVervielfältigungdesBuchesoderTeilenda-
raus,vorbehalten.KeinTeildesWerkesdarfohneschriftlicheGenehmigungdesVerlagesinirgendeinerForm
(Fotokopie,MikrofilmodereinanderesVerfahren),auchnichtfürZweckederUnterrichtsgestaltung,reprodu-
ziertoderunterVerwendungelektronischerSystemeverarbeitet,vervielfältigtoderverbreitetwerden.
FachbuchverlagLeipzigimCarlHanserVerlag
©2010CarlHanserVerlagMünchen
www.hanser.de
Projektleitung/Lektorat:Dipl.-Phys.JochenHorn
Herstellung:RenateRoßbach
Zeichnungen:RosemarieScheller,Berlin
Umbruch:WerksatzSchmidt&SchulzGmbH,Gräfenhainichen
DruckundBindung:Druckhaus„ThomasMüntzer“GmbH,BadLangensalza
PrintedinGermany
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VORWORT ZUR 1. AUFLAGE
5
Vorwort
Weil Physik die grundlegende Naturwissenschaft ist, gehört sie in vielen Stu-
diengängen zu den Basisfächern. Manchen Studierenden flößt ihre thematische
BreiteundtheoretischeTiefeallerdingsgroßenRespektein–verständlichbeidem
oftlückenhaftenPhysikunterrichtinderSchule.
Zusätzlich hat sich das Studium geändert: Die kompakte Bachelor-Ausbildung
verlangteinintensivesSelbststudium,undindenspezialisiertenMaster-Studien-
gängenwerdenanschließendauchanFachhochschulenwissenschaftlicheGrund-
lagenkenntnisse vorausgesetzt. Darum sind selbsterklärende, also anschauliche
undverständlicheLehrbücherimmerwichtigergeworden.
DiesesBuchunterstütztSie,liebeLeserinundlieberLeser,auf vielfältigeWeise
beimStudiumderPhysik: Hinweise
InderRandspaltefindenSieneben
• Die Darstellung ist sprachlich lebendig und begrifflich prägnant. Natürlich
vielen Abbildungen auch die Be-
gehörenauchGleichungenundFormelndazu,diejeweilssorgfältigeingeführt zeichnungenderwichtigenGesetze
undverständlicherläutertwerden.DieübersichtlicheGestaltungderBuchsei- und Gleichungen. An manchen
tenundihrzweifarbigerDrucksollendieLesbarkeitnocherhöhen. Stellen steht wie hier zusätzlicher
Text, sozusagen Klartext: Klassi-
• DerStoffistsinnvollausgewählt–auchimHinblickaufPrüfungen–undüber- sche Missverständnisse, häufige
sichtlichstrukturiert.VielerotmarkierteVerweise(→Kap.x)betonenaußer- DenkfehlerundtypischeVerständ-
demZusammenhängeundAnalogienzwischendenKapiteln:DieseVerbindun- nisproblemewerdendortunmittel-
gengehörenjageradezudenStärkenderPhysik. barklargestellt.
• DiesogenanntemodernePhysikwirdindieserelementarenDarstellungnichtaus-
geklammert,dennvieletechnischeAnwendungennutzenbereitsQuanteneffekte
oder benötigen die Relativitätstheorie. Der wachsenden Bedeutung optischer
TechnologienwurdeebenfallsdurcheineigenesKapitelRechnunggetragen.
Beispiele,InfosundÜbungsaufgaben:
InsolchenKästenfindenSievollständigdurchgerechnete gen(imAnhang)vermittelndietypischenLösungsideen,
BeispielezurErläuterungderGesetzeundGleichungen, LösungsstrategienundLösungswegefürsolcheProbleme.
undzwarunmittelbarnachihrerEinführung.
In weiteren Kästen finden Sie zusätzliche Infos. Eilige
AmEndejedesKapitelsstehenTestfragenundexempla- Leser könnten sie übergehen, aber vielleicht wäre das
rische Übungsaufgaben. Sie sollen wichtige Anwendun- schade: Sie ergänzen spezielle Aspekte, erläutern be-
gen der Gesetze demonstrieren und das Verständnis stimmte Anwendungen, und manche sind einfach nur
prüfen sowie vertiefen. Die ausführlichen Musterlösun- interessant…
DiesesBuchistvollständigindemSinne,dassallewesentlichenInformationenfür
StudierendemitPhysikimNebenfachdarinzufindensind.Vielesmussaberge-
rafftoderalsÜbersichtdargestelltwerden;dannverweisenZitateaufdie[Quellen],
zum Beispiel Lehr- und Handbücher der Mathematik, Technik oder Chemie.
AußerdemsindergänzendePhysikbücherundAufgabensammlungenimAnhang
zusammengestellt.
InkleineremDruckfindenSieAnmerkungenimText.Siekönnen,solltenabernichtüberlesen
werden,sowiediese:MeinDankgiltvorallemmeinerFamilie,aberauchmeinemLehrer
Prof.Dr.GernotDecker.IchdankedemVerlagundnamentlichHerrnJochenHornfürdie
sehrguteZusammenarbeit.NichtzuletztbedankeichmichbeimeinenStudenten,diemich
seitvielenJahrendurchStirnrunzeln,FragenundRückmeldungenbeiderLehreunterstützen.
Krefeld,imSeptember2007 JohannesRybach
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VORWORT ZUR 2. AUFLAGE
6
Vorwort
DieseserstePhysik-LehrbuchspeziellfürBachelor-Studiengängeerscheintnach
relativ kurzer Zeit bereits in der zweiten Auflage – das ist eine erfreuliche Be-
stätigungdesBuchkonzeptesfürVerlagundAutor.VieleStudierendeundFach-
kollegen haben sich an der Weiterentwicklung beteiligt, indem sie Druckfehler
gesuchtundVerbesserungsvorschlägegemachthaben.MeinbesondererDankgilt
Dr.JürgenZeitlerundProf.Dr.KarstenRanderfürihregründlicheDurchsicht.
DerVerlaghatebenfallsindasProjektinvestiertundsowohldenSatzalsauch
die drucktechnische Ausstattung weiter verbessert. Dafür – und für die ebenso
kompetente wie engagierte Betreuung – bedanke ich mich vor allem bei Herrn
Dipl.-Phys.JochenHorn.
UnverändertgebliebenistdiekonsequenteAusrichtungdesBuchesauf Studie-
rendemitPhysikimNebenfach,dieohneVorkenntnisseeinsteigenmüssen,aber
mitSpaßanderSachedabeibleibenwollen.Ihnenwünscheichweiterhin,dassdie
FreudedesAutorsamLehrenundErklärenauf denfolgendenBuchseitenNut-
zenbringt.
Krefeld,imOktober2009 JohannesRybach
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7
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 EINSTIEG 2.3 Arbeit,EnergieundLeistung . . . . . 36
2.3.1 MechanischeArbeit . . . . . . . . . 37
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 PotenzielleEnergie . . . . . . . . . . 37
1.2 PhysikalischeGrößen . . . . . . . . . 11
2.3.3 KinetischeEnergie . . . . . . . . . . 38
1.3 MaßsystemundStandards . . . . . . 12
2.3.4 EnergieerhaltungssatzderMechanik 38
1.4 Größenordnungen . . . . . . . . . . 15
2.3.5 Stoßgesetze . . . . . . . . . . . . . . 39
1.5 Messgenauigkeit . . . . . . . . . . . 16
2.3.6 LeistungundWirkungsgrad . . . . . 40
1.6 VektorenundKoordinaten . . . . . . 18
Zusammenfassung:Arbeit,Energieund
Zusammenfassung:Einstieg . . . . . . . . . . 20
Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . 42
TestfragenundÜbungsaufgaben . . . . . . . . 20
2.4 KinematikundDynamikder
2 MECHANIK Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1 GrundbegriffederKreisbewegung . . 42
2.1 Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2 Radialbeschleunigung . . . . . . . . 43
2.1.1 EindimensionaleBewegungen . . . . 22 2.4.3 Radialkräfte . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1.1.1 Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . 22 2.4.4 Coriolis-Beschleunigungund-Kraft 45
2.1.1.2 Beschleunigung . . . . . . . . . . . . 24 Zusammenfassung:Kreisbewegung . . . . . . . 47
2.1.1.3 Bewegungsgleichung . . . . . . . . . 24
2.1.1.4 DerfreieFall . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 RotationstarrerKörper . . . . . . . . 48
2.1.2 BewegungeninzweiunddreiDimen-
2.5.1 Drehmoment . . . . . . . . . . . . . 48
sionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.2 Schwerpunkt,Gleichgewichtund
2.1.2.1 Überlagerungeindimensionaler
Statik . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.3 Trägheitsmoment . . . . . . . . . . . 50
2.1.2.2 BezugssystemeundTransformationen 28
2.5.4 RotationsenergieundDrehimpuls . . 52
Zusammenfassung:Kinematik . . . . . . . . . 29
Zusammenfassung:RotationstarrerKörper . . 53
2.2 Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 SchwingungenundWellen . . . . . . . 54
2.2.1 NewtonscheAxiome . . . . . . . . . 30
2.6.1 FreieungedämpfteSchwingungen . . 54
2.2.1.1 Trägheitsgesetz . . . . . . . . . . . . 30
2.6.2 FreiegedämpfteSchwingungen . . . 57
2.2.1.2 Aktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.3 ErzwungeneSchwingungen . . . . . 57
2.2.1.3 Reaktionsgesetz . . . . . . . . . . . . 31
2.6.4 ÜberlagerungvonSchwingungen . . 59
2.2.2 FolgerungenausdenNewtonschen
2.6.4.1 RäumlicheÜberlagerung . . . . . . . 59
Axiomen . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.4.2 ZeitlicheÜberlagerung . . . . . . . . 60
2.2.2.1 KraftundImpuls . . . . . . . . . . . 31
2.6.4.3 GekoppelteSchwingungen . . . . . . 60
2.2.2.2 AbgeschlosseneSystemeundImpuls-
2.6.5 HarmonischeWellen . . . . . . . . . 61
erhaltungssatz . . . . . . . . . . . . . 32
Zusammenfassung:SchwingungenundWellen . 63
2.2.3 MechanischeKräfte . . . . . . . . . 33
2.2.3.1 Trägheitskraft . . . . . . . . . . . . . 33
2.7 GravitationundHimmelsmechanik . . 63
2.2.3.2 Gewichtskraft . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3.3 FederkraftundHookeschesGesetz . 35 2.7.1 KeplerscheGesetze . . . . . . . . . 63
2.2.3.4 Reibungskraft . . . . . . . . . . . . . 35 2.7.2 NewtonschesGravitationsgesetz . . 64
Zusammenfassung:Dynamik . . . . . . . . . . 36 2.7.3 Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . 66
2.7.4 ErgebnissederEinsteinschen
Relativitätstheorien . . . . . . . . . . 67
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8
Inhaltsverzeichnis
2.7.4.1 SpezielleRelativitätstheorie . . . . . 67 3.4 Zustandsänderungenunderster
2.7.4.2 AllgemeineRelativitätstheorie . . . . 70 Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . 105
Zusammenfassung:GravitationundHimmels-
3.4.1 Volumenänderungsarbeit . . . . . . . 105
mechanik . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4.2 ErsterHauptsatz . . . . . . . . . . . 106
3.4.3 Zustandsänderungen . . . . . . . . . 107
2.8 FlüssigkeitenundGase . . . . . . . . 72
3.4.3.1 IsothermeZustandsänderung . . . . 107
2.8.1 Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.4.3.2 IsochoreZustandsänderung . . . . . 108
2.8.1.1 Kolbendruck . . . . . . . . . . . . . 72 3.4.3.3 IsobareZustandsänderung . . . . . . 108
2.8.1.2 Schweredruck . . . . . . . . . . . . . 72 3.4.3.4 AdiabatischeZustandsänderung . . . 109
2.8.1.3 Luftdruck . . . . . . . . . . . . . . . 73 Zusammenfassung:Zustandsänderungenund
2.8.1.4 Auftrieb . . . . . . . . . . . . . . . . 74 ersterHauptsatz . . . . . . . . . . . . 111
2.8.2 Oberflächenspannung . . . . . . . . 75
2.8.3 Strömungen . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5 KreisprozesseundzweiterHauptsatz . 111
2.8.3.1 ReibungsfreieStrömungen . . . . . . 76
3.5.1 KreisprozessvonCarnot . . . . . . 111
2.8.3.2 ViskoseStrömungen . . . . . . . . . 77
3.5.2 ReversibilitätundWirkungsgrad . . . 113
Zusammenfassung:FlüssigkeitenundGase . . 79
3.5.3 KreisprozessebeiMotoren . . . . . . 115
TestfragenundÜbungsaufgabenzur
3.5.4 ZweiterHauptsatz . . . . . . . . . . 115
Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.5 Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Zusammenfassung:Kreisprozesseundzweiter
Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . 120
3 THERMODYNAMIK
TestfragenundÜbungsaufgabenzurThermo-
3.1 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . 84 dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.1.1 SkalenundFixpunkte . . . . . . . . 84
3.1.2 ThermischeAusdehnung . . . . . . . 85 4 ELEKTRIZITÄTUND
3.1.3 Temperaturmessung . . . . . . . . . 87
MAGNETISMUS
Zusammenfassung:Temperatur . . . . . . . . 88
4.1 Elektrostatik . . . . . . . . . . . . . 123
3.2 Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.1.1 ElektrischeLadungenunddie
3.2.1 Wärmekapazität . . . . . . . . . . . 89 Coulomb-Kraft . . . . . . . . . . . . 123
3.2.2 Aggregatzustände . . . . . . . . . . . 90 4.1.2 ElektrischesFeld . . . . . . . . . . . 125
3.2.3 Wärmetransport . . . . . . . . . . . 93 4.1.3 PotenzialundSpannung . . . . . . . 127
3.2.3.1 Konvektion . . . . . . . . . . . . . . 94 4.1.4 KondensatorundKapazität . . . . . 129
3.2.3.2 Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . 94 4.1.4.1 Plattenkondensator . . . . . . . . . . 129
3.2.3.3 Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . 96 4.1.4.2 DielektrikumimKondensator . . . . 130
Zusammenfassung:Wärme . . . . . . . . . . . 99 4.1.4.3 KondensatoralsEnergiespeicher . . . 132
Zusammenfassung:Elektrostatik . . . . . . . 133
3.3 IdealeGase . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 StromundWiderstand . . . . . . . . 133
3.3.1 MolareGrößen . . . . . . . . . . . . 99
3.3.2 Zustandsgleichung . . . . . . . . . . 100 4.2.1 StromstärkeundStromdichte . . . . 134
3.3.3 KinetischeGastheorie . . . . . . . . 102 4.2.2 Widerstand . . . . . . . . . . . . . . 135
3.3.3.1 Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.2.3 StromkreiseundStromverzwei-
3.3.3.2 TemperaturundEnergie . . . . . . . 103 gungen . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.3.3.3 MaxwellscheGeschwindigkeits- Zusammenfassung:StromundWiderstand . . . 141
verteilungundBoltzmann-Faktor . . 104
Zusammenfassung:IdealeGase . . . . . . . . 105
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