Physik für Technische Berufe 11 Auflage - Physikalisch-technische Grundlagen, Formelsammlung, Versuchsbeschreibungen, Aufgaben mit ausführlichen Lösungen

388 Pages·2008·6.74 MB·german

by  Alfred Böge

Alfred Böge | Jürgen Eichler
Physik für technische Berufe
Aus dem Programm Naturwissenschaftliche
Grundlagen
Physik
von J. Eichler
Physik Aufgabensammlung für Ingenieure
und Naturwissenschaftler
von P. Kurzweil (Hrsg.), J. Eichler, B. Frenzel und B. Schiewe
Mathematische Formelsammlung
von L. Papula
Analysis für technische Oberschulen
von K.-H. Pfeffer
Mathematik für die Fachschule Technik
von H. Rapp
Übungsbuch Mathematik für Fachschule Technik und Berufskolleg
von H. Rapp und J. M. Rapp
www.viewegteubner.de
Alfred Böge | Jürgen Eichler
Physik für
technische Berufe
Physikalisch-technische Grundlagen, Formelsammlung,
Versuchsbeschreibungen, Aufgaben mit ausführlichen
Lösungen
11.,aktualisierte und erweiterte Auflage
Mit über 400 Abbildungen, 35 Tabellen
sowie 350 Aufgaben und Lösungen
Unter Mitarbeit von Walter Schlemmer und Gert Böge
STUDIUM
Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
1. Auflage 1968
2., berichtigte Auflage 1970
3., vollständig neu bearbeitete und erweiterte Auflage 1973
4., durchgesehe Auflage 1975
5., überarbeitete Auflage 1980
6., durchgesehene Auflage 1984
7., überarbeitete Auflage 1991
8., überarbeitete und verbesserte Auflage 1993
9., neu beabeitete und erweiterte Auflage November 2002
10., überarbeitete und erweiterte Auflage Oktober 2005
11., aktualisierte und erweiterte Auflage 2008
Alle Rechte vorbehalten
© Vieweg+Teubner Verlag|GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008
Lektorat: Thomas Zipsner | Imke Zander
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von jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung:KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Satz: Klementz publishing services, Gundelfingen
Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm &Adam, Heusenstamm
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0342-9
V
Vorwort
Dieses Physikbuch ist aus der Unterrichtsarbeit mit den Studierenden der Technikerschule
entstanden und wird laufend weiterentwickelt.
Den bundesweiten Änderungen in den Lehrplänen der Fachschule Technik folgend enthält das
Buch jetzt auch die Kapitel „Elektrizitätslehre“ und „Atomphysik“, erarbeitet von Herrn Prof. Dr.
Jürgen Eichler.
Als Arbeitsbuch in der Technikerausbildung bewährt wird es auch in anderen Formen der Be-
rufsbildenden Schulen gern verwendet.
Durch Auswahl, Gliederung, Anordnung und Gestaltung der Lerngegenstände fügt sich das
Buch fördernd in die schulische und häusliche Lehr- und Lernpraxis ein:
Auf dem linken Teil der Buchseite steht der Lehrtext mit dem Merksatz, der einen Lernschritt
abschließt. Rechts daneben wird der Lehrtext ergänzt und zeichnerisch erläutert. Hinzu kom-
men die mathematischen Entwicklungen und Beispiele. Die rechte Spalte entspricht dem Tafel-
bild im Unterricht:
Lernschritt LinkeSpalte RechteSpalte
Lehrtext Zeichnungen, mathematische Entwicklung
Merksätze mit eingerahmter Berechnungsgleichung,
Regeln Hinweise und Beispiele
Neben den eigentlichen Lehrtextteilen (Kap. 1 bis 10) enthält das Buch einen Aufgabenteil
(Kap. 13) und einen Lösungsteil (Kap. 14). Die vorgeführten Lösungen erleichtern dem Lehrer
die Entscheidung darüber, welche Aufgaben für den Unterricht oder für die häusliche Bearbei-
tung geeigneter sind. Am Ende des Buches sind die wichtigsten Berechnungsgleichungen in
einer 17-seitigen Formelsammlung (Kap. 15) zusammengefasst.
Im Kap. 12 werden ausgewählte Versuche beschrieben, z.B. die Aufnahme eines Amplituden-
Frequenz-Diagramms (Resonanzkurve). Die Versuche sind so ausgewertet, wie das auch im
Unterricht geschieht. Die aus zeitlichen Gründen im Unterricht nicht durchgeführten Versuche
können damit wenigstens besprochen werden.
Die Formelzeichen und ihre Bedeutung entsprechen der aktuellen Norm DIN 1304.
Für den Informationsaustausch steht die E-Mail-Adresse zur Verfügung:
[email protected]
Braunschweig, Februar 2008 AlfredBöge
VI
Zu den Versuchen
Die vorliegende Auswahl von Versuchen kann nur eingeschränkt richtig sein; jeder Lehrer hat
seine wohlbegründeten Vorstellungen von der Notwendigkeit eines Versuchs. Richtiger schien
es uns
a) auf die Beschreibung von Standardversuchen und -geräten (Wellenwanne, Fahrbahn, opti-
sche Bank usw.) zu verzichten und
b) die ausgewählten Versuche so ausführlich zu beschreiben (Versuchsaufbau, Versuchsbe-
schreibung, Ergebnisse), dass sich die Studierenden in Gruppen-Selbstarbeit allein hinein-
finden und der Lehrer als Berater arbeiten kann.
Die Firmen
LEYBOLD DIDACTIC GmbH, Leyboldstraße 1, 50354 Hürth
PHYWE SYSTEME GmbH, Robert-Bosch-Breite 10, 37079 Göttingen
haben uns bei der Auswahl und Erprobung der Versuche vorbildlich unterstützt.
Braunschweig, Februar 2008 Alfred Böge
Das griechische Alphabet
Alpha Α α Ny Ν ν
Beta Β β Xi Ξ ξ
Gamma Γ γ Omikron Ο ο
Delta Δ δ Pi Π π
Epsilon Ε ε Rho Ρ r
Zeta Ζ ζ Sigma Σ σ
Eta Η η Tau Τ τ
Theta Θ ϑ Ypsilon Ψ ψ
Jota Ι ι Phi Φ ϕ
Kappa Κ κ Chi Χ χ
Lambda Λ λ Psi Ψ ψ
My Μ μ Omega Ω ω
VII
Inhaltsverzeichnis
1. Physikalische Größen und Einheiten
1.1. Definition der physikalischen Größe............................................................................ 1
1.2. Schreibweise physikalischerGrößen.......................................................................... 2
1.3. Skalare und Vektoren .................................................................................................. 2
1.4. Basisgrößen (Grundgrößen) und abgeleitete Größen ................................................. 5
1.5. Einheiten, Basiseinheiten, abgeleitete Einheiten, kohärente Einheiten ....................... 5
1.6. Größengleichungen ..................................................................................................... 7
2. Bewegungen fester Körper
2.1. Eine Übersicht ............................................................................................................. 9
2.2. Geschwindigkeit v und Beschleunigung a ................................................................. 10
2.3. Das Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm...................................................................... 14
2.4. Ordnung und Gesetze der Bewegungsarten............................................................. 15
2.5. Lösen von Aufgaben der gleichmäßig beschleunigten oder
verzögerten Bewegung nach Plan............................................................................ 18
2.6. Die speziellen Größen der Kreisbewegung ............................................................... 19
2.7. Kraft und Masse ........................................................................................................ 30
2.8. Die Gleitreibkraft F .................................................................................................. 44
R
2.9. Fahrwiderstand.........................................................................................................48
2.10. Mechanische Arbeit und Energie, Energieerhaltungssatz ......................................... 49
2.11. Leistung und Wirkungsgrad.......................................................................................62
3. Ruhende Flüssigkeiten und Gase
3.1. Der Druckbegriff ........................................................................................................ 65
3.2. Die Druckeinheiten .................................................................................................... 65
3.3. Besondere Druck-Kennzeichnungen......................................................................... 67
3.4. Normzustand, Normvolumen V , Normdichte r ....................................................... 67
n n
3.5. Das Druck-Ausbreitungsgesetz für Flüssigkeiten ...................................................... 68
3.6. Einfluss der Schwerkraft auf den Druck in Flüssigkeiten........................................... 69
3.7. Der Auftrieb F in Flüssigkeiten ................................................................................. 69
a
3.8. Die Druck-Volumengesetze für Gase ........................................................................ 70
4. Strömende Flüssigkeiten und Gase
4.1. Strömungsgeschwindigkeit w, Volumenstrom q , Massenstrom q .......................... 71
v m
4.2. Die Kontinuitätsgleichung.......................................................................................... 71
4.3. Gültigkeitsbereich der Kontinuitätsgleichung ............................................................. 72
4.4. Der Energieerhaltungssatz der Strömung (Bernoulli’sche Druckgleichung) .............. 72
5. Wärmelehre
5.1. Wärmeausdehnung................................................................................................... 77
5.2. Wärme und Arbeit ..................................................................................................... 81
5.3. Spezifische Wärmekapazität c und Wärme Q bei festen und flüssigen Stoffen ............. 82
5.4. Spezifische Wärmekapazität cp,cv und Wärme Q bei Gasen................................... 83
5.5. Die Mischungsregel ................................................................................................... 84
5.6. Die thermodynamische Temperatur T ....................................................................... 84
VIII Inhaltsverzeichnis
5.7. Die Gaszustandsgleichung (allgemeine Gasgleichung) ............................................ 86
5.8. Die Übertragung der Wärme Q ................................................................................. 91
6. Mechanische Schwingungen
6.1. Beschreibung der mechanischen Schwingung ........................................................ 102
6.2. Die Rückstellkraft F ............................................................................................... 102
R
6.3. Das Rückstellmoment M ....................................................................................... 103
R
6.4. Die harmonische Schwingung................................................................................. 103
6.5. Das Schraubenfederpendel ..................................................................................... 109
6.6. Das Torsionspendel ................................................................................................ 112
6.7. Das Schwerependel (Fadenpendel)........................................................................114
6.8. Schwingung einer Flüssigkeitssäule........................................................................115
6.9. Analogiebetrachtung zum Schraubenfederpendel, Torsionspendel,
Schwerependel und zur schwingenden Flüssigkeitssäule....................................... 116
6.10. Dämpfung, Energiezufuhr, erzwungene Schwingung, Resonanz ............................ 116
6.11. Koppelschwingungen .............................................................................................. 120
6.12. Überlagerung von Schwingungen........................................................................... 121
6.13. Schwebungen ..........................................................................................................123
7. Mechanische Wellen
7.1. Formen, Entstehung und Ausbreitung linearer Wellen ............................................ 124
7.2. Gleichung der harmonischen Welle .........................................................................125
7.3. Polarisation von Querwellen.................................................................................... 127
7.4. Entstehung und Ausbreitung flächenhafter Wellen (Oberflächenwellen) ................. 128
7.5. Entstehung und Ausbreitung der Wellen im Raum .................................................. 129
7.6. Überlagerung gleich frequenter Wellen (Interferenz) ............................................... 130
7.7. Huygens’sches Prinzip............................................................................................ 134
7.8. Beugung.................................................................................................................. 134
7.9. Reflexion ................................................................................................................. 135
7.10. Brechung von Wellen .............................................................................................. 136
7.11. Doppler-Effekt ......................................................................................................... 137
7.12. Stehende Wellen..................................................................................................... 141
7.13. Eigenschwingungen (stehende Wellen auf begrenztem Wellenträger) ................... 142
7.14. Kennzeichen und Bedingungen fortschreitender und stehender Wellen ................. 143
7.15. Mathematische Behandlung stehender Wellen....................................................... 144
8. Akustik
8.1. Begriffsbestimmung und Einschränkung................................................................. 145
8.2. Schallempfindungen................................................................................................ 145
8.3. Die Tonhöhe ............................................................................................................146
8.4. Die Schallschnelle v ................................................................................................ 146
8.5. Der Schalldruck p .................................................................................................... 146
8.6. Die Schallstärke J ................................................................................................... 146
8.7. Die Schallgeschwindigkeit c .................................................................................... 148
8.8. Das Schalldruck-Frequenz-Schaubild ....................................................................151
8.9. Die Lautstärke L ...................................................................................................... 152
8.10. Stehende Schallwellen ............................................................................................ 152
8.11. Schallsender, Lautsprecher,Mikrophone................................................................ 153
8.12. Ultraschall ............................................................................................................... 154
Inhaltsverzeichnis IX
9. Optik
9.1. Einordnung und Ausbreitung des Lichts ..................................................................157
9.2. Wellenoptik ............................................................................................................. 163
9.3. Geometrische Optik (Strahlenoptik)........................................................................169
10. Elektrizitätslehre
10.1. Elektrische Ladung .................................................................................................. 176
10.2. Elektrischer Gleichstromkreis .................................................................................. 178
10.3. Elektrisches Feld ..................................................................................................... 189
10.4. Magnetisches Feld .................................................................................................. 194
10.5. Elektromagnetische Induktion................................................................................. 201
10.6. Wechselstromkreis .................................................................................................. 205
10.7. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen...................................................... 214
10.8. Stromleitung in Vakuum, Gasen und Flüssigkeiten ................................................. 219
10.9. Halbleiterbauelemente ............................................................................................ 223
10.10 Supraleiter ............................................................................................................... 233
11. Atomphysik
11.1. Bestandteile der Atome........................................................................................... 234
11.2. Aufbau der Atome ................................................................................................... 238
11.3. Licht und Laserstrahlung......................................................................................... 241
11.4. Hinweise zur Relativitätstheorie .............................................................................. 245
12. Ausgewählte Versuche zu den physikalischen Grundlagen
12.1. Parallelogrammsatz, Gleichgewicht beim zentralen Kräftesystem .......................... 246
12.2. Trägheitskraft T = ma ............................................................................................. 248
12.3. Haft- und Gleitreibzahlen trockener Flächen ........................................................... 250
12.4. Federrate R zylindrischer Schraubenfedern ............................................................ 252
12.5. Elastizitätsmodul E(Hooke’schesGesetz) .............................................................. 255
12.6. Wärmekapazität WK eines Kalorimeters ................................................................. 257
12.7. Schmelzenthalpie (Schmelzwärme) q von Wasser................................................ 259
s
12.8. Mechanisches Wärmeäquivalent ............................................................................ 260
12.9. Elektrisches Wärmeäquivalent ................................................................................ 263
12.10. Periodendauer T eines Federpendels.....................................................................264
12.11. Federrate R (Richtgröße D) einer zylindrischen Schraubenfeder ............................ 265
12.12. Trägheitsmoment J ................................................................................................. 266
12.13. Aufnahme eines Amplituden-Frequenz-Diagramms (Resonanzkurve) .................... 267
12.14. Querwellen auf der Schraubenfeder........................................................................269
12.15. Polarisation mechanischer Querwellen ...................................................................271
12.16. Stehende Schallwellen ............................................................................................ 272
12.17. Elektrische Feldlinienbilder ...................................................................................... 273
12.18. Magnetische Feldlinienbilder ................................................................................... 274
12.19. Elektrischer Widerstand R ....................................................................................... 275
12.20. Elektrische Kapazität C ........................................................................................... 276
12.21. Induktionsgesetz ..................................................................................................... 278
13. Aufgaben
13.1. Physikalische Größen und Einheiten......................................................................280
X Inhaltsverzeichnis
13.2. Bewegungen fester Körper ...................................................................................... 281
13.3. Ruhende Flüssigkeiten und Gase ........................................................................... 294
13.4. Strömende Flüssigkeiten und Gase ........................................................................295
13.5. Wärmelehre .............................................................................................................297
13.6. Mechanische Schwingung....................................................................................... 301
13.7. Mechanische Wellen ............................................................................................... 306
13.8. Akustik..................................................................................................................... 306
13.9. Optik ........................................................................................................................ 307
13.10. Elektrizitätslehre ...................................................................................................... 310
14. Lösungen
14.1. Physikalische Größen und Einheiten.......................................................................313
14.2. Bewegungen fester Körper ...................................................................................... 314
14.3. Ruhende Flüssigkeiten und Gase ........................................................................... 339
14.4. Strömende Flüssigkeiten und Gase ........................................................................341
14.5. Wärmelehre .............................................................................................................344
14.6. Mechanische Schwingungen................................................................................... 350
14.7. Mechanische Wellen ............................................................................................... 355
14.8. Akustik..................................................................................................................... 355
14.9. Optik ........................................................................................................................ 357
14.10 Elektrizitätslehre...................................................................................................... 360
15. Formelsammlung
15.1. Beschleunigte geradlinige Bewegung ......................................................................364
15.2. Verzögerte geradlinige Bewegung ..........................................................................365
15.3. Gleichförmige Kreisbewegung ................................................................................. 366
15.4. Beschleunigte Kreisbewegung ................................................................................ 367
15.5. Verzögerte Kreisbewegung ..................................................................................... 368
15.6. Kraft, Masse, Reibung............................................................................................. 369
15.7. Mechanische Arbeit und Energie ............................................................................. 370
15.8. Leistung und Wirkungsgrad ..................................................................................... 371
15.9. Flüssigkeiten und Gase (Hydrostatik und Hydrodynamik) ....................................... 372
15.10. Wärmeausdehnung, Wärme und Arbeit, Mischungsregel, Kelvintemperatur ............... 373
15.11. Gaszustandsgleichung (allgemeine Gasgleichung), Gaskonstante ......................... 374
15.12. Wärmeübertragung der Wärme Q ........................................................................... 375
15.13. Mechanische Schwingung (harmonische Schwingung) ........................................... 376
15.14. Mechanische Welle (harmonischeWelle)............................................................... 377
15.15. Akustik..................................................................................................................... 378
15.16. Optik ........................................................................................................................ 379
15.17. Elektrizitätslehre ...................................................................................................... 380
Sachwortverzeichnis ............................................................................................................. 381
Aufgaben ab Seite 280
Lösungen ab Seite 313
Formelsammlung ab Seite 364