Physik: für Wissenschaftler und Ingenieure

1452 Pages·2015·71.49 MB·German

by  Paul A. Tipler

Paul A. Tipler
Gene Mosca
Jenny Wagner Hrsg.
Physik
für Wissenschaftler und Ingenieure
7. Aufl age
Der
Begleiter
bis zum
Bachelor
Physik
(cid:2)
Paul A. Tipler Gene Mosca
Jenny Wagner (Hrsg.)
Physik
für Wissenschaftler und
Ingenieure
7. deutsche Auflage
Aus dem Amerikanischen übersetzt von
Michael Basler, Renate Dohmen, Carsten Heinisch,
Anna Schleitzer und Michael Zillgitt
Unter Mitarbeit von Christoph Kommer
PaulA.Tipler GeneMosca
JennyWagner
InstitutfürTheoretischeAstrophysik
Philosophenweg12
69120Heidelberg,Deutschland
ISBN978-3-642-54165-0 ISBN978-3-642-54166-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-54166-7
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detaillierte
bibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerSpektrum
AusdemAmerikanischenübersetztvonMichaelBasler,RenateDohmen,CarstenHeinisch,AnnaSchleitzerund
Michael Zillgittunter Berücksichtigung der vonDietrichPelteherausgegebenen Vorauflage von2004.Überset-
zung und deutsche Adaption der amerikanischen Ausgabe: Physicsfor ScientistsandEngineers. WithModern
Physics.SixthEdition.ByPaulA.TiplerundGeneMosca.FirstpublishedintheUnitedStatesbyW.H.Freeman
andCompany, NewYork.Copyright ©2008byW.H.FreemanandCompany. Allrightsreserved.AlleRechte
vorbehalten.
©Springer-VerlagBerlinHeidelberg1994,2004,2009,2015
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DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberechtigtauch
ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und
Markenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften.
PlanungundLektorat:Dr.VeraSpillner,StefanieAdam
Redaktion:RegineZimmerschied,Dr.MichaelZillgitt,MargitMaly
Einbandabbildung:KristinRiebe
Einbandentwurf:deblikBerlin
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
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Science+BusinessMedia
www.springer-spektrum.de
Vorwort des Verlages
Warum soll ich mich für dieses Buch entscheiden?
DerTipler–PhysikfürWissenschaftlerundIngenieurevonPaulA.TiplerundGeneMosca–istseit
JahreneinesdermeistgelesenenPhysikbücherinDeutschland,ÖsterreichundderSchweiz.DerGrund
dafüristsicherlich,dassdasBuchallewesentlichenphysikalischenInhaltedesBachelorstudiumsder
PhysikerundIngenieurein einem Band beinhaltetund dieseInhalte besondersanschaulichund gut
verständlicherklärt.DarüberhinausbietetderTiplereinegroßeMengeanausführlichenRechenbei-
spielenim Text undvieleÜbungenmit Lösungen,mitdenenSiedas Gelernteunmittelbarvertiefen
können.WerdanachnochmehrAufgabenlösenmöchte,kanndasergänzendeÜbungsbucherwerben
(Millsetal.,Bachelor-TrainerPhysik),indemsichweitereAufgabenunddieLösungenderAufgaben
desvorliegendenBuchesbefinden.
Was kann ich vom Tipler erwarten?
Damit der Tipler auch weiterhin das Lieblingsbuch der Studierenden bleibt, haben wir uns für die
deutschsprachige Neuauflage einiges einfallen lassen: das Buch wurde grundlegend aktualisiert, es
wurde noch genauer als zuvor auf die modernen Bachelormodule ausgerichtet – und nicht zuletzt
freuen wir uns sehr, dass wir eine große Zahl von Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen an
Universitäten und Instituten in Deutschland, Österreich und der Schweiz gewinnen konnten, ihre
Forschung und ihr Team in diesem Buch kurz vorzustellen. Der Leser findet daher in entsprechend
gekennzeichnetenBereichenimmerauchHinweisedarauf,wodasgeradeGelernteAnwendungfin-
det.AndieserStelleeinenherzlichenDankanalle,diesichhiersoengagiertbeteiligthaben!
Für wen ist der Tipler geeignet?
DerTiplerholtdieStudierendenbeiAbiturkenntnissenimFachPhysikab–dabeiistdasBuchaber
nichtnurfürSchülerundSchülerinnengeeignet,diePhysikals einVertiefungs-oderLeistungsfach
belegthatten,sonderninsbesondereauchfürdiejenigen,dieauseinemGrundkurskommenundnun
raschGrundlagenundphysikalischeZusammenhängeaufholenmüssen.DurchkluggewählteErklä-
rungenundBeispielegelangtderStudierendesoraschvomSchulwissenaufdasvondenUniversitäten
indenBachelormodulengeforderteWissensniveau.
Was gibt es an Zusatzinhalten?
ImAnhangdesTiplerfindetsicheinenCrashkurszurWiederholungderbenötigtenmathematischen
GrundlagenundzumNachschlagen.UndnichtzuletztfindetmanaufderProduktseitedesTiplerunter
www.springer.com eine Liste zusammengestellter Fehler, die uns engagierte Leser und Leserinnen
zuschicken.
VI VorwortdesVerlages
Ein Dankeschön an das Tipler-Team!
Das Lektorat dankt an dieser Stelle Frau Dr. Jenny Wagner, der Herausgeberin der 7. Auflage des
Tiplers,dievielzurAnpassungdesInhaltsandieBachelormodulebeigetragenhat.Fernerdankenwir
unserer engagierten Redaktion – Herrn Christoph Kommer und Frau Margit Maly –, die mit ihrem
großen Einsatz die Neuauflage um viele neue Bilder, Beiträge und Inhalte ergänzt und bereichert
haben.
WirwünschenIhnennunvielFreudebeimLernen!
Sobleibtunsnurnoch,IhnenbeimLesendieserneuenAuflagevielFreudeundvielErfolgzuwün-
schen – aus eigener erfolgreicher Studienerfahrung ist die Lektorin dieses Buches ein erklärter Fan
vomStildesvorliegendenBuchesunddenverständlichenErklärungen–undistüberzeugt,dassder
TiplerauchIhrLerneninbesterWeiseunterstützenundSiezumErfolgführenwird.
Dr.VeraSpillner,LektorinPhysik&Astronomie,SpringerSpektrum
Vorwort
PhysikkenntkeineLandesgrenzen.Esgibtkeineamerikanische,deutscheoderskandinavischePhysik.
MenschenausvielenverschiedenenNationenhabengemeinsamzurWeiterentwicklungdertheoreti-
schenundexperimentellenPhysikbeigetragen.DochderkulturelleHintergrund,dasmathematische
VorwissenundderWissensstandderStudentenvariiertstark,wennsieihrenerstenPhysikkursander
Universitätbelegen.EinigehabeneinenumfangreichenPhysikunterrichtinderSchulegenossen,an-
derenicht.MancheverfügenüberKenntnisseinAnalysis,anderenicht.DerLehrplaninDeutschland
istnichtdergleichewieindenVereinigtenStaatenunderistauchnichtmehrdergleichewienochvor
einpaarJahren.AusdiesemGrundistdasvorliegendeBuchkeinereineÜbersetzungderenglischen
Versionmehr,sonderneineNeuauflage,diesichdenBesonderheitenderLehrpläneimdeutschsprachi-
genRaumanpasst.JennyWagnerhatihrumfangreichesWissenderPhysikundderdeutschsprachigen
Lehrpläneeingesetzt,umdasBuchneuzustrukturieren,dieReihenfolgederKapitelzuändern,The-
men, die nicht zum Lehrplan gehören wegzulassen und dafür andere Themen auszubauenoder neu
einzufügen. Ich bedanke mich daher bei Jenny Wagner für ihre harte Arbeit, dieses Projekt zu ver-
wirklichenundichfreuemich,dassderSpringer-Verlagesveröffentlicht.
PaulTipler
Vorwort zur 7. deutschsprachigen Auflage
Seit1994istdiePhysikfürWissenschaftlerundIngenieurevonPaulA.TiplerundGeneMoscabei
Spektrum AkademischerVerlag erschienen,als Übersetzung des bereits damalsinternational einge-
führtenamerikanischenLehrbuchsfürBachelor-undMasterstudiengänge.DasBesondereandiesem
Lehrbuchklassiker ist die ausgefeilte Didaktik einer einfachen Formelsprache und einer konzept-
orientierten Argumentation,die Leser zum autonomen Arbeiten mit dem klassischen Lehrbuchstoff
derPhysikanregtundeinsicheresGrundverständnisderwichtigstenFormelnundihrerexperimentel-
lenundtheoretischenGrundlagenvermittelt.
ZudendidaktischenElementengehören:
EineklaremathematischeSprache,dieaufAbitur-Grundkursniveaubeginntundineinemmathe-
matischenCrashkursdienötigenWissensgrundlagenrekapituliert.ImVerlaufdesBucheswirdder
einfachgehaltenemathematischeApparatweiterausgebaut,insbesonderewasdieVektorrechnung
betrifft.
EinmathematischbeschreibenderAnsatz–diePhysikwirdausderFrageentwickelt,welcheVer-
änderungeintritt,wennMessungenzuverschiedenenZeitenunterunterschiedlichenBedingungen
stattfinden.
Instruktive Abbildungen, Warnhinweise zu schwierigen und leicht misszuverstehenden Begriffen
oder Gesetzmäßigkeiten und allgemein gültige Vorgehensweisen, die dazu anleiten, eine gewisse
KategorieanAufgabenaufeinebestimmteArtzulösen.AußerdementhältjedesKapiteleineZu-
sammenfassungderwichtigstenBegriffe,Formeln,GleichungenundDefinitionen.
ÜbungenundVerständnisfragen,derenLösungenamEndedesKapitelsgegebensind,sowieweiter-
führendeAufgaben,dienachSchwierigkeitsgradsortiertaufdieZusammenfassungamEndejedes
Kapitelsfolgen.
VierverschiedeneBeispielkategorien,diejeweilseineeinführendeAufgabenstellungenthalten,die
den Sachverhalt beschreibt, gefolgt von der Problembeschreibung, die das physikalische Modell
aufstelltunddierelevantenFormelnangibt.AnschließendwirdeineSchritt-für-Schritt-Lösungprä-
sentiert, bevor eine Plausibilitätsprüfung zeigt, dass die Ergebnisse mathematisch konsistent und
physikalisch sinnvoll sind. Beispiele aus der Kategorie der blau hinterlegten Standardbeispiele
mit ihren ausführlichen Lösungsschritten dienen der Vertiefung des Gelernten, während die Bei-
spiele aus der grün hinterlegten Kategorie kürzere Erklärungen beinhalten, da man sie nach der
Lektüre des Lernstoffes selbstständig durchrechnen können sollte. Die rot hinterlegten Beispiele
habeneinenstarkenBezugzurtechnischenPraxisodereinerAlltagssituation,diesichmitHilfedes
Gelerntenbeschreibenlässt.OftenthältdieAufgabenstellungredundanteAngabenoderesistnot-
wendig,zurLösungderAufgabezusätzlicheInformationenheranzuziehen,dienichtgegebensind.
DadurchführtdieseArt BeispielandieProblemlösungvonpraktischenAufgabeninderWissen-
schaftundTechnikheran.DieKategoriederlilahinterlegtenBeispieleerfordertgewöhnlichkeine
Rechnungen,sondernmöchtegrundlegendeBegriffeundGesetzmäßigkeitenmiteinanderineinen
Sinnzusammenhangbringen.
WeiterführendeBeispieleausdemKontextderwissenschaftlichenForschungspraxis,dieamEnde
jedesKapitelshistorischeoderneueAspektedesindiesemKapitelbehandeltenThemasvorstellen
odereinepraktischeAnwendungbeschreiben.DieseAbschnittesindoptionalunddienenzurMo-
tivationundVerdeutlichung,inwelchenBereichenderWissenschaftunddesAlltagsphysikalische
PhänomeneeineRollespielen.
Um die Kapitel für Studierende in Haupt- und Nebenfach klar zu gliedern, wurden Abschnitte,
dieüberdenUmfangeinesStudiumsvonPhysikalsNebenfachhinausgehenmiteinemStern (*)
X Vorwortzur7. deutschsprachigenAuflage
gekennzeichnet.DieseAbschnitteundKapitelsindfakultativfürStudierendemitNebenfachPhysik
undkönnenvonihnenübersprungenwerden.
Im Gegensatz zu früheren Auflagen, die nur wenig vom amerikanischen Original abwichen, wur-
de diese 7. Auflage eigens an die Bachelorlehrpläne im deutschsprachigen Raum angepasst. Als
Grundlage dienten die frei zugänglichen Curricula für Physik als Haupt- und Nebenfach mehrerer
Universitäten in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Der Großteil des Inhalts der 6. Auflage
konnte zwar beibehalten werden, erfuhr jedoch eine grundlegende Umstrukturierung. Insbesondere
die klassische Mechanik wurde neu gegliedert, so dass die Reihenfolge der Kapitel in diesem Teil
nunauchderEinführungderjeweiligenKonzepteineinerMechanik-Vorlesungentspricht.Durchdie
UmstrukturierungwerdenallgemeineKonzepte,wiez.B.diegleichförmigeBewegungeinesMasse-
punkts,anhandvonSpezialfälleneingeführtundimselbenKapitelauchaufkomplexere,allgemeinere
Situationenangewandt.SoführtdiesesinduktiveVorgehenzueinerwesentlichverständlicherenDar-
stellung,die einen systematischenÜberblick über einen physikalischenSachverhalt erlaubt undzur
besserenFestigungdesGelerntenbeiträgt.DieEingliederungderGravitationindieAnwendungsbei-
spielederNewton’schenGesetzewurdeebenfallsausdiesemGrundvorgenommen.Neuhinzugefügt
wurdedasKapitelüberTeilchensysteme,umalleEigenschaftenvonEnsembleszusammenhängendzu
betrachten.DasKapitelüberstatischesGleichgewichtundElastiziät,dasnichtexplizitindenaktuel-
lenBachelorlehrplänenenthaltenist,wurdeebenfallsgrundlegendgeändertundumeineausführliche
BeschreibungderBiegetheorievonBalkenerweitert,dieinderArtbisjetztinkeinemLehrbuchent-
haltenist,obwohlessichdabeiumeingrundlegendesThemadesCurriculumshandelt.DasKapitel
derFluidikwurdeumdieGrundlagenderNavier-Stokes-Gleichungerweitert,umeinenallgemeinen
AnsatzzurBeschreibungvonfließendenSubstanzenzuerhalten.AuchdieBegriffederAdhäsionund
Kohäsion,dieinderletztenAuflagefehlten,wurdenwiederaufgenommen.
Der thermodynamischeTeil wurde zur Herstellung eines besseren Sinnzusammenhangsneu geglie-
dert, so dass die mikroskopischen Ursachen der makroskopischen Phänomene ein eigenes Kapitel
erhielten,genausowiedieAnwendungendesWärmetransports.
DieKapitelüberElektrizitätundMagnetismuskonntenvonder6.Auflagevollständigübernommen
werden,dasieinihremInhaltundderDarstellungsformmit denaktuellenBachelorlehrplänenkon-
formsind.AuchderOptik-TeilwurdebisaufkleinereDetailsbeibehalten.
DadiemodernePhysikindenneuenBachelorprogrammenauchimNebenfach immermehranBe-
deutunggewinnt,wurdederals„modernePhysik“inder6.AuflagebezeichneteAbschnittdesBuches
in mehrere Teile aufgespalten, wobei die Kapitel über Einsteins Relativitätstheorien zu einem Teil
zusammengefasst wurden. Des weiteren ergaben sich gesonderte Teile zu den Themenkomplexen
„Quantenmechanik“,„Atom-undMolekülphysik“,„Festkörperphysik“und„Kern-undTeilchenphy-
sik“.
Die vorhandenen beiden Kapitel zur Quantenmechanik wurden in ein Theorie- und ein Anwen-
dungskapitelmitBeispielenumgewandeltundeineausführlicheDiskussionzumÜbergangzwischen
klassischer Mechanik und Quantenmechanik eingefügt. Sie dienen als Grundlage für die folgenden
Teile,diemanebenfallsalsAnwendungenderQuantenmechanikauffassenkann.
Während die Atom- und Molekülphysiksich wenig änderte, wurden die Kristallgitterstrukturen der
Festkörperphysik zum ersten Mal in dieses Lehrbuch eingefügt und Experimente zur Bestimmung
der Struktur von festen Stoffen erklärt. Auch die Kern- und Teilchenphysik musste an den aktuel-
lenForschungsstandangepasstwerden,dasichvoralleminderTeilchenphysikindenletztenJahren
erhebliche Neuerungen, wie z.B. die Entdeckung des Higgs-Bosons durch den Large Hadron Col-
lider, ergaben.Zudem wurde ein Unterkapitel übermoderneTeilchenbeschleunigerund -detektoren
hinzugefügt,umdenexperimentellenNachweismethoden,diezudiesenEntdeckungenführten,mehr
Gewicht beizumessen.BesonderesAugenmerkwurdeindieserAuflageauchaufdieAuswirkungen
vonradioaktiverStrahlungaufdenmenschlichenKörpergelegtunddaherimKapitelzurKernphysik
einAbschnittüberDosimetrieergänzt.
IchwünscheallenLesernnunvielFreudemitdiesemBuchundhoffe,dassdieNeugestaltungStudie-
rendenaller Fachrichtungeneinenguten Einstiegin dieWelt derPhysikgibt. Paul TiplerundGene
MoscahabenaufinternationalerEbeneeineinzigartigesWerkfürWissenschaftlerundIngenieurevor-
gelegt,dessenGrundidee,PhänomenederPhysikineinfacherFormverständlichzuerklären,auchin
Vorwortzur7. deutschsprachigenAuflage XI
dieserdeutschsprachigenAuflageweiterlebensoll.EswareineschmaleGratwanderungmitKompro-
missen,einerseitsallewichtigenGrundlagenfürdasHauptstudiumzuthematisierenundgleichzeitig
dienötigeÜbersichtlichkeitundKürzebeizubehalten,dieStudierendemitPhysikalsNebenfachseit
langemandiesemBuchschätzen.Ichhoffe,dieMischungzwischenAusführlichkeitundAnschaulich-
keitistgutgelungen,umeinerseitsStudierendenderPhysikdieAnwendungsgebietenäherzubringen
undandererseitsStudierendemitPhysikalsNebenfachzumotivieren,diephysikalischenZusammen-
hängeüberihreigenesFachgebiethinausverstehenzuwollen.
Heidelberg,imFebruar2014 JennyWagner