Übungsbuch Physik für Studierende der Biowissenschaften, Chemie und Medizin

397 Pages·2020·8.18 MB·German

by  Gerhard Rufa

Gerhard Rufa
Übungsbuch Physik
für Studierende der
Biowissenschaften,
Chemie und Medizin
Übungsbuch Physik für Studierende der
Biowissenschaften, Chemie und Medizin
Gerhard Rufa
Übungsbuch Physik
für Studierende der
Biowissenschaften,
Chemie und Medizin
Prof. Dr. Gerhard Rufa
Fakultät für Biotechnologie
Institut für Naturwissenschaftliche
Grundlagen, Hochschule Mannheim
Mannheim, Deutschland
ISBN 978-3-662-61261-3 ISBN 978-3-662-61262-0 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-61262-0
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Planung/Lektorat: Margit Maly
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„All knowledge and understanding is attained
not by a dull and obstinate adhering to any one
opinion or persuasion, but by advancing still
farther and farther and renouncing those tenets,
which it once thought infallible.“
Samuel Butler
Vorwort
Dieses Übungsbuch ergänzt die Physik für Studierende der Biowissenschaften, Chemie
und Medizin, worin die unterschiedlichen Gebiete der Physik sowie die physikalischen
Größen und Gesetzmäßigkeiten beschrieben werden. Das Ziel dieses Übungsbuches ist
den Studierenden zu helfen, den Stoff zu erarbeiten und im Rahmen der Lösung ein-
facher physikalischer Probleme die Anwendung physikalischer Rechenmethoden und
die hierfür erforderliche Mathematik zu lernen. Hierzu werden zu allen Aufgaben aus-
führliche Lösungen präsentiert. Das Übungsbuch ist damit insbesondere eine große Hilfe
bei den Klausurvorbereitungen und bildet zusammen mit dem Physikbuch die Basis für
weiterführende Vorlesungen.
Im ersten Teil dieses Übungsbuches wird die Lösung physikalischer Aufgaben bei-
spielhaft erlӓutert, die entsprechend den unterschiedlichen Gebieten der Physik in
Übungsserien zu verschiedenen Themengebieten strukturiert sind (siehe Abb. 0.1). Die
ersten Übungsserien umfassen den Stoff einer Physik I-Vorlesung mit den Gebieten
Mathematische Grundlagen, klassische Mechanik, Zustandsformen der Materie und
Thermodynamik, während die zweiten Übungsserien die Gebiete einer Physik II-Vor-
lesung Schwingungen, Wellen, Optik, klassische Elektrodynamik sowie die Atom- und
Quantenphysik behandeln.
Für ein tieferes Verstӓndnis vektorieller Größen ist die Vektorrechnung und der
Begriff der Vektorfunktion sowie deren Ableitungen unerlӓsslich, womit sich die erste
Übungsserie beschӓftigt. Sie bildet damit die mathematische Grundlage für alle weiteren
Übungsserien. Insbesondere werden als einfache Bahnkurven die Gerade und der Kreis
im Raum eingeführt. Die Mechanik umfasst Übungsserien zu einfachen Bewegungs-
formen, Kräften, Arbeit, Energie, Leistung, Drehbewegungen, Scheinkräften sowie zu
Systemen von Massenpunkten. In den Übungsserien zu den Zustandsformen der Materie
werden die mechanischen Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten sowie
Gasen behandelt. Diese Übungsserien sind grundlegend für die Verfahrens- und Bio-
reaktionstechnik. Dagegen beschӓftigt sich die Übungsserie zur Thermodynamik mit den
thermischen Eigenschaften von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen sowie den Haupt-
sätzen der Thermodynamik.
VII
VIII Vorwort
Abb. 0.1 Zur Strukturierung der Übungsaufgaben
In der Übungsserie zu den Schwingungen betrachten wir Aufgaben zu ungedӓmpften
und gedӓmpften harmonischen Schwingungen sowie der Überlagerung und Kopplung
von Schwingungen. Die folgenden Übungsserien behandeln grundlegende Begriffe
zu Wellen sowie Aufgaben zur Interferenz und zur Ausbreitung von Wellen, für deren
Verstӓndnis das Huygens-Fresnel’sche Prinzip grundlegend ist. Gerade die Reflexion,
Brechung und Beugung von (Licht-)Wellen sowie die Absorption und Streuung von
Licht in Materie bilden die Basis der Spektroskopie. Wӓhrend die Wellenoptik in den
Übungsserien zu den Wellen integriert ist, enthӓlt die Optik-Übungsserie Aufgaben zur
geometrischen Optik und insbesondere zu optischen Abbildungen durch optische Geräte,
womit diese Übungsserie grundlegend für die optische Messtechnik ist. Die Elektro-
dynamik umfasst Übungsserien zu elektrischen Ladungen und Strömen, elektrischen und
magnetischen Feldern sowie einfachen elektrischen Schaltungen. In den abschließenden
Übungsserien werden Aufgaben zur Quanten- und Elementarteilchenphysik sowie zur
Atomphysik behandelt, die die Basis der Chemie sind und ein tieferes Verstӓndnis des
Periodensystems der Elemente liefern.
Jede Übungsserie besteht aus einem Verstӓndnisteil und einem Übungsteil, der
durch anwendungsorientierte Aufgaben ergӓnzt wird. Der Verstӓndnisteil beginnt
mit einer Liste von physikalischen Größen und Begriffen, die für die Lösung der Auf-
gaben in diesem Themenbereich wichtig sind und anhand des Physikbuches gelernt
werden sollten. Ferner beinhaltet dieser Teil Verstӓndnisaufgaben, die den Studierenden
helfen sollen, die physikalischen Begriffe und Gesetzmӓßigkeiten tiefer zu verstehen.
Im anschließenden Übungsteil sollen die Studierenden dann lernen, wie man konkret
Vorwort IX
physikalische Probleme löst. Schließlich wird anhand einer Vielzahl von anwendungs-
orientierten Aufgaben aus den Biowissenschaften und der Medizin die Anwendung
dieses physikalischen und mathematischen Fachwissens erlӓutert. Das gelernte Fach-
wissen kann dann anhand des zweiten Teils überprüft werden, der aus verschiedenen
Testserien besteht, die gemischte Aufgaben enthalten, wobei auch hier ausführliche
Lösungen zu den Aufgaben bereitgestellt werden. Der erste Teil dieser Testserien bezieht
sich auf Aufgaben einer Physik I-Vorlesung, während sich der zweite Teil mit Aufgaben
einer Physik II-Vorlesung beschӓftigt.
So hoffe ich, dass gerade dieses Übungsbuch eine wertvolle Hilfe ist, vorhandene
physikalische und mathematische Wissenslücken zu schließen, und dass möglichst
schnell das für weiterführende Lehrveranstaltungen notwendige Grundlagenwissen
bereitgestellt wird.
Meinen Kollegen Jürgen Backhaus, Winfried Storhas und Roger Sandhoff sowie
Randolf Pohl von der Johannes Gutenberg-Universitӓt Mainz möchte ich an dieser Stelle
für wertvolle Diskussionen und viele Anregungen danken. Ich bedanke mich herzlich
bei Margit Maly, Carola Lerch, Sandrina Kastner, Simone Jordan und Omika Mohan
vom Springer Verlag für die freundliche Unterstützung und hilfreiche Hinweise bei der
Realisierung dieses Buches. Schließlich danke ich all meinen Studierenden für die vielen
positiven Rückmeldungen und die Ermutigung, dieses Buch zu publizieren.
Mainz Gerhard Rufa
den 4. Februar 2020
Inhaltsverzeichnis
1 Mathematische Grundlagen ........................................ 1
1.1 Übungsserie: Vektorrechnung ................................... 1
2 Klassische Mechanik .............................................. 21
2.1 Übungsserie: Kinematik ........................................ 21
2.2 Übungsserie: Kräfte ........................................... 30
2.3 Übungsserie: Einfache Bewegungen .............................. 39
2.4 Übungsserie: Arbeit, Energie und Leistung ......................... 52
2.5 Übungsserie: Drehbewegungen .................................. 63
2.6 Übungsserie: Scheinkräfte ...................................... 70
2.7 Übungsserie: Systeme von Massenpunkten ......................... 83
3 Zustandsformen der Materie ....................................... 95
3.1 Übungsserie: Festkörper und Flüssigkeiten ......................... 95
3.2 Übungsserie: Gase ............................................ 104
4 Thermodynamik ................................................. 115
4.1 Übungsserie: Thermodynamik ................................... 115
5 Schwingungen ................................................... 127
5.1 Übungsserie: Schwingungen .................................... 127
6 Wellen .......................................................... 133
6.1 Übungsserie: Wellen .......................................... 133
6.2 Übungsserie: Interferenz von Wellen .............................. 140
7 Optik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.1 Übungsserie: Geometrische Optik ................................ 149
8 Klassische Elektrodynamik ........................................ 159
8.1 Übungsserie: Elektrische Ladungen und Ströme ..................... 159
8.2 Übungsserie: Elektrische Felder ................................. 168
XI
XII Inhaltsverzeichnis
8.3 Übungsserie: Magnetische Felder ................................ 178
8.4 Übungsserie: Elektrische Schaltungen ............................. 187
9 Atom- und Quantenphysik ......................................... 197
9.1 Übungsserie: Quanten- und Elementarteilchenphysik ................. 197
9.2 Übungsserie: Atomphysik ...................................... 208
10 Testserien Physik I ............................................... 215
10.1 Testserie 1 ................................................. 215
10.2 Testserie 2 ................................................. 223
10.3 Testserie 3 ................................................. 232
10.4 Testserie 4 ................................................. 241
10.5 Testserie 5 ................................................. 251
10.6 Testserie 6 ................................................. 259
10.7 Testserie 7 ................................................. 268
10.8 Testserie 8 ................................................. 278
10.9 Testserie 9 ................................................. 286
10.10 Testserie 10 ................................................ 295
11 Testserien Physik II ............................................... 307
11.1 Testserie 11 ................................................ 307
11.2 Testserie 12 ................................................ 314
11.3 Testserie 13 ................................................ 323
11.4 Testserie 14 ................................................ 329
11.5 Testserie 15 ................................................ 336
11.6 Testserie 16 ................................................ 343
11.7 Testserie 17 ................................................ 351
11.8 Testserie 18 ................................................ 358
11.9 Testserie 19 ................................................ 365
11.10 Testserie 20 ................................................ 372
Anhang A .......................................................... 381
Anhang B .......................................................... 383
Literatur ........................................................... 385
Stichwortverzeichnis ................................................. 387