Physik für Ingenieure: Von der klassischen Mechanik zu den Quantengasen

Die komplette Physik für Ingenieure von der klassischen Mechanik bis zu den Quantengasen ist in diesem Band zusammengefasst. Dieses Lehrbuch eignet sich damit in besonderer Weise für die verpflichtenden Grundstudiumsvorlesungen zur Experimentalphysik - dem Fach, das neben der Mathematik als wichtigstes Grundlagenfach für die Ingenieurwissenschaften gilt. Zudem ist das Buch auch besonders für das Selbststudium geeignet, da der Student sein erlerntes Wissen am Kapitelende überprüfen kann. Zielgruppe: Alle Studierende der Elektrotechnik und des Maschinenbaus und verwandter Studienrichtungen der Ingenieurwissenschaften und der Physik im Grundstudium. Voraussetzung: elementare physikalische und mathematische Grundkenntnisse auf Abiturniveau. Kapitel 1 Mechanik idealisierter Körper 17 1.1 Bewegung in Raum und Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1.1 Raum und Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1.2 Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.1.3 Wechsel des Bezugssystems .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.1.4 Planetenbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2 Dynamik der Massenpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2.1 Träge w1d schwere Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2.2 Newtonscher Kraftbegriff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2.3 Die Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.2.4 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.3 Energie- und Impulssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.3.1 Arbeit und Kreisprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.3.2 Potenzielle und kinetische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.3.3 Impulserhaltung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.3.4 Elastische und inelastische Stöße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1.4 Der Drehimpuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 1.4.1 Der Drehimpuls bewegter Massenpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 1.4.2 Starrer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 1.4.3 Der Drehimpuls ausgedehnter Körper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 1.4.4 Drehimpulserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 1.5 Dynamik starrer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 1.5.1 Gleichgewichtsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 1.5.2 Das Trägheitsmoment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 1.5.3 Kreiselbewegungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 1.5.4 Statische und dynamische Unwucht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 1.6 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 1.6.1 Kreisbewegung und harmonischer Oszillator .. . . . . . . . . . . . . . . . 66 1.6.2 Gedämpfte Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 1.6.3 Erzwungene Schwingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 1.6.4 Gekoppelte Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Kapitel 2 Makrophysik der Materie 79 2.1 Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.1.1 Atomhypothese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.1.2 Das ideale Gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.1.3 Die Temperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.1.4 Zufallsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.2 Aggregatzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 2.2.1 Flüssigkeiten und Festkörper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.2.2 Zustandsdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 2.2.3 Phasenübergänge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 2.2.4 Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.3 Energiesatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 2.3.1 Wärmeaustausch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 2.3.2 1: Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.3.3 Aquipartitionsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 2.3.4 Thermodynamische Prozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2.4 Entropiesatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2.4.1 Reversible und irreversible Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 2.4.2 2. Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 2.4.3 Energiewandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 2.4.4 Stirling-Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2.5 Tiefe Temperaturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 2.5.1 Adiabatische Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 2.5.2 Kompressionskältemaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 2.5.3 Gasverflüssigung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 2.5.4 Molare Wärmekapazität von Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Kapitel 3 Ausgleichsprozesse und Wellen 135 3.1 Wellenbewegungen entlang linearer Medien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3.1.1 Lineare Kette...................... ... ................. 137 3.1.2 Resonatoren......... .. ...... .. .. ... ................... 139 3.1.3 Superposition.... . ... . ........... .. ......... ... ..... . . 141 3.1.4 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3. 2 Ausgleichsprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 3.2.1 Strömungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.2.2 Zufallsbewegung der Atome. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 3.2.3 Temperaturausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 3.2.4 Diffusion in Gasen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 3.3 Schallwellen in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 3.3.1 Schallausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 3. 3 .2 Chladnische Klangfiguren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 7 3.3.3 Energie· und Nachrichtenübertragung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 3.3.4 Doppler-Effekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 3.4 Elektrizität und Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 3.4. l Ladung und Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 3.4.2 Coulomb-Kraft und Lorentz-Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 3.4.3 Elektromagnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 3.4.4 Elektromagnetischer Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 3.5 Das elektromagnetische Feld....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 3.5.1 Verschiebungspolarisation und Magnetisierung.... . . . . . . . . . . 175 3.5.2 Das elektrische Feld im Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 3.5.3 Das magnetische Feld im Vakuum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 3.5.4 Maxwellsche Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 3.6 Elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 3.6.1 Wellenausbreitung im Vakuum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 3.6.2 Abstrahlung eines Hertzschen Dipols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 3.6.3 Absorption und Streuung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 3.6.4 Wellenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Kapitel 4 Elektromagnetische Strahlung 193 4.1 Strahlenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 4.1.1 Reflexion und Brechung ............... . ............... . . . 195 4.1.2 Optische Bauelemente ................................ . .. 197 4.1.3 Mikroskop und Fernrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 4.1.4 Messung der Lichtgeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 4.2 Wellenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 4.2.1 Farben dünner Plättchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 4.2.2 Kohärenz . . . ............ . ........ . .. . ... . . . .. . .. . . . . . . . 208 4.2.3 Beugung . . . ... . .. . .. . ........... . .. . ..... . .. . .. . . . . . . . 211 4.2.4 Auflösungsvermögen optischer Instrumente ... . . . .. .. . . . . . . . . 214 4.3 Photonen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 4.3.1 Der Photoeffekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 4. 3. 2 Photonenhypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 4.3.3 Röntgen-Bremsspektrum ...... . ................ . ...... . . . 219 4.3.4 Compton-Effekt . . .. . .............. . .. . ... . .... . . . .. . . . . . 221 4.4 Wärmestrahlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 4.4.1 Emissionsvermögen und Absorptionsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 4.4.2 Kirchhoffsches Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 4.4.3 Emissionsvermögen des schwarzen Körpers ............... . . . 227 4.4.4 Quantenhypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Kapitel 5 Atomare Struktur der Materie 233 5.1 Das Atom ............................................... . ... . 235 5.1.1 Struktur der Atome . ............................ . .... . . . . 235 5.1.2 Das Wasserstoffspektrum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 5.1.3 Bohrsches Atommodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 5.1.4 Diskrete Energieniveaus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 5.2 Elektronenwellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 5. 2 .1 Elektronenbeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 5.2.2 Tunneleffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 5.2.3 Wellenmechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 5.2.4 Deutung der Elektronenwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 5.3 Die Elektronenhülle der Atome. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 5.3.1 Pauli-Prinzip und Schalenstruktur der Atomhülle .......... . .. 257 5.3.2 Charakteristisches Röntgen-Spektrum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 5.3.3 Periodisches System der Elemente ..... .. .................. 261 5.3.4 Atomspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263