Experimentalphysik 1: Mechanik und Wärme

481 Pages·2015·18.46 MB·German

by  Wolfgang Demtröder (auth.)

Wolfgang Demtröder
Experimental-
physik 1
Mechanik und Wärme
7. Aufl age
Springer-Lehrbuch
Experimentalphysik
Band1
MechanikundWärme
7.Auflage
ISBN978-3-662-46414-4
Band2
ElektrizitätundOptik
6.Auflage
ISBN978-3-642-29943-8
Band3
Atome,MoleküleundFestkörper
4.Auflage
ISBN978-3-642-03910-2
Band4
Kern-,Teilchen-undAstrophysik
4.Auflage
ISBN978-3-642-21475-2
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik 1
Mechanik und Wärme
7.,neubearbeitete undaktualisierte Auflage
WolfgangDemtröder
TUKaiserslautern
FachbereichPhysik
Erwin-Schrödinger-Str.46
67663Kaiserslautern
Deutschland
e-mail:[email protected]
ISSN0937-7433
ISBN978-3-662-46414-4 ISBN978-3-662-46415-1(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-46415-1
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Vorwort zur siebenten Auflage
Inderhiervorliegenden7.Auflagesindgegenüberder6.AuflageeinigeAbschnitteoptimiertworden,
die Tabellen über die Windenergie auf den neuesten Stand gebracht, einige neue Abbildungen und
Literaturzitate eingefügt und ein paar Druckfehler beseitigt worden. Ansonsten wurde das Konzept
desBuchesbeibehalten.
DerAutorwürdesichübereineweitereaktiveMitarbeitseinerLeserundVorschlägezurOptimierung
desBuchessehrfreuen.
Kaiserslautern,
imDezember2014 WolfgangDemtröder
Vorwort zur ersten Auflage
Dieses vierbändige Lehrbuch der Experimentalphysik, dessen erster Band hiermit vorgestellt wird,
istgedachtzurBegleitungundVertiefungderVorlesungenzurEinführungindiePhysik,wiesiean
den meisten deutschen Universitäten bis zum Vordiplom gehalten werden. Das Buch ist durch eine
gründliche Überarbeitung und Erweiterung von Vorlesungsskriptendes Autors entstanden, die über
vieleJahrehinwegvondenStudenteninKaiserslauternbenutztwurden.
Dieses Lehrbuch soll deutlich machen, dass physikalische Erkenntnisgewinnung auf der Entwick-
lungundBeschreibungvonModellenderNaturberuht,derenexperimentellePrüfungundsukzessive
Verfeinerung zu einem immer detaillierteren Verständnis der uns umgebenden Welt und der in ihr
ablaufendenVorgängeführt.
DeshalbbeginntdieDarstellung–nacheinemeinführendenKapitel,indemdiehistorischeEntwick-
lungderPhysikundihreBedeutungfürandereBereichevonWissenschaft,KulturundTechnikkurz
gestreiftwerdenunddieRollederMessungfüreinquantitativesVerständnisderNaturillustriertwird
–mitdemeinfachstenModelldesMassenpunkteszurBeschreibungderBewegungvonKörpernunter
demEinflussvonKräften.NacheinerDiskussionderDarstellungvonVorgängeninbewegtenBezugs-
systemenunddergrundlegendenIdeenderspeziellenRelativitätstheoriewerdendannim4.Kapitel
SystemevonMassenpunktenundStößezwischenzweiTeilchenbehandelt.
RäumlicheAusdehnungvonKörpernundunterschiedlicheEigenschaftenderAggregatzuständefest,
flüssigundgasförmigwerdendannindenKap.5–7berücksichtigt.StrömungenvonFlüssigkeitenund
GasenunddiezuihrerBeschreibungverwendetenModellebildendenInhaltdes8.Kapitels,während
Kap.9dastechnologischwichtigeGebietderVakuumphysikkurzdarstellt.
ZudenwichtigstendynamischenVorgängeninderNaturgehörenSchwingungenundWellenphäno-
mene,dierelativausführlichinKap.101behandeltwerden.WärmelehreundThermodynamikwerden
hierinnureinemKapitelrelativknappdargestellt,weilnochetwasRaumbleibensolltefürdasneue
und rasch expandierende Gebiet der Physik nichtlinearer Phänomene, das viele überraschende und
faszinierendeEinsichtenindierealeNaturbietet.ImSinnederverfeinertenApproximationvonMo-
dellen stelltdienichtlineareDynamikeinengroßenSchritt indergenauen,wennauchmeistensnur
numerischmöglichenBeschreibungrealerNaturvorgängedar.
DieindiesemLehrbuchbehandeltengrundlegendenBegriffeundihreAnwendungaufdieLösungvon
ProblemenwerdenanvielenBeispielenillustriert,undÜbungsaufgabenamEndejedesKapitelsbieten
demLeserdieMöglichkeit,seinVerständnisdesStoffesselbstzuprüfen.Dazukannerseineeigene
LösungmitdenimAnhangangegebenenLösungenvergleichen.DortsindaucheinigeGrundbegriffe
derVektorrechnung,der komplexenZahlen undderBeschreibungvonphysikalischenVorgängenin
problemangepasstenKoordinatensystemendargestellt,umdenZugangzurmathematischenBeschrei-
bungindiesemLehrbuchzuerleichtern.
JedesLehrbuchlebtvonderkritischenMitarbeitderLeser.DerAutorfreutsichdeshalbüberVerbes-
serungsvorschlägeundHinweiseaufmöglicheFehler.
Zum Schluss möchteich allen herzlich danken, die bei der Herstellung dieses Buches geholfen ha-
ben.InsbesonderesindhierHerrDr.KölschundFrauKaiservomSpringer-Verlagzunennen,diemit
viel Geduld und großem Engagement den Autor während der Herstellungsphase unterstützt haben.
Frau Wollscheidhat viele der Abbildungengezeichnet. Frau Weylandund Frau Heider haben Teile
1IndervorliegendensiebentenAuflageistdiesKap.11
VIII VorwortzurerstenAuflage
desManuskriptsgeschrieben,Ihnenseidafürganzherzlichgedankt.IchdankeHerrnImsieke,derdas
gesamteManuskriptgelesenunddurchHinweiseaufUnklarheitenvielzurVerbesserungderDarstel-
lung beigetragen hat. Besonderer Dank gebührt meiner lieben Frau, die viel Verständnis gehabt hat
fürdiezahlreichenArbeitswochenenden,welchefürdiesesBuchgebrauchtwurdenunddiemirdurch
ihreHilfedieZeitzumSchreibenermöglichthat.
Ichhoffe,dassdiesesBuchnichtnurfürPhysikstudenten,sondernauchfürStudentenandererFach-
richtungen,dieEinführungsvorlesungenin Physikhören,vonNutzen ist. Wennes dieBegeisterung
desAutorsfürunserschönesFachaufmöglichstvieleStudentenübertragenkann,hatesseinenZweck
erfüllt.
Kaiserslautern,
imMai1994 WolfgangDemtröder
Inhaltsverzeichnis
1 EinführungundÜberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 DieBedeutungdesExperimentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 DerModellbegriffinderPhysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 HistorischerRückblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 DieantikeNaturphilosophie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 DieEntwicklungderklassischenPhysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.3 DiemodernePhysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 UnserheutigesphysikalischesWeltbild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 BeziehungenzwischenPhysikundNachbarwissenschaften . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.1 BiophysikundmedizinischePhysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.2 Astrophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.3 GeophysikundMeteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.4 PhysikundTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5.5 PhysikundPhilosophie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6 DieGrundgrößeninderPhysik,ihreNormaleundMessverfahren . . . . . . . . . 16
1.6.1 Längeneinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6.2 MessverfahrenfürLängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6.3 Zeiteinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.6.4 Zeitmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.5 MasseneinheitenundihreMessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6.6 Stoffmengeneinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6.7 Temperatureinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.8 EinheitderelektrischenStromstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.9 EinheitderLichtstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.10 Winkeleinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7 Maßsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.8 MessgenauigkeitundMessfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.8.1 SystematischeFehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.8.2 StatistischeFehler.MesswertverteilungundMittelwert . . . . . . . . . . 27
1.8.3 Streuungsmaße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.8.4 Fehlerverteilungsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.8.5 Fehlerfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.8.6 Ausgleichsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2 MechanikeinesMassenpunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1 DasModelldesMassenpunktes.Bahnkurve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 GeschwindigkeitundBeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 GleichförmigbeschleunigteBewegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.1 DerfreieFall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.2 DerschrägeWurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4 Bewegungenmitnicht-konstanterBeschleunigung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1 DiegleichförmigeKreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2 DieallgemeinekrummlinigeBewegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
X Inhaltsverzeichnis
2.5 Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.1 KräftealsVektoren.AdditionvonKräften . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.2 Kraftfelder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.3 MessungvonKräften.DiskussiondesKraftbegriffes. . . . . . . . . . . . 48
2.6 DieGrundgleichungenderMechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.1 DieNewtonschenAxiome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.2 TrägeundschwereMasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.3 DieBewegungsgleichungeinesTeilchens
ineinembeliebigenKraftfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7 DerEnergiesatzderMechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.1 ArbeitundLeistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.2 WegunabhängigeArbeit.KonservativeKraftfelder . . . . . . . . . . . . . 56
2.7.3 PotentielleEnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.7.4 DerEnergiesatzderMechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.7.5 ZusammenhangzwischenKraftfeldundPotential. . . . . . . . . . . . . . 59
2.8 DrehimpulsundDrehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.9 GravitationundPlanetenbewegungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.9.1 DieKeplerschenGesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.9.2 NewtonsGravitationsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.9.3 Planetenbahnen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.9.4 DaseffektivePotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.9.5 GravitationsfeldausgedehnterKörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.9.6 ExperimentellePrüfungdesGravitationsgesetzes . . . . . . . . . . . . . . 70
2.9.7 ExperimentelleBestimmungderErdbeschleunigung. . . . . . . . . . . . 71
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3 BewegteBezugssystemeundspezielleRelativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1 Relativbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2 InertialsystemeundGalilei-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3 BeschleunigteBezugssysteme,Trägheitskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.1 GeradlinigbeschleunigteBezugssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.2 RotierendeBezugssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.3 Zentrifugal-undCorioliskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4 DieKonstanzderLichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5 Lorentz-Transformationen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.6 SpezielleRelativitätstheorie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.6.1 DasProblemderGleichzeitigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.6.2 Minkowski-Diagramme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.6.3 Skalenlängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.4 Lorentz-KontraktionvonLängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.6.5 Zeitdilatation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.6.6 Zwillings-Paradoxon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.6.7 Raumzeit-EreignisseundKausalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 SystemevonMassenpunkten.Stöße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1.1 Massenschwerpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1.2 ReduzierteMasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1.3 DrehimpulseinesTeilchensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2 StößezwischenzweiTeilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.1 Grundgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.2 ElastischeStößeimLaborsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2.3 ElastischeStößeimSchwerpunktsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109