Experimentalphysik: Mechanik und Wärme

511 Pages·2003·32.88 MB·German

by  Professor Dr. Wolfgang Demtröder (auth.)

Werte der physikalischen Fundamentalkonstanten nach der Empfehlung von 1986*
Größe Symbol Wert Einheit RelatIve Unsicherheit
in 10-6
Lichtgeschwindigkeit c 299792458 ms-I exakt
Gravitationskonstante G 6,672591.10-11 m3 kg-I s-2 128
Planck- Konstante h 6,6260755 . 10-34 Js 0,6
Reduzierte Planck-Konstante h/2rr 11 1,0545726 .... 10-34 Js 0.60
Gaskonstante R 8,314510 Jmol-I K-I 8,4
Avogadro-Konstante NA 6,0221367. 1023 mol-I 0.59
Boltzmann-Konstante R/NA k 1,380658. 10-23 JK-I 8,5
Molvolumen VM 22.41410 . 10-3 m3 mol-I 8.4
(T = 273,15 K, p = 101 325 Pa)
Elementarladung e 1,60217733.10-19 As ~f C 0,30
Elektronenmasse me 9,1093897.10-31 kg 0,59
Protonenmasse mp 1,6726231.10-27 kg 0,59
Massenverhältnis mp/me 1836,15270 I 0,02
Ladungs-Massen-Verhältnis -e/me -1,7588196.1011 Ckg-I 0,30
Permeabilitätskonstante /Lo 4rr. 10-7 = VsA-I m-I exakt
1,25663706 .... 10-6
Dielektrizitätskonstante 1/ (/Loc2) cO 8,854187817 .... 10-12 AsV-1 m-I exakt
Feinstrukturkonstante /Loce2/2h a 7,29735308. 10-3 0,045
Rydberg-Konstante meca2/2h Ryoo 1,0973731534. 107 m-I 0,0012
Bohr-Radius a/(4rrRoo) ao 5,2917725.10-11 m 0,045
Atomare Masseneinheit ~me2C) AME 1,6605402 . 10-27 kg 0,59
* Nach E. R. Cohen und B. N. Taylor: The 1986 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants, J. Phys. Chem. Ref.
Data, 17,1795-1803 (1988)
Astronomische Konstanten
Masse der Erde ME = 5,975 . 1024 kg
Masse des Mondes MM = 7,35 . 1022 kg ~ 0,0123 ME
Masse der Sonne Mo =I,989·1030kg ~3,33.105ME
Radius der Sonne: 6.96 . 108 m
Standard-Erdbeschleunigung g = 9,80665 m/s2
Erdradius am Äquator
Entfernung Erde - Mond:
Minimum (Perihel): 3.564.108 m
Maximum (Aphel): 4.067· 108 m
Entfernung Erde - Sonne: 1, 496 . 10 I I m ~f I AE
Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Experimentalphysik
Bandl
Mechanik und Wärme
3. Auflage
ISBN 3-540-43559-X
Band2
Elektrizität und Optik
2. Auflage
ISBN 3-540-65196-9
Band3
Atome, Moleküle und Festkörper
2. Auflage
ISBN 3-540-66790-3
Band4
Kern-, Teilchen-und Astrophysik
ISBN 3-540-42661-2
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik 1
Mechanik und Wärme
Dritte, neu bearbeitete und aktualisierte Auflage
Mit 594, meist zweifarbigen Abbildungen,
9 Farbtafeln, 40 Tabellen,
zahlreichen durchgerechneten Beispielen
und 167 Übungsaufgaben
mit ausführlichen Lösungen
Springer
Professor Dr. Wolfgang Demtröder
Universität Kaiserslautern
Fachbereich Physik
67663 Kaiserslautern, Deutschland
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2. Auflage
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Mailand; Paris; Tokio: Springer
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Bd. 1. Mechanik und Wärme: mit 40 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen und 167 Übungsaufgaben
mit ausführlichen Lösungen. - 3. Auf!. - 2003
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ISBN 978-3-540-43559-4 ISBN 978-3-662-08597-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-08597-4
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Umschlaggestaltung: design & production GmbH, Heidelberg
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Vorwort zur dritten Auflage
Nachdem die 2. Auflage innerhalb von 3 Jahren vergriffen war, wurde die Gelegenheit
einer neuen Auflage genutzt, um Fehler, auf die mich die Leser freundlicherweise
aufmerksam gemacht haben, zu korrigieren, einige Punkte klarer darzustellen und
vor allem durch einige neue Beispiele moderner Anwendungen der Mechanik und
Thermodynamik die Praxisrelevanz der Grundlagenphysik zu illustrieren. So wurden
z. B. der Problemkreis erneuerbarer Energien und Anwendungen des Ultraschall in
der Medizin neu aufgenommen. Auch die zur Vertiefung angegebene Literatur wurde
auf den neuesten Stand gebracht.
Viele Kollegen und Studenten haben durch ihre Zuschriften zur Verbesserung
dieses Lehrbuches beigetragen. Insbesondere Herr Dr. Staub (Technische Universität
Wien) und Herr Prof. Bergmann (Universität Kaiserslautern) haben ausführliche
Vorschläge für Korrekturen und Verbesserungen der Darstellung und mancher
Abbildungen gemacht. Ihnen allen gilt mein herzlicher Dank.
Die Firma LE-TeX in Leipzig, die den Satz und das Layout übernommen haben,
gebührt Dank und Anerkennung für die stets gute Zusammenarbeit. Ebenso danke
ich Frau Meyer und Herrn Dr. Kölsch vom Springer-Verlag für die gute Betreuung
während der Korrektur und Herstellungsphase. Der Autor hofft auch weiterhin auf
die aktive Mitarbeit seiner Leser, durch die dieses Lehrbuch möglichst optimal für
die Vermittlung der Physik und ihrer Faszination werden soll und auch immer auf
dem aktuellen Wissensstand bleiben kann.
Kaiserslautern,
im Juli 2002 Wolfgang Demträder
Vorwort zur ersten Auflage
Dieses vierbändige Lehrbuch der Experimentalphysik, dessen erster Band hiermit
vorgestellt wird, ist gedacht zur Begleitung und Vertiefung der Vorlesungen zur
Einführung in die Physik, wie sie an den meisten deutschen Universitäten bis
zum Vordiplom gehalten werden. Das Buch ist durch eine gründliche Überarbei
tung und Erweiterung von Vorlesungsskripten des Autors entstanden, die über viele
Jahre hinweg von den Studenten in Kaiserslautern benutzt wurden.
Dieses Lehrbuch soll deutlich machen, dass physikalische Erkenntnisgewin
nung auf der Entwicklung und Beschreibung von Modellen der Natur beruht,
deren experimentelle Prüfung und sukzessive Verfeinerung zu einem immer detail
lierteren Verständnis der uns umgebenden Welt und der in ihr ablaufenden Vorgän
ge führt.
Deshalb beginnt die Darstellung - nach einem einführenden Kapitel, in dem
die historische Entwicklung der Physik und ihre Bedeutung für andere Bereiche
von Wissenschaft, Kultur und Technik kurz gestreift werden und die Rolle der
Messung für ein quantitatives Verständnis der Natur illustriert wird - mit dem ein
fachsten Modell des Massenpunktes zur Beschreibung der Bewegung von Körpern
unter dem Einfluss von Kräften. Nach einer Diskussion der Darstellung von Vor
gängen in bewegten Bezugssystemen und der grundlegenden Ideen der speziellen
Relativitätstheorie werden dann im 4. Kapitel Systeme von Massenpunkten und
Stöße zwischen zwei Teilchen behandelt.
Räumliche Ausdehnung von Körpern und unterschiedliche Eigenschaften der
Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig werden dann in den Kap. 5-7 be
rücksichtigt. Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen und die zu ihrer Beschrei
bung verwendeten Modelle bilden den Inhalt des 8. Kapitels, während Kap. 9 das
technologisch wichtige Gebiet der Vakuumphysik kurz darstellt.
Zu den wichtigsten dynamischen Vorgängen in der Natur gehören Schwingun
gen und Wellenphänomene, die relativ ausführlich in Kap. 101 behandelt werden.
Wärmelehre und Thermodynamik werden hier in nur einem Kapitel relativ knapp
dargestellt, weil noch etwas Raum bleiben sollte für das neue und rasch expandie
rende Gebiet der Physik nichtlinearer Phänomene, das viele überraschende und
faszinierende Einsichten in die reale Natur bietet. Im Sinne der verfeinerten
Approximation von Modellen stellt die nichtlineare Dynamik einen großen Schritt
in der genauen, wenn auch meistens nur numerisch möglichen Beschreibung realer
Naturvorgänge dar.
Die in diesem Lehrbuch behandelten grundlegenden Begriffe und ihre Anwen
dung auf die Lösung von Problemen werden an vielen Beispielen illustriert, und
1 in der vorliegenden zweiten Auflage ist dies Kap. 11
VIII Vorwort zur ersten Auflage
Übungsaufgaben am Ende jedes Kapitels bieten dem Leser die Möglichkeit, sein
Verständnis des Stoffes selbst zu prüfen. Dazu kann er seine eigene Lösung mit den
im Anhang angegebenen Lösungen vergleichen. Dort sind auch einige Grund
begriffe der Vektorrechnung, der komplexen Zahlen und der Beschreibung von
physikalischen Vorgängen in problemangepassten Koordinatensystemen darge
stellt, um den Zugang zur mathematischen Beschreibung in diesem Lehrbuch
zu erleichtern.
Jedes Lehrbuch lebt von der kritischen Mitarbeit der Leser. Der Autor freut sich
deshalb über Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf mögliche Fehler.
Zum Schluss möchte ich allen herzlich danken, die bei der Herstellung dieses
Buches geholfen haben. Insbesondere sind hier Herr Dr. Kölsch und Frau Kaiser
vom Springer-Verlag zu nennen, die mit viel Geduld und großem Engagement den
Autor während der Herstellungsphase unterstützt haben. Frau Wollscheid hat viele
der Abbildungen gezeichnet. Frau Weyland und Frau Heider haben Teile des Ma
nuskripts geschrieben, Ihnen sei dafür ganz herzlich gedankt. Ich danke Herrn
Imsieke, der das gesamte Manuskript gelesen und durch Hinweise auf Unklar
heiten viel zur Verbesserung der Darstellung beigetragen hat. Besonderer Dank
gebührt meiner lieben Frau, die viel Verständnis gehabt hat für die zahlreichen
Arbeitswochenenden, welche für dieses Buch gebraucht wurden und die mir durch
ihre Hilfe die Zeit zum Schreiben ermöglicht hat.
Ich hoffe, dass dieses Buch nicht nur für Physikstudenten, sondern auch für
Studenten anderer Fachrichtungen, die Einführungsvorlesungen in Physik hören,
von Nutzen ist. Wenn es die Begeisterung des Autors für unser schönes Fach
auf möglichst viele Studenten übertragen kann, hat es seinen Zweck erfüllt.
Kaiserslautern,
im Mai 1994 Wolfgang Demträder
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung und Überblick
1.1 Die Bedeutung des Experimentes .............................. 1
1.2 Der Modellbegriff in der Physik ............................... 3
1.3 Historischer Rückblick ....................................... 5
1.3.1 Die antike Naturphilosophie........................... 5
1.3.2 Die Entwicklung der klassischen Physik ................ 7
1.3.3 Die modeme Physik.................................. 9
1.4 Unser heutiges physikalisches Weltbild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Beziehungen zwischen Physik und Nachbarwissenschaften ....... 15
1.5.1 Biophysik und medizinische Physik.................... 15
1.5.2 Astrophysik.......................................... 16
1.5.3 Geophysik und Meteorologie. . . . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . 16
1.5.4 Physik und Technik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.5 Physik und Philosophie ............................... 17
1.6 Die Grundgrößen in der Physik, ihre Normale und Messverfahren. 18
1.6.1 Längeneinheiten..................................... 19
1.6.2 Messverfahren für Längen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.6.3 Zeiteinheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.4 Zeitmessungen ....................................... 25
1.6.5 Masseneinheiten und ihre Messung .................... 25
1.6.6 Stoffmengeneinheit .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6.7 Temperatureinheit .................................... 26
1.6.8 Einheit der elektrischen Stromstärke ................... 27
1.6.9 Winkeleinheiten ...................................... 27
1.7 Maßsysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.8 Messgenauigkeit und Messfehler .............................. 29
1.8.1 Systematische Fehler ................................. 29
1.8.2 Statistische Fehler. Messwertverteilung und Mittelwert . . . 29
1.8.3 Streuungsmaße ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.8.4 Fehlerverteilungsgesetz ............................... 31
1.8.5 Fehlerfortpfianzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.8.6 Ausgleichsrechnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Zusammenfassung .................................................. 36
Übungs aufgaben ................................................... 37