Lehrbuch der Physik in Elementarer Darstellung

668 Pages·1928·40.836 MB·German

by  Arnold Berliner (auth.)

LEHRBUCH DER PHYSIK
IN ELEMENTARER DARSTELLUNG
VON
ARNOLD BERLINER
VIERTE AUFLAGE
MIT 802 ABBILDUNGEN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH
1928
ISBN 978-3-662-35653-1 ISBN 978-3-662-36483-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-36483-3
© SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG 1928
URSPRÜNGLICH ERSCHIENEN BEI JULIUS SPRINGER IN BERLIN 1928
SOFTCOVER REPRINT OF THE HARDCOVER 4TH EDITON 1928
ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER üBERSETZUNG
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN.
Vorwort zur vierten Auflage.
Das Buch hat seinen elementaren Charakter behalten, entsprechend seiner
Bestimmung, den angehenden Physikern als erste Einführung und allen denen
a.ls Lehrbuch zu dienen, die die Physik als Hilfswissenschaft gebrauchen, wie die
Physiologen, die Chemiker und die Ingenieure. Die neue Auflage ist gegenüber
der vorigen wesentlich umgearbeitet und erweitert worden. Es genügt, auf die
Vermehrung der Beispiele aus der Technik hinzuweisen, auf die Erweiterung der
Mechanik (Coriolisbewegung, Kreisel), auf die moderne Darstellung der Kristall
struktur, auf die Erweiterung der bereits für die vorige Auflage von den Herren
GEIGER und HENNING geschriebenen Teile und auf die neuen Abschnitte aus
der Astrophysik und der Geophysik.
Die neue Auflage hat von vielen Seiten her freundschaftliche Beratung und
Unterstützung gefunden. Der Unterzeichnete hat vor allem Herrn NERNST für
viele Hinweise zu danken, die zu Verbesserungen und Berichtigungen geführt
haben, Herrn HABER für die Niederschrift· über die Flamme, Herrn VON ROHR
für wertvolle Beratung bei der Darstellung der Lehre von den optischen Instru
menten, Herrn GERLACH für die Durchsicht der Darstellung seiner mit Herrn
STERN zusammen ausgeführten Arbeiten. Ein besonderer Dank gebührt Herrn
WEISSENBERG für die unermüdliche Beratung bei der Darstellung seines Arbeits
gebietes und für die ausgezeichnete Zusammenstellung der Kristallsystem~ und
der Translationsgitter, ferner den Herren ERWIN FREUNDLICH und G. RAMSAUER,
die die Korrekturen mitgelesen und den Verfasser auf zahlreiche verbesserungs
bedürftige Stellen aufmerksam gemacht haben. Und schließlich schuldet der
Unterzeichnete ganz besonderen Dank - eigentlich müßte er an erster Stelle
stehen- der Verlagsbuchhandlung JULIUS SPRINGER. Deren opferwilliger Für
sorge verdankt er es in allererster Linie, daß das Buch trotz der großen Auflage
nach knapp vier Jahren in der für den V erlag traditionellen ausgezeichneten
Form aufs neue erscheinen kann.
Berlin, im September 1928.
A. BERLINER.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
Einleitung ..... 1
Allgerneine Lehre von der Bewegung und der Kraft (Mechanik) 3
A. Vollkommen freie Bewegung des materiellen Punktes ..... . 3
B. Bewegung auf vorgeschriebener Bahn ........... . 43
I. Die Bewegung des materiellen Punktes wird durch eine Ebene beschränkt 43
2. Die Bewegung wird durch eine Achse beschränkt (Der starre Körper um
eine festliegende Achse drehbar gemacht) ............. . 47
Geometrische Struktur des starren Körpers . . . . . . . . . . . 52
a) Der um eine feste Achse drehbar gemachte starre Körper in Ruhe 61
Der drehbare starre Körper als einfache Maschine . . . . . 70
b) Der um eine feste Achse drehbar gemachte starre Körper in Be-
wegung •..................... . 76u.94
Planetenbewegung. - Allgemeine Massenanziehung 84
C. Allgemeine Prinzipe der Mechanik . . . . . . . . . . . . 121
D. Mechanische Eigenschaften der festen Körper . . . . . . . 135
Von den unelastisch flüssigen Körpern (tropfbaren Flüssigkeiten) und
den elastisch flüssigen (Gasen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
A (1). Gleichgewicht der tropfbaren Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . 146
(2). Gleichgewicht der Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
B. Die volumbeständige Flüssigkeit und das als volumbeständig geltende Gas in
Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . 179
I. Der Druck in der strÖmenden Flüssigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 179
2. Die Formen der Flüssigkeitsbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
C. Molekularwirkung beim Zusammentreffen von Flüssigkeiten, Gasen und festen
Körpern ..... 203
Die Wellenbewegung 216
Die Lehre vom Schall (Akustik) 234
A. Entstehung und Fortpflanzung und Wahrnehmung des Schalles 234
B. Tonhöhe ... 244
C. Klangfarbe . . . . . . . . . 249
D. Tonwerkzeuge . . . . . . . 252
E. Interferenz und Schwebungen 263
Wärme ......... . 267
A. Molekulare Wärmetheorie 267
B. Thermometrie 285
C. Veränderung der Körperdimensionen 288
D. Kalorimetrie. Spezifische Wärme 295
E. Änderung des Aggregatzustandes 306
F. Thermochemische Vorgänge 334
G. Wärmeausbreitung ..... . 346
Inhaltsverzeichnis. V
Seite
Elektrizität . . . . . . . . . . 351
A. Elektrostatik . . . . . . 351
B. Elektrokinetik . . . . . . . 378
1. Der elektrische Strom 378
2. Wärmewirkung des elektrischen Stromes. - Thermoelektrizität. 390
3. Elektrochemische Wirkungen des Stromes. - Elektromotorische Wirkung
der Ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
4. Durchgang der Elektrizität durch Gase (Gasentladungen und Ionisations-
vorgänge) . . . . . . . . . . . . . 410
Radioaktivität . . . . . . . . . 425
5. Elektromagnetismus und Magnetismus 433
6. Induktionsströme . . . . . 450
7. Elektrische Schwingungen 465
Die Lehre vom Licht (Optik) . 480
A. Geometrische Optik . . . . . 480
1. Entstehung und Ausbreitung des Lichtes . 480
2. Helligkeit . . . . . . 488
3. Spiegelung des Lichtes 494
a) Ebene Spiegel. . . 494
b) Kugelspiegel 499
4. Brechung und Farbenzerstreuung des Lichtes . 503
a) Brechung durch ebene Flächen 509
~X) Einfache Brechung . . . . 508
{J) Doppelbrechung . . . . . 517
b) Brechung durch Kugelflächen 522
5. Die Abbildung und ihre Verwirklichung durch die optischen Instrumente 513
6. Die optischen Instrumente . . . . . . . . . . . . . . . 554
:B. Physikalische Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
I. Die Interferenzerscheinungen und die Beugung des Lichtes 565
2. Die Polarisation des Lichtes 579
3. Absorption und Emission . . . . . . . 591
4. Röntgenstrahlen . . . . . . . . . . . 610
5. Spektralanalytischer Aufbau des Atoms 617
Namenverzeichnis . 635
Sachverzeichnis. . 644
Einleitung.
HEL'MHOLTZ bezeichnet in der Abhandlung über die Erhaltung der Kraft als
Aufgabe der physikalischen Naturwissenschaften die Aufsuchung der Gesetze,
durch die die einzelnen Vorgänge in der Natur auf allgemeine Regeln zurück
geleitet und aus den Regeln wieder bestimmt werden können. - Um die ein
zelnen Vorgänge auf allgemeine Regeln zurückführen zu können, muß man sie
unter möglichst vielfach abgeänderten Bedingungen beobachten. Die Beobach
tung lehrt dann erstens, was sich mit der Veränderung der Bedingungen an den
Erscheinungen ändert, zweitens was trotzdem an ihnen unverändert bleibt. Auf
diese Weise lehrt die Erfahrung das Regelmäßige an den Erscheinungen kennen
und ebenso das Regellose, Zufällige; die von GALILEI aufgestellten Gesetze der
Fallbewegung sind derartige Regeln, die aus den Beobachtungen abgeleitet worden
sind und die unter gegebenen Voraussetzungen zu bestimmten Voraussagen er
mächtigen. Wo man die Zusammengehörigkeit von Vorgängen nicht vollkommen
kennt, wie bei den meisten meteorologischen Erscheinungen, kann man keine Regel
aufstellen und daher nicht voraussagen, was unter gegebenen Bedingungen ge
schehen wird. Wenn wir aber ein Gesetz erkannt haben, und "wenn wir uns ver
gewissern können, daß die Bedingungen eingetreten sind, unter denen das Gesetz
zu wirken hat, so müssen wir auch den Erfolg eintreten sehen, ohne Willkür, ohne
Wahl, ohne unser Zutun mit einer die Dinge der Außenwelt ebensogut wie unser
Wahrnehmen zwingenden Notwendigkeit. So tritt uns das Gesetz als eine ob
jektive Macht entgegen, und demgemäß nennen wir es Kraft. Wir objektivieren
z. B. das Gesetz der Lichtbrechung als eine Lichtbrechungskraft der durchsich
tigen Substanzen, das Gesetz der chemischen Wahlverwandtschaften als eine
Verwandtschaftskraft der verschiedenen Stoffe zueinander" (HELMHOLTZ).
"Die Gesetze aufsuchen" bedeutet also schließlich "die Kräfte aufsuchen",
die die Erscheinung hervorrufen. Die Erscheinungen selbst aber, so verschieden
sie auch sind, lassen sich alle, wenigstens theoretisch, auf eine Form zurückführen:
auf Bewegungserscheinungen. Die Körperwelt, an der wir sie wahrnehmen, ist
zwar aus den chemischen Elementen aufgebaut, und chemische Vorgänge haben
scheinbar mit Bewegung nichts zu tun, aber wenn wir uns die Körperwelt in die
chemischen Elemente aufgelöst denken, so sind einzig Umgruppierungen der
Elemente in ihr denkbar. Die Erscheinungen offenbaren sich dadurch unter
schiedslos als Bewegungserscheinungen, die Gesetze als Bewegungsgesetze, die
Kräfte als Bewegungskräfte1•
1 Die .Ansicht, daß alle physikalischen Vorgänge sich auf Bewegungen unveränderlicher
gleichartiger Massenpunkte zurückführen lassen, ist die mechaniBche Naturanschauung. Sie
hat die Physik seit der Mitte des vorigen Jahrhunderts am stärksten gefördert. I~ den
letzten zwei Jahrzehnten führt die Entwicklung hinweg von ihr (weil die Natur des Athers
mechanisch nicht zu begreifen ist und weil die elektrodynamischen Vorgänge im freien .Äther
aus einer einheitlichen mechanischen Hypothese nicht abzuleiten sind). Der Lernende findet
aber an ilirem Grundgedanken einen so deutlichen Wegweiser, daß es unzweckmäßig wäre,
ihn auf einem anderen Wege in die Physik einzuführen.
Berliner, Physik. 4. Auf!. 1
2 Einleitung.
Wenn nun damit auch das Ziel der Forschung erkannt ist, so ist die Physik
als Ganzes doch noch weit davon entfernt. Wo die Zurückführung auf Bewegungs
vorgänge noch nicht gelungen ist, nehmen wir aber nicht an, daß sie unmöglich
ist, sondern nur, daß sie bei dem gegenwärtigen Stande der Wissenschaft noch
nicht möglich ist. Es ist ja auch erst im letzten Jahrhundert geglückt, den "Wärme
stoff" zu beseitigen und zu beweisen, daß Wärme eine Art Bewegung ist. - Die
einzelnen Gebiete der Physik sind desto vollkommener erschlossen, je mehr von
den zu ihnen gehörenden Erscheinungen aus Bewegungsgesetzen begriffen werden
konnten, wenn auch der mechanische Hergang nicht immer bis in die letzten
Einzelheiten verfolgt werden kann. Wir wissen z. B., daß die Gruppierung der
selben Massenteilchen im Eise anders ist als im Wasser. Wir wissen sogar, daß
sie im Eise regelmäßiger ist. Wir wissen aber nicht, wie die Umgruppierung vor
sich geht, die den Unterschied zwischen Wasser und Eis kennzeichnet, obwohl
wir die Bedingungen für die Umwandlung von Wasser in Eis oder von Eis in
WassPr gut kennen.
Dem Ziel am nächsten sind diejenigen Gebiete der Physik, in denen man
die Vorgänge als Bewegungen sehen und messen kann - allen voran die .Astro
nomie; die vollkommene Kenntnis eines Vorganges bezeichnet man geradezu
als "astronomische". Die Astronomie hat ihre Vollkommenheit nur allmählich
erreicht durch die planmäßige Erforschung der weniger verwickelten Bewegungs
erscheinungen am Himmel. Auch die "astronomische" Kenntnis der anderen
physikalischen Vorgänge ist, wenn überhaupt, nur durch die vorbereitende
Kenntnis einfacher Bewegungsvorgänge zu erreichen. An ihnen, z. B. der Be
wegung fallender Körper, hat G.A.LILEI die grundlegenden Begrüfe der Lehre von
der Bewegung ursprünglich abgeleitet und die Grundlagen der strengen physi
kalischen Forschung erkannt. Und deswegen ist das Studium einfacher Bl!wegungs
vorgänge der 'natürliche Anfang für das Studium der Physik.
Allgemeine Lehre von der Bewegung nnd der Kraft
(l\Iechanik ).
A. Vollkommen freie Bewegung.
Was ist Bewegung1 Ort eines materiellen Punktes relativ zu seiner Umgebung.
Alle Dinge, die wir "in Bewegung" sehen, sehen wir ihren Ort relativ zu ihrer
Umgebung verändern. Wir definieren daher die Bewegung eines Dinges als den
Vorgang, durch den es seinen Ort relativ zu seiner Umgebung ändert. Um die
folgenden Betrachtungen zu vereinfachen, stellen wir uns vor, es gebe nur einen
Körper im Raume, und dieser sei so klein, daß er als Punkt gelten darf. Man
nennt ihn einen materiellen Punkt. Ehe man von der Änderung seines Ortes
relativ zur Umgebung sprechen kann, muß man wissen, wodurch sein Ort über
haupt bestimmt ist, und wodurch man diesen Ort von einem anderen unter
scheiden kann. -Wir können den Ort eines Punktes relativ zu seiner Umgebung
nur dann eindeutig angeben, wenn uns dazu ein Bezugsystem zur Verfügung steht,
d. h. wenn wir uns auf andere Punkte, Linien und Flächen beziehen können, die
bekannt sind und die als unverrückbar gelten dürfen, wie z. B. wenn man die
geographische Lage eines Punktes dana.ch angibt, ob er nördlich oder südlich
vom Äquator, östlich oder westlich vom Nullmeridian, über oder unter dem
Meeresspiegel liegt. Hier bilden Äquator, Nullmeridian und Meeresspiegel das
Bezugsystem. Wir sind zu dieser "relativen" Ortsbestimmung berechtigt. DiP
Erde bewegt sich zwar selbst, aber alles, was sich auf ihr befindet, macht ihre
Bewegung mitl, und daher bleibt der Abstand der geographischen Punkte vom
Äquator, vom Nullmeridian, vom Meeresspiegel und auch allen anderen Linien und
Ebenen, die lediglich die Erdbewegung mitmachen, unverändert.
Beim Studium mathematischer und physika- •Y
lischer Fragen bezieht man sich auf ein anderes, will- ~
kürlieh gewähltes System von Linien und Flächen. ll-x,yJ ~-_x---j''tx.yJ
.r:
Handelt es sich um Punkte in einer Ebene, z. B. in 1-------~
der Druckseite dieses Buches, so zieht man (das ist -x ' "" ' •x
nur eine von v1•e 1e n M eth o de n )z wei· zue·m an de r sen k- ll-x.-y\ r---- 11 Abszissenachse
rechte Gerade XX und YY (Abb. 1). Man nennt i
-----'f'tx, -y;
Rie die Koordinatenachsen, ihren Schnittpunkt den -y
Anfangspunkt oder Nullpunkt des Systems, die Ab- Abb.l. Rechtwinkliges Koordinaten
stände der Punkte P von den Achsen (mit den Vor- systemals Bezugsystem zur Angabe
+ des Ortes eines Punktes P in der
zeichen oder -, je nach ihrer Lage relativ zu Ebene der Koordinatenachsen.
den Achsen) ihre Koordinaten (Abszissen, Ordina-
ten). Das Ganze heißt ein Koordinatensystem. Man beschreibt die Lage eines
Punktes P danach, ob er über oder unter XX, und gleichzeitig, ob er rechts oder
I Wir sprechen von Sonnenaufgang, Sonnenuntergang, Durchgang der Sonne durch den
Meridian, obwohl wir die Bewegung der Erde a,ls ihre Ursache bezeichnen. Daran sehen wir,
wie wenig wir uns der Bewegung der Erde bewußt sind. Der Widerstand, den KOPERNIK.ua
zuerst gefunden hat, erklärt sich zum großen Teile daraus, wie schwer es ist, sich von dea~
sinnlichen Eindruck freizumachen, daß die Erde stillstehe.
1*
4 Längenmessung.
link..'! von YY liegt. Aber wie weit nach rechts oder links? Um das zu erfahren,
müssen wir seinen Abstand von ihnen messen können.
Längenmessung. Längeneinheit. Jede Messung
+Z ist eine Vergleichung der zu messenden Größe
,.Y 11:tx;p, mit einer als Grundmaß festgesetzten Größe der
selben Art. Für die Messung des geradlinigen Ab
--x- 7I staudes zweier Punkte voneinander hat man die
-x-----,1"--_._/_/Y_",x Länge des Meters als Grundmaß festgesetzt. Das
Meter (m) ist der geradlinige gegenseitige Abstand
zweier Strichmarken, auf einem Platiniridium
stabe, den das Bureau International des Poids et
-y
Mesures zu Paris als Urnormale aufbewahrt und
-z der bei der Temperatur des schmelzenden Eises an-
sAybsbte. ru2 . alsR Becehztuwgisnyksltiegmes zuKr oAonrgdainbea tdeens· na·· h ernd de n ze hn m~."1 1I" Ons t en T e1" 1 d es Ab s t an d es
Ortes eines Punktes P im Raume durch eines Erdpoles vom Aquator längs dem Meridian
die Koordinaten x y z. gemessen, repra.. senti· ert 1 . De' r h und ertste T e1" I d es
Meters, das Zentimeter (cm), wird für physikalische Messungen als Längenein
heit benützt. Das Meter ist also eine willkürlich festgesetzte, aber eindeutige
durch Kopie der Urnormale als Maßstab herstellbare Norm für Längen-
messungen.
Das Meter bezieht sich auf die Erddimensionen; wenn eine kosmische Revolution die
Erde träfe, würden sich ihre Dimensionen in unbekanntem Grade verändern. Aber die
Wellenlänge des Lichtes bliebe unverändert, und das Meter wäre daraus stets rekonstruierbar.
Man hat vorgeschlagen (zuerst BABINET, 1829), die Wellenlänge einer bestimmtenLichtart,
z. B. die einer bestimmten F:RAUNHOFER-Linie, als eine natürliche Längeneinheit anzunehmen.
Nach MICHELBON (1895) enthält 1m von dem roten Kadmiumlicht (Wellenlänge 643,85 f.lf.l)
1553163,5 Wellen; von dem blauen (Wellenlänge 480,00 f.lf.l) 2083372,1 Wellen.
Um zuverlässig zu sein, muß ein Maßstab des alltäglichen Gebrauchs von der Tempe
ratur möglichst wenig abhängig sein und möglichst wenig von der Luftfeuchtigkeit. Mate
rialien für bessere Maßstäbe sind-nach abnehmender Wärmeausdehnung geordnet-Messing,
Silber, Neusilber, Stahl, Glas, Nickelstahl (Invar). Für Maßstäbe gebräuchliche Hölzer sind
- geordnet nach zunehmender Brauchbarkeit hinsichtlich der hygroskopischen Beschaffenheit
- Pappel, Eiche, Mahagoni, Buche, Kiefer, Linde, Ahorn, Fichte. Unbrauchbar ist Nuß-
baum.
Nonius. Die kleinste Einheit, in die man die Maßstäbe für den alltäglichen Gebrauch
einteilt, ist das Millimeter. Um an Präzisionsmaßstäben Bruchteile von Millimetern genau
ermitteln zu können, benützt man den Nonius
A 8 (Abb. 3). Das ist ein Hilfsmaßstab, dessen kleinste
l
~ ~ 3Z 33 Einheit um einrud"'ti~too Bemilitoil klein•d•t
_ 1'1111 s1;' I!' I1' ~1 1 1 1 1 111 1 1I 1 11 1 1 1 dalesr dläien gksl edinesst eH Eaiunphtemita ßdessta Hbeasu pvtemrsacßhsiteabbbeasr uinstd.
C 0 Um Zehntelmillimeter zu messen, benützt man
Abb. 3. Nonius. Znr Ermittlung der Zehntel- e~nen Nonius, in de~ 10 In~erv~lle gleich ~-mm
millimeter bei der Messung mit einem in Milli- smd, d. h. dessen klemste Einheit 1/10 mm kurzer
meter geteilten Maßstabe. ist als die der Hauptteilung. Bei der Messung
läßt man den Nullstrich des Hauptmaßstabes mit
dem einen Ende der zu messenden Länge zusammenfallen; fällt ihr anderes Ende, 0, zwiBchen
zwei Millimeterstriche hinein, so verschiebt man den Nonius längs des Hauptmaßstabes, bis
Bein Nullstrich mit diesem Ende zusammenfällt, so daß also der Nonius-Nullstrich zwischen
denselben zwei Millimeterstrichen liegt. Die Zahl der ganzen Millimeter liest man dann
am Hauptmaßstabe ab. Wieviel Zehntelmillimeter liegt nun der Nonins-Nullstrich von die
sem abgelesenen Millimeterstrich (310) entfernt? Man sucht denjenigen Teilstrich des Nonius,
der mit einem Teilstrich der Hauptteilung zusammenfällt. Ist es z. B. der sechste, so heißt
das:: der Nullpunkt liegt um 6/10 mm von jenem abgelesenen Millimeterstrich entfernt. Denn
1 Tatsächlich entspricht der Meterstab des Bureau International nur annähernd der
Definition, die er verkörpern soll: er stellt nicht die Länge von 1. 10-7 Erdquadrant dar,
sondern von 0,999914 • 10-7 Erdquadrant. Aber für die praktische Anwendung ist die Ab
weiehung belanglos, und für die Wissenschaft ist nur die Konstanz des Grundmaßes wichtig.