Table Of ContentDieter Meschede Hrsg.
Ger thsen
Physik
25. Aufl age
Springer-Lehrbuch
Dieter Meschede
Gerthsen Physik
25. Auflage
Bis zur 20. Auflage betreut von Helmut Vogel
Herausgeber
ProfessorDr.DieterMeschede
InstitutfürAngewandtePhysik
UniversitätBonn
WegelerStraße8
53115Bonn
Deutschland
e-mail:[email protected]
ISSN0937-7433
ISBN978-3-662-45976-8 ISBN978-3-662-45977-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-45977-5
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dia(www.springer.com)
Vorwort zur 25. Auflage
„DiesesBuchistausNiederschriftenhervorgegangen,die verwendenkann.HeutewillderGerthsendazubeitragen,
ichimStudienjahr/denHörernmeinerVorlesun- dieBildungsinhaltedesPhysikstudiumsnichtalleinaufdie
genüberExperimentalphysikanderUniversitätBerlinaus- prüfungsrelevantenThemender neuenBachelor-Master-
gehändigt habe. Sie sollten den drückenden Mangel an Struktur zu verengen, sondern auch die perspektivische
Lehrbüchern der Physik überwindenhelfen. Diesem Ur- SichtaufweiterebedeutendeKonzepte–zumBeispieldie
sprungverdanktdasBuchseineninmancherHinsichtvom Himmelsmechanik–undderenEntwicklunginderzeitge-
üblichenabweichendenCharakter.EserhebtnichtdenAn- nössischenWissenschaftimBlickzubehalten.Dievorlie-
spruch,einLehrbuchzusein,dessenStudiumeineVorle- gende.Auflagebleibtdahergegenüberder.unverän-
sungzuersetzenvermag.Essollnichtstatt,sondernneben dert.
einerVorlesungverwendetwerden.“,soChristianGerth- DieAufgabenbleibenintegralerundhochgeschätzter
seninseinemVorwortzur.Auflagevon. Bestandteildes„Gerthsen“.SiesindinderPrintausgabeauf
Der „Gerthsen“ hat von Beginn an einen zeitlosen, ausgewählteBeispielereduziert,dervollständigeAufgaben-
bereits formuliertenAnspruchvertreten:Erwill ein KatalogbleibtalsExtra-Materialunterextra.springer.com
verlässlicherBegleitersein,denmanzurkompaktenPrü- verfugbarundwirdweiterentwickelt.
fungsvorbereitungebensowiespäteralsNachschlagewerk
Prof.Dr.DieterMeschede
Vorwort des Verlags zur 25. Auflage
Der„Gerthsen“istseitJahrzehnteneinesderbeliebtesten Für die . Auflage sind dann deutliche Neuerungen
Standardwerke für das Physikstudium. Grund dafür ist geplant,umden„Gerthsen“besseranstudentischeBedürf-
unteranderemdiebesondereThemenvielfaltunddieVoll- nisse des Bachelorstudiums anzupassen. Dieses neue
ständigkeitdesInhaltes:wennStudenteneinspeziellesphy- KonzeptistjedochaufwändigundbedarflängererBearbei-
sikalisches Problem suchen, eine bestimmte Konstante tungszeitbiszurFertigstellung,sodassunsereLesersich
nachschlagenmöchtenodereineexperimentelleMethode biszurNeuauflagenocheinpaarJahregeduldenmüssen.
verstehenmüssen, werden sie dazu etwas im „Gerthsen“ UmauchinderZwischenzeitden„Gerthsen“verfügbarzu
finden. Somit ist und bleibt der Gerthsen bis heute halten, hat der Verlag diese . Auflage nun für unsere
das bekannteste Nachschlagewerk der Experimental- LeseraufdenMarktgebracht.
physik. WieimmerfreutderVerlagsichüberFeedback.Unsere
Inder.Auflagedes„Gerthsen“istderVerlagseinen Leser wissen am besten, wie der „Gerthsen“ noch
Lesernpreislichentgegengekommen–füreinenstuden- besserwerdenkann.SchreibenSiedazugernejederzeitan
tisch-freundlichen Preis gibt es auf über Seiten das dasPhysiklektoratbeiSpringerSpektrum.Wirwünschen
kompletteWissenfürsStudiummitvielenAufgabenund IhnenvielFreudebeimLesenundEntdecken,beimNach-
durchgerechnetenBeispielen. schlagen,RechnenundLernen.
MargitMaly&VeraSpillner,
LektoratfürPhysikbeiSpringerSpektrum
Vorwort zur 24. Auflage
„DiesesBuchistausNiederschriftenhervorgegangen,die ger wichtige Themen ohne Erhöhung der Seitenzahl zu
ichimStudienjahr/denHörernmeinerVorlesun- berücksichtigen.DemKapitelüberNichtlineareDynamik
gen über Experimentalphysik an der Universität Berlin wurdenunderinderLogikderThemenangemessenePlatz
ausgehändigt habe. Sie sollten den drückenden Mangel zugeordnet.
an Lehrbüchern der Physik überwinden helfen. Diesem UmdenZugangzudenThemenzuerleichtern,umdie
UrsprungverdanktdasBuchseineninmancherHinsicht Lesbarkeitzuerhöhen,wurdeeinneues,zweispaltigesFor-
vom üblichen abweichenden Charakter. Es erhebt nicht matmitneuerFarbgestaltungunddervorsichtigerweiter-
denAnspruch,einLehrbuchzusein,dessenStudiumeine tenVerwendungdesVierfarbdrucksgewählt.InderNeu-
Vorlesungzuersetzenvermag.Essollnichtstatt,sondern auflagesindeinzelneKapitelmiteinem M für„Masterstu-
nebeneinerVorlesungverwendetwerden.“ dium“ gekennzeichnet,um derUmstellungdes Studiums
SoleiteteC.GerthsenseinVorwortzur.Auflage aufdieBachelor-Master-StrukturRechnungzutragen.
ein. Mehr als Jahre später spielen Mangelsituationen DieAufgaben,dieintegralerBestandteildes„Gerthsen“
keineRolleinderKonzeptionvonLehrbüchern.Stattdes- sind,wurdeninderPrintausgabeaufausgewählteBeispie-
senwirddiedynamischeEntwicklungdesVerhältnisseszu le reduziert, der vollständige Aufgaben-Katalog ist nun
denelektronischenMedienindenkommendenJahreneine alsExtra-Materialunterextra.springer.comverfügbarund
wichtigeRollespielen.Der„Gerthsen“erhebtdarineinen wirdweiterentwickelt.BeiderverlegerischenUmsetzung
zeitlosen,imzweitenAbsatzdeserstenVorwortes bereits der neuen Auflage haben sich viele Personen engagiert,
formulierten Anspruch: Er will ein verlässlicher Beglei- ich bedanke mich stellvertretendbeiHerrn Dr. Thorsten
ter sein, den man zur kompakten Prüfungsvorbereitung SchneidervomSpringer-Verlag, beidemTeamvonle-tex
ebensowiespäteralsNachschlagewerkverwendenkann. publishing servicesGmbH,beidemgeschätztenKommi-
ZeitlosigkeitistnichtgleichzusetzenmitStillstand.Für litonenUlrichWalterfürdasDurchsehenderAbschnitte
dieseNeuauflagewurdendieerstenvierKapitel–voll- zur Himmelsmechanik, in besonderer Weise bei Herrn
ständig neu bearbeitet. Die klassischen Inhalte ändern Dr. Remmer Meyer-Fennekohl, der mit unermüdlichem
sichdabeinurunwesentlich,wohlaberderenDarstellung Eifer geholfen hat, Unklarheiten und Fehler in den neu
und ihre Bezüge. Neuee-Unterkapitelerlaubenes, weni- gestaltetenKapitelnzuvermeiden.
Bonn,August DieterMeschede
Inhaltsverzeichnis
0 Einführung .. Anwendungen
0.1 ExperimentundTheorie ............... 2 vonEnergie-undImpulssatz...... 33
0.2 MessenundMaße ..................... 2 .. Stoßgesetze...................... 34
.. Messen.......................... 2 1.6 PhasenraumundErhaltungssätze ...... 37
.. KalibrierenundNormale ......... 2 .. Impulsraum ..................... 37
.. Maßeinheiten.................... 2 .. Phasenraum..................... 39
.. Meter,Sekunde,Kilogramm ...... 3 .. HamiltonsMechanik............. 39
0.3 DatenanalyseundMessunsicherheit ... 7 .. InvarianzenundErhaltungssätze .. 40
.. NormalverteilungundMessfehler . 8 .. DerVirialsatz.................... 40
.. Messfehler ...................... 9 1.7 KräfteinbewegtenBezugssystemen ... 41
.. Fehlerfortpflanzung .............. 9 .. KontaktkräfteundFernkräfte ..... 41
.. LineareRegression............... 9 .. Inertialsysteme .................. 42
0.4 GraphischeDarstellung .. RotierendeBezugssysteme........ 42
physikalischerZusammenhänge ....... 10 .. CorioliskraftundFoucault-Effekt.. 43
0.5 Fermi-Probleme........................ 11 1.8 GravitationundHimmelsmechanik..... 45
Aufgaben ................................... 12 .. AufstiegimSchwerefeld .......... 45
.. DasGravitationsgesetz ........... 45
1 MechanikderMassenpunkte .. Äquivalenzvonträgerund
schwererMasse.................. 47
1.1 Kinematik ............................. 14
.. DasGravitationsfeld ............. 48
.. OrtsvektorundBezugssystem..... 14
.. Gravitationspotentialausgedehnter
.. Geschwindigkeit................. 14
Körper.......................... 49
.. Beschleunigung.................. 16
.. Gezeitenkräfte................... 50
1.2 DynamikundStatik.................... 16
.. Zwei-Körper-Probleme........... 51
.. Trägheit......................... 16
.. Planetenbahnen ................. 52
.. KraftundMasse ................. 17
.. Himmelsmechanik............... 55
.. Maßeinheiten.................... 18
.. Bahnstörungen .................. 56
.. NewtonsAxiome ................ 18
.. BahnstörungenvonPlaneten...... 58
1.3 EinfacheBewegungen ................. 19
1.9 Reibung ............................... 60
.. Diegleichmäßigbeschleunigte
.. Reibungsmechanismen........... 60
Bewegung....................... 19
.. BewegungunterReibungseinfluss . 62
.. DiegleichförmigeKreisbewegung . 21
.. FlugvonGeschossen............. 62
.. DieharmonischeSchwingung..... 23
1.4 ImpulseundKraftstöße ................ 25 .. DietechnischeBedeutung
derReibung ..................... 63
.. Impuls .......................... 25
1.5 Arbeit,Energie,Leistung ............... 26 1.10 OffeneFragenundGrenzen ............ 65
Aufgaben ................................... 67
.. Arbeit........................... 26
.. KinetischeEnergie ............... 28
2 MechanikdesstarrenKörpers
.. Kraftfelder ...................... 28
.. PotentielleEnergie ............... 29 2.1 TranslationundRotation............... 70
.. DerEnergiesatz.................. 31 .. Bewegungsmöglichkeiten
.. Leistung......................... 32 einesstarrenKörpers............. 70
.. DrehimpulsundFlächensatz...... 32 .. FreiheitsgradedesstarrenKörpers. 71
Inhaltsverzeichnis
2.2 DrehmomenteundGleichgewicht...... 71 .. DieMaxwellsche
.. InfinitesimaleDrehungen......... 71 Geschwindigkeitsverteilung....... 108
.. HebelgesetzundDrehmoment.... 72 .. MittlerefreieWeglängeund
.. HilfskräfteundLinienflüchtigkeit . 73 Wirkungsquerschnitt............. 110
.. Kräftepaare...................... 73 .. ViskositätundinnereReibung .... 111
.. Gleichgewichtsbedingungen ...... 74 3.4 Strömungen ........................... 112
.. Schwerpunkt .................... 75 .. Strömungen,QuellenundSenken . 112
.. GleichgewichtschwererKörper ... 76 .. Druckkräfte ..................... 115
.. EinfacheMaschinen.............. 76 .. IdealeFlüssigkeiten .............. 115
.. VirtuelleVerschiebungen......... 78 .. AnwendungenderBernoulli-
2.3 DynamikdesstarrenKörpers........... 78 Gleichung....................... 116
.. DieWinkelgeschwindigkeit....... 79 .. RotationundZirkulation ......... 118
.. DasTrägheitsmoment............ 79 .. Wirbel .......................... 120
.. SteinerscherSatzundDrehachsen. 80 .. Potentialströmungen ............. 121
.. DerDrehimpuls ................. 81 .. DieMagnus-Kraft................ 123
.. DerDrehimpulssatz.............. 82 3.5 ViskoseStrömungen ................... 123
.. BewegungsgleichungderRotation. 83 .. Reibungskräfte................... 123
.. Vorschau: .. LaminareStrömungen............ 124
MikroskopischeDrehimpulse..... 84 .. Strömungswiderstände ........... 126
.. Rotationsenergie................. 85 .. WarumkönnenFlugzeugefliegen? 128
2.4 DieBewegungdesstarrenKörpers ..... 85 .. TurbulenzundReynoldszahl...... 129
.. Gleichmäßigbeschleunigte .. Navier-Stokes-Gleichung ......... 130
Rotation ........................ 85 3.6 Vakuum ............................... 131
.. RotationaufderschiefenEbene... 85 .. BedeutungderVakuumtechnik ... 131
.. Drehschwingungen .............. 86 .. Vakuumpumpen................. 132
.. Kippung ........................ 87 .. StrömungverdünnterGase ....... 134
.. FreieAchsen..................... 88 .. Vakuum-Messgeräte.............. 135
.. Euler-Gleichungen............... 90 Aufgaben ................................... 137
2.5 Kreisel................................. 90
.. KräftefreierKreisel,Nutation ..... 90 4 DeformierbareKörper,Schwingungen
.. SchwereKreisel,Präzession....... 92 undWellen
.. Kreiseleigenschaften 4.1 DerdeformierbarefesteKörper ........ 140
desErdkörpers .................. 94 .. DehnungundKompression....... 140
2.6 OffeneFragen ......................... 96 .. Scherung........................ 141
Aufgaben ................................... 97 .. ZusammenhangzwischenE-Modul
undG-Modul ................... 142
3 MechanikvonFluiden
.. AnelastischesVerhalten .......... 143
3.1 Derfeste,flüssige .. ElastischeEnergie................ 144
undgasförmigeZustand ............... 100 .. WiebiegensichdieBalken?....... 144
3.2 DruckinruhendenFlüssigkeiten .. Härte ........................... 145
undGasen............................. 101 4.2 Schwingungen......................... 145
.. DruckundKompressibilität....... 101 .. ÜberlagerungvonSchwingungen . 146
.. DerSchweredruck ............... 102 .. GedämpfteSchwingungen ........ 154
.. Gasdruck ....................... 105 .. ErzwungeneSinusschwingungen .. 158
.. DerAtmosphärendruck .......... 106 .. Amplituden-undPhasen-
3.3 GrundlagenderkinetischenGastheorie 107 modulation...................... 162
.. DerDruckderMoleküle.......... 107 4.3 Wellen................................. 163
.. DieBoltzmann-Verteilung ........ 108 .. BeschreibungvonWellen......... 163
Inhaltsverzeichnis viii/ix
.. DieWellengleichung ............. 164 5.3 BiologischeundchemischeSysteme.... 227
.. ElastischeWellen ................ 164 .. Populationsdynamik ............. 227
.. ÜberlagerungvonWellen......... 166 .. EinfacheökologischeModelle..... 232
.. IntensitäteinerWelle............. 170 .. KinetischeProbleme ............. 235
4.4 Wellenausbreitung..................... 172 5.4 ChaosundOrdnung ................... 239
.. Streuung ........................ 172 .. EinfacheWegeinsChaos ......... 239
.. DasPrinzipvonHuygens-Fresnel . 173 .. ChaosundFraktale .............. 240
.. DasPrinzipvonFermat .......... 174 .. IterativesGleichungslösen ........ 245
.. Beugung ........................ 176 .. ChaosimKochtopf .............. 246
.. Doppler-Effekt;Mach-Wellen ..... 177 Aufgaben ................................... 249
.. Absorption...................... 178
6 Wärme
.. Stoßwellen ...................... 179
4.5 Eigenschwingungen ................... 180 6.1 WärmeenergieundTemperatur ........ 252
.. GekoppeltePendel ............... 181 .. WasistWärme?.................. 252
.. WellenimKristallgitter; .. Temperatur...................... 253
dieKlein-Gordon-Gleichung...... 182 .. BrownscheBewegung ............ 254
.. StehendeelastischeWellen........ 183 .. DieBoltzmann-Verteilung(II) .... 255
.. EigenschwingungenvonPlatten, .. Freiheitsgrade ................... 256
MembranenundHohlräumen .... 186 6.2 ThermometerundWärmekapazität .... 257
.. Entartung ....................... 188 .. Thermometer.................... 257
4.6 Schallwellen ........................... 189 .. Wärmekapazität ................. 258
.. Kalorimeter ..................... 260
.. Schallmessungen................. 190
6.3 IdealeGase ............................ 261
.. TöneundKlänge................. 192
.. DieZustandsgleichungidealerGase 261
.. Lautstärke....................... 193
.. Der.HauptsatzderWärmelehre.. 262
.. DasOhr......................... 195
.. c undc beiGasen.............. 263
.. UltraschallundHyperschall ...... 196 V p
.. AdiabatischeZustandsänderungen 263
4.7 Oberflächen ........................... 197
.. Druckarbeit ..................... 266
.. DieGestaltvonFlüssigkeits-
6.4 Wärmekraftmaschinen................. 266
oberflächen...................... 197
.. ThermischeEnergiewandler ...... 266
.. Oberflächenspannung............ 197
.. Arbeitsdiagramme ............... 267
.. Oberflächenwellen
.. Wirkungsgradvonthermischen
aufFlüssigkeiten................. 203
Energiewandlern................. 268
Aufgaben ................................... 208
6.5 WärmeleitungundDiffusion ........... 270
.. Mechanismen
5 NichtlineareDynamik
desWärmetransportes............ 270
5.1 Stabilität............................... 212 .. DieGesetzederWärmeleitung .... 271
.. DynamischeSysteme............. 212 .. Wärmeübergang
.. StabilitätvonFixpunkten ......... 214 undWärmedurchgang............ 275
.. DerPhasenraum .. WärmetransportdurchKonvektion 276
deterministischerSysteme ........ 215 .. DiffusioninGasenundLösungen . 277
5.2 NichtlineareSchwingungen............ 218 .. Transportphänomene ............ 278
.. PendelmitgroßerAmplitude ..... 218 6.6 Entropie ............................... 281
.. ErzwungeneSchwingungen .. Irreversibilität ................... 281
mitnichtlinearerRückstellkraft.... 219 .. WahrscheinlichkeitundEntropie.. 282
.. SelbsterregteSchwingungen ...... 223 .. EntropieundWärmeenergie ...... 283
.. Parametrische .. BerechnungvonEntropien ....... 284
Schwingungserregung............ 226 .. Der.HauptsatzderWärmelehre . 286
Inhaltsverzeichnis
.. ReversibleKreisprozesse.......... 287 7.3 Gleichströme .......................... 340
.. Dasthermodynamische .. Stromstärke ..................... 341
Gleichgewicht ................... 289 .. DasohmscheGesetz ............. 342
.. ChemischeEnergie............... 292 .. EnergieundLeistung
.. FreieEnergie,Helmholtz-Gleichung elektrischerStröme............... 344
und.HauptsatzderWärmelehre . 294 .. Gleichstromtechnik .............. 344
6.7 Aggregatzustände ..................... 296 7.4 MechanismenderelektrischenLeitung. 348
.. Koexistenz .. NachweisfreierElektronen
vonFlüssigkeitundDampf ....... 296 inMetallen...................... 348
.. KoexistenzvonFestkörper .. ElektronentransportinMetallen... 349
undFlüssigkeit .................. 301 .. ElektrischeLeitfähigkeit.......... 350
.. KoexistenzdreierPhasen ......... 301 .. Elektrolyse ...................... 352
.. RealeGase ...................... 302 .. ElektrolytischeLeitfähigkeit ...... 354
.. KinetischeDeutung .. Ionenwolken;
dervanderWaals-Gleichung...... 304 elektrochemischesPotential....... 357
.. Joule-Thomson-Effekt; 7.5 GalvanischeElemente.................. 361
Gasverflüssigung................. 305 .. Ionengleichgewichtund
.. ErzeugungtiefsterTemperaturen.. 306 Nernst-Gleichung................ 361
6.8 Lösungen.............................. 308 .. AuflösungvonMetallionen....... 361
.. Grundbegriffe ................... 308 .. GalvanischeElemente............ 362
.. Osmose......................... 309 .. GalvanischePolarisation.......... 362
.. Dampfdrucksenkung............. 309 .. Polarisationund
Oberflächenspannung............ 363
.. Destillation...................... 310
Aufgaben ................................... 312 7.6 Thermoelektrizität ..................... 364
.. DerSeebeck-Effekt............... 364
7 Elektromagnetismus: .. Peltier-Effekt
undThomson-Effekt ............. 366
LadungenundStröme
7.7 StrömeundFelder ..................... 367
7.1 Elektrostatik ........................... 316
.. Elektrostatik..................... 367
.. ElektrischeLadungen ............ 316
.. Lorentz-KraftundMagnetfeld .... 368
.. DaselektrischeFeld.............. 317
.. KräfteaufStrömeimMagnetfeld .. 368
.. SpannungundPotential .......... 320
.. DerHall-Effekt .................. 370
.. BerechnungvonFeldern.......... 324
.. RelativitätderFelder ............. 371
.. Kapazität........................ 328 7.8 ErzeugungvonMagnetfeldern ......... 372
.. Dipole .......................... 331 .. DasFeld
.. Influenz......................... 332 desgeradenElektronenstrahls
.. EnergieeinerLadungsverteilung .. 333 oderdesgeradenDrahtes......... 372
.. DaselektrischeFeldalsTräger .. DergeradeDraht,
derelektrischenEnergie .......... 334 relativistischbetrachtet........... 374
7.2 Dielektrika............................. 334 .. AllgemeineEigenschaften
.. DieVerschiebungsdichte ......... 334 desMagnetfeldes................. 374
.. Dielektrizitätskonstante .......... 334 .. Bezeichnungen
.. Mechanismenderdielektrischen elektromagnetischerFelder ....... 376
Polarisation ..................... 336 7.9 DasMagnetfeldvonStrömen .......... 376
.. Energiedichtedeselektrischen .. VergleichmitdemelektrischenFeld;
FeldesimDielektrikum........... 338 derSatzvonBiot-Savart .......... 379
.. Elektrostriktion; .. Magnetostatik ................... 381
Piezo-undPyroelektrizität........ 339 .. Elektromagnete.................. 382
