Table Of ContentSpringer-Lebrbuch
H.Niedrig
Mit 386 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Prof. Dr.-Ing. Heinz Niedrig
Optisches Institut
Technische Universitiit Berlin
Sekr. PH
StraBe des 17.Juni 135
1000 Berlin 12
ISBN 978-3-540-54470-8 ISBN 978-3-642-87838-1 (eBook)
DOl 10.1007/978-3-642-87838-1
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992
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gegebenenfalls fUr die eigenen Arbeiten die vollstiindigen Vorschriften oder Richtlinien in
der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen.
Satz: Reproduktionsfertige. Vorlage vom Autor
Vorwort
In den Experimentalphysik-Vorlesungen im Grundstudium fUr Studenten der
Physik und anderer Naturwissenschaften sowie der Ingenieurwissenschaften
sollen die Grundlagen der Physik anhand von physikalischen Experimenten
vermittelt werden. Dazu ist auch ein gewisses MindestmaB an theoretlschen
Grundlagen erforderlich. Dieser theoretlsche Hintergrund wird im Rahmen
der haufig zweisemestrigen Experimentalphysik-Grundvorlesungen sehr ver
kUrzt anhand einfach zu durchschauender Sonderfalle dargeboten. Das
Hauptgewlcht soIl dabei, soweit maglich, auf den Experimenten liegen.
Dieses Begleitbuch solI dagegen einen tiberblick Uber den theoretischen
Hintergrund in zusammengefaBter Form wiedergeben, um dem Harer die
Maglichkeit zu geben, sich darUber parallel zur Experimentalphysik-Vorlesung
zu orientieren. Dabei wird die Mechanik des Massenpunktes (Kapitel 1 bis 4)
im Sinne einer relativ kurz gefaBten EinfUhrung behandelt, einschlieBlich der
wichtlgsten Ergebnisse der speziellen Relatlvititstheorie. Es wird nicht der
Anspruch erhoben, mit den viel umfassenderen Vorlesungen oder Lehr
bUchern der theoretlschen Physik konkurrieren zu wollen.
Auch ist dieses Buch keln Ersatz fUr den Besuch der Experlmentalphysik
Vorlesung und fUr das Mitschreiben und Skizzieren der in der Vorlesung
behandelten physikalischen Experimente und MeBanordnungen, die im Buch
nicht oder nicht im Detail beschrieben werden! Die Physik wird erst durch
die direkte Anschauung, durch die optische und akustlsche Erfahrung
lebendig und pragt sich dadurch ein. Der Harer muB auch ein GefUhl dafUr
bekommen, welch experimenteller Aufwand oftmals notwendig ist, um ein
bestlmmtes physikalisches Phinomen deutlich und einwandfrei herauszu
arbeiten. Das stlchwortartlge Mitschreiben und Skizzieren zwingt 1m Ubrigen
den Harer zur geistlgen Mitarbeit und hilft ihm auf diese Weise bei der
Verarbeitung des Stoffes.
Die in diesem Begleitbuch dargestellten physikalischen Grundlagen sind in
ihrer Gliederung teilweise angelehnt an die LehrbUcher von Alonso und Finn
sowie von Stroppe (siehe Kapitel 26, Literatur). Den Kurs von Alonso und
Finn hatte der Autor zusammen mit seinem Kollegen Prof. Dr. W. Muschlk in
den vergangenen Jahren wegen seiner moderneren Darstellungssystematik zum
Tell als Grundlage eines zweisemestrigen Physik-Grundkurses verwendet
und erweitert. Die Gliederung in die Teile
VI Vorwort
I. Teilchen und Teilchensysteme
II. Wechselwirkungen und Felder
III. Wellen und Quanten
zeigt die systematischen Zusammenhange in den verschiedenen Teilgebieten
der Physik starker, als es die klassische Einteilung (Mechanik, Akustik,
Warmelehre, Elektrizitatslehre, ... ) zu leisten vermag. Anregungen fUr die
Darstellung mancher physikalischer Sachverhalte wurden auch einem unver
affentlichten Vorlesungsmanuskript von Prof. Dr. G. Herziger (Aachen)
sowie aus den in Kapitel 26 (Literatur) aufgefUhrten BUchern entnommen,
auf die hier zum weiteren Studium verwiesen seL Zahlreiche Tabellenwerte
entstammen u. a. dem "Taschenbuch der Physik" von Kuchling.
Die mathematischen Anforderungen beschranken sich auf einfache Vektor
rechnung bis zum Vektorprodukt, sowie auf Differential- und Integralrech
nung mit gewahnlich einer unabhiingigen Variablen. Die verwendete Mathe
matik sollte daher weitgehend - mit Ausnahme weniger einfacher Differen
tialgleichungen - von Studienanfangern nachvollziehbar sein. Vektorielle
GraBen werden fettgedruckt dargestellt. Die zeichnerische Darstellung
geschieht durch Pfeile in der Zeichenebene. Vektoren, die senkrecht zur
Zeiehenebene stehen, werden durch "0" (Rich tung aus der Zeiehenebene
heraus) oder durch "6" (Richtung in die Zeichenebene hinein) dargestellt.
Dem Springer-Verlag sei fUr die Anregung zu diesem Buch gedankt, das
eine erweiterte Version des Kapitels B (Physik) in dem Ingenieur-Taschen
buch HtiTTE: "Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften" (29. beriehtigte
Auflage, Hrsg. H. Cziehos, Springer-Verlag, Berlin 1991) darstellt. Insbe
sondere wurden die Abschnitte 5.7 (niehtlineare Oszillatoren, chaotisches
Schwingungsverhalten), 7.6 <Deformierbare Festkarper), 22.3 (Kontrastent
stehung) und 23.3 (Interferenzen an dUnnen Schichten) hinzugefUgt. AuBer
dem wurden Erweiterungen in den Kapiteln 9 <Transporterscheinungen),
10 (Hydro- und Aerodynamik), 16 (Transport elektrischer Ladung: Leitungs
mechanismen), insbesondere 16.4.4 (PN-libergange, Halbleiterbauelemente),
19 (Elektromagnetische Wellen), 20 (Wechselwirkung elektromagnetischer
Strahlung mit Materie) und 25 (Materiewellen) sowie eine Reihe kleinerer
Erganzungen vorgenommen.
Dem Springer-Verlag Berlin sei auch fUr die verstandnisvolle und geduldige
Betreuung bei der Herstellung des Manuskripts und des Druckes herzlich
gedankt. FUr Hinweise der Leser auf (sieher vorhandene) Fehler bin ieh
dankbar.
Meiner Frau danke ieh fUr die unendliche Geduld, mit der sie Meine jahre
lange abendliche und wochenendliche Arbeit an dies em Buch verstandnisvoll
ertragen hat.
Technische Universitat Berlin, im Miirz 1992 H. Niedrig
lnhaltsverzeichtds
1 PhYlikalilche GrUen UI1d Eillbeiten
1.1 Physikalische GroBen 1
1.2 BasisgroBen und -einheiten 1
1.3 Das internationale Einheitensystem 2
TEILCHEN und TEILCHENSYSTEME
9
2 Kb1ematik 11
2.1 Geradlinige Bewegung 12
2.2 Kreisbewegung 15
2.3 Gleichformig translatorische Relativbewegung 17
2.3.1 Galilei-Transformation 17
2.3.2 Lorentz-Transformation 19
2.3.3 Relativistische Kinematik 21
2.4 Geradlinig beschleunigte Relativbewegung 23
2.5 Rotatorische Relativbewegung 24
3 Kraft unci Impull 27
3.1 Trigheitsgesetz 27
3.2 Kraftgesetz 27
3.2.1 Gewichtskraft (Schwerkraft) 29
3.2.2 Federkraft 29
3.2.3 Reibungskrifte 30
3.3 Reaktionsgesetz 32
3.3.1 Krifte bei elastischen Verformungen 32
3.3.2 Krifte zwischen freien Korpern {"innere Krifte"} 33
3.4 Aquivalenzprinzip: Schwer- und Trigheitskrifte 34
35 Trigheitskrifte bei Rotation 35
3.5.1 Zentripetal- und Zentrifugalkraft 35
3.5.2 Corio lis-Kraft 36
3.6 Drehmoment und Gleichgewicht 36
3.7 Drehimpuls 38
3.8 Drehimpulserhaltung 40
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Arbeit unll Eneraie 41
4.1 Beschleunigungsarbeit, kinetische Energie 42
4.2 Potentielle Energie, Hub- und Spannungsarbeit 43
4.3 Energieerhaltung bei konservativen Kraften 45
4.4 Energiesatz bei nichtkonservativen Kraften 47
4.5 Relativistische Dynamik 48
5 SchwiD&unlea 51
5.1 Kinematik der harmonischen Bewegung 52
5.2 Der ungedampfte, harmonische Oszillator 53
5.2.1 Mechanische harmonische Oszillatoren 53
5.2.2 Schwingungsgleichung und Schwingungsenergie
des harmonischen Oszillators 57
5.3 Freie gedampfte Schwingungen 59
5.3.1 Periodischer Fall (Schwingfall) 61
5.3.2 Aperiodischer Grenzfall 62
5.3.3 Aperiodischer Fall (KriechfaU) 63
5.3.4 Abklingzeit 63
5.4 Erzwungene Schwingungen, Resonanz 64
5.4.1 Resonanz 65
5.4.2 Leistungsaufnahme des Oszillators 68
5.5 tiberlagerung von harmonischen Schwingungen 70
5.5.1 Schwingungen gleicher Frequenz 71
55.2 Schwingungen verschiedener Frequenz 72
5.6 Gekoppelte Oszillatoren 77
5.6.1 GekCippelte Pendel 77
5.6.2 N gekoppelte Oszillatoren 80
5,7 Nichtlineare Oszillatoren, chaotisches Schwingungsverhalten 81
6 TeUchensylteme 84
6.1 Schwerpunkt (Massenzentrum), Impuls und Drehimpuls
von Teilchensystemen 85
6.1.1 Schwerpunktbewegung ohne auDere Krafte 87
6.1.2 Schwerpunktbewegung bei Einwirkung auBerer Krafte 88
6.1.3 Drehimpuls eines Teilchensystems 89
6.2 Energieinhalt von Teilchensystemen 90
6.2.1 Energieerhaltungssatz in Teilchensystemen 92
6.2.2 Bindungsenergie eines Teilchensystems 93
6.3 StoBe 94
6.3.1 Zentraler elastischer StoB 95
6.3.2 Nichtzentraler elastischer StoB 98
6.3.3 Unelastischer StoB 101
7 Dynamik darrel' Kllrper 103
7.1 Translation und Rotation eines starren K/jrpers 103
7.2 Rotationsenergie, Tragheitsmoment 105
Inhaltsverzeichnis IX
7.3 Drehimpuls eines starren Korpers 108
7.4 Kreisel 110
7.5 Vergleich Translation - Rotation 112
7.6 Deformierbare Festkorper 113
8 StaUstilche Meclwlik 117
8.1 Kinetische Theorie der Gase 117
8.2 Temperaturskalen. Gasgesetze 122
8.3 Freiheitsgrade. Gleichverteilungssatz 127
8.4 Reale Gase. tiefe Temperaturen 131
85 Energieaustausch bei Vielteilchensystemen 137
8.5.1 Volumenarbeit 138
8.5.2 Wlirme 140
8.5.3 Energieerhaltungssatz fUr Vielteilchensysteme 141
8.6 Wlirmemengen bei thermodynamischen Prozessen 142
8.6.1 Spezifische und molare Wlirmekapazitliten 142
8.6.2 Phasenumwandlungswlirmen 146
8.7 Zustandsanderungen bei idealen Gasen 148
8.8 Kreisprozesse 152
8.8.1 Wlirmekraftmaschine 156
8.8.2 Kaltemaschine und Wlirmepumpe 156
8.9 Richtungsablauf physikalischer Prozesse 158
9 TransporterachefnllllPft 164
9.1 StoBquerschnitt. mittlere freie Wegllinge 164
9.2 Molekulardiffusion 166
9.3 Warmeleitung 168
9.4 Innere Reibung: Viskositat 171
10 Hyclro- und Aerodynamlk 179
10.1 Stromungen idealer FlUssigkeiten 180
10.2 Stromungen realer FlUssigkeiten 188
II WECHSELWIRKUNGEN und FELDER 193
Ubersicht Uber die fundamentalen Wechselwirkungen 195
11 GravitatiolllW8chlelwirltunl 197
11.1 Der Feldbegriff 197
11.2 Planetenbewegung: Kepler-Gesetze 197
11.3 Newtons Gravitationsgesetz 199
11.4 Das Gravitationsfeld 201
11.5 Satellitenbahnen im Zentralfeld 204
x
Inhaltsverzeichnis
12 E1ektrilChe Wec:hlelwirkuq 210
12.1 Elektrische Ladung, Coulomb-Gesetz 210
12.2 Das elektrostatische Feld 211
12.3 Elektrisches Potential 218
12.4 Quantisierung der elektrischen Ladung 222
125 Energieaufnahme im elektrischen Feld 224
12.6 Elektrischer Strom 226
12.7 Elektrische Leiter im elektrostatischen Feld, Influenz 229
12.8 Kapazitit leitender Korper 232
12.9 Nichtleitende Materie im elektrischen Feld,
elektrische Polarisation 236
13 MqnetllChe Wecblelwirkuq 246
13.1 Das magnetostatische Feld, stationire Magnetfelder 246
13.2 Die magnetische Kraft auf bewegte Ladungen 252
13.3 Die magnetische Kraft auf stromdurchflossene Leiter 257
13.4 Materie im magnetischen Feld, magnetische Polarisation 261
14 ZeitverlnderUche elektromllftllUlche Felder 272
14.1 Zeitverinderliche magnetische Felder: Induktion 272
14.2 Selbstinduktion 279
14.3 Energieinhalt des Magnetfeldes 280
14.4 Wirkung zeitverinderlicher elektrischer Felder 281
14.5 Maxwellsche Gleichungen 283
15 E1ektrillCbe Stromkreile 286
15.1 Ohmsches Gesetz 286
15.2 Gleichstromkreise, Kirchhoffsche Sitze 289
15.3 Wechselstromkreise 291
15.3.1 Wechselstromarbeit 292
15.3.2 Transformator 293
15.3.3 Scheinwiderstand von R, Lund C 295
15.4 Elektromagnetische Schwingungen 297
15.4.1 Freie, gedimpfte elektromagnetische Schwingungen 297
15.4.2 Erzwungene elektromagnetische Schwingungen,
Resonanzkreise 299
15.4.3 Selbsterregung elektromagnetischer Schwingungen
durch Riickkopplung 304
16 Truuport 11ektrilcher Laclun&: Llltuapnlchudlmea 307
16.1 Elektrische Struktur der Materie 307
16.1.1 Atomstruktur 307
16.1.2 Elekironen in Festkorpem 318
16.2 Metallische Leitung 323
16.3 Supraleitung 327
16.4 Halbleitung 334
Inhaltsverzeichnis XI
16.4.1 Eigenleitung 334
16.4.2 StlSrstellenleitung 338
16.4.3 Hall-Effekt in Halbleitem 340
16.4.4 PN-tiberglinge 341
165 Elektrolytische Leitung 345
16.6 Stromleitung in Gasen 348
16.6.1 Unselbstiindige Gasentladung 348
16.6.2 Selbstiindige Gasentladung 349
16.6.3 Der Plasmazustand 352
16.7 Elektrische Leitung im Hochvakuum 354
16.7.1 Elektronenemission 354
16.7.2 Bewegung freier Ladungstriger im Vakuum 360
17 Stlrke un. S~ Wechselwirkun&
Atomkeme untI Elemeatarteilchn 364
17.1 Atomkerne 364
17.2 Massendefekt, Kernbindungsenergie 367
17.3 Radioaktiver Zerfa11 369
17.3.1 Alpha-Zerfall 370
17.3.2 Beta-Zerfall 371
17.4 Kiinstliche Kernumwandlungen, Kemergiegewinnung 374
175 Elementarteilchen 381
III WELLEN und QUANTEN 387
18 Wellenaulllreltuna 389
18.1 Beschreibung von Wellenbewegungen, WeUengleichung 389
18.2 Elastische Wellen, Schallwellen 397
18.3 Doppler-Effekt, Kopfwellen 401
19 Elelctromlp8tllche Wellea 406
19.1 Erzeugung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen 406
19.2 Elektromagnetisches Spektrum 415
20 Wech. .l w1rkuac elelctromqnetllCher Strahluaa mit Materle 419
20.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Materie,
Dispersion 419
20.2 Emission und Absorption des Schwarzen Kiirpers,
Plancksches Strahlungsgesetz 423
20.3 Quantisierung des Lichtes, Pbotonen 429
20.4 Stationlire Energiezustiinde, Spektroskopie 434
205 Induzierte Emission, Laser 438
21 Renexlon untI Brechlllllo Polariaatlon 443
21.1 Reflexion, Brechung, Totalreflexion 443
21.2 Optische Polarisation 449
