Physik: Eine Einführung für Ingenieure

459 Pages·1995·9.688 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. Eckard Gerlach, Prof. Dr. rer. nat. Peter Grosse (auth.)

Physik
Eine Einführung für Ingenieure
Von Prof. Dr. rer. nat. Eckard Gerlach
und Prof. Dr. rer. nat. Peter Grosse
Rhein. Westf. Techn. Hochschule, Aachen
3., überarbeitete Auflage
Mit zahlreichen Figuren und Tabellen
83
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1995
Prof. Dr. rer. nat. Eckard Gerlach
Geboren 1934 in Stettin/Pommern. Ab 1955 Studium in Göttingen.
Diplom 1959. Promotion 1961 bei F. Hund. 1961/62 wiss. Assistent, von
1962 bis 1972 Battelle-lnstitut Frankfurt/M., 1966/67 Battelle-Institut
Columbus/Ohio, 1972 Habilitation in Würzburg. Seit 1973 Professor an
der RWTH Aachen.
Prof. Dr. rer. nat. Peter Grosse
Geboren 1932 in Leipzig. Ausbildung als Physiklaborant, Studium in
Köln, 1960 Diplom-Physiker, 1961 wiss. Assistent an der Universität zu
Köln, 1965 Promotion, 1969 Habilitation in Köln, anschließend wiss.
Abteilungsvorsteher an der Universität Würzburg, Abt. Festkörperoptik.
Seit 1970 o. Professor für Experimentalphysik an der RWTH Aachen und
Direktor des I. Physikalischen Instituts.
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Gerlach, Eckard:
Physik : eine Einführung für Ingenieure I von Eckard Gerlach
und Peter Grosse. - 3., überarb. Aufl.
ISBN 978-3-519-23212-4 ISBN 978-3-663-10148-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-10148-2
NE: Grosse, Peter:
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung
außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Ver
lages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzun
gen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen
Systemen.
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1995
Ursprünglich erschienen bei B.G. Teubner Stuttgart 1995
Vorwort
Das vorliegende Buch ist aus Vorlesungen entstanden, die wir seit 18 Jahren an der Rheinisch
Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen für Nichtphysiker gehalten haben. Bei der
Neuorganisation der früheren "Großen Vorlesung" im Wintersemester 70/71 entstanden we
gen der großen Studentenzahlen mehrere parallele Einführungvorlesungen. Diese wurden
jeweils bestimmten Ausbildungsgängen zugeordnet. Dadurch war es möglich, den inhalt
lichen Wünschen der einzelnen Fachrichtungen entgegenzukommen, d.h. unterschiedliche
Schwerpunkte zu setzen und unterschiedliche Semesterwochenstunden vorzusehen.
Dabei sind die Studienreformer aber unter dem Druck der Öffentlichkeit, die eine Studienzeit
verkürzung erstrebte, einem Mißverständnis erlegen: Sie hatten offensichtlich den klassischen
Fächerkanon "Mechanik, Akustik, Wärme ... " -oder so ähnlich- vor Augen. Bei der Durch
sicht der Studienordnungen fanden sie dann scheinbar das gleiche immer wieder: "Technische
Mechanik, Technische Akustik, Technische Wärmelehre ... " und so wußten sie gleich, wo die
Axt zum Entrümpeln der Studiengänge angesetzt werden mußte! Es sollte den Studenten
genügen, alles nur einmal vorgesetzt zu bekommen. Die Intentionen beider Veranstaltungs
typen sind aber grundverschieden. Die Methode des Ingenieurs zeichnet sich dadurch aus,
daß er in Kenntnis relevanter Naturgesetze diese anwendet, um Maschinen, Werkstoffe und
Verfahr~n zu entwickeln, die dem Menschen neue Möglichkeiten eröffnen. Das Anliegen der
Physik-Vorlesung für Ingenieure ist dagegen nicht nur, die physikalischen Phänomene und
Gesetzmäßigkeiten aufzulisten - und in der Prüfung wieder abzufragen! -, sondern vielmehr
an überschaubaren Beispielen die Bildung leistungsfähiger Begriffe zu üben, den Blick für
immer wiederkehrende Strukturen zu schärfen und schließlich zu lernen, wie man in konkre
ten Systemen ihre inhärenten, abstrakten Strukturen erkennt. Gerade letzteres ermöglicht ja
erst die Abbildung des zu beschreibenden Systems auf den quantitativ unbestechlichen Ap
parat der Mathematik. Der Ingenieurstudent soll also lernen, daß die Sprache der Formeln
eine große Erleichterung ist und keine Belästigung. Wegen ganz pragmatischer Überlegungen
der Studienreform ist in der Ausbildung der Ingenieure in den Grundlagen nicht viel Luft
geblieben! Wir haben deshalb versucht, ein ehrliches Buch zu schreiben, dessen wesentlicher
Inhalt nicht das ist, was man meist nicht in der Vorlesung schafft, sondern es entspricht dem,
was uns bei dem verfügbaren Vorlesungsumfang machbar schien.
Dabei ist der Inhalt die Vereinigungsmenge unserer Vorlesungen, denn nicht alle Kapitel
werden be: rlen <"inzelnen Fachrichtungen vorgetragen. Der Umfang der von uns betreuten
Vorlesu;-,e;en beträgt: für Mathematiker, Chemiker, Geowissenschaftler, Geodäten, Mineralo
gen, Markscheider, Bergleute, Hüttenleute, Brennstoffingenieure: 8 Semesterwochenstunden
im Winter- und Sommersemester, für Maschinenbauer: 4 Semersterwochenstunden im SS,
für Elektrotechniker: 8 Semesterwochenstunden im WS und SS. Außerdem gibt es noch die
VORWORT
Physikvorlesungen für Bauingenieure und die für Mediziner. Da die Vorlesungen alle in den
beiden ersten Semestern vorgesehen sind, kommt in der gegenwärtigen Bildungslandschaft
noch hinzu, daß die Vorbildung aus dem sekundaren Bereich in den exakten Fächern Physik
und Mathematik außerordentlich unterschiedlich ist. So doziert der Lehrer vor einem ganz
inhomogenen Auditorium: Die einen fühlen sich bereits überfordert, die anderen langweilen
sich schon!
Wir haben versucht, das beste daraus zu machen, indem wir die Fakten an mehr oder weniger
ausführlichen Beispielen vorstellen, die zum Grundwissen eines Ingenieurs gehören müssen
oder an denen strukturelle, übergeordnete Prinzipien besonders gut deutlich gemacht wer
den können. Zur Unterstützung ist außerdem ein kleiner Anhang vorgesehen, in dem unsere
wichtigsten mathematischen Werkzeuge zusammengestellt sind. Bei der Entwicklung der
Gedankengänge sind wir nicht puristisch vorgegangen, wie es der Ausbildung von Physi
kern angemessen wäre, sondern wir haben viel mit Analogien und intuitiven Annahmen
argumentiert. Zur Unterstützung der Gedankengänge sind viele Skizzen vorgesehen, die oft
schneller die notwendigen Assoziationen beim Leser erzeugen als viele Worte oder eine reine
mathematische Darstellung.
Wir hoffen, daß das Buch unseren Studenten hilft, der Vorlesung zu folgen, Lücken, die
beim Verständnis während der Vorlesung entstehen, hinterher zu schließen und später den
Stoff noch einmal nachzuarbeiten. Die Ingenieur-Kandidaten aber, die bei der Lösung ih
rer künftigen Aufgaben mehr Physik brauchen, als im Vordiplom "abgeprüft" wird, müssen
selbstverständlich auf umfangreichere und vollständigere Physik-Lehrbücher zurückgreifen!
Da viele Arbeitsgebiete heutzutage interdisziplinär sind, ist die Physik vielleicht das geeig
netste Mittel, die notwendigen Brücken zwischen den Disziplinen zu schlagen. Hinzu kommt,
daß durch die rasche Entwicklung technischer Verfahren ein schnelles Reagieren der Inge
nieure notwendig ist. Hierfür erscheint eine solide physikalische Ausbildung als die beste
Voraussetzung.
Zum Schluß müssen wir ganz besonders das Engagement des Herrn Dr. Spuhler vom
Teubner-Verlag würdigen. Ohne seine Beharrlichkeit hätten wir das Manuskript wohl noch
immer nicht niedergeschrieben! Vielen Dank! Unseren Kollegen, Herrn D. Kamke, Bochum,
und Herrn H. Wühl, Karlsruhe, danken wir für Anregungen und kritische Kommentare.
Au&rdem danken wir den vielen Mitarbeitern aus unserem Institut, die im Lauf der Jahre
in den Übungen oder beim Aufbau der Experimente mitgewirkt haben. Von ihnen haben wir
viele wertvolle Hinweise bekommen. Ganz besonderen Dank aber schulden wir Frau Cornelia
Hartmann für das Schreiben des Manuskripts, Herrn Manfred Kohlen für die Anfertigung der
Bilder und Herrn Dr. Eike Gerstenhauer für die abschließende Durchsicht des Buches. Alle
Genannten haben uns beim Schreiben des Buches durch ihren großen Einsatz sehr geholfen!
Aachen, im Frühjahr 1989
Eckard Gerlach
Peter Grosse
4
VORWORT
Vorwort zur 2. Auflage
Da durch das freundliche Interesse, das die erste Auflage unseres Buches gefunden hat, eine
weitere Aufla5e notwendig wurde, haben wir die Gelegenheit benutzt, die uns bekannt ge
wordeneP Druckfehler zu korrigieren. Wir möchten uns hier speziell bei unseren Hörern
und Mitarbeitern für die vielen Anregungen bedanken. Unser besonderer Dank gilt un
serem Kollegen, Herrn D. Kamke (Bochum), für seine sorgfältige kritische Durchsicht der
1. Auflage.
Aachen, im Herbst 1990
Die Autoren
Vorwort zur 3. Auflage
Wir freuen uns, daß auch die 2. Auflage einen breiten Interessentenkreis gefunden hat, so
daß eine neue Auflage notwendig wurde.
Wir danken allen, die uns durch viele wertvolle Anregungen und Hinweise für eine Überar
beitung geholfen haben, besonders unseren Hörern und Mitarbeitern.
Neben verschiedenen, kleineren Ergänzungen sind ein Abschnitt über die Fourier-Spektro
skopie (Abschnitt 22.3) und einer über den Energieaustausch durch Strahlung (Abschnitt
"Kirchhoffsches Strahlungsgesetz" 22.5.1) neu hinzugekommen. Dies schien uns wegen der
Aktualität der Beispiele naheliegend. Außerdem wurden die uns bekannten Fehler berichtigt.
Weiter wurde der gesamte Text in ~TEX übertragen, was zu einem ansprechenderen Layout
geführt hat. Für diese mühsame Arbeit und die dabei aufgebrachte Geduld danken wir ganz
besonders Frau J. Elbert.
Schließlich danken wir Herrn Dr. Spuhler vom Teubner-Verlag für seinen Zuspruch und die
gute und konstruktive Zusammenarbeit.
Aachen, im Herbst 1995
Die Autoren
5
Inhaltsverzeichnis
1. EINFÜHRUNG 13
GRUNDBEGRIFFE DER PUNKTMECHANIK UND DER
MECHANIK STARRER KÖRPER
2. KRÄFTE IM GLEICHGEWICHT 17
3. DYNAMIK I (Das dynamische Gleichgewicht) 22
3.1 Kinematik ............................ . 23
4. DYNAMIK II (Trägheitskraft) 27
5. BEWEGUNGEN MIT KONSTANTER BESCHLEUNIGUNG 30
5.1 Fallbeschleunigung, Gewichtskraft . . . . . 32
6. GRÖSSEN, EINHEITEN, DIMENSIONEN 34
7. BEWEGUNG AUF GEKRÜMMTEN BAHNEN, KREISBEWEGUNGEN 36
8. IMPULS 44
9. ARBEIT, ENERGIE 52
lO.KRAFT, FELDSTÄRKE, POTENTIAL 60
10.1 Gravitation ......................... . 61
ll.PRINZIP DER VIRTUELLEN ARBEIT, MECHANIK STARRER KÖRPER I 64
11.1 Hebel, Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
11.2 Massenzentrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
12.MECHANIK STARRER KÖRPER II (DYNAMIK) 71
12.1 Das Trägheitsmoment ............... . 71
12.2 Dynamisches Gleichgewicht ............ . 72
12.J Dr ,himpuls ....................... . 73
12.4 D;·ehung um einen starren Punkt (Kreisel) ...... . 78
Inhaltsverzeichnis
KONTINUUMSMECHANIK
13.SPANNUNGEN UND VERFORMUNGEN 81
13.1 Normalkräfte, Tangentialkräfte .. 84
13.2 Der Fließvorgang . . . . . . . . . . 88
13.3 Allseitige Normalspannung: Druck 89
13.4 Druck in Flüssigkeiten und Gasen 90
13.5 Barometrische Höhenformel 94
14.STRÖMUNGSVORGÄNGE 97
14.1 Strom und Stromdichte . 97
14.2 Die Kontinuitätsgleichung 99
14.3 Die Bernoulli-Gleichung 100
14.4 Zähe Flüssigkeiten 104
14.5 Turbulenz ....... . 110
15.REIBUNG, RELAXATIONSPROZESSE 112
PERIODISCHE BEWEGUNGEN
16.SCHWINGUNGEN 115
16.1 Harmonische Schwingungen ....... . 115
16.2 Gedämpfte Schwingungen ........ . 121
16.3 Entdämpfte Schwingungen, Rückkopplung 126
16.4 Kippschwingungen ..... 126
16.5 Erzwungene Schwingungen . 128
16.6 Gekoppelte Schwingungen . 131
17.ÜBERLAGERUNG UND ZERLEGUNG VON SCHWINGUNGEN 136
17.1 Amplitudenmodulation (AM) . 136
17.2 Fourier-Zerlegung ....... . 137
17.3 Zweidimensionale Superposition 142
18. WELLEI'JERSCHEINUNGEN 146
18.1 Pi:tasen- und Gruppengeschwindigkeit 147
18.2 Physikalische Realisierungen von Wellen ... 150
18.3 Das Huygens-Prinzip und seine Anwendungen 153
18.4 Interferenzerscheinungen . . . . . . . . . . . . 163
OPTIK
19.ELEMENTE DER STRAHLENOPTIK 172
19.1 Ideale Abbildung ......... . 172
19.2 Anwendungen der Abbildungsgleichung . 175
19.3 Unschärfe, Verzerrung ......... . 179
8
Inhaltsverzeichnis
20.ANWENDUNGEN DER STRAHLENOPTIK 184
20.1 Lochkamera ....... . 184
20.2 Relative Öffnung. Apertur 185
20.3 Auge ..... 185
20.4 Diaprojektor . 187
20.5 Lupe ... 189
20.6 Mikroskop 190
20. ·r Feraroi1r . 192
2l.INTERFERENZMUSTER UND BILD 194
21.1 Auflösungsvermögen des Fernrohrs ......... . 194
21.2 Auflösungsvermögen des Mikroskops ........ . 195
21.3 Rolle der Beugungsordnungen für die Bildentstehung 197
21.4 Holographie ...................... . 198
22.SPEKTROSKOPIE 200
22.1 Interferenzgitter . 200
22.2 Prisma ..... . 200
22.3 Fourier-Spektroskopie . 202
22.4 Filter . . . . . . . . . . 204
22.5 Kontinuierliche Spektren 206
22.5.1 Kirchhoffsches Strahlungsgesetz 207
22.ti Linienspektren . . . . . . . . . . . .. 210
23.LASER 213
TEMPERATUR UND WÄRME
24. DAS IDEALE GAS 216
24.1 Druck von Gasen ............ . 216
24.2 Molekularkinetische Deutung des Drucks 219
24.3 Die thermodynamische Temperatur . . . 222
24.4 Molare Größen . . . . . . . . . . . . . . 226
24.5 Druck- und Volumenänderung beim idealen Gas 228
24.6 Die Maxwell-Boltzmannsche Geschwindigkeitsverteilung . 232
25.REALE GASE, FLÜSSIGKEITEN 236
25.1 DM Van der Waals-Modell 236
25.2 D~r kritische Punkt . . . . 238
25.3 Wärme, Wärmekapazität . 240
25.4 Umwandlungswärme .. 243
26. TEMPERATURMESSUNG 248
27. DIFFUSIONSVORGÄNGE 255
9
lnhaltsver::eichnis
28.1RREVERSIBLE PROZESSE 261
28.1 Die Carnot-Maschine ... 261
28.2 Anwendungen des Carnotschen Kreisprozesses 266
ELEKTROSTATIK
29.ELEKTRISCHE LADUNGEN UND FELDER IM VAKUUM 268
30.POTENTIAL, SPANNUNG, ELEKTRISCHE ENERGIE 277
31.MATERIE IM KONDENSATOR 285
31.1 Metallplatte im Kondensator. 285
31.2 Isolatorplatte im Kondensator 287
31.3 Piezoelektrizität . 290
31.4 Ferroelektrizität . 293
STROMTRANSPORT
32.STROM UND WIDERSTAND 295
33.GENERATOREN IM STROMKREIS 301
34. NETZWERKE 309
34.1 Kirchhoffsche Gesetze . 309
34.2 Serien- und Parallelwiderstände 310
MAGNETISCHE EFFEKTE
35.STROM UND MAGNETFELD 313
35.1 Definition des Magnetfeldes 313
35.2 Homogenes Magnetfeld . 314
35.3 Magnetisches Moment . . . 315
35.4 Kraft auf Leiter . . . . . . . 317
35.5 Magnetisches Dipolmoment einer Stromschleife . 319
35.6 Die Lorentz-Kraft .................. . 322
36.1NDUKTIONSEFFEKTE 325
36.1 Wirbelströme 325
36.2 Induktion . . . . . . . 327
37.MATERIE IM MAGNETFELD 329
37.1 Dia- und Paramagnetismus . 330
37.2 Ferromagnetismus . . . . . . 331
37.3 Antiferro- und Ferrimagnetismus 337
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