Table Of ContentPohls Einführung in die Physik
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K. Lüders R.O. Pohl (Hrsg.)
Pohls Einführung
in die Physik
Band 1:
Mechanik, Akustik und Wärmelehre
20., neu bearbeitete
und mit Kommentaren
und Aufgaben versehene Auflage
mit 497 Abbildungen
und 74 Videofilmen auf DVD
123
ProfessorDr.KlausLüders ProfessorDr.RobertOttoPohl
FachbereichPhysik,FreieUniversitätBerlin DepartmentofPhysics,CornellUniversity
Arnimallee14 ClarkHall
14195Berlin,Deutschland Ithaca,NY14853-2501,USA
[email protected] [email protected]
UrsprünglicherschienenalserstervondreiBändenunterdemTitel:
R.W.Pohl:EinführungindiePhysik
ISBN 978-3-540-76337-6 e-ISBN 978-3-540-76338-3
DOI10.1007/978-3-540-76338-3
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detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
(cid:2)c 2009,2004,1983,1969,1964,1962,1959,1955,1953,1947,1942,1931,1930
Springer-VerlagBerlinHeidelberg
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DieVideosNr.2–10,12,15–21,24–26,28–32,34,38,42–44,46–47,49–52und60–62aufderDVDwurden
produziertvonderIWFWissenundMediengGmbH,Göttingen.
VideoNr.39aufderDVDwurdeproduziertvonderKiosqueGmbH,Düsseldorf.(cid:2)c 2003KiosqueGmbH,
Düsseldorfwww.kiosque.de
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DieVideosNr.54und67–68aufderDVDwurdenproduziertvonderDidaktikderPhysik,FachbereichPhysik,
FreieUniversitätBerlin.
SatzundHerstellung:le-texpublishingservicesoHG,Leipzig
Einbandgestaltung:WMXDesign,Heidelberg
GedrucktaufsäurefreiemPapier
987654321
springer.de
Vorwort zur zwanzigsten Auflage
VielepositiveStellungnahmenzurneunzehntenAuflagederPohl’schenEinführungin
die Mechanik, Akustik und Wärmelehre haben uns ermutigt, eine weitere Auflage her-
auszugeben.Damit bot sich gleichzeitig eine gute Gelegenheit, uns wichtig erscheinende
Ergänzungeneinzufügen. Neben zusätzlichen oder überarbeitetenKommentaren undei-
nigen sachlichenKlarstellungenim Text sind dies vor allemweitere Videofilme und eine
Aufgabensammlung.AuchdieParagraphenzuOsmoseundDiffusionausfrüherenAufla-
genwurdenwiederaufgenommen.
Die Filme entstanden diesmal in eigener Regie im neuen Göttinger Hörsaal,ein paar
auchinZusammenarbeitmitderPhysik-DidaktikderFUBerlin.BeiderThemenauswahl
ließenwirunswiederumdavonleiten,einerseitsAbbildungen„lebendig“zumachenund
andererseitstypischPohl’scheSchauversuchezudokumentieren,dieteilweiseheuteselbst
inGöttingennichtmehrvorgeführtwerden.
Der Grundstock der Aufgaben stammt aus einer früheren englischsprachigen Auflage
(1932!),eshandeltsichalsoumPohl’scheOriginalaufgaben.Wirfandenesabersinnvoll,
dieserSammlungweitereAufgabenhinzuzufügen,undzwaranFragestellungenorientiert,
die sich entweder direkt aus Videofilmen oder Abbildungen ergeben oder Experimente
ergänzen,diemanchmalausPlatzgründenimTextnurknappbeschriebensind.DieseAuf-
gabenbesitzenalsowenigerdenCharaktervonÜbungsaufgaben,siesollenvielmehrdem
Leser zum besseren Verständnis der auch in diesem Band oft schwierigen Physik etwas
HilfestellunggebenunddarüberhinausaucheinigeergänzendeInformationenliefern.
Die Arbeit an dieser Auflage wäre ohne die jeweilige Unterstützung unserer Institute
nichtmöglichgewesen.SodankenwirwiederumganzbesondersHerrnProf.Dr.K.Sam-
werundallenseinenMitarbeiternim1.PhysikalischenInstitutderUniversitätGöttingen
fürdiegroßzügigeGastfreundschaftundvielfältigeHilfestellung,dieunsdieBearbeitung
auch dieser Auflageermöglicht hat. Auchdem FachbereichPhysikder Freien Universität
Berlin sind wir für die Arbeitsmöglichkeit im Institut und die tatkräftige Mithilfe vie-
lerInstitutsmitglieder,insbesonderebeiComputerarbeiten,sehrdankbar.Ganzbesonders
möchtenwirdenHerrenProf.Dr.G.Beuermann,J.FeistundDr.J.Kirsteinfürihren
großenEinsatzdanken,ohnedendievielenneuenVideofilmenichtzustandegekommen
VI VorwortzurzwanzigstenAuflage
wären.IneinigendieserFilme,diejetztalleauchgesprochenenTextenthalten,erklärtHerr
BeuermannPohl’scheExperimente,sowieersieschonfrüherinvielenVorlesungenvor-
geführthat.GernedankenwirauchwiederdemSpringer-Verlag,insbesondereHerrnDr.
T.Schneider,fürdieangenehmeZusammenarbeit.
Berlin,Göttingen,Juni2008 K.Lüders
R.O.Pohl
Aus dem Vorwort zur neunzehnten Auflage
(2004)
Über dreißig Jahre, von 1919 bis 1952, hat R.W. Pohl an der Göttinger Universi-
tätfürStudentenallerFachrichtungendieEinführungsvorlesungüberExperimentalphysik
gelesen.DasdreibändigeWerk,dasdarausentstand,verfolgtelangeZeiteinendoppelten
Zweck.EinmalsollteesbeimLeserdasInteresseanderPhysikweckenundzumanderen
als LehrbuchinteressiertenStudenten die Grundlagender Physikbeibringen.Obwohlin
den vergangenen Jahrzehnten die studentische Ausbildung immer mehr den beruflichen
BedürfnissendurchSpezialvorlesungenangepasstwurde,istdieseZielsetzungbisheuteak-
tuell.Wir sinddaherüberzeugt,dassdie Pohl’schenBüchernichts vonihrer Faszination
für die experimentelle Erforschungphysikalischer Phänomene eingebüßt haben und im-
mernocheinenPlatzaufdemSchreibtischderStudierendenverdienen.DiesistderGrund
für die vorliegende Neuauflage,zunächstder „Mechanik,Akustik undWärmelehre“.Ein
zweiterBandsolldanndiewichtigstenKapitelderElektrizitätslehreundOptikenthalten.
Die für die meisten Leser auffallendste Besonderheit der Pohl’schen Bücher ist die
FüllederausführlichbeschriebenenundillustriertenExperimente,indenengezeigtwird,
wie man die Natur befragt, um ihre Geheimnisse zu ergründen.Dazu gehören natürlich
auchdieSchattenrisse,diedenBlickaufdasWesentlichelenken.Darüberhinausmöchten
wir aberhier dem LeserGelegenheitgeben,die Experimente somitzuerleben,wie sie im
GöttingerHörsaalseitnunschonüber80Jahrenvorgeführtwerden.Deshalbwurdediese
Auflage durch zwei CD-ROMs mit kurzen Videofilmen ergänzt. Der erste Film ist eine
OriginalaufnahmeeinerVorlesungvonR.W.PohlausdemJahr1952(Videofilm1).Wir Videofilm1:
hoffen, dass die Leser bei der Betrachtung dieser Videofilme eben soviel Freude haben „R.W.POHLinderVorlesung“.
werdenwiewirbeidenDreharbeiten. DieservonFRITZLUETY(jetzt
EmeritusderUniversityofUtah
Um die Lebendigkeit des „Pohls“, wie die Bücher oft genannt wurden, zu erhalten,
inSaltLakeCity)alsDiplomand
erschien es uns wichtig, an der Darstellungsweisedes Autorsmöglichst wenigzu ändern.
anlässlichderSommerfeier1952
Daaberalleindererste Bandinnicht wenigeralsvierzehnverschiedenenFassungenvor- imGöttingerInstitutgedrehte
lag, mussten wir eine Auswahltreffen. DervorliegendeBand basiertaufder 16. Auflage, FilmenthältdieAufnahme
erschienen1964.GelegentlichgriffenwiraberauchaufandereAuflagenzurück,vorallem einerVorlesungvonPOHLüber
auf die 13. (1955)und aufdie 18. (1983).Texteingriffe unsererseits wurden weitgehend Schwingungen,mitmehreren
vermieden. Zu den Ausnahmengehört u.a. eine verminderte Scheu bei der Verwendung Experimenten,dieinKapitelXIin
diesemBuchbeschriebensind.
vonVektorenundIntegralen,alsoDingen,mitdenenderLeserheutzutageimAllgemeinen
wohlvertrautist.AuchhabenwirSymboleundEinheitendemmodernenSprachgebrauch
anzupassenversucht,umdemLeserunnötigeÜbersetzungsarbeitzuersparen.Unsereeige-
nenVersuchezurBereicherungdesTexteshabenwiraufKommentareamRandbeschränkt,
die vor allemsowohl direkte Erläuterungenzum Text als auch Hinweise aufneuere Ent-
wicklungenenthalten.
Berlin,Göttingen,Januar2004 K.Lüders
R.O.Pohl
R.W. Pohl (1884–1976)bei der Besprechung von Farbzentren (F-Zentren), den in sei-
nem Institut entdeckten und dort über viele Jahre untersuchten elementaren Kristallgit-
terfehlern, während eines Besuches in dem Ansco Forschungslabor in Binghamton, NY,
im Jahr 1951. Für Einzelheiten aus seinem Leben siehe: Walther Gerlach: „Robert
Wichard Pohl“, Jahrbuch der Bayerischen Akademie der Wissenschaften 1978, S. 214;
Erich Mollwo: „Erinnerungen an R.W. Pohl“, Physik und Didaktik (PhuD) 3, 230
(1977); Manfred Achilles: „R.W. Pohl“, Praxis der Naturwissenschaften (Physik) 26,
155 (1977); Erich Mollwo: „R.W. Pohl, 1884–1976“,Physik in unserer Zeit 15, 110
(1984);sowie Ekkehard Sieker: „Einfachheit ist das Zeichen des Wahren“,historischer
Dokumentarfilm,dersichaufderDVDdesBandes„ElektrizitätslehreundOptik“befin-
det.
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
(1930)
DiesBuchenthältdenerstenTeilmeinerVorlesungüberExperimentalphysik.DieDar-
stellungbefleißigtsichgroßerEinfachheit.DieseEinfachheitsolldasBuchaußerfürStu-
dierendeundLehrerauchfürweiterephysikalischinteressierteKreisebrauchbarmachen.
DiegrundlegendenExperimentestehenimVordergrundderDarstellung.Siesollenvor
allem der Klärung der Begriffe dienen und einen Überblick über die Größenordnungen
vermitteln.QuantitativeEinzelheitentretenzurück.
EineganzeReihevonVersuchenerforderteinengrößerenPlatz.ImGöttingerHörsaal
stehteineglatteParkettflächevon12×5m2zurVerfügung.DaslästigeHindernisinälte-
renHörsälen,dergroße,unbeweglicheingebauteExperimentiertisch,istschonseitJahren
beseitigt. Statt seiner werden je nach Bedarf kleine Tische aufgestellt, aber ebensowenig
wiedieMöbeleinesWohnraumesindenFußbodeneingemauert.Durchdiesehandlichen
Tische gewinnt die Übersichtlichkeit und Zugänglichkeit der einzelnen Versuchsanord-
nungenerheblich.DiemeistenTischesindumihrevertikaleAchseschwenkbarundrasch
in der Höhe verstellbar.Man kann so die störenden perspektivischen Überschneidungen
verschiedener Anordnungenverhindern.Man kann die jeweils benutzte Anordnungher-
vorhebenundsiedurchSchwenkenfürjedenHörerinbequemerAufsichtsichtbarmachen.
DiebenutztenApparatesindeinfachundwenigzahlreich.Manchevonihnenwerden
hier zum ersten Male beschrieben. Sie können, ebenso wie die übrigen Hilfsmittel der
Vorlesung,vonderFirmaSpindler&Hoyer,G.m.b.H.inGöttingen,bezogenwerden.
Der Mehrzahl der Abbildungen liegen photographische Aufnahmen zugrunde. Viele
BildersindalsSchattenrissegebracht.DieseBildformeignetsichgutfürdenBuchdruck,
ferner gibt sie meist Anhaltspunkte für die benutzten Abmessungen. Endlich erweist ein
SchattenrissdieBrauchbarkeiteinesVersuchesauchingroßenSälen.Denndieseverlangen
in erster Linie klareUmrisse, nirgendsunterbrochendurchnebensächlichesBeiwerk,wie
Stativmaterialu.dgl.
Göttingen,März1930 R.W.Pohl
Inhaltsverzeichnis
A.Mechanik
I. Einführung,Längen-undZeitmessung............................ 1
§1 Einführung ................................................ 1
§2 MessungvonLängen.EchteLängenmessung ..................... 2
§3 DieLängeneinheitMeter ..................................... 3
§4 UnechteLängenmessungbeisehrgroßenLängen.................. 4
§5 Winkelmessung............................................. 5
§6 Zeitmessung.EchteZeitmessung............................... 6
§7 Uhren,graphischeAufzeichnung............................... 6
§8 MessungperiodischerFolgengleicherZeitenundLängen ........... 8
§9 UnechteZeitmessung ........................................ 9
II. DarstellungvonBewegungen,Kinematik.......................... 11
§10 DefinitionvonBewegung.Bezugssystem......................... 11
§11 DefinitionderGeschwindigkeit.
BeispieleinerGeschwindigkeitsmessung ......................... 11
§12 DefinitionderBeschleunigung.DiebeidenGrenzfälle.............. 13
§13 Bahnbeschleunigung,geradeBahn.............................. 15
§14 KonstanteRadialbeschleunigung,Kreisbahn...................... 17
§15 DieUnterscheidungphysikalischerGrößenundihrerZahlenwerte.... 19
§16 GrundgrößenundabgeleiteteGrößen........................... 19
III. GrundlagenderDynamik ...................................... 21
§17 KraftundMasse ............................................ 21
§18 MessverfahrenfürKraftundMasse.
DieGrundgleichungderMechanik ............................. 23
§19 EinheitenvonKraftundMasse.Größengleichungen ............... 26
§20 DichteundspezifischesVolumen............................... 26
IV. AnwendungenderGrundgleichung............................... 27
§21 AnwendungderGrundgleichungaufkonstanteBeschleunigungen
ingeraderBahn............................................. 27
§22 AnwendungderGrundgleichungaufdieKreisbahn.Radialkraft...... 29
§23 SinusförmigeSchwingungen.SchwerependelalsSonderfall.......... 33
§24 Zentralbewegungen.......................................... 37
§25 Ellipsenbahnen,elliptischpolarisierteSchwingungen............... 38
§26 Lissajous-Bahnen........................................... 39
§27 DieKepler-EllipseunddasGravitationsgesetz.................... 40
§28 DieKonstantedesGravitationsgesetzes .......................... 41
§29 GravitationsgesetzundHimmelsmechanik ....................... 43
XII Inhaltsverzeichnis
V. DreinützlicheBegriffe:Arbeit,Energie,Impuls..................... 46
§30 Vorbemerkung.............................................. 46
§31 ArbeitundLeistung ......................................... 46
§32 EnergieundEnergiesatz ...................................... 49
§33 ErsteAnwendungendesmechanischenEnergiesatzes............... 50
§34 KraftstoßundImpuls ........................................ 51
§35 DerImpulssatz ............................................. 52
§36 ErsteAnwendungendesImpulssatzes ........................... 53
§37 Impuls-undEnergiesatzbeimelastischenZusammenstoßvonKörpern 54
§38 DerImpulssatzbeimunelastischenZusammenstoßzweierKörper
unddasStoßpendel.......................................... 55
§39 NichtzentralerStoß.......................................... 57
§40 BewegungengegenenergieverzehrendeWiderstände ............... 57
§41 ErzeugungvonKräftenohneundmitLeistungsaufwand............ 60
§42 Schlussbemerkung........................................... 61
VI. DrehbewegungenfesterKörper .................................. 62
§43 Vorbemerkung.............................................. 62
§44 DefinitiondesDrehmomentes................................. 62
∗
§45 HerstellungbekannterDrehmomente.DieWinkelrichtgrößeD .
DieWinkelgeschwindigkeitωalsVektor......................... 64
§46 Trägheitsmoment,GrundgleichungfürDrehbewegungen,
Drehschwingungen.......................................... 66
§47 DasphysikalischePendelunddieBalkenwaage.................... 70
§48 DerDrehimpuls ............................................ 71
§49 FreieAchsen ............................................... 74
§50 FreieAchsenbeiMenschundTier.............................. 76
§51 DefinitiondesKreiselsundseinerdreiAchsen .................... 77
§52 DieNutationdeskräftefreienKreiselsundseinraumfesterDrehimpuls 79
§53 KreiselunterEinwirkungvonDrehmomenten;
diePräzessionderDrehimpulsachse............................. 80
§54 PräzessionskegelmitNutationen ............................... 84
§55 KreiselmitnurzweiFreiheitsgraden............................. 85
VII. BeschleunigteBezugssysteme.................................... 88
§56 Vorbemerkung.Trägheitskräfte ................................ 88
§57 BezugssystemmitreinerBahnbeschleunigung..................... 89
§58 BezugssystemmitreinerRadialbeschleunigung.
Zentrifugal-undCorioliskraft ................................. 91
§59 FahrzeugealsbeschleunigteBezugssysteme ....................... 97
§60 DasSchwerependelalsLotinbeschleunigtenFahrzeugen ........... 99
§61 DieErdealsbeschleunigtesBezugssystem:
ZentrifugalbeschleunigungruhenderKörper......................100
§62 DieErdealsbeschleunigtesBezugssystem:
CoriolisbeschleunigungbewegterKörper.........................101
