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2021 | Buch

Experimentalphysik 1

Mechanik und Wärme

verfasst von: Wolfgang Demtröder

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe: Springer-Lehrbuch

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Über dieses Buch

Das vorliegende Lehrbuch zur Mechanik und Wärmelehre richtet sich an Studierende der Physik im ersten Semester. Die Vorlesungsinhalte werden hier anschaulich, übersichtlich und leicht verständlich in zwölf Kapiteln dargestellt: Das Buch beginnt mit der Mechanik des Massenpunktes, Bezugssystemen und spezielle Relativitätstheorie. Es werden Systeme von Massenpunkten und die Dynamik starrer ausgedehnter Körper behandelt. Anschließend wird das Verhalten von festen und flüssigen realen Körpern und Gasen diskutiert. Strömende Flüssigkeiten und Gase, Auftrieb und die Physik des Fliegens werden im nächsten Kapitel besprochen. Nach der Vakuum-Physik wird die Wärmelehre eingeführt. Das Buch endet mit mechanischen Schwingungen und Wellen, nichtlinearer Dynamik und Chaos. Für das Verständnis notwendige Teilaspekte der Mathematik werden im Anhang aufgeführt.

Ganz im Stil der bekannten Reihe zur Experimentalphysik von Professor Demtröder wird auch die Mechanik und Wärmelehre möglichst quantitativ präsentiert. Wichtige Formeln und Merksätze sind hervorgehoben und der Lernstoff direkt anhand von Beispielen verständlich gemacht. Über 160 Übungsaufgaben werden ausführlich gelöst und Zusammenfassungen unterstützen Studierende beim strukturierten Lernen.

In der neunten Auflage des beliebten Lehrbuches erwartet Leserinnen und Leser jetzt zusätzlich:

o Wichtige und grundlegende Aufgaben werden in Videos klar und verständlich besprochen und ausführlich an der Tafel gelöst.

o Kurze Fragen am Anfang der Kapitel stimmen auf das jeweilige Themengebiet ein und machen neugierig, beispielsweise: Woher wissen wir, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant und unabhängig von der Bewegung des Beobachters ist? Was ist ein Trägheitsmoment eines Körpers und wie unterscheidet es sich von der Masse des Körpers? Wovon hängt es ab, ob Materie fest, flüssig oder gasförmig ist? Wie kommt eine Seifenblase zustande?

o Ein neues Layout präsentiert den Inhalt noch übersichtlicher.

o Ausgesuchte Abbildungen stehen als Vorlesungsfolien für Dozentinnen und Dozenten zur Verfügung.

Der Autor

Wolfgang Demtröder studierte an den -Universitäten in Münster, Tübingen und Bonn die Fächer Physik, Mathematik und Musikwissenschaft. Dort promovierte er bei dem späteren Nobelpreisträger Prof. Wolfgang Paul. Er arbeitete an der Universität Freiburg als wissenschaftlicher Mitarbeiter, wo er auch habilitiert wurde und forschte als Visiting Fellow am Joint Institute for Astrophysics in Boulder, Colorado und erhielt 1970 einen Ruf als ordentlicher Professor an die Universität Kaiserslautern. Er forschte unter anderem auf dem Gebiet der hochauflösenden Laserspektroskopie kleiner Moleküle. Bekannt ist der Autor vor allem für sein Standardwerk über Laserspektroskopie und seine beliebte und bekannte Lehrbuchreihe Experimentalphysik I-IV.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einführung und Überblick
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden der Modelbegriff in der Physik und die große Bedeutung der Zusammenarbeit von Theoretikern und Experimentatoren betont. Nach einem kurzen Abriss der historischen Entwicklung der Physik wird das heutige Weltbild der Physik skizziert und die Verbindungen zu Nachbarwissenschaften betont. Die Grundgrößen der Physik und Methoden zu ihrer Messung werden vorgestellt und der Einfluss von statistischen und systematischen Fehlern auf die Genauigkeit des Messresultates diskutiert.
Wolfgang Demtröder
2. Mechanik eines Massenpunktes
Zusammenfassung
Das Modell des Massenpunktes und die Beschreibung seiner Bewegung unter dem Einfluss von Kräften wird ausführlich behandelt. Die Newton’schen Grundgleichungen der Mechanik sowie die Erhaltungssätze für Energie, Impuls und Drehimpuls werden diskutiert. Am Beispiel der Planetenbewegung unter dem Einfluss der Gravitationskraft werden die vorher gewonnenen Erkenntnisse verdeutlicht und Messmethoden zur Bestimmung der Gravitationskonstanten vorgestellt.
Wolfgang Demtröder
3. Bewegte Bezugssysteme und spezielle Relativitätstheorie
Zusammenfassung
Die Themen dieses Kapitels sind die Beschreibung der Bewegung von Massenpunkten in verschiedenen Bezugssystemen, die Erklärung von Scheinkräften (Trägheitskräften), die Galilei-Transformationen und die Lorentz-Transformationen, die von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ausgehen und welche die Basis für die spezielle Relativitätstheorie bilden. Die Kernaussagen dieser Theorie und die daraus folgenden Konsequenzen werden an Hand von Minkowski-Diagrammen verdeutlicht und das zentrale Problem der Gleichzeitigkeit von Ereignissen in verschiedenen Bezugssystemen wird diskutiert.
Wolfgang Demtröder
4. Systeme von Massenpunkten. Stöße
Zusammenfassung
Hier wird das für Physik und Chemie wichtige Gebiet der elastischen, unelastischen und reaktiven Stöße zwischen Teilchen behandelt und deren Bedeutung für die Bestimmung der Wechselwirkung zwischen den Teilchen. Die Begriffe: Labor-System und Schwerpunkt-System werden erläutert und das für die Hochenergiephysik wichtige Problem der relativistischen Stöße wird kurz angeschnitten. Zum Schluss werden die verallgemeinerten Erhaltungssätze und ihre Herleitung aus Symmetrie-Prinzipien vorgestellt.
Wolfgang Demtröder
5. Dynamik starrer ausgedehnter Körper
Zusammenfassung
Hier wird das Modell des Massenpunktes erweitert zu räumlich ausgedehnten starren Körpern, deren Bewegung unter dem Einfluss von Kräften und Drehmomenten ausführlich diskutiert wird. Das Trägheitsmoment und seine Bedeutung für die Bewegung von starren Körpern werden behandelt und der Begriff des Kreisels und seine Nutation und Präzession erklärt. Zum Schluss wird die Anwendung der Ergebnisse der Kreiselbewegungen auf die Bewegung unserer Erde vorgestellt.
Wolfgang Demtröder
6. Reale feste und flüssige Körper
Zusammenfassung
In diesem Kapitel beginnen wir mit der Beschreibung realer fester und flüssigen Körper. Die Frage, unter welchen Bedingungen die verschiedenen Phasen: fest, flüssig und gasförmig eingenommen werden, wird hier beantwortet. Die Verformung fester Körper und die Phänomene im flüssigen Zustand, wie Auftrieb, Schwimmen, Oberflächen-Spannung und Kapillarität werden diskutiert. Der letzte Abschnitt behandelt das für viel Bereiche der Technik wichtige Gebiet der Reibung und ihrer Verminderung.
Wolfgang Demtröder
7. Gase
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die makroskopische Betrachtung von Gasen behandelt sowie die mikroskopische Beschreibung an Hand der kinetischen Gastheorie. Verschiedene experimentelle Methoden zur Prüfung der theoretischen Aussagen werden vorgestellt. Danach folgt ein Abschnitt über Transport-Phänomene in Gasen, wie z.B. Diffusion und Wärmeleitung, in dem auch die eindrucksvolle Demonstration der Brown’schen Molekularbewegung illustriert wird. Zum Schluss werden die hier gewonnenen Erkenntnisse auf die Beschreibung unserer Erdatmosphäre angewandt und deren Struktur erläutert.
Wolfgang Demtröder
8. Strömende Flüssigkeiten und Gase
Zusammenfassung
Nach der Einführung der Grundbegriffe der strömenden Flüssigkeiten werden die Eigenschaften idealer Strömungen und die daraus folgenden Gesetze, wie die Euler-Gleichung und das Bernoulli Theorem behandelt und der Unterschied zwischen laminaren und turbulenten Strömungen diskutiert. Die Frage, wie in strömenden Flüssigkeiten Wirbel entstehen, wird an Hand von Beispielen illustriert. Das besonders interessante Gebiet der Aerodynamik und seine Anwendung werden durch die Antwort auf die Frage: Warum können Flugzeuge fliegen? verdeutlicht. Zum Schluss wird die Nutzung der Windenergie als anwendungsorientiertes Beispiel etwas ausführlicher behandelt und an Hand von aktuellen Tabellen die reale Nutzung für die Energieversorgung dokumentiert.
Wolfgang Demtröder
9. Vakuum-Physik
Zusammenfassung
Dieses Kapitel ist der Vakuum Technologie gewidmet, einem Gebiet, das für die Entwicklung der modernen Atom- Kern- und Elementarteilchen-Physik von nicht zu überschätzender Bedeutung war. Nach der Erklärung der wichtigsten Grundbegriffe werden Methoden zur Erzeugung und Messung von Vakua vorgestellt und die Gründe für die Begrenzung bei der Erreichung tiefster Drücke erläutert. Die verschiedenen Pumpentypen werden vorgestellt und die für die Messung der Vakua optimalen Messgeräte erläutert.
Wolfgang Demtröder
10. Wärmelehre
Zusammenfassung
Hier werden die Begriffe Temperatur und Wärmemenge definiert. Phasenübergänge fest-flüssig-gasförmig und die dabei notwendigen Wärmemengen werden erläutert und die verschiedenen Arten des Wärmetransportes diskutiert. Die Frage der Temperaturmessung und die dazu optimalen Messgeräte wird behandelt. Die Hauptsätze der Thermodynamik und ihre Folgerungen für die Energie-Umwandlung von thermischer in mechanische oder elektrische Energie werden am Beispiel des Carnot-Prozesses erläutert und die Unmöglichkeit eines Perpetuum-Mobiles begründet. Als ein wichtiger Teil der realen Thermodynamik wird die Physik der Verdampfung von Flüssigkeiten und ihre Kondensation behandelt und technischen Verfahren zur Verflüssigung von Gasen vorgestellt. Zum Schluss wird als Anwendungsbeispiele die technische Realisierung verschiedener Energie-Umwandlungs-Methoden diskutiert und an Hand von Abbildungen illustriert.
Wolfgang Demtröder
11. Mechanische Schwingungen und Wellen
Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt die für viele Anwendungen bedeutsame Physik der Schwingungen und Wellen.
Außer dem harmonischen Oszillator werden Probleme des anharmonischen Oszillators, der erzwungenen Schwingung, die Kopplung von Oszillatoren, Resonanz-Phänomene und parametrische Oszillatoren diskutiert.
Die Ausbreitung von Wellen in den verschiedenen Medien und die dabei notwendigen Kopplungen zwischen den Atomen des Mediums werden behandelt. Die Überlagerung von Wellen und die dabei auftretenden Phänomen wie Beugung und Interferenz werden auch mathematisch dargestellt. Stehende Wellen und der Doppler-Effekt bei bewegten Beobachtern oder Quellen werden an Hand von Beispielen erläutert. Zum Schluss wird das Gebiet der Akustik, ihre Anwendungen und vor allem die Physik der Musik-Instrumente als schönes Beispiel der Akustik illustriert.
Wolfgang Demtröder
12. Nichtlineare Dynamik und Chaos
Zusammenfassung
Die in diesem Kapitel kurz vorgestellte Nichtlineare Dynamik und die Chaos-Theorie sind relativ neue Gebiete der Physik, die ein Reihe von interessanten Anwendungen haben. Nach der Erläuterung der Stabilität dynamischer Systeme und den Folgerungen für die Vorhersage bei nichtlinearen Systemen werden an den Beispielen der Bevölkerungs-Explosion und des „Staus aus dem Nichts“ die Anwendungsmöglichkeiten der Theorie illustriert. Die Lösungen nichtlinearer Differentialgleichungen werden an den Beispielen der Fraktale und der Mandelbrotmengen verdeutlicht und die ästhetische Schönheit der dabei entstehenden Figuren an Hand von Abbildungen gezeigt.
Wolfgang Demtröder
13. Anhang
Zusammenfassung
In desem mathematischen Anhang werden einige elementare Gebiete der Mathematik kurz behandelt, die für das Verständnis der Physikvorlesunjg notwendig sind. Dies sind: Vektorrechnung und Vektor-Analysis, Koordinatensysteme, komplexe Zahlen und Fourier-Analyse.
Wolfgang Demtröder
14. Lösungen der Übungsaufgaben
Zusammenfassung
In diesem Lösungsteil werden die Lösungsansätze der im Text angegebenen Aufgaben dargestellt, der Lösungsweg diskutiert und das numerische Ergebnis angegeben, sodass der Leser seine selbstständig erarbeiteten Lösungen mit den hier gegebenen vergleichen kann. Für jedes Kapitel wird ein Video gezeigt, in dem Dr. Gmelch von der Uni Dresden eine Aufgabe ausführlich behandelt und an der Tafel die Lösung verständlich vorführt.
Wolfgang Demtröder
Backmatter
Metadaten
Titel
Experimentalphysik 1
verfasst von
Wolfgang Demtröder
Copyright-Jahr
2021
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-62728-0
Print ISBN
978-3-662-62727-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-62728-0

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