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2020 | Buch

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Experimentalphysik: Mechanik

Grundlagen und Aufgaben zu Massenpunkten, Newton, Fluiden & Co.

verfasst von: Dr. Helga Kumrić, Felix Roser

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Lehr- und Aufgabenbuch begleitet Studierende mit Haupt- oder Nebenfach Physik in der Vorlesung zur Experimentalphysik I. Das Autorenteam kombiniert die Erläuterungen zu den theoretischen physikalischen Zusammenhängen mit anschaulichen Aufgaben, anhand derer Leserinnen und Leser wichtige Aspekte verstehen und sich gut einprägen können. Der Lernstoff wird durch viele Beispiele, farbige Boxen, Skizzen und Kapitelzusammenfassungen klar strukturiert und durch Tipps und Hinweise ergänzt. Damit können Leserinnen und Leser effektiv Vorlesungen im Selbststudium nachbereiten und sich auf die Prüfungen effizienter vorbereiten. Das Buch fokussiert sich auf die üblicherweise prüfungsrelevanten Aspekte der Mechanik und beinhaltet:

die erforderlichen mathematischen Werkzeuge,die Grundlagen der Newton’schen Mechanik, die benötigt werden, um Bewegungen von Massenpunkten zu beschreiben und zu verstehen,eine Einführung in die spezielle Relativitätstheorie,eine gründliche Beschreibung von Schwingungen und Wellen,eine Behandlung der Mechanik von ausgedehnten Körpern, sowohl für starre als auch für verformbare Körper,das Wesentliche der Mechanik ruhender und bewegter Fluide.

150 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen – gestaffelt nach einfachen Einführungsaufgaben zum Warmwerden, Verständnisaufgaben und Übungs- bzw. Klausuraufgaben – ermöglichen es Studierenden, die nötige Routine im Lösen von Aufgaben zu erlangen und das Erlernte zu festigen.

Die Autoren

Dr. Helga Kumrić hat nach dem Studium der Elektrotechnik in Zagreb mit einem Thema aus der Hochfrequenzheizung von Fusionsplasmen an der Universität Stuttgart promoviert. Seit 2012 lehrt und forscht sie am 1. Physikalischen Institut der Fakultät Mathematik und Physik an der Universität Stuttgart. Ihre langjährigen Erfahrungen als Dozentin für Physikalische Messtechnik und Übungsleiterin für die Experimentalphysik I, II und V finden sich in diesem Buch wieder.

Felix Roser schloss sein Physikstudium an der Universität Stuttgart 2019 mit einem Master-Abschluss auf dem Gebiet der theoretischen Vielteilchen-Quantenmechanik ab. Während seines Studiums war er als Tutor für Experimentalphysik I und II engagiert und hat dabei viel Erfahrung beim Erstellen von Übungsblättern und der Betreuung von Studierenden gesammelt. Seit 2020 promoviert er am Institut für Theoretische Physik III der Fakultät Mathematik und Physik in Stuttgart.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Mathematische Grundlagen

Zusammenfassung

Die Physik beschreibt die Vorgänge der Natur. Dabei ist ihr wichtigstes Werkzeug die Mathematik. Ohne sie wäre die Physik von heute völlig undenkbar.

Deshalb widmen wir dieses Kapitel den mathematischen Grundlagen, die wir benötigen, um die Grundzüge der klassischen Mechanik zu verstehen. Dabei beschränken wir uns auf die wichtigsten Regeln und Methoden und gehen nicht weiter auf deren Ursprung und Herleitungen ein.

Betrachten Sie dieses Kapitel deshalb nicht als Lehrmaterial für Mathematik, sondern als Nachschlagewerk für die Rechenmethoden, die sich in den nachfolgenden Kapiteln dieses Buches befinden.

Helga Kumrić, Felix Roser

Kapitel 2. Physikalische Größen

Zusammenfassung

In der Physik wird genau genommen weniger mit Zahlen als vielmehr mit physikalischen Größen gearbeitet. Sie ermöglichen es uns, mathematische Methoden in der Physik anzuwenden.

In diesem Kapitel gehen wir auf die Bedeutung von Einheiten und das Internationale Einheitensystem ein. Wir zeigen dabei auch, wie Einheiten umgewandelt und kombiniert werden können.

Zuletzt behandeln wir noch den Umgang mit Messfehlern, die immer ein Teil von realen Experimenten sind.

Helga Kumrić, Felix Roser

Kapitel 3. Bewegungen von Massenpunkten

Zusammenfassung

Auch wenn wir es in der klassischen Mechanik für gewöhnlich mit ausgedehnten Körpern zu tun haben, lassen sich viele Situationen anhand von einfachen Massenpunkten verstehen. Wir verwenden sie deshalb als Zugang zur Newton’schen Mechanik.

Zu Beginn behandeln wir die Kinematik von Massenpunkten - also die Beschreibung der Bewegungen von Massenpunkten - bevor wir eine Einführung zu Kräften und den Newton’schen Axiomen geben. So kommen wir auf den Impulsbegriff zu sprechen und verstehen, wie sich die Bewegungen von Massenpunkten verändern können. In diesem Zusammenhang machen wir Sie auch mit der Galilei-Transformation vertraut.

Außerdem bietet Ihnen dieses Kapitel Grundlagen zum Thema Kreisbewegungen (Winkelgeschwindigkeit, Drehmoment, Drehimpuls) und Scheinkräfte (Zentrifugalkraft…). Besonderes Augenmerk legen wir auch auf die Begriffe von Energie und Arbeit. Zuletzt behandeln wir die Gravitation und die Kepler’schen Gesetze, die die Bewegungen von Planeten um Sterne beschreiben.

Helga Kumrić, Felix Roser

Kapitel 4. Spezielle Relativitätstheorie

Zusammenfassung

Die spezielle Relativitätstheorie ist nicht unbedingt Inhalt der ersten Experimentalphysik-Lehrveranstaltung. Dennoch widmen wir ihr hier ein eigenes Kapitel.

Wir fokussieren uns nicht auf das Lösen von Aufgaben in der speziellen Relativitätstheorie. Stattdessen legen wir großen Wert darauf, die wichtigsten Zusammenhänge klar und verständlich aufzuzeigen.

Dafür beginnen wir mit einer Einführung in die Lorentz-Transformation. Sie bildet die Grundlage der speziellen Relativitätstheorie und ersetzt gewissermaßen die Galilei-Transformation. Dabei gehen wir besonders auf die Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit ein.

Anschließend beschäftigen wir uns ausführlich mit den Konsequenzen der Lorentz-Transformation. Hier behandeln wir die bekanntesten Phänomene der speziellen Relativitätstheorie wie beispielsweise die Längenkontraktion und die Zeitdilatation. Zuletzt kommen wir auf die relativistische Energie-Impuls-Beziehung und die berühmte Äquivalenz von Masse und Energie zu sprechen.

Helga Kumrić, Felix Roser

Kapitel 5. Schwingungen und Wellen

Zusammenfassung

Im Kapitel zu den Bewegungen von Massenpunkten haben wir bereits Bewegungsgleichungen eingeführt und beschrieben, wie diese Differentialgleichungen gelöst werden können. Nun gehen wir zunächst auf eine ganz besondere Bewegungsgleichung ein - die des harmonischen Oszillators. Wir behandeln auch den gedämpften und den getriebenen harmonischen Oszillator und stoßen dabei auf wichtige physikalische Erkenntnisse, die allgemein für Schwingungen gelten.

Im zweiten Teil des Kapitels behandeln wir Wellen. Dieses Thema wird in Lehrveranstaltungen zur klassischen Mechanik üblicherweise nur kurz angeschnitten. Die Beschreibung von Wellen kann äußerst komplex sein und wird im Zusammenhang mit elektromagnetischen Wellen in der Elektrodynamik ausführlich behandelt. Wir geben Ihnen deshalb nur eine Einführung in die Wellengleichung und leiten damit die wichtigsten qualitativen Beobachtungen zu Wellen her. Dabei gehen wir besonders auf die Reflexion und Überlagerung von eindimensionalen Wellen ein.

Helga Kumrić, Felix Roser

Kapitel 6. Mechanik ausgedehnter Körper

Zusammenfassung

Alle bisher erlernten Aspekte der klassischen Mechanik waren anhand von Massenpunkten erklärbar. In diesem Kapitel behandeln wir nun Themen, für die wir das Konzept von Massenpunkten auf ausgedehnte Körper erweitern müssen.

Im Kapitel zu den Bewegungen von Massenpunkten haben wir bereits über Kreisbewegungen gesprochen. Das vervollständigen wir nun mit den Rotationsbewegungen von starren Körpern. Wir gehen im Besonderen auf das Trägheitsmoment, den Steiner’schen Satz, Hauptträgheitsmomente, Präzessionsbewegungen und Nutationsbewegungen ein.

Wir geben einige Einblicke in die Beschreibung der Bewegungen von starren Körpern. Diese können unter Einfluss von Kräften in Translations- und Rotationsbewegungen versetzt werden.

In der Realität sind Körper niemals völlig starr, sondern immer zu einem gewissen Maß elastisch. Deshalb behandeln wir die Verformungen von Körpern unter Einfluss von Kräften. Zuletzt geben wir Ihnen eine kurze Einführung in die Wärmeausdehnung von Körpern.

Helga Kumrić, Felix Roser

Kapitel 7. Mechanik in Fluiden

Zusammenfassung

Im letzten physikalischen Kapitel dieses Buches behandeln wir die Mechanik von Fluiden und gehen dabei sowohl auf Flüssigkeiten als auch auf Gase ein.

Zunächst ist es wichtig, die Physik ruhender Fluide zu verstehen. Dafür beschreiben wir Oberflächen von Flüssigkeiten und den statischen Druck in Fluiden. Um zu verstehen, wie sich Körper in Fluiden verhalten, behandeln wir außerdem noch Auftriebskräfte. Anschließend gehen wir besonders auf die Phänomene von Ober- und Grenzflächen von Fluiden und den Kapillareffekt ein.

Zum Ende des Kapitels geben wir eine Einführung zur Mechanik von bewegten Fluiden. Dazu gehören im Besonderen wichtige Zusammenhänge wie beispielsweise die Kontinuitätsgleichung, die Bernoulli-Gleichung und für viskose Fluide die Navier-Stokes-Gleichung. Sie finden zu diesen Formeln ausführliche und intuitive Herleitungen.

Helga Kumrić, Felix Roser

Kapitel 8. Lösungen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel finden Sie die ausführlichen Lösungen zu allen Theorie- und Übungsaufgaben, die in diesem Buch gestellt werden.

Helga Kumrić, Felix Roser

Backmatter

Titel: Experimentalphysik: Mechanik
verfasst von: Dr. Helga Kumrić
Felix Roser
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-61855-4
Print ISBN: 978-3-662-61854-7
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-61855-4

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