Physik für Ingenieure

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Die Physik ist ein Teilgebiet der Naturwissenschaften. Sie beschäftigt sich im Gegensatz zur Medizin oder Biologie mit der leblosen Umwelt. Dieser eingeengte Betrachtungsbereich muß beachtet werden, wenn es um die Frage geht, ob die Methoden der physikalischen Erkenntnis auch auf andere Wissenschaftsgebiete direkt übertragbar sind.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

2. Mechanik

Zusammenfassung

Die Mechanik ist der Teil der Physik, der sich mit der Zusammensetzung und dem Gleichgewicht von Kräften, die auf einen ruhenden Körper wirken (Statik), mit Bewegungsvorgängen (Kinematik) und den Kräften als Ursache der Bewegung (Dynamik) befaßt. Die Dynamik wird auch als Kinetik bezeichnet oder dient als Sammelbegriff für Statik und Kinetik.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

3. Thermodynamik

Zusammenfassung

Die Thermodynamik beschreibt die Zustände und deren Änderung infolge der Wechselwirkung mit der Umgebung von kompliziert zusammengesetzten makroskopischen Systemen durch eine geringe Anzahl makroskopischer Variablen, wie z. B. Druck oder Temperatur, sowie durch thermodynamische Potentiale.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

4. Elektrizität und Magnetismus

Zusammenfassung

Die Eigenschaften der Elektrizität und des Magnetismus lassen sich nicht — wie in der Thermodynamik — aus der Mechanik ableiten. Ein Grund hierfür ist, daß eine neue Eigenschaft der Materie mit einbezogen werden muß: die Ladung. Sie ist materiegebunden, als Elementarladung e quantisiert und hat zwei Ausprägungen: positive und negative Ladungen. Bild 4–1 zeigt, wie die Gebiete Elektrizität und Magnetismus zusammenhängen. Grundsätzlich sind drei Bewegungszustände der Ladungen möglich:

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

5. Schwingungen und Wellen

Zusammenfassung

Bei Schwingungen und Wellen finden periodische Zustandsänderungen statt, die mechanische Systeme (im festen, flüssigen und gasförmigen Zustand) und elektromagnetische Systeme erfassen können. Im allgemeinen Fall wird Energie zwischen Energiereservoirs periodisch hin- und herbewegt. Systeme, die zu einem solchen periodischen Energieaustausch fähig sind, werden Oszillatoren genannt. Bei mechanischen Schwingungen eines Feder-Masse-Systems (Federpendel oder mechanischer Oszillator) betrifft dies die potentielle Energie der Feder und die kinetische Energie der Masse und beim elektromagnetischen Schwingkreis die elektrische Energie des Kondensators und die magnetische Energie der Spule. Die Periodizität des Energieaustausches wird beschrieben durch die Schwingungsdauer T für einen Energieaustauschzyklus bzw. durch die Frequenz f, d. h. die Anzahl der Zyklen je Zeiteinheit.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

6. Optik

Zusammenfassung

Die Optik ist die Lehre vom Licht und befaßt sich mit den Erscheinungen, die durch unser Sinnesorgan Auge wahrgenommen werden. Die Gliederung der Optik in ihre historisch gewachsenen Teilgebiete ist in Bild 6–1 schematisch dargestellt.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

7. Akustik

Zusammenfassung

Die Akustik beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Longitudinalwellen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern. Bild 7–1 zeigt eine Übersicht über das Fachgebiet Akustik. Von besonderer Bedeutung sind die Ausbreitung von Schall in Luft und die beim Menschen ausgelöste Schallempfindung. Je nach Frequenzverlauf und Amplitude wird Schall in Ton (eine Schallfrequenz, sinusförmiger Amplitudenverlaul), Geräusch (breitbandiges Frequenzspektrum, stark schwankender Amplitudenverlauf) oder Knall (sehr breitbandiges Frequenzspektrum mit nahezu konstantem Amplitudenverlauf) eingeteilt.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

8. Atom- und Kernphysik

Zusammenfassung

Aus der Übersicht Bild 8–1 geht hervor, daß die Quantentheorie die Grundlage der quantitativen Beschreibung der Eigenschaften der Materie vom Festkörper bis zum Quark ist. Bis zum atomaren Bereich ist die Schrödinger-Gleichung (Abschn. 8.2.2), für den subatomaren Bereich die Dirac-Gleichung (Abschn. 8.9) gültig.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

9. Festkörperphysik

Zusammenfassung

Die Festkörperphysik hat sich in den letzten zehn Jahren von der reinen Grundlagenforschung zu dem wichtigsten anwendungsorientierten Gebiet entwickelt. Bild 9–1 zeigt, daß die Festkörperphysik ohne die Atom- und Quantenphysik nicht verstanden werden kann, so daß des öfteren auf die entsprechenden Abschnitte verwiesen werden muß.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

10. Spezielle Relativitätstheorie

Zusammenfassung

Die Relativitätstheorie, von A. Einstein (1879 bis 1955) entwickelt, besteht aus der Speziellen Relativitätstheorie (1905 veröffentlicht) und der Allgemeinen Relativitätstheorie (1916 veröffentlicht). Die Spezielle Relativitätstheorie befaßt sich mit Fragen der Definition von Raum und Zeit in Systemen, die sich gegeneinander mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. In der Allgemeinen Relativitätstheorie werden relativ zueinander beschleunigte Systeme sowie der Einfluß von Gravitationsfeldern auf Maßstäbe und Uhren untersucht. So betrachtet ist die Spezielle Relativitätstheorie ein Spezialfall der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

11. Anhang

Ekbert Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer

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