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2010 | Buch

Physik für Ingenieure

verfasst von: Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

Verlag: Vieweg+Teubner

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

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Über dieses Buch

Als wir 1970 die erste Auflage dieses Physikbuches vorlegten, geschah es in der Überz- gung, dass die Physik als Grundlagenfach für den Ingenieur in der Ausbildung und in der Praxis ständig an Bedeutung gewinnt. Das gilt sicher heute mehr denn je. Besonders die immer wichtiger werdende sog. „Hochtechnologie“ basiert unmittelbar auf gründlicher Beherrschung der Physik. Die Physik hat für das technische Studium im Wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen: Einerseits sollen Kenntnisse über physikalische Gesetzmäßigkeiten vermittelt werden, die für das Verständnis und die Beherrschung technischer Probleme notwendig sind; in dieser Beziehung ist die Physik Hilfswissenschaft der Technik. Andererseits ist ein wesentlicher Teil des modernen technischen Denkens „physikalisches Denken“. Um die erste dieser Aufgaben zu erfüllen, würde es fast genügen, möglichst viele T- bestände säuberlich geordnet und nummeriert mitzuteilen. Die zweite Aufgabe würde jedoch damit sicher nicht erfüllt. Wir halten sie aber für die weitaus wichtigere und haben uns daher bemüht, die Prinzipien und Methoden des physikalischen Denkens immer h- auszustellen: Eindeutige Definitionen der Begriffe; Größen und Einheiten; klare Unt- scheidung zwischen Axiom, Erfahrungstatsache und mathematischem Formalismus; Einführung von Modellvorstellungen – d.h. „vereinfachten Bildern der Wirklichkeit“ – deutliches Aufzeigen der Grenzen der jeweiligen Modelle; Verfeinerung der Modelle; soweit möglich, logische Ableitung neuer Tatsachen aus vorher bekannten oder bewie- nen. Dabei haben wir im Zweifelsfall dem physikalischen Verständnis den Vorzug gegeben gegenüber der oft kürzeren und eleganteren mathematisch-formalen Herleitung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einleitung

Zusammenfassung

Was ist Physik?

Was ist Physik? Diese Frage ist leichter gestellt als beantwortet. Wir beginnen daher zunächst mit einfachen Eingrenzungen, über welche Übereinstimmung herrscht.

Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

1. Mechanik

Zusammenfassung

Die Mechanik ist das älteste Gebiet der Physik. In diesem Abschnitt behandeln wir die sog. klassische Mechanik, die im 20. Jahrhundert um die relativistische Mechanik für Vorgänge mit Geschwindigkeiten, die nicht mehr klein gegen die Lichtgeschwindigkeit sind (s. Abschn. 8), und die sog. Quantenmechanik (s. Abschn. 5.3, 6 und 7), welche die besonderen Eigenschaften der Elementarteilchen berücksichtigt, erweitert werden musste. Diese Erweiterungen beeinträchtigen aber in keiner Weise das sehr große Anwendungsspektrum der klassischen Mechanik. Es reicht von der bloßen Beschreibung von Bewegungsvorgängen in der sog. Kinematik über das Verständnis der Wechselwirkungen von Körpern durch Kräfte, des Austausches von Energie, den Planetenbewegungen bis zur Beantwortung der Frage, warum ein Flugzeug fliegt, in der sog. Dynamik. Wie im ganzen Abschn.1 sichtbar wird (z.B. auch in vielen Aufgaben), umfasst sie hierbei eine außerordentlich große Vielfalt von technischen Anwendungen. Darüber hinaus liefert sie mit den Definitionen der Größen Kraft, träge Masse, Impuls, Drehimpuls, Arbeit und Energie die Grundlage auch für alle anderen Gebiete der Physik, von der Wärmelehre bis zur Relativitätstheorie. Das auch zur klassischen Mechanik gehörende Teilgebiet der Statik wird in diesem Buch nicht behandelt, zum einen, weil es hierfür umfangreiche Spezialliteratur gibt, zum anderen, weil es im Gegensatz zur Dynamik als Grundlage für die übrige Physik nicht erforderlich ist.

Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

2. Wärmelehre

Zusammenfassung

Der Wärmelehre oder Thermodynamik liegen Beobachtungen zugrunde, die bis ins Altertum zurückgehen. Als eigenes Gebiet hat sie sich im 17. und 18. Jahrhundert entwickelt, wobei der Aufschwung der Chemie einen maßgeblichen Einfluss hatte. Durch die geschichtliche Entwicklung bedingt sind drei verschiedene Betrachtungsweisen entstanden, die heute miteinander verflochten sind.

Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

3. Elektrizität und Magnetismus

Zusammenfassung

Grundlegende Erfahrungen. Außer den mechanischen Kräften und der Gravitationskraft kennen wir in der Natur noch die magnetischen und elektrischen Kräfte; von den Kernkräften, die zwischen den Bausteinen der Atomkerne wirken und der sog. schwachen Wechselwirkung (s. Abschn. 6.2.3.2), sei hier einmal abgesehen. – Wir wenden uns zunächst den elektrischen Erscheinungen zu. Hierfür einige Beispiele:

Man kann bestimmte Körper, wie z.B. Glas oder Hartgummi, durch Reiben in einen Zustand versetzen, in dem sie andere Körper anziehen oder abstoßen, also auf diese eine Kraft ausüben. Wir bezeichnen Körper in diesem Zustand als e1ektrisch geladen. Dabei unterscheidet sich der Ladungszustand von Glas und Hartgummi. Willkürlich hat man den Zustand, in dem sich eine Glasstange nach dem Reiben befindet, positiv (+), denjenigen beim Hartgummistab negativ (–) elektrisch geladen genannt1).

Die Beobachtung lehrt, dass die Materie gewöhnlich ungeladen, also weder positiv noch negativ geladen, d.h. elektrisch neutral ist.

Die elektrische Ladung ist an Materie gebunden. Für die Ladung gilt ein Erhaltungssatz; außerdem hat die Ladung eine atomistische Struktur, d.h. sie besteht aus kleinsten nicht mehr unterteilbaren Ladungen (s. Abschn. 3.1.1.1).

Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

4. Strahlenoptik

Zusammenfassung

Elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen von 390 bis 790 nm (Frequenzen zwischen 3,8 · 10¹⁴ und 7,7 · 10¹⁴ Hz) nennen wir Licht – nach dem Eindruck, den diese Wellen in unserem Auge hervorrufen. Das Verhalten und die Eigenschaften dieses Lichtes beschreibt die Optik. Soweit dazu die Welleneigenschaften eine Rolle spielen, wird die Optik in Abschn. 5.2 behandelt. Für den einfacheren Teil der Optik ist es jedoch nicht notwendig, die Wellennatur des Lichtes zu berücksichtigen; man beschreibt vielmehr nur den makroskopischen Verlauf von Lichtbündeln.

Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

5. Schwingungs- und Wellenlehre

Zusammenfassung

Schwingungen und Wellen haben sowohl inhaltlich als auch in ihrer formalen Behandlung viele Ähnlichkeiten. Deshalb ist ihre Behandlung hier unter einer Kapitelüberschrift zusammengefasst.

Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

6. Atom- und Kernphysik

Zusammenfassung

Alle Stoffe lassen sich nicht beliebig fein unterteilen, sondern bestehen aus kleinsten Bauteilen, auf der Erde aus Atomen oder Atomgruppen, den Molekülen. Das zeigt sich besonders in der kinetischen Gastheorie (Abschn. 2.3.1) und ist die Grundlage der Chemie. Die Durchmesser derAtome ergeben sich z.B. aus der Gastheorie zu größenordnungsmäßig 10⁻¹⁰ m, ihre Massen liegen zwischen 1,672 · 10⁻²⁷ kg (Wasserstoffatom) und 423 · 10⁻²⁷ kg (Nobeliumatom). Ursprünglich galten die Atome als unteilbar. In der Elektrizitätslehre zeigt sich jedoch, dass die Atome in elektrisch positive und elektrisch negative Teilchen zerlegt werden können. Dabei sind die negativen Teilchen im einfachsten Fall die Elektronen mit einer Ladung e₀ =− 1,602 · 10⁻¹⁹ As, der Elementarladung, und einer gegenüber der Atommasse verschwindend kleinen Masse m_e=9,109 · 10⁻³¹ kg. Einem Wasserstoffatom kann man z.B. maximal ein, einem Heliumatom maximal zwei Elektronen entziehen (ionisieren). Die zurückbleibenden Teile haben eine bzw. zwei positive Elementarladungen und praktisch die ganze Masse des Atoms. Eine Aussage über die Abmessungen der Atomteile erhält man u.a. folgendermaßen:

Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

7. Festkörperphysik

Zusammenfassung

Die Festkörperphysik hat sich zu einem der reizvollsten Gebiete mit einer Fülle technischer Anwendungen entwickelt. Befasste sie sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts im Wesentlichen mit der systematischen Beschreibung des Aufbaus der Festkörper, z.B. mit den Kristallstrukturen, und den mechanischen und thermischen Eigenschaften, so setzte mit der Benutzung der Quantenmechanik ein ungeheurer Aufschwung ein, der vor allem das Verständnis der elektrischen Leitung, auch bei den sog. Supraleitern, insbesondere aber bei den Halbleitern brachte. Die damit einhergehenden technischen Anwendungen der Mikroelektronik führen zu einer technischen Revolution, die jeden von uns in vielfältiger Weise betrifft. Wie in diesem Abschnitt sichtbar wird, haben wir es hier buchstäblich mit breit anwendbarer „Quantentechnik“ zu tun.

Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

8. Relativitätstheorie

Zusammenfassung

Die Relativitätstheorie ist eines der interessantesten und meistdiskutierten Gebiete der Physik. Wie dieser Abschnitt zeigen wird, werden in ihr aus unserer Alltagserfahrung so selbstverständlich erscheinende Begriffe wie Raum, Zeit, Masse auf eine neue, umfassendere Weise erweitert, sodass wir Gelegenheit zum Staunen haben. Das Gute daran ist, dass all dieses zunächst Ungewohnte bestens experimentell gesichert ist, und dass es viele technische Anwendungen gibt: Zum Beispiel gäbe es die moderne Elektrotechnik nicht ohne die auf der sog. Lorentzkraft beruhenden Induktionserscheinungen (vgl. Abschn. 3). Wie in Abschn. 8.2.3 gezeigt wird, ist aber genau diese Lorentzkraft bemerkenswerterweise ein relativistischer Effekt, mit dem jeder bewusst oder unbewusst im Alltag zu tun hat. Jeder kennt auch die Energiegewinnung aus der Umwandlung von Materie in Energie, z.B. in Kernkraftwerken (vgl. Abschn. 6.2.4).

Paul Dobrinski, Gunter Krakau, Anselm Vogel

Backmatter

Titel: Physik für Ingenieure
verfasst von: Paul Dobrinski
Gunter Krakau
Anselm Vogel
Verlag: Vieweg+Teubner
Electronic ISBN: 978-3-8348-9374-1
Print ISBN: 978-3-8348-0580-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-8348-9374-1

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