Thuselt Physik

1. Auflage 2010
ISBN: 978-3-8343-6114-1
Verlag: Vogel Communications Group GmbH & Co. KG
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 584 Seiten

Reihe: Vogel Studienmodule

Auf die Bachelor-Ausbildung technischer Studiengänge abgestimmt, bietet dieses neue Lehrbuchkonzept klare Vorteile:
- kompakte, vollständige Darstellung der für die Ausbildung relevanten Inhalte
- lebendige, leicht verständliche Sprache
- Einstiegstests und Zusammenfassungen zum rationellen, selektiven Lernen
- zahlreiche durchgerechnete und kommentierte Beispiele
- ausführliche physikalische Experimente
- Internetrecherchen, Übungsaufgaben und Testfragen fordern die aktive Mitarbeit des Lesers und unterstützen das Selbststudium
- kostenloser Onlineservice mit zahlreichen Zusatzinformationen
- modernes Layout mit didaktischen Gestaltungselementen
- klare Zeichnungen in konsequent zweifarbiger Gestaltung

Frank Thuselt, Jahrgang 1946, studierte Physik in Dresden und Leipzig und promovierte mit einer Arbeit zur Halbleiteroptik. Von 1974 bis 1984 arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bereich Halbleiterphysik der Universität Leipzig. 1979 erhielt er gemeinsam mit vier weiteren Kollegen den Gustav-Hertz-Preis der Physikalischen Gesellschaft der DDR für Arbeiten zu Elektron-Loch-Tropfen im Galliumphosphid. Von 1985 ? 1989 arbeitete er als Projektleiter Entwicklung/Automatisierung bei der CONVAC GmbH, Wiernsheim/ Vaihingen/Enz und von 1989 bis 1992 als Projektleiter Feldbustechnologie bei der TMG i-tec GmbH (Unternehmen der Technologie Management Gruppe) in Karlsruhe. 1992 folgte der Ruf an die Fachhochschule Schmalkalden, Fachbereich Informatik und 1996 der Ruf an die Hochschule Pforzheim.

Autoren/Hrsg.

Thuselt, Frank

Inhaltsverzeichnis

1;Titel;3
2;Copyright;4
3;Vorwort;5
4;Inhaltsverzeichnis;7
5;Einleitung;13
6;1 Physikalisches Messen;17
6.1;1.1 SI-Einheiten und ihre Dimension;17
6.2;1.2 Maßangaben und Größengleichungen;18
6.3;1.3 SI-Basisgrößen;21
6.4;1.4 Abgeleitete Größen;28
6.5;1.5 Bedeutung des Einheitensystems für die Praxis;30
6.6;1.6 Auswertung von Messungen;32
7;2 Kinematik;45
7.1;2.1 Gleichförmige und ungleichförmige Bewegung;46
7.2;2.2 Zusammensetzen von Geschwindigkeit und Beschleunigung;56
7.3;2.3 Kreisbewegung;63
7.4;2.4 Schwingungen;70
8;3 Mechanik: Impuls, Kraft und Energie;79
8.1;3.1 Impuls;79
8.2;3.2 Erhaltung des Impulses;81
8.3;3.3 Kraft;82
8.4;3.4 Newtonsche Grundgesetze der Mechanik;84
8.5;3.5 Spezielle Kräfte;90
8.6;3.6 Energie;115
8.7;3.7 Mechanik starrer Körper – Drehbewegungen;134
9;4 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase;173
9.1;4.1 Ruhende Flüssigkeiten und Gase;173
9.2;4.2 Strömende Flüssigkeiten und Gase;184
10;5 Schwingungen;197
10.1;5.1 Schwingungen in der Ebene;198
10.2;5.2 Überlagerungen von Schwingungen und Fourier-Entwicklung;202
10.3;5.3 Schwebungen;203
10.4;5.5 Einschub: Rechnen mit komplexen Zahlen;207
10.5;5.6 Gedämpfte Schwingungen;209
10.6;5.7 Erzwungene Schwingungen;216
11;6 Elektrotechnik;229
11.1;6.1 Der elektrische Gleichstromkreis;230
11.2;6.2 Elektrostatik;251
11.3;6.3 Der Kondensator;265
11.4;6.4 Die elektrische Flussdichte;273
11.5;6.5 Magnetfeld elektrischer Ströme;281
11.6;6.6 Die elektromagnetische Induktion;298
11.7;6.7 Die Maxwellschen Gleichungen;308
11.8;6.8 Wechselströme;310
12;7 Geometrische Optik;331
12.1;7.1 Natur des Lichts;331
12.2;7.2 Reflexion;333
12.3;7.3 Brechung;335
12.4;7.4 Optische Abbildungen;339
12.5;7.5 Optische Geräte;348
12.6;7.6 Hohl- und Wölbspiegel;356
12.7;7.7 Energietransport durch Licht;357
13;8 Wellen;367
13.1;8.1 Eindimensionale Wellen;367
13.2;8.2 Kugelwellen und Zylinderwellen;381
13.3;8.3 Doppler-Effekt;383
13.4;8.4 Überlagerung von Wellen (Interferenz);385
13.5;8.5 Brechung und Reflexion von Wellen;401
14;9 Wärmelehre;409
14.1;9.1 Temperatur;410
14.2;9.2 Masse und Stoffmenge;412
14.3;9.3 Wärmemenge und Wärmekapazität;413
14.4;9.4 Wärmetransport;422
14.5;9.5 Thermische Ausdehnung von Festkörpern;435
14.6;9.6 Zustandsgleichung idealer Gase;440
14.7;9.7 Die Hauptsätze der Wärmelehre;444
14.8;9.8 Zustandsänderungen idealer Gase;449
14.9;9.9 Kreisprozesse;457
14.10;9.10 Irreversible Prozesse;464
14.11;9.11 Reale Gase;468
15;10 Aufbau der Substanzen aus Atomen;483
15.1;10.1 Atome und die kleinsten Teilchen der Materie;484
15.2;10.2 Der Atomkern;492
15.3;10.3 Das Bohrsche Atommodell;495
15.4;10.4 Aufbau der Atome und Periodensystem;499
15.5;10.5 Kristallstrukturen der Festkörper;503
15.6;10.6 Chemische Bindung;508
15.7;10.7 Molekulares Bild der Gase;513
16;Anhang;531
16.1;Verwendete Formelzeichen und ihre Bedeutung;531
16.2;Verwendete Einheitenzeichen;538
16.3;Physikalische Konstanten und Zahlenwerte;540
16.4;Einige mathematische Formeln;541
16.5;Periodensystem der Elemente;544
16.6;Farbbilder zu den Kapiteln 7 bis 9;546
17;Literaturverzeichnis;549
18;Quellenverzeichnis der Bilder;551
19;Stichwortverzeichnis;553

Leseproben

10 Aufbau der Substanzen aus Atomen (S. 483-484)

Auf dem USA-Pavillon zur Weltausstellung 1967 hatte der Architekt Buckminster Fuller seine Vision eines großen Kuppelbauwerks verwirklicht. Das Gerüst besteht aus einem Leichtbaugestänge mit 5900 Knoten, in die Facetten wurden 1900 gefärbte Acrylglasscheiben gefasst. Das Kugelsegment hat einen Durchmesser von etwa 76 m. Buckminster Fuller war sehr vielseitig, unter anderem auch Philosoph, Ingenieur und Mathematiker. Sein Ziel war, eine immer höhere Lebensqualität der Menschheit bei Schonung aller Ressourcen zu erreichen. Im Rahmen seiner mathematischen Untersuchungen beschäftigte er sich unter anderem mit Vielflächnern.

Dies inspirierte die drei Chemiker curl, crody und smalley, einer von ihnen entdeckten neuartigen Substanzgruppe den Namen Fullerene zu geben. Die drei Forscher erhielten 1996 für ihre Entdeckung den Nobelpreis. Das typischste Fulleren besteht aus einem fußballartigen mikroskopischen Gebilde von 60 Kohlenstoffatomen. Damit verwandt sind die Kohlenstoff- Nanoröhrchen, die möglicherweise in der Elektronik der Zukunft eine bedeutende Rolle spielen werden. Lange Zeit hatte man lediglich Graphit und Diamant als Kohlenstoffmodifikationen gekannt, bis in den 1990er Jahren nun auch diese weiteren Modifikationen entdeckt wurden. Man kann also auch in der heutigen Zeit stets noch mit Überraschungen rechnen.

Damit Sie für solche Fälle gerüstet sind, machen Sie sich in diesem letzten Kapitel mit einigen Tatsachen der Mikrophysik vertraut. Weitere Informationen zu diesen Themen finden Sie im Internet unter http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mtl._Biosphere_in_Sept._2004.jpg und http://de.wikipedia.org/wiki/Richard_Buckminster_Fuller

Mit der Wärmelehre haben wir im vorigen Kapitel das letzte Teilgebiet der sogenannten klassischen Physik kennen gelernt – man sollte eigentlich besser sagen: der makroskopischen Physik. Lange Zeit war diese Betrachtungsweise zum Beispiel für die meisten angewandten Wissenschaften vollkommen ausreichend, da ja Entwicklungen im Ingenieurbereich in der Regel Geräte zum Ziel hatten, die durchaus «endliche» (Autos, Haushaltsgeräte) oder sogar gewaltig große Abmessungen (Brücken, Kräne, ganze Fabrikanlagen) aufweisen. In den letzten Jahren haben sich jedoch insbesondere mit dem Vordringen der Nanotechnik die Aufgaben für Ingenieure teilweise verlagert.

Es wird immer wichtiger, kleinste Dimensionen bis hin zum atomaren Bereich zu beherrschen. Für die Elektrotechniker sind das Halbleiterstrukturen, für Maschinenbauer und Mechatroniker beispielsweise die Mikrosystemtechnik oder die MikroOberflächentechnik. Solche Kenntnisse gehören heute schon fast zum Allgemeinwissen. Kristalle bestehen aus Atomen. Aus der Kenntnis ihrer Zusammensetzung und Struktur lassen sich fast alle ihre Eigenschaften ableiten. Wir wollen uns hier zunächst mit dem Aufbau einzelner Atome befassen; das einfachste unter ihnen ist das Wasserstoffatom.

Eigentlich benötigt man dazu Kenntnisse aus der Quantenmechanik, einer ziemlich anspruchsvollen physikalischen Disziplin. Einige ihrer Resultate werden wir, soweit es erforderlich ist, kurz nennen, um daraus Erkenntnisse über den Aufbau der Atome und des Periodensystems der chemischen Elemente abzuleiten. Sie lernen das Wichtigste über die chemische Bindung und den Aufbau von Kristallen. Ebenso werden Sie verstehen, wie Energiebänder zustande kommen. Dadurch sind Sie dann in der Lage, die wesentlichen Eigenschaften von Metallen, Halbleitern und Isolatoren voneinander zu unterscheiden. (Die Abschnitte 10.1 bis 10.5 basieren teilweise auf dem 1. Kapitel von [10.1]. Zuletzt befassen wir uns noch einmal mit einigen Eigenschaften von Gasen, die wir aus mikroskopischen Überlegungen ableiten. Jetzt interessieren wir uns jedoch für den Zusammenhang von mikroskopischer und makroskopischer Beschreibung."

Über Autor(innen)

Frank Thuselt, Jahrgang 1946, studierte Physik in Dresden und Leipzig und promovierte mit einer Arbeit zur Halbleiteroptik. Von 1974 bis 1984 arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bereich Halbleiterphysik der Universität Leipzig. 1979 erhielt er gemeinsam mit vier weiteren Kollegen den Gustav-Hertz-Preis der Physikalischen Gesellschaft der DDR für Arbeiten zu Elektron-Loch-Tropfen im Galliumphosphid. Von 1985 – 1989 arbeitete er als Projektleiter Entwicklung/Automatisierung bei der CONVAC GmbH, Wiernsheim/ Vaihingen/Enz und von 1989 bis 1992 als Projektleiter Feldbustechnologie bei der TMG i-tec GmbH (Unternehmen der Technologie Management Gruppe) in Karlsruhe. 1992 folgte der Ruf an die Fachhochschule Schmalkalden, Fachbereich Informatik und 1996 der Ruf an die Hochschule Pforzheim.