TECHNIK UND PHYSIK

1 Physikalische Größen und Einheiten 11

1.1 Größenarten und Größen 11
1.2 Einheiten und Internationales Einheitensystem (SI) 12
1.3 Größengleichungen 13
1.4 Länge, Fläche und Volumen 14
1.5 Zeit 15

MECHANIK

2 Kinematik 16

2.1 Kinematik der Punktmasse 17
2.1.1 Bewegung auf gerader Bahn 18
2.1.1.1 Geschwindigkeit und Beschleunigung 18
2.1.1.2 Gleichförmige Bewegung 22
2.1.1.3 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung 24
2.1.1.4 Freier Fall 28
2.1.1.5 Relativität der Bewegung und Überlagerung von Bewegungen 29
2.1.2 Bewegung auf der Kreisbahn 32
2.1.2.1 Periodendauer und Frequenz 32
2.1.2.2 Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung 33
2.1.2.3 Radialbeschleunigung 34
2.2 Kinematik des starren Körpers 35
2.2.1 Translation und Rotation 36
2.2.2 Kinematik der Rotation 37
2.2.3 Drehzahlmessung 39

3 Dynamik der Punktmasse 40

3.1 Kräfte 40
3.1.1 Wirkungen von Kräften 40
3.1.2 Wechselwirkung 41
3.1.3 Kraftmessung 42
3.1.4 Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften 44
3.1.5 Trägheit der Körper 46
3.1.6 Grundgesetz der Dynamik 47
3.1.7 Schwere der Körper 50
3.1.8 Reibungskräfte 51
3.1.9 Anwendungen des Grundgesetzes der Dynamik 53
3.1.10 Trägheitskräfte 56
3.1.11 Radialkraft und Zentrifugalkraft 57
3.2 Arbeit, Energie und Leistung 59
3.2.1 Mechanische Arbeit 59
3.2.1.1 Beschleunigungsarbeit 60
3.2.1.2 Hubarbeit 61
3.2.1.3 Federspannarbeit 62
3.2.1.4 Reibungsarbeit 63
3.2.2 Energie 64
3.2.2.1 Kinetische Energie 64
3.2.2.2 Potenzielle Energie 65
3.2.3 Energieerhaltungssatz 66
3.2.4 Leistung und Wirkungsgrad 70
3.2.4.1 Leistung 70
3.2.4.2 Wirkungsgrad 71
3.3 Impuls 74
3.3.1 Kraftstoß und Impuls 74
3.3.2 Impulserhaltungssatz 75
3.3.3 Stoßvorgänge 76
3.3.3.1 Elastischer Stoß 76
3.3.3.2 Unelastischer Stoß 78
3.3.4 Raketenantrieb 79

4 Dynamik der Rotation 81

4.1 Drehmoment 82
4.2 Rotationsenergie und Massenträgheitsmoment 86
4.2.1 Rotationsenergie 86
4.2.2 Massenträgheitsmoment 86
4.3 Analogie zwischen Translation und Rotation 89
4.4 Grundgesetz der Dynamik der Rotation 89
4.5 Arbeit und Leistung bei der Rotation 91
4.6 Drehimpulserhaltungssatz 92

5 Statik und Verformung 95

5.1 Gleichgewicht starrer Körper 95
5.1.1 Gleichgewichtsbedingungen 95
5.1.2 Gleichgewichtsarten 96
5.1.3 Schwerpunkt 96
5.2 Ebene Kraftsysteme 97
5.2.1 Kräfte mit gemeinsamem Angriffspunkt 97
5.2.2 Kräfte mit verschiedenen Angriffspunkten 98
5.2.3 Standsicherheit 101
5.3 Verformung und Festigkeit 103

6 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase 106

6.1 Druck 106
6.2 Einige Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen 108
6.2.1 Kompressibilität 108
6.2.2 Flüssigkeitsoberflächen 109
6.2.3 Grenzflächenerscheinungen und Kapillarität 110
6.3 Mechanik ruhender Flüssigkeiten und Gase 111
6.3.1 Kolbendruck 112
6.3.2 Schweredruck 113
6.3.2.1 Schweredruck in Flüssigkeiten 113
6.3.2.2 Schweredruck in Gasen und Luftdruck 115
6.3.2.3 Vakuum 116
6.3.3 Druckmessung 117
6.3.3.1 Druckskalen 117
6.3.3.2 Druckmessgeräte 118
6.3.4 Auftrieb 119
6.3.4.1 Auftrieb in Flüssigkeiten 119
6.3.4.2 Schwimmen 121
6.3.4.3 Auftrieb in Gasen 123
6.4 Mechanik strömender Flüssigkeiten und Gase 124
6.4.1 Strömungsgeschwindigkeit und Stromlinien; Volumenstrom 124
6.4.2 Strömung idealer Flüssigkeiten und Gase 125
6.4.2.1 Kontinuitätsgleichung 125
6.4.2.2 Bernoullische Gleichung 126
6.4.2.3 Anwendungen der Bernoullischen Gleichung 128
6.4.3 Strömung realer Flüssigkeiten und Gase 130
6.4.3.1 Innere Reibung und Viskosität 130
6.4.3.2 Laminare und turbulente Strömungen 131
6.4.3.3 Strömungswiderstände 132
6.4.3.4 Druckverlust in Rohrleitungen 134
6.4.3.5 Viskositätsbestimmungen 134

THERMODYNAMIK

7 Wärme und innere Energie 136

7.1 Thermodynamische Prozesse 136
7.2 Wärmebewegung 137
7.3 Temperatur 137
7.4 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper 139
7.5 Temperaturmessung 141
7.6 1. Hauptsatz der Thermodynamik 143
7.7 Wärme und Temperatur 144
7.8 Spezifische Wärmekapazität von Gasen 146
7.9 Änderung des Aggregatzustandes 147
7.10 Wärmebilanzen bei Temperaturausgleich 150
7.11 Energieumwandlungen 153

8 Zustandsänderungen von Gasen 156

8.1 Thermischer Zustand des idealen Gases 156
8.1.1 Ideales Gas 156
8.1.2 Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases 156
8.1.3 Quasistatische Zustandsänderungen 157
8.2 Volumenänderungsarbeit 158
8.3 Spezielle Zustandsänderungen 159
8.3.1 Isotherme Zustandsänderungen 159
8.3.2 Isochore Zustandsänderungen 160
8.3.3 Isobare Zustandsänderungen 161
8.3.4 Adiabatische Zustandsänderungen . 162
8.4 Kreisprozesse 163
8.4.1 Prinzip der Wärmekraftmaschine 163
8.4.2 Wärmepumpe und Kältemaschine 164
8.4.3 Carnot-Prozess 165
8.5 2. Hauptsatz der Thermodynamik 166
8.5.1 Thermodynamischer Wirkungsgrad reversibler Kreisprozesse 166
8.5.2 Irreversible Prozesse 167
8.5.3 Entropie 167
8.6 Reale Gase und Dämpfe 168
8.6.1 Isothermen eines realen Gases 168
8.6.2 Dämpfe 169
8.6.3 Luftfeuchte 170

9 Wärmetransport 171

9.1 Wärmetransportprozesse 171
9.2 Wärmedurchgang 172
9.3 Temperaturstrahlung 175

ELEKTRIK

10 Gleichstrom 178

10.1 Elektrische Ladungen und Ströme 178
10.2 Elektrische Spannung 180
10.3 Ohmsches Gesetz 183
10.4 Elektrischer Widerstand 184
10.5 Schaltung von Widerständen 187
10.5.1 Parallelschaltung 187
10.5.2 Reihenschaltung 189
10.6 Elektrische Energie und Leistung 193
10.7 Reale Stromkreise 194
10.7.1 Verhalten realer Spannungsquellen 194
10.7.2 Schaltung von Spannungsquellen 196
10.7.3 Einfluss von Leitungswiderständen 197
10.7.4 Knoten- und Maschensatz zur Berechnung elektrischer Netze 198
10.8 Messung elektrischer Größen 198
10.8.1 Strom- und Spannungsmessung 199
10.8.2 Digitale Messverfahren 199
10.8.3 Spannungskompensation 200
10.8.4 Messbrücken 201

11 Elektrische und magnetische Felder 202

11.1 Elektrische Felder 203
11.1.1 Kräfte zwischen elektrischen Ladungen 203
11.1.2 Elektrische Felder im Vakuum 204
11.1.2.1 Elektrische Flussdichte und elektrische Feldstärke 204
11.1.2.2 Kapazität 204
11.1.2.3 Elektrische Feldenergie 205
11.1.3 Stoffe im elektrischen Feld 206
11.1.3.1 Influenz 206
11.1.3.2 Dielektrische Polarisation 206
11.1.4 Kondensatoren 208
11.2 Magnetische Felder 209
11.2.1 Magnetische Felder stromdurchflossener Leiter 209
11.2.2 Magnetische Felder im Vakuum 210
11.2.2.1 Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte 210
11.2.2.2 Induktivität und magnetische Feldenergie 211
11.2.3 Stoffe im magnetischen Feld 211
11.2.4 Kraftwirkungen auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld 213
11.3 Bewegung von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern 215
11.3.1 Erzeugung von Elektronenstrahlen 215
11.3.2 Ablenkung von Elektronen im elektrischen Querfeld 216
11.3.3 Elektronen in magnetischen Feldern 217
11.3.4 Gasentladungen 218
11.4 Elektromagnetische Induktion 220
11.4.1 Induktionsgesetz 221
11.4.2 Transformator- und Generatorprinzip 222
11.4.2.1 Transformatorprinzip 223
11.4.2.2 Generatorprinzip 223
11.4.2.3 Elektrische Maschinen 224
11.4.3 Wirbelströme 225
11.4.4 Selbstinduktion 225

12 Wechselstrom 228

12.1 Wechselspannungen und Wechselströme 228
12.1.1 Bestimmungsgrößen 228
12.1.2 Elektronische Messung der Bestimmungsgrößen 229
12.2 Einfache Wechselstromkreise 231
12.2.1 Wirkwiderstände 231
12.2.2 Blindwiderstände 232
12.2.2.1 Induktiver Blindwiderstand 232
12.2.2.2 Kapazitiver Blindwiderstand 233
12.3 Zusammengesetzte Wechselstromkreise 235
12.3.1 Reihenschaltung von R und L 236
12.3.2 Reihenschaltung von R, L und C 237
12.3.3 Parallelschaltung von R, L und C 239
12.4 Leistung des Wechselstroms 240
12.4.1 Momentanleistung und Wirkleistung 240
12.4.2 Messung von Energieumsatz und Wirkleistung 240
12.4.3 Wirk-, Blind- und Scheinleistung 241
12.4.4 Blindleistungskompensation 242
12.5 Transformatoren 243
12.6 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) 246
12.7 Schutz vor elektrischen Unfällen 249

13 Halbleiter 251

13.1 Leitungsmechanismen in Halbleitern 251
13.1.1 Eigenleitung 251
13.1.2 Störstellenleitung 253
13.1.2.1 n-Leitung 253
13.1.2.2 p-Leitung 254
13.2 pn-Übergang 254
13.3 Halbleiterdioden 256
13.4 Transistoren 258
13.4.1 Bipolartransistoren 258
13.4.2 Elementarer Spannungsverstärker 259
13.4.3 Feldeffekttransistoren 261
13.4.4 Integrierte Schaltkreise 262

SCHWINGUNGEN UND WELLEN

14 Schwingungen 263

14.1 Mechanische Schwingungen 263
14.1.1 Freie ungedämpfte Schwingungen 263
14.1.1.1 Kinematik der Sinusschwingung 264
14.1.1.2 Dynamik der Sinusschwingung 266
14.1.1.3 Dreh- und Pendelschwingungen 268
14.1.2 Freie gedämpfte Schwingungen 270
14.1.3 Erzwungene Schwingungen 272
14.2 Elektrische Schwingungen 273
14.2.1 Elektrischer Schwingkreis 273
14.2.2 Analogie zwischen mechanischen und elektrischen Schwingungen 274
14.2.3 Erzwungene elektrische Schwingungen 275
14.2.3.1 Reihenresonanz 275
14.2.3.2 Parallelresonanz 276
14.3 Überlagerung von Schwingungen 276
14.3.1 Überlagerung in gleicher Richtung 277
14.3.1.1 Schwingungen gleicher Frequenz 277
14.3.1.2 Schwebungen 278
14.3.2 Überlagerung senkrecht zueinander 279
14.3.3 Anharmonische Schwingungen 279

15 Wellen 281

15.1 Wellenausbreitung 281
15.1.1 Arten von Wellen 281
15.1.2 Frequenz und Doppler-Effekt 283
15.1.3 Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit 283
15.1.4 Energiestrom und Amplitude 284
15.1.5 Huygenssches Prinzip 284
15.2 Reflexion und Brechung 285
15.2.1 Reflexion 285
15.2.2 Brechung 286
15.2.3 Totalreflexion 287
15.3 Beugung und Interferenz 288
15.3.1 Beugung 288
15.3.2 Interferenz 289
15.3.3 Stehende Wellen 291
15.3.4 Beugung und Interferenz am Doppelspalt 292
15.4 Polarisation 294
15.5 Optische Abbildung 295
15.5.1 Bildkonstruktion 296
15.5.2 Bildentstehung an gekrümmten Spiegeln und Linsen 297
15.5.3 Abbildungsgleichung und Abbildungsmaßstab 299
15.5.4 Vergrößerung durch Fernrohr und Mikroskop 300
15.6 Energieübertragung durch Wellen 302
15.6.1 Physikalische Strahlungsgrößen 302
15.6.2 Physiologische Schall- und Lichtempfindungen 304
15.6.2.1 Schallstärke und Lautstärke 304
15.6.2.2 Lichttechnische Größen 306
15.7 Elektromagnetische Strahlung 308
15.7.1 Hertzsche Wellen 309
15.7.2 Mikrowellen 309

QUANTEN UND ATOME

16 Atom- und Kernphysik 313

16.1 Quanten 314
16.1.1 Energiequantelung 314
16.1.2 Welle-Teilchen-Dualismus 315
16.1.3 Äußerer Fotoeffekt 315
16.1.4 Heisenbergsche Unschärferelation 316
16.1.5 Masse und Energie 317
16.2 Photonen 318
16.2.1 Bohrsches Atommodell 318
16.2.2 Absorption und Emission von Photonen 319
16.2.3 LASER 321
16.2.4 Röntgenstrahlen 323
16.3 Atomkern 325
16.3.1 Aufbau des Atomkerns 325
16.3.2 Radioaktivität 327
16.3.2.1 a-Umwandlung 327
16.3.2.2 b-Umwandlung 328
16.3.2.3 g-Strahlung 329
16.3.2.4 Gesetz der radioaktiven Umwandlung 329
16.3.2.5 Absorption von ionisierender Strahlung 331
16.3.2.6 Nachweis von Kernstrahlung 333
16.3.2.7 Biologische Wirkungen und Strahlenschutz 335
16.3.3 Kernenergie 336
16.3.3.1 Kernspaltung 337
16.3.3.2 Kernsynthese 339

Aufgaben 341
Lösungen 364

Bildquellenverzeichnis 394
Sachwortverzeichnis 395