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Physik für Ingenieure Von der klassischen Mechanik zu den Quantengasen
Physik für Ingenieure
Von der klassischen Mechanik zu den Quantengasen




Gebhard von Oppen, Frank Melchert
Pearson
EAN: 9783827371614 (ISBN: 3-8273-7161-9)
352 Seiten, kartoniert, 16 x 24cm, 2005

EUR 29,95
alle Angaben ohne Gewähr

Umschlagtext
Das Buch umfasst in 33 Lektionen die klassische und die moderne Physik für Ingenieurstudenten, entsprechend etwa einer zweisemestrigen Vorlesung mit zwei Vorlesungsstunden pro Woche. Es beschreibt die grundlegenden Konzepte der physikalischen Naturbeschreibung, mit denen sich überraschend viele Phänomene darstellen und logisch begreifen lassen. Die erste Hälfte des Buchs ist der klassischen Wissenschaft gewidmet. Die zweite Hälfte macht mit den modernen Konzepten der Quantenphysik der Strahlungsfelder, Atome und Festkörper bekannt.

Dieser thematisch breite und zugleich die notwendige Tiefe erreichende Überblick verzahnt die tägliche Erfahrung und Beobachtung mit der Theorie und den Experimenten. Übungsaufgaben regen zum eigenständigen Arbeiten an. Das Buch ist didaktisch überlegt aufgebaut und im Layout übersichtlich gestaltet. Immer wiederkehrende Strukturkästen unterstützen den Lernprozess. Die Autoren, die über eine sehr lange Lehrerfahrung verfügen, kommen weitgehend mit elementarer Mathematik aus, so dass auch Studienanfänger leicht in die Welt der Physik einsteigen können.

Aus dem Inhalt:

- Mechanik idealisierter Körper

- Makrophysik der Materie

- Ausgleichsprozesse und Wellen

- Elektromagnetische Strahlung

- Atomare Struktur der Materie

- Quantengase

GEBHARD VON OPPEN studierte in Hamburg und Heidelberg und ist seit 1971 Professor für Physik an der Technischen Universität Berlin. Er hielt sich für mehrere Forschungsaufenthalte in den USA und in Russland auf.

Nach dem Physikstudium und einem Forschungsaufenthalt in den USA lehrte FRANK MELCHERT zunächst an der Universität Gießen Experimentalphysik. In Berlin ist er jetzt als Fachbereichsleiter an der Phsykalisch-Technischen Bundesanstalt tätig und lehrt zugleich als Privatdozent für das Fachgebiet Experimentalphysik an der Technischen Universität Berlin. Für Forschungszwecke war er international häufig unterwegs.
Rezension
Die Physik gehört zu den Grundlagenfächern der Ingenieurwissenschaften. Besonders in den ersten beiden Semestern sollen die Studierenden für die Welt der physikalischen Zusammenhänge begeistert werden. Leider lassen die Lehr- und Studienvoraussetzungen dies oft nicht zu. Das vorliegende Lehrbuch unternimmt den schwierigen Versuch, die grundlegenden Konzepte der physikalischen Naturbeschreibung zu erläutern. Es legt dabei den Rahmen eines einjährigen Einführungskurses zugrunde. In 33 Lektionen, die in sechs Kapitel aufgeteilt sind, behandeln grundlegende physikalische Themenbereiche. Die ersten drei Kapitel bieten eine Darstellung der klassischen Physik (Mechanik, Wärmelehre, Elektrodynamik). Die letzten drei Kapitel können nur im Rahmen der Quantenphysik verstanden werden (Elektromagnetische Strahlung, Atomare Struktur der Materie, Quantengase). Mithilfe des Lehrbuches, das sich vor allem an Studierende der Erstsemester richtet, können Studierende bei konzentrierter Übung studienbegleitende die wesentlichen Grundlagen der Physik erfassen lernen.

Arthur Thömmes, lehrerbiblithek.de
Inhaltsverzeichnis
Vorwort 11

Einleitung 13
Kapitel 1 Mechanik idealisierter Körper 17
1.1 Bewegung in Raum und Zeit 19
1.1.1 Raum und Zeit 19
1.1.2 Kinematik 23
1.1.3 Wechsel des Bezugssystems 26
1.1.4 Planetenbewegung 28
1.2 Dynamik der Massenpunkte 30
1.2.1 Träge und schwere Masse 30
1.2.2 Newtonscher Kraftbegriff 32
1.2.3 Die Gravitation 36
1.2.4 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit 38
1.3 Energie- und Impulssatz 40
1.3.1 Arbeit und Kreisprozesse 40
1.3.2 Potenzielle und kinetische Energie 43
1.3.3 Impulserhaltung 45
1.3.4 Elastische und inelastische Stöße 47
1.4 Der Drehimpuls 49
1.4.1 Der Drehimpuls bewegter Massenpunkte 49
1.4.2 Starrer Körper 51
1.4.3 Der Drehimpuls ausgedehnter Körper 52
1.4.4 Drehimpulserhaltung 55
1.5 Dynamik starrer Körper 57
1.5.1 Gleichgewichtsbedingungen 58
1.5.2 Das Trägheitsmoment 59
1.5.3 Kreiselbewegungen 63
1.5.4 Statische und dynamische Unwucht 65
1.6 Schwingungen 66
1.6.1 Kreisbewegung und harmonischer Oszillator 66
1.6.2 Gedämpfte Oszillatoren 69
1.6.3 Erzwungene Schwingungen 72
1.6.4 Gekoppelte Pendel 75

Kapitel 2 Makrophysik der Materie 79
2.1 Gase 81
2.1.1 Atomhypothese 81
2.1.2 Das ideale Gas 83
2.1.3 Die Temperatur 85
2.1.4 Zufallsverteilungen 89
2.2 Aggregatzustände 92
2.2.1 Flüssigkeiten und Festkörper 93
2.2.2 Zustandsdiagramme 94
2.2.3 Phasenübergänge 97
2.2.4 Reale Gase 100
2.3 Energiesatz 103
2.3.1 Wärmeaustausch 103
2.3.2 1. Hauptsatz der Thermodynamik 107
2.3.3 Äquipartitionsgesetz 108
2.3.4 Thermodynamische Prozesse 111
2.4 Entropiesatz 113
2.4.1 Reversible und irreversible Prozesse 114
2.4.2 2. Hauptsatz der Thermodynamik 115
2.4.3 Energiewandler 118
2.4.4 Stirling-Prozess 123
2.5 Tiefe Temperaturen 126
2.5.1 Adiabatische Zustandsänderungen 127
2.5.2 Kompressionskältemaschine 129
2.5.3 Gasverflüssigung 130
2.5.4 Molare Wärmekapazität von H2 -132

Kapitel 3 Ausgleichsprozesse und Wellen 135
3.1 Wellenbewegungen entlang linearer Medien 137
3.1.1 Lineare Kette 137
3.1.2 Resonatoren 139
3.1.3 Superposition 141
3.1.4 Dispersion 142
3.2 Ausgleichsprozesse 143
3.2.1 Strömungen 144
3.2.2 Zufallsbewegung der Atome 148
3.2.3 Temperaturausgleich 150
3.2.4 Diffusion in Gasen 152
3.3 Schallwellen in Gasen 155
3.3.1 Schallausbreitung 155
3.3.2 Chladnische Klangfiguren 157
3.3.3 Energie- und Nachrichtenübertragung 159
3.3.4 Doppler-Effekt 160
3.4 Elektrizität und Magnetismus 162
3.4.1 Ladung und Strom 162
3.4.2 Coulomb-Kraft und Lorentz-Kraft 165
3.4.3 Elektromagnetische Induktion 169
3.4.4 Elektromagnetischer Schwingkreis 172
3.5 Das elektromagnetische Feld 174
3.5.1 Verschiebungspolarisation und Magnetisierung 175
3.5.2 Das elektrische Feld im Vakuum 179
3.5.3 Das magnetische Feld im Vakuum 180
3.5.4 Maxwellsche Gleichungen 182
3.6 Elektromagnetische Wellen 183
3.6.1 Wellenausbreitung im Vakuum 183
3.6.2 Abstrahiung eines Hertzschen Dipols 186
3.6.3 Absorption und Streuung 187
3.6.4 Wellenleiter 189

Kapitel 4 Elektromagnetische Strahlung 193
4.1 Strahlenoptik 195
4.1.1 Reflexion und Brechung 195
4.1.2 Optische Bauelemente 197
4.1.3 Mikroskop und Femrohr 202
4.1.4 Messung der Lichtgeschwindigkeit 204
4.2 Wellenoptik 206
4.2.1 Farben dünner Plättchen 206
4.2.2 Kohärenz 208
4.2.3 Beugung 211
4.2.4 Auflösungsvermögen optischer Instrumente 214
4.3 Photonen 215
4.3.1 Der Photoeffekt 215
4.3.2 Photonenhypothese 218
4.3.3 Röntgen-Bremsspektrum 219
4.3.4 Compton-Effekt 221
4.4 Wärmestrahlung 222
4.4.1 Emissionsvermögen und Absorptionsgrad 223
4.4.2 Kirchhoffsches Strahlungsgesetz 225
4.4.3 Emissionsvermögen des schwarzen Körpers 227
4.4.4 Quantenhypothese 230

Kapitel 5 Atomare Struktur der Materie 233
5.1 Das Atom 235
5.1.1 Struktur der Atome 235
5.1.2 Das Wasserstoffspektrum 237
5.1.3 Bohrsches Atommodell 239
5.1.4 Diskrete Energieniveaus 243
5.2 Elektronenwellen 245
5.2.1 Elektronenbeugung 246
5.2.2 Tunneleffekt 248
5.2.3 Wellenmechanik 253
5.2.4 Deutung der Elektronenwellen 255
5.3 Die Elektronenhülle der Atome 256
5.3.1 Pauli-Prinzip und Schalenstruktur der Atomhülle 257
5.3.2 Charakteristisches Röntgen-Spektrum 258
5.3.3 Periodisches System der Elemente 261
5.3.4 Atomspektren 263
5.4 Der Atomkern 266
5.4.1 Struktur der Atomkerne 266
5.4.2 Radioaktivität 268
5.4.3 Kernfusion und Kernspaltung 271
5.4.4 Absorption radioaktiver Strahlen 273
5.5 Chemische Bindung 275
5.5.1 Ionenbindung und Wasserstoffbrücke 276
5.5.2 Atombindung 278
5.5.3 Metallische Bindung 280
5.5.4 Kristallbildung 281
5.6 Gitterstruktur der Kristalle 283
5.6.1 Röntgen-Beugung 283
5.6.2 Ionengitter 285
5.6.3 Dichteste Kugelpackungen 287
5.6.4 Diamantgitter 288

Kapitel 6 Quantengase 291
6.1 Gitterschwingungen und Phononen 293
6.1.1 Harmonischer Oszillator 293
6.1.2 Molare Wärmekapazität von Kristallen 295
6.1.3 Schallwellen in Kristallen 297
6.1.4 Phononen 299
6.2 Laser 300
6.2.1 Induzierte Emission 301
6.2.2 Besetzungsumkehr 303
6.2.3 Rückkopplung im Resonator 304
6.2.4 He-Ne-Laser 306
6.3 Bändermodell 308
6.3.1 Resonanzaufspaltung 309
6.3.2 Energieband und Fermi-Energie 311
6.3.3 Thermische Besetzung der Energiebänder 313
6.3.4 Austrittsarbeit und Kontaktspannung 315
6.4 Elektronenbewegung im Kristall 317
6.4.1 Klassisches Elektronengas 318
6.4.2 Wiedemann-Franzsches Gesetz 319
6.4.3 Das Fermi-Gas der Leitungselektronen 321
6.4.4 Dispersionsrelationen der Elektronenwellen in Kristallen 323
6.5 Halbleiter 325
6.5.1 sp3-Hybridbindung 325
6.5.2 Dotierte Halbleiter 328
6.5.3 Ladungsträgerdichte im Halbleiter 330
6.5.4 Der p-i7-Übergang 331
6.6 Elementarereignisse 333
6.6.1 Der Messprozess 334
6.6.2 Statistisches Rauschen 336
6.6.3 Thermisches Rauschen 338
6.6.4 Determinismus und Zufall 339

Kapitel A Physikalische Größen mit Sl-Einheiten
Kapitel B Physikalische Konstanten Register
Register