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• Erstellungsdatum 19. Juli 2022
• Zuletzt aktualisiert 19. Juli 2022

Grundkurs Experimentalphysik - Prof. Dr. Frank Richter

Vorwort

Das vorliegende Skript basiert auf der Vorlesung in Experimentalphysik für Studenten des 1. und 2. Semesters des Diplomstudiengangs Physik. Die Vorlesung ist, an-
schließend an eine Einleitung, in vier große Teilbereiche gegliedert:
• Mechanik
• Thermodynamik
• Elektrizitätslehre
• Optik

Zur besseren Orientierung finden sich am Rand folgende Symbole:

! Definitionen/Merksätze
n Beispiele
u Kommentare/Interpretationen/Diskussionen
SI Definition von Einheiten nach dem SI-System
(..) Gleichungsnummerierung
       Nebenrechnung

Wird im Rahmen der Erläuterungen auf eine Gleichung aus einem vorangegangenen Kapitel Bezug genommen, so geschieht dies durch Voranstellen der jeweiligen Ka-
pitelnummer vor die entsprechende Gleichungsnummer (z.B. verweist die Angabe „(11 - 6)“ auf Gl. (6) in Kapitel 11) Desweiteren werden im Text wichtige physikalische Grundbegriffe gesondert hervorgehoben, die dann auch im Sachregister aufgelistet sind.

Weitere im Text verwendete Symbole sind:

⇒ Schlussfolgerungen
<..> Verweis auf andere Kapitel
{..} Quellenangabe

Inhaltsverzeichnis

VORWORT...................................................................................................................I

INHALTSVERZEICHNIS..............................................................................................II

A. EINLEITUNG .................................................................................................... 1
1. Einleitung........................................................................................................................... 2
1.1. Was ist Physik..................................................................................................................... 2
1.2. Die Rolle des Experimentes................................................................................................ 2
1.3. Physikalische Modelle und Theorien.................................................................................. 4
1.4. Der „Stammbaum der Physik“............................................................................................ 5
1.5. Wichtige Größen und Maßeinheiten ................................................................................... 5

B. MECHANIK ...................................................................................................... 8
2. Kinematik........................................................................................................................... 9
2.1. Ortsvektor............................................................................................................................ 9
2.2. Geschwindigkeit.................................................................................................................. 9
2.3. Beschleunigung................................................................................................................. 10
2.4. Beschreibung der Kreisbewegung..................................................................................... 11
2.5. Überlagerung von Bewegungen........................................................................................ 13
3. Dynamik........................................................................................................................... 15
3.1. Trägheit ............................................................................................................................. 15
3.2. Kräfte ............................................................................................................................... 15
3.3. Kraft und Masse................................................................................................................ 16
3.4. Die NEWTONschen Axiome............................................................................................... 17
3.5. Impulserhaltung................................................................................................................. 18
3.6. Einfache Bewegungen....................................................................................................... 19
3.7. Reibungskräfte .................................................................................................................. 21
4. Arbeit und Energie.......................................................................................................... 23
4.1. Mechanische Energie ........................................................................................................ 23
4.2. Potentielle Energie ............................................................................................................ 25
4.3. Feldkraft und potentielle Energie...................................................................................... 26
4.4. Der Energiesatz der Mechanik.......................................................................................... 27
5. Gravitation....................................................................................................................... 28
5.1. Drehimpuls und Drehmoment........................................................................................... 28
5.2. Das Gravitationsgesetz...................................................................................................... 30
5.3. Potentielle Energie und Gravitationspotential .................................................................. 32

5.4. Planetenbewegung............................................................................................................. 32
6. Schwingungen I ............................................................................................................... 34
6.1. Der Federschwinger .......................................................................................................... 34
6.2. Das Pendel......................................................................................................................... 37
6.3. Gedämpfte Schwingungen ................................................................................................ 38
7. Systeme von Massenpunkten; Stöße ............................................................................. 41
7.1. Der Schwerpunkt............................................................................................................... 41
7.2. Stöße: Grundlagen............................................................................................................. 42
7.3. Elastische Stöße im Laborsystem...................................................................................... 43
7.4. Stöße im Schwerpunktsystem ........................................................................................... 45
7.5. Inelastische Stöße.............................................................................................................. 45
7.6. Nichtzentrale Stöße ........................................................................................................... 46
8. Bewegte Bezugssysteme .................................................................................................. 47
8.1. Vorbemerkungen............................................................................................................... 47
8.2. Bezugssysteme mit konstanter Relativgeschwindigkeit u << c........................................... 47
8.3. Linear beschleunigte Bezugssysteme................................................................................ 48
8.4. Rotierende Bezugssysteme................................................................................................ 49
9. Der starre Körper; Rotation I........................................................................................ 52
9.1. Einleitung .......................................................................................................................... 52
9.2. Kräfte und Drehmoment an starren Körpern .................................................................... 53
9.3. Trägheitsmoment............................................................................................................... 53
9.4. Dynamik bei der Rotation ................................................................................................. 55
9.5. Zusammenstellung wichtiger formaler Analogien............................................................ 58
10. Rotation II........................................................................................................................ 59
10.1. Trägheitstensor.................................................................................................................. 59
10.2. Trägheitsellipsoid.............................................................................................................. 60
10.3. Symmetrischer Kreisel ...................................................................................................... 62
11. Deformierbare Festkörper ............................................................................................. 65
11.1. Dehnung und Kompression............................................................................................... 65
11.2. Scherung............................................................................................................................ 67
11.3. Der gebogene Balken ........................................................................................................ 69
11.4. Inelastisches Verhalten...................................................................................................... 71
12. Flüssigkeiten .................................................................................................................... 73
12.1. Einleitung .......................................................................................................................... 73
12.2. Statischer Druck................................................................................................................ 73
12.3. Schweredruck.................................................................................................................... 75
12.4. Auftrieb und Schwimmen ................................................................................................. 76
12.5. Oberflächenspannung........................................................................................................ 77
12.6. Fest-flüssig-Grenzflächen ................................................................................................. 79

13. Gase .................................................................................................................................. 82
13.1. Kompressibilität ................................................................................................................ 82
13.2. Schweredruck in Gasen..................................................................................................... 83
14. Strömende Flüssigkeiten und Gase ............................................................................... 85
14.1. Vorbemerkungen............................................................................................................... 85
14.2. Innere Reibung.................................................................................................................. 86
14.3. Beispiele für laminare Strömungen................................................................................... 87
14.4. Turbulente Strömungen, Ähnlichkeit, Strömungsgrenzschicht............................................ 89
14.5. Reibungsfreies Fluid: BERNOULLIsche Gleichung............................................................ 92
14.6. Strömungswiderstand........................................................................................................ 95
15. Schwingungen II.............................................................................................................. 97
15.1. 2D-Überlagerung von Schwingungen............................................................................... 97
15.2. Schwebungen .................................................................................................................... 97
15.3. Die FOURIER-Analyse........................................................................................................ 98
15.4. Gekoppelte Schwinger .................................................................................................... 100
15.5. Erzwungene Schwingungen............................................................................................ 101
16. Wellen............................................................................................................................. 104
16.1. Einleitung ........................................................................................................................ 104
16.2. Wellengleichungen.......................................................................................................... 106
16.3. Arten von Wellen ............................................................................................................ 106
16.4. Wellenausbreitung in verschiedenen Medien ................................................................. 107
16.5. Überlagerung von Wellen; Gruppengeschwindigkeit..................................................... 110
17. Wellenausbreitung ........................................................................................................ 113
17.1. Streuung .......................................................................................................................... 113
17.2. Das HUYGENSsche Prinzip .............................................................................................. 113
17.3. Das FERMATsche Prinzip................................................................................................. 114
17.4. Beugung .......................................................................................................................... 115
17.5. DOPPLER-Effekt; MACHsche Wellen............................................................................... 116
17.6. Intensität einer Welle ...................................................................................................... 118
17.7. Reflexion und Transmission an einer Grenzfläche ......................................................... 119
18. Akustik ........................................................................................................................... 121
18.1. Einleitung ........................................................................................................................ 121
18.2. Töne und Klänge ............................................................................................................. 121
18.3. Stehende Wellen; Musikinstrumente .............................................................................. 123

LITERATURLISTE...................................................................................................... V

QUELLENVERZEICHNIS ...........................................................................................VI

SACHREGISTER...................................................................................................... VII