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E-Book

Physik für Wirtschaftsingenieure

AutorChristopher Dietmaier, Matthias Mändl
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2006
Seitenanzahl271 Seiten
ISBN9783446410619
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis19,99 EUR
Christopher Dietmaier · Matthias Mändl
PHYSIK für Wirtschaftsingenieure


Die Physik ist die Grundlage technischer Disziplinen und spielt daher nicht nur in reinen Ingenieurstudiengängen, sondern auch im Studium Wirtschaftsingenieurwesen eine wichtige Rolle. Die Aufgaben und Tätigkeiten eines Wirtschaftsingenieurs im technischen Umfeld erfordern physikalisches Grundverständnis sowie die Fähigkeit, physikalisch-technische Zusammenhänge zu durchdringen und sich ggf. in neue Gebiete einzuarbeiten. Die Kenntnis und das Verstehen der wichtigsten Begriffe, Konzepte und physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Physik sind hierfür unverzichtbar. Aufgabe und Ziel des Buches ist es, diese Kenntnisse verständlich zu vermitteln.

Die grundlegenden Gebiete der Physik bilden deshalb den Schwerpunkt dieses kompakten Lehrund Übungsbuches für Wirtschaftsingenieure und für interdisziplinäre Ingenieurstudiengänge wie Patentingenieurwesen, Umwelttechnik, Medientechnik, Verfahrenstechnik, Energietechnik, Logistik, Chemieingenieurwesen, Medizintechnik, Biomechanik oder Technische Informatik. Trotz der kompakten Darstellung wird Wert auf Klarheit und Genauigkeit gelegt. Aufgaben mit Lösungen helfen dabei, physikalische Prinzipien und Konzepte zu verstehen und zu lernen. Anwendungsbeispiele zeigen den Praxisbezug auf.

Aus dem Inhalt:

• Mechanik
• Elektromagnetismus
• Thermodynamik
• Schwingungen
• Wellen
• Quanten- und Atomphysik
• Kernphysik
• Festkörperphysik

Über den Autor

Dr. Christopher Dietmaier ist Professor für Physik und Mathematik an der Fachhochschule Amberg-Weiden, Dr. Matthias Mändl ist Professor für Physik und physikalische Analytik an der gleichen Hochschule.

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Leseprobe
1 Einführung ( S. 11)

1.1 Was ist Physik?

Physik ist die grundlegende und umfassende Wissenschaft der unbelebten Natur.

Physik beschäftigt sich mit den letzten und den ersten wissenschaftlich erklärbaren Fragestellungen. Das Forschungsgebiet der Physik reicht von den kleinsten Bausteinen der Natur, den Elementarteilchen, über das Verständnis der Struktur der Materie in der Atom- und Festkörperphysik bis hin zum Einblick in den Aufbau des Universums und dessen Ursprung in Zeit und Raum im Rahmen von Astrophysik und Kosmologie.

Physik ist Grundlage jeder technischen Entwicklung. Erst das physikalische Verständnis der Vorgänge und Zusammenhänge in der Natur und dessen Abstraktion in mathematische Formulierungen ermöglicht einen gezielten technischen Fortschritt. Alle anderen Naturwissenschaften, ebenso wie die Ingenieurwissenschaften, gründen letztlich in der Physik und entwickeln darauf ihre eigene Disziplin. Tatsächlich gingen technischen Innovationen häufig bahnbrechende physikalische Erkenntnisse voraus.

Im 19. Jahrhundert war das Verständnis der Thermodynamik Basis für die Entwicklung thermischer Maschinen wie Dampfmaschine und Verbrennungsmotor. Gleiches gilt für die Erforschung des Elektromagnetismus und den Einzug der Elektrizität in das Alltagsleben. Im 20. Jahrhundert waren es vor allem die Einsichten der modernen Quantenphysik, die Innovationen wie Nachrichtentechnik, Elektronik, Kernenergienutzung oder Laser erst ermöglichten.

Heute erleben wir, wie immer öfter selbst abstrakteste physikalische Einsichten und Konzepte zum Nutzen der Menschen eingesetzt werden. Als nur ein Beispiel sei hierfür die Kernspintomografie genannt. Selbstverständlich profitiert auch die Physik von anderen Wissenschaften, insbesondere von der Ingenieurskunst und der Mathematik. Experimentelle Aufbauten sind ohne den kreativen Beitrag von Ingenieuren ebenso wenig denkbar wie physikalische Theorien ohne die Mathematik.

Die Methode der Physik – wie aller Naturwissenschaften – ist die Erforschung der Natur durch Beobachtung und Experiment und die Erklärung der Erscheinungen durch Modelle und Naturgesetze im Rahmen von Theorien. Eine Naturerscheinung gilt dann als erklärt und verstanden, wenn es eine Theorie, aufbauend auf bekannten bewiesenen Modellen und Gesetzen, dazu gibt.

Umgekehrt gilt eine neue Theorie erst dann als bewiesen, wenn mehrere unabhängige experimentelle Befunde oder Beobachtungen sie bestätigen. Experimentalphysiker und Theoretiker spornen sich bei diesem Wechselspiel auf fruchtbarste Weise gegenseitig an. So wurde die spezielle Relativitätstheorie erst vierzehn Jahre nach ihrer Veröffentlichung, durch exakte Vermessung von Sternpositionen bei einer totalen Sonnenfinsternis, endgültig bestätigt. Andererseits dauerte es fast 30 Jahre, bis die vielfach gemessenen Linienspektren des Wasserstoffatoms eine erste theoretische Begründung im Bohr’schen Atommodell fanden.

1.2 Größen und Einheiten

Eine physikalische Größe besteht aus Zahlenwert und Einheit.

Man unterscheidet skalare und vektorielle Größen. Im Gegensatz zu skalaren Größen benötigen vektorielle Größen zur vollständigen Charakterisierung zusätzlich noch die Angabe einer Richtung im Raum. Beispiele für vektorielle Größen sind die Geschwindigkeit v , , die Beschleunigung a , , die Kraft F roder der elektrische Strom I , .

Die Formelzeichen vektorieller Größen werden zur Kennzeichnung mit einem Pfeil versehen. Wird der Pfeil weggelassen, ist der Betrag des Vektors gemeint. Beispiele für skalare Größen sind die Zeit t, die Masse m oder die Temperatur T. Alle physikalischen Größen gründen auf sieben Basisgrößenarten, denen nach dem internationalen Einheitensystem SI (Système International d’Unités) jeweils eine Basiseinheit zugeordnet ist (Tabelle 1.1).

Die Basiseinheiten werden durch möglichst unveränderliche und ortsunabhängige Normale oder durch Definitionen auf Grundlage von Naturkonstanten festgelegt (Beispiel 1.1). Alle weiteren zulässigen SIEinheiten werden daraus in Form von Potenzprodukten ohne Zahlenfaktor kohärent abgeleitet.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis7
1 Einführung11
1.1 Was ist Physik?11
1.2 Größen und Einheiten12
2 Mechanik15
2.1 Mechanik der Massenpunkte16
2.1.1 Kinematik der Massenpunkte16
2.1.2 Dynamik der Massenpunkte, Axiome von Newton, Kräfte22
2.1.3 Energie, Arbeit und Leistung30
2.1.4 Impuls und Impulserhaltung37
2.1.5 Drehimpuls und Drehimpulserhaltung40
2.2 Dynamik starrer Körper45
2.2.1 Allgemeine Bewegung, Schwerpunkt- und Drehimpulssatz45
2.2.2 Rotation und ebene Bewegung des starren Körpers46
2.3 Aufgaben51
3 Elektromagnetismus58
3.1 Ruhende Ladungen: Elektrostatik58
3.1.1 Ladung, Feld und Potenzial58
3.1.2 Kapazitäten und Dielektrika65
3.2 Bewegte Ladungen: Magnetostatik68
3.2.1 Bewegte Ladungen, Ströme und magnetisches Feld68
3.2.2 Materie und Magnetfeld73
3.3 Elektrodynamik75
3.3.1 Induktion76
3.3.2 Induktivitäten79
3.3.3 Maxwell’sche Gleichungen und elektromagnetische Wellen80
3.4 Aufgaben82
4 Thermodynamik84
4.1 Temperatur und thermische Ausdehnung84
4.2 Zustandsgleichung für ideale Gase87
4.3 Kinetische Gastheorie89
4.4 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik und Zustandsänderungen93
4.4.1 Innere Energie, Wärme und erster Hauptsatz der Thermodynamik93
4.4.2 Volumenänderung und Arbeit95
4.4.3 Wärmeübertragung und Wärmekapazität96
4.4.4 Spezielle Zustandsänderungen98
4.5 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, Kreisprozesse und Wärmekraftmaschinen101
4.5.1 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik101
4.5.2 Kreisprozesse und Wärmekraftmaschinen107
4.6 Reale Gase und Phasenübergänge116
4.7 Wärmetransport118
4.8 Aufgaben123
5 Schwingungen127
5.1 Die freie harmonische Schwingung128
5.1.1 Drehschwingungen131
5.1.2 Physisches Pendel132
5.1.3 Schwingungsenergie133
5.2 Gedämpfte Schwingungen134
5.3 Erzwungene Schwingungen und Resonanz136
5.4 Überlagerung von Schwingungen139
5.5 Gekoppelte Schwingungen142
5.6 Elektrische Schwingungen144
5.7 Aufgaben146
6 Wellen148
6.1 Phasengeschwindigkeit149
6.2 Wellengleichung152
6.3 Überlagerung von Wellen und Interferenz153
6.3.1 Stehende Wellen155
6.3.2 Reflexion156
6.3.3 Brechung157
6.4 Geometrische Optik159
6.4.1 Brechung an Kugelflächen160
6.4.2 Optische Abbildung162
6.4.3 Dicke Linsen163
6.4.4 Abbildungsfehler163
6.5 Wellenoptik164
6.5.1 Kohärenz und Monochromasie166
6.5.2 Beugung166
6.5.3 Interferenz an dünnen Schichten169
6.5.4 Polarisation171
6.6 Aufgaben175
7 Quanten- und Atomphysik177
7.1 Phänomene der Quanten- und Atomphysik178
7.1.1 Welle-Teilchen-Dualismus178
7.1.2 Quantelung181
7.2 Quantenphysik182
7.2.1 Die Schrödinger-Gleichung182
7.2.2 Die Prinzipien der Quantenphysik184
7.2.3 Beispiele187
7.3 Atomphysik190
7.3.1 Das Bohr’sche Atommodell190
7.3.2 Quantenphysikalische Behandlung des Wasserstoffatoms193
7.3.3 Mehrelektronenatome und das Periodensystem der Elemente196
7.3.4 Röntgenstrahlen199
7.3.5 Der Laser202
7.4 Aufgaben204
8 Kernphysik206
8.1 Aufbau der Atomkerne207
8.1.1 Kernbausteine207
8.1.2 Massendefekt und Kernkräfte208
8.2 Radioaktivität210
8.2.1 Radioaktiver Zerfall210
8.2.2 Natürliche Zerfallsreihen213
8.3 Kernspaltung214
8.4 Kernfusion217
8.5 Strahlenschutz219
8.6 Aufgaben223
9 Festkörperphysik224
9.1 Kristalle224
9.2 Halbleiter227
9.2.1 Energiebänder228
9.2.2 Leitungsmechanismen229
9.2.3 Der pn-Übergang232
9.3 Supraleitung233
9.4 Aufgaben236
A Anhang: Lösungen der Aufgaben237
Literatur- und Quellenverzeichnis260
Sachwortverzeichnis262

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