Mechanik und Wärmelehre

Hermann Nienhaus

• Verlag: De Gruyter
• Jahr: 2017
• eBook-ISBN: 9783110469172
• Auflage: 1
• Thema: Physical Sciences
• Thema: Physics

Die vierbändige Reihe für Physik im Lehramtsstudium behandelt kompakt und anschaulich die Grundlagen der Physik in aller Breite, ohne zu sehr in die theoretische Tiefe zu gehen. Sie ist auf die besonderen Anforderungen angehender Physiklehrer im Sekundarbereich zugeschnitten. Im Mittelpunkt stehen das Verständnis der physikalischen Gesetzmäßigkeiten sowie deren Relevanz im Alltag und in modernen technischen Anwendungen. Dazu enthält jeder Band viele farbige Abbildungen, Beispiele und Größenabschätzungen. Zur Ergänzung werden spezielle Themen aus der Physik, Mathematik oder Wissenschaftsgeschichte vertieft. Band 1 behandelt die klassische Mechanik nach Newton, beginnend mit der Kinematik und Dynamik des Massenpunkts bis zu den Bewegungen des starren Körpers. Aus der statistischen Bewegungsmechanik vieler Teilchen folgt zwanglos die Wärmelehre, die vor allem für ideale Gase vorgestellt wird. Den Abschluss bildet der Überblick über mechanische Wellen. Er leitet zu den Themen der weiteren Bände über.

Band 1: Mechanik und Wärmelehre.
Band 2: Elektrodynamik und Optik.
Band 3: Atom-, Kern- und Quantenphysik.
Band 4: Kondensierte Materie.

1Einführung

1.1Moderne Physik

Die Physik ist eine experimentelle Naturwissenschaft und versucht, Phänomene und Eigenschaften der Stoffe in der unbelebten Natur durch Modelle und Gesetzmäßigkeiten zu erfassen und zu beschreiben. Sie bedient sich dabei der machtvollen Sprache der Mathematik. Das Vorgehen der Physiker lässt sich schematisch darstellen durch eine Abfolge von

–Beobachten und Messen von Phänomenen an Objekten,

–Beschreiben der Daten und Ergebnisse,

–Entwickeln von Modellen und Gesetzmäßigkeiten bzw. Theorien (Induktion),woraus

–Vorhersagen und Hypothesen abgeleitet werden (Deduktion),

–die im Experiment durch Messung bestätigt oder widerlegt werden

und so fort. Diese Abfolge ist natürlich vereinfachend, weil diese Aktionen oft gleichzeitig ablaufen. Solange Modelle nicht durch Experimente bestätigt sind, werden sie, wie in allen anderen Wissenschaften, leidenschaftlich und kontrovers diskutiert. Es gibt Irrwege und auch Vorurteile. Physikalische Modelle sind nicht naturgegeben, sondern menschliche Erkenntnisse, die oft in einem langen und nicht-geradlinigen Prozess gewonnen werden. Wir lernen in dieser Reihe Beispiele kennen, in denen eine Modellvorstellung durch eine neue abgelöst oder ergänzt werden musste.

Den Beginn dieser modernen Denkweise in der Physik liegt in der Spätrenaissance und ist eng mit dem Wirken des Physikers Galileo Galilei (1564–1642) aus Pisa (Abb. 1.1) verbunden. Es gab bekannterweise auch schon vor Galilei technische Errungenschaften, Maschinen und Bauwerke, die eine tiefe Kenntnis über bestimmte Zusammenhänge in der Natur erforderten. Jedoch war sie eher Fachwissen, das durch Erfahrung und handwerkliche Anleitung übertragen wurde. Es fehlte eine systematische und abstrakte Begründung der Tätigkeiten aus fundamentalen Prinzipien.

Unter Physik verstand man seinerzeit die starre und bewundernde Betrachtung der Natur, des konstanten Himmels und der sich wandelnden Erde. Alles war einer göttlichen Ordnung unterworfen, die nicht hinterfragt wurde oder werden durfte. Neue wissenschaftliche Erkenntnisse waren in diesem Umfeld nicht willkommen. Die leidvolle Geschichte des Übergangs vom geozentrischen Weltbild des Ptolemäus, das die Erde in den Mittelpunkt des Universums setzte, zum heliozentrischen Aufbau unseres Sonnensystems, wie es Kopernikus 1543 in seinem revolutionären Werk De revolutionibus orbium coelestium entwickelte, legt Zeugnis davon ab. Auch das Leben Galileis war von diesem Streit bis zuletzt geprägt, einhundert Jahre nach Kopernikus’ Veröffentlichung.

Abb. 1.1: Galileo Galilei (1564–1642). Gemälde von N. Cecconi nach J. Sustermans. Mit freundlicher Genehmigung des National Maritime Museum, Greenwich, London.

Galilei experimentierte und versuchte, möglichst unvoreingenommen seine Ergebnisse theoretisch zu fassen und ein allgemeines Gesetz zu formulieren. Er vertrat auch die moderne Auffassung, dass neue Instrumente zu entwickeln seien, um tiefer in unbekannte Gebiete der Natur zu stoßen und neue Erkenntnisse zu gewinnen. Sein Fernrohr ist ein vortreffliches Beispiel, weil er damit neue Himmelskörper entdeckte und deren Bewegungen zum Beleg für das neue Weltbild heranziehen konnte. Auch heute gehen neue Einsichten oft mit technischen Innovationen Hand in Hand.

Es sei in dieser kurzen Würdigung Galileis eine besonders treffende Charakterisierung seiner Arbeitsweise wiedergegeben, die vom Mathematiker Otto Toeplitz formuliert wurde:

„Nie wird ein Mensch etwas entdecken, der sich vor einen Apparat setzt, beobachtet und ein Gesetz sucht, so wenig wie der, der nur nachdenkt, wie es sein könnte, ohne je die Natur zu befragen. Was Galilei die Physiker gelehrt hat, ist dieses ineinandergreifen von Idee und Experiment, auf dessen Raffinement die ganze Physik beruht.“ [1.1]

1.2Klassische Mechanik

1.2.1Zerlegung von Bewegungen und das Konzept des Massenpunkts

Die klassische Mechanik beschäftigt sich vor allem mit Bewegungen makroskopischer Körper. Das Teilgebiet der Kinematik beschreibt Bewegungen und betrachtet die zeitlichen Veränderungen von Bewegungsgrößen wie Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Ihr gegenüber stehen in der Dynamik die Ursachen (Kräfte) der Bewegung im Mittelpunkt.

Bewegungen sind im Allgemeinen sehr komplex. Die Abb. 1.2 zeigt dieses exemplarisch am Flug einer geworfenen rechteckigen Platte in einem abgedunkelten Raum. In der Mitte der Platte ist ein weißes Lämpchen angebracht und in der Ecke der Platte ein grünes. Beim Wurf rotiert die Platte um ihren Mittelpunkt. Um di...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Weitere empfehlenswerte Titel
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhalt
• 1 Einführung
• 2 Kinematik eines Massenpunkts
• 3 Dynamik eines Massenpunkts
• 4 Arbeit, Energie und Leistung
• 5 Dynamik von Drehbewegungen eines Massenpunkts
• 6 Gravitation und Planetenbewegung
• 7 Mechanische Schwingungen
• 8 Bewegungen mehrerer Massenpunkte
• 9 Mechanik starrer Körper
• 10 Temperatur und Wärme
• 11 Thermische Prozesse
• 12 Mechanische Wellen
• Bildnachweis
• Stichwortverzeichnis