Physik für Mechatronik

• Titel: Physik für Mechatronik
• Autor: karlheinz.blankenbac
• Organisation: FH PFORZHEIM
• Seitenzahl: 82

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Inhalt

• Kapitel Einführung Unterteilung
• Physikalische Herangehensweise Einheiten Statik
• Kinematik Dynamik Harmonische und
• Wärmeübertragung und Thermodynamik Sem VL
• Hookesches Gesetz Strömungslehre
• Elastomechanik und Festigkeitslehre Sem
• Wellen Optik Anhang
• Wellenausbreitung Brechung Beugung Basics weitere Infos Übungsaufgaben
• Reflexion Linsen Vektoren
• Physikbücher etc zum Selbststudium und Verständnis Übungsaufgaben
• Formel und Tabellensammlung
• Neue Gebiete der Physik ab ca
• Aufgabe und Technische Anwendung der Physik
• Aufbau der Materie Materialeigenschaften
• CaZahl der Teilchen
• Physik Beschreibung durch Materieeigenschaften zB Kristallgitter
• Wert der physikalischen Größe Zahlenwert Einheit Bsp ts
• Einheiten gemäß SISystem
• Länge Masse Zeit El Stromstärke Temperatur Lichtstärke Stoffmenge
• l m t I T I y
• Meter Kilogramm Sekunde Ampere Kelvin Candela Mol
• m kg s A K cd mol
• Größenordnungen von Basiseinheiten
• Vergleich Physik Technik Länge
•  Abgeleitete Größen SISystem
• Ladung Weitere Bsp N J
• Vorsätze für Maßeinheiten
• Piko Nano Mikro Milli Kilo Mega Giga
• p n m k M G
• Bsp m m mm
• Standardisierung der Einheiten ist wichtig
• Physikalischen Formel müssen durch Experimente verifiziert werden
• Voraussetzung geeignete Meßgeräte
• grobe Skalierung und Paralaxe Aneinanderreihen der Meßschiebermessungen
• Beispiel Fehlerreduzierung Verfahren
• billiger Meßschieber teurer Meßschieber Beschreibung des Meßverfahrens
• Gesamtfehler statistische systematische Fehler
• Experimentelle Physik Ingenieurwissenschaften
• Beispiel Freier Fall einer Stahlkugel
• Beobachtung Kugel fällt immer Richtung Erde Messung
• Falldauer t s
• Fallhöhe h m
• Theoretischen Physik ausgehend von der Beschleunigung
• siehe Kinematik t
• Anzahl der Komponenten
• Schwingung Eigenschwingung stehende Wellen
• ortsfest im Körper
• Pendel Stimmgabel HuiMaschine
• Schallwellen Akustik Optik em Wellen
• Beschreibung Schwingung Oscillation
• Darstellungsarten Amplitude an einem Ort zu vielen Zeitpunkten
• Amplitude zu einem Zeitpunkt an
• JAVA Applett Elektromagnetische Welle
• c Ausbreitungsgeschwindigkeit Problem Randbedingungen allgemeine Lösung
•  Ebene Harmonische Wellen
• Periodendauer T Wellenlänge
• y yo sint kx
• nach links fortschreitend nach rechts fortschreitend
• Bestimmung von Werten aus Skizze Wellenlänge cm k
• Herleitung des Zusammenhanges zwischen Frequenz und Wellenlänge
• mit Definitionen von WE
• f Ausbreitungsgeschwindigkeit c f
• Frequenz und Wellenlänge sind über die Ausbreitungsgeschwindigkeit verknüpft
• Akustik Schallgeschwindigkeit Elektromagnetische Wellen Lichtgeschwindigkeit
• Luft ms Luft kms Eisen ms Glas kms
•  Wellenlänge und Frequenz c f
• alle Angaben caWerte
• Infraschall Hörbereich Ultraschall
• Hz Hz kHz
• sichtbares Licht Farbe
• Blau Grün Rot
• Empfindlichkeit des menschlichen Ohres
• Ohr Kurven gleicher Lautstärke
• Phon Phon Hörschwelle
• Übertragungskennlinie Lautsprecher
• Frequenzgang OP Tiefpass HF Spektrum
• Glühlampe A und Normleuchtstoffröhre D
• Definitionen bei Spektrallinien Bandbreiten
• Grenzfrequenz Tiefpass low pass filter
• Bandbreite bandwidth Güte
• Kugelwellen Geometrie Ebene Wellen
• Beugung Welleneigenschaften berücksichtigen
• Strahlen Geometrische Optik Wellencharakter vernachlässigt
• Sonne ChinaBöller in Luft Wasserwelle Spalt
• Laser Sonnenlicht auf Erde Megaphon
• Geometrische Dämpfung bei Kugelwellen I r r
• Es gibt auch noch andere Arten von Wellen
• Wellenausbreitung nach dem Huygensschen Prinzip
• Wellenfront bei sehr vielen Kugelwellen
• y po sint kx pN
• Achtung k und P sind Vektoren
• nur eine Schwingungsrichtung zB Polfilter
• nur eine Schwingungsrichtung die sich dreht
• bei Glühlampen dh alle Richtungen gleichverteilt
• Polarisation in der Elektrotechnik D
• kann auch anisotrop sein
• Anwendung der Polarisation bei LCDs
• Polarisation des Lichtes wird durch Flüssigkristalle gedreht
• Light Polarizer Glass ITO Alignment layer
• Alignment direction Orientation of polarizer
•  Wichtige Begriffe und Definitionen der Wellenlehre
• hier vereinfacht für Ebene Wellen
• Quadrat der Amplitude immer positiv in der Optik
• yr cos sint kx
• kr r Gangunterschied
• Ir I I I I cos
• y y Interferen zterm
• Beispiele für Interferenz
•  Überlagerung von Wellen Superposition
• Parallele Überlagerung Schwebung
• JAVA Applett Schwebungen Beachte Einhüllende mit niedrigerer Frequenz
• Parallele Überlagerung von Wellen gleicher Frequenz
• Gleiche Phase Maximale Verstärkung Überlagerung
• Phase gegenphasig Auslöschung Überlagerung
• beliebige Phase Überlagerung
• Bez Strahlungsenergie Strahlungsleistung Einheit J Ws W
•  Reflexion und Brechung Reflection and Refraction
• Bsp Luft Glas
• Gerichtete Reflexion gilt nur Idealfall zB für Spiegel
• Anwendung Reflexion Parabolspiegel
• Überreichweiten round the world in s
• Katakaustik bei Reflexion an Kreis zB Kaffeetasse
• Diffuse Reflexion bei unebenen Grenzflächen
• Incident light Screen
• Homogene Reflexion Für Tisch und Deckenprojektion
• Nur für Deckenprojektion geeignet
• Typ B Retroreflective
• Reflexion auf Displayoberflächen
• n n unten optisch dichter
• c c oben schneller
• Snelliussches Brechungsgesetz n Brechungsindex Index of Refraction
• sin n c sin n c
• Dielektrizitätskonstante Zusammenhang Optik ET hoch niedrigfrequent
• Brechungsindex für nm
• n cvakuum cmedium n n
• Glas Luft Wasser Diamant
• Bsp Luft Wasser
• Totalreflexion Total Reflectance
• Totalreflexion dichter n
• dünner n n
• Totalreflexion für alle g
• Lotwinkel hier g
• nur Reflexion keine Brechung Erklärung komplexe Wellenoptik
• Diamant Glas Wasser
• Grenzwinkel zu Luft
• Anwendung der Totalreflexion
• nicht da Totalreflexion
• Sprung des Brechungsindexes
• typ m deshalb praktisch kein Reflexionseinfluß
• einfallende Intensität gebrochener Anteil Eindringtiefe d
• zB Platte Absorption Transmission
• Energieerhaltung Conservation of Energy
• Eein Eref Eabs Etrans WE
• Bsp Durchgang durch Glas
• Absorptionsgrad Emissionsgrad Abstrahlung Anwendung schwarze Kühlkörper
• Bsp rotes Glas läßt rot durch
• Normierung aus Energieerhaltung
• A Amplitude e EinheitsrichtungsVektor
• Absorption durch Eindringen in Material
• d Eindringtiefe d m
• A geb A ein Aref e
• Effekte dünner Schichten auf die Transmission
• Optisches Pendant zu elektrischen Filtern Hoch und Tiefpass
• Reflexion in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung
• typischer Wert Luft Glas r
• Wirkungsweise der Entspiegelung
• kritisch in Ihrer Funktion Bsp Fingerabdruck oder
• Wassertropfen auf gut entspiegelter Oberfläche schillert
•  Wellenbetrachtung der Reflexion
• Phasensprung um Wellenknoten
• keine Phasensprung Wellenbauch
• Impulsübertragung auf Leitungen
• RRi Z RL
•  Wellen in begrenzten Medien Stehende Wellen
• sin t sin t
• Simulation im Web
• Was passiert wenn man beispielsweise eine Saite anzupft
• Oberwelle Second Harmonic
• Wellenlänge Wave Length
• n Bsp Blasen über Sprudelflasche fn
•  Doppler Effekt Doppler Effect
• a Ruhende Quelle bewegter Beobachter
• Doppler Effekt Ruhende Quelle Bewegter Beobachter B
• b Bewegte Quelle ruhender Beobachter
• fB fQ v Q c
• Doppler Effekt Bewegte Quelle Q Ruhender Beobachter
• Geschwindigkeit relativ zur Ausbreitungsgeschwindigkeit
• fB GHz f kHz
• Durchbrechen der Schallmauer su Einsatzfahrzeuge Martinshorn
• Obige Gesetze für den Doppler Effekt gelten
• Machscher Kegel Schallmauer Sonic Barrier
• Klappt auch im Wasser
• Anwendung von Reflexion und Brechung in der Optik
• Effekt Reflexion und Brechung Richtungsumlenkung
• Spektralzerlegung durch Dispersion n n
• weiß Dispersion Prisma
• Beispiel virtuelle D Wirkung von Computerbildern
• D Test D Test
• rot vor schwarz
• weiß vor rot
• Reflexion an Spiegel
• Brechung an planparallelen Platten in Luft
• Strahlengang mit Reflexionen Durchgehender Strahl mit Winkeln
• austretender Strahl parallel zum einfallenden versetzt unten sin
• sin sin entspricht Parallelversatz
• Parallelversetzung Näherung nLuft nVakuum
• s d sin cos
• Brechung über n mit
•  Optische Effekte in der Atmosphäre
• Rayleigh Streuung vereinfachende Erklärung
• Nebenbogen Farbabfolge umgekehrt
• Wie ist dieses Bild entstanden
• Spektrum des weißen Sonnenlichtes inkl Treibhausproblematik CO
• Spektralzerlegung von weißem Licht
• Wichtigste Linsenformen Symbol Funktion Normalfall
• Umgebung optisch dünner dichter
• Effekte an Linsen
• Brechung Reflexion Absorption Streuung Dispersion Thermische Ausdehnung
• Vorder und Rückseite molekulare Absorption Verunreinigungen Material Material
• Vergütung Spezialglas Hochreines Glas Spezialglas Spezialglas
• Optimierungsmöglichkeiten meist nicht gleichzeitig realisierbar
• Allgemeine Regeln zur Linsenkonstruktion DIN
• Objektiv Objekt reell Bild reell umgekehrt
• Objekt virtuell Bild reell aufrecht
• Lupe Objekt reell Bild virtuell aufrecht
• normiert auf f
•  Sammellinse als Dünne Linse
• reell vergrößert umgekehrt
• Kennzeichen f zB mm Anwendung zB Galileisches Fernrohr
• Aufrechtes virtuelles Bild verkleinert
• Parallelstrahl mit Strahl von F Brennpunkt ausgehend
• Gegenstandsstrahl durch Optische Achse unverändert
• weiterer Linsentyp FresnelLinsen flach zB OverheadProjektor Campingbus Leuchtturm
• Draufsicht Anwendung bei Leuchttürmen als Linse
• Vergrößerung der Lupe v s f
• Vergrößerung des Mikroskopes v ts fObjektiv fOkular
• Vergrößerung des Fernrohres fObjektiv fOkular
• Geometrische Optik Wellenausbreitung mit geradlinigen Strahlen
• Spalt in Strahlengang
• Abweichung von Geometrischer Optik Licht als Welle
• optischen Instrumente mit endlichen Öffnungsweiten Beugung beschränkt
• Beugungsart Fresnel Fraunhofer
• divergent parallel ggf Sammellinsen
• Komplex Winkel einfach
• Beugungswinkel Gangunterschied der Randstrahlen BC d sin
• Näherung Spaltbreite d Spaltlänge l
• nicht gebeugte Wellenfront
• JAVA Applett Beugung von Licht am Einfachspalt
• Erklärung für die dunklen Stellen
• Minima dunkel n d sinmin Beugungsordnung n OP
• Beobachtung Versuch Zwischen Minima helle Stellen Maxima
• Superpositionsprinzip Gangunterschied zwischen max Verstärkung und Auslöschung
• Maxima hell n d sinmax Beugungsordnung n OP
• Beispiel Chip einer Digitalkamera
• Geometrie tan xmaxb Maximum
• Beugung von polychromatischem Licht
• mit cos cos sin sin
• es ergibt sich dasselbe Beugungsbild
• nur ist hell und dunkel vertauscht
• g d Spaltbreite Spaltabstand
• m g sinmax
• Strukturuntersuchungen mit Röntgenstrahlung Kristallgitter
• g mm m nm
• g sinmax max arcsing arcsin
• tanmax xmax b und g sinmax
• werden erzeugt durch zwei nicht deckungsgleich aufeinanderliegende Gitter
• Bilder mit Digitalkamera von Bildschirm Streifenmuster
• Zusammenfassung Fraunhofersche Beugung Intensitätsverlauf
• I geometrische Optik Beugung
• viele Spalte mm
• I geometrische Optik
• scharfe diskrete Maxima
• Formel für Maxima
• n b Abstand Spalt Schirm
• g Abstand Gitterlinien
• Fouriertransformation als Analogie zur optischen Beugung
• Gegenüberstellung von Fouriertransformation und Beugung
• nur hellen Fleck Analoges gilt für das Mikroskop
• Beugungsbild zweier benachbarter Quellen
• Überlagerung in einem verbreiterten Punkt
• Licht zweier benachbarter Objekte zB Sterne
• praktisch nicht unterscheidbar
• nur hellen Fleck Mikroskop analog
• Beugungsbild einer Linse
• Anwendung der Beugung Messtechnik
• Röntgenuntersuchung Werkstoffkunde Bsp DNA WatsonCrick
• Materialuntersuchungen mit Röntgenstrahlen
• LaueAufnahme von NaCl schwarze Punkte Interferenzen
• Beispiel für Untersuchungen mit Beugung Muskel
• Übungsblatt WellenOptik

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