Das Neue Physikalische Grundpraktikum

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1 Springer-Lehrbuch

2 H. J. Eichler H.-D. Kronfeldt J. Sahm Das Neue Physikalische Grundpraktikum 53 Themenkreise mit über 300 Vorschlägen für Experimente, 590 zweifarbige Bilder, 50 Tabellen, Lesezeichen mit Piktogrammen, Fundamentalkonstanten und einem Replika-Gitter Zweite, erweiterte und aktualisierte Auflage 123

3 Professor Dr. Hans Joachim Eichler Priv.-Doz. Dr. Heinz-Detlef Kronfeldt Professor Dr. Jürgen Sahm Technische Universität Berlin Optisches Institut Hardenbergstraße Berlin, Deutschland (Prof. Eichler) (P.D. Kronfeldt) (Prof. Sahm) Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001, 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Herstellung: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, Leipzig Satz und Umbruch: Druckfertige Daten von den Autoren Einbandgestaltung: design & production GmbH,Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier 56/3141/YL

4 Vorwort Die Physik ist eine grundlegende Naturwissenschaft und Basis der meisten technischen Disziplinen; sie bezieht ihre Erkenntnisse aus der befruchtenden Wechselbeziehung zwischen Experiment und Theorie. Die persönliche Begegnung mit dem physikalischen Experiment im Rahmen eines Grundpraktikums ist daher ein wesentliches Ausbildungselement für alle angehenden Physiker, Naturwissenschaftler und Ingenieure. Kennzeichnend für das physikalische Grundpraktikum ist das Lernen durch eigenes Tun, das eine notwendige Ergänzung zu dem rezeptiven Lernen in Vorlesungen und aus Büchern darstellt. Im besten Falle kommt es zum Verstehen durch Begreifen. Hieraus lassen sich als wichtigste Ausbildungsziele eines Physikalischen Grundpraktikums formulieren: Einführung in die Physik als Erfahrungswissenschaft durch die experimentierende Beschäftigung mit den Grundphänomenen der Physik, wozu im Praktikum vor allem auch die Messung physikalischer Größen und die Überprüfung physikalischer Gesetzmäßigkeiten zählt. Kennenlernen und Vertrautwerden mit wichtigen Meßverfahren und geräten sowie deren Eigenschaften einschließlich rechnergestützter Meßwerterfassung und -verarbeitung. Einführung in die Methodik wissenschaftlicher experimenteller Arbeit. Hierzu gehören insbesondere Versuchsplanung und -aufbau, Durchführung und Protokollierung der Messungen, eine geeignete Auswertung der Meßwerte sowie schließlich eine kritische Bewertung mit Fehlerbetrachtungen und die Diskussion der Meßergebnisse. Damit diese Ziele erreicht werden und das Experimentieren sich nicht in einem bloßen Probieren erschöpft, muß ein Experimentator sowohl die physikalischen Zusammenhänge als auch die meßtechnischen Bedingungen überschauen. Für beides will dieses Praktikumsbuch eine Hilfe sein. Es ist entstanden aus den schriftlichen Anleitungen für das Physikalische Grundpraktikum an der Technischen Universität Berlin und wendet sich an Studierende der Physik, der Natur- und Ingenieurwissenschaften an Universitäten und Fachhochschulen. Für Physikstudierende erstreckt sich das Praktikum über drei Semester, während zukünftige Mathematiker, Informatiker, Mediziner und Naturwissenschaftler (wie Chemiker, Biologen und Geowissenschaftler) sowie Ingenieure (wie z. B. Bau-, Elektro-, Maschinenbau- und Wirtschaftsingenieure) eine ihrer Fachrichtung ange-

5 VI Vorwort Physikalische Fundamentalkonstanten (Quelle: NIST, CODATA 2002) Absoluter Temperaturnullpunkt 273,15 C Atomare Masseneinheit u =1, kg Avogadro-Konstante N A =6, mol 1 Boltzmann-Konstante k = R/N A =1, JK 1 Elektrische Feldkonstante ɛ 0 =8, AsV 1 m 1 Elektronenmasse m e =9, kg Elementarladung e =1, C universelle, molare Gaskonstante R = N Ak =8,314 Jmol 1 K 1 Gravitationskonstante G =6, Nm 2 kg 2 Lichtgeschwindigkeit c =2, ms 1 Magnetische Feldkonstante µ 0 =4π 10 7 VsA 1 m 1 Neutronenmasse m n =1, kg Plancksches Wirkungsquantum h =6, Js Protonenmasse m p =1, kg Rydberg-Frequenz R y =3, s 1 Wärmekapazität von Wasser c =4,187 Jg 1 K 1 Erdbeschleunigung (Berlin) g =9,813 ms 2 Luftnormdruck p 0 = 1013,25 hp a Luftnormdichte ρ 0 =0, gcm 3 Luftschallgeschwindigkeit (Normbed.) c 0L = cm s 1 paßte Aufgabenauswahl für einen ein- bis zweisemestrigen Kurs treffen können. Die experimentellen Aufgaben aus 53 Themenkreisen sind zu 12 Kapiteln I-XII zusammengefaßt. Jeder Themenkreis enthält eine Zahl von Teilaufgaben, aus denen für einen Experimentiertermin eine Auswahl zusammengestellt werden kann. Für jede dieser experimentellen Teilaufgaben ist eine Gewichtung (z. B. 1/3, 1/2, 2/3, 1/1) angegeben, die den Zeitbedarf angibt. Während eines Praktikumstermins mit typisch 4 Stunden experimenteller Arbeit sollen Aufgaben im Umfang von 1/1 bearbeitet werden. Studierende von Fachrichtungen, in denen wöchentlich weniger Praktikumsstunden erforderlich sind, bearbeiten Aufgaben mit einer entsprechend geringeren Gewichtung. Die möglichen Kombinationen verschiedener Teilaufgaben erlauben den Praktikumsveranstaltern eine Differenzierung für die verschiedenen Fachrichtungen und schaffen zugleich auch ein wünschenswertes Auswahlangebot für die Studierenden. Die Darstellung der 53 Themenkreise in diesem Buch ist stets in der gleichen Weise strukturiert. Diese Struktur wird durch Logos visuell unterstützt. Der Formulierung des allgemeinen Lernziels V folgen zunächst Hinweise auf die Literatur W, die zur ergänzenden Vorbereitung auf die Aufgabe herangezogen werden kann. Zur Erleichterung der Suche in Standardlehrbüchern sind jeweils thematische Stichworte angegeben. Zusätzlich werden spezielle Quellen genannt. Die anschließende Darstellung der physikalischen Grundlagen G enthält sowohl die für das Verständnis der zu untersuchenden Phänomene benötigten Grundlagen als auch die der verwendeten Meßverfahren. Dabei sind zum Grundwissen gehörende Formeln rot unterlegt, andere für die Aufgabe wichtige Formeln sind grau unterlegt. Besonders wichtiger Text ist als Merksatz rot gekennzeichnet. Fettgedruckte Worte bezeichnen Schlüsselbegriffe, die für den behandelten Stoff von grundlegender Bedeutung sind. Kursivgedruckte Worte bezeichnen andere wichtige Fachtermini, die oft an anderer Stelle ausführlich erläutert sind siehe dazu das Stichwortverzeichnis. Bei den experimentellen Aufgaben ist das Lernziel V der jeweiligen Teilaufgabe formuliert, gefolgt von Angaben zum Meßverfahren und zum Handwerkszeug und Zubehör Z. Die eigentlichen Meßaufgaben werden jeweils durch eine Stoppuhr K eingeführt. Schließlich gibt es noch Hinweise zur Auswertung der Versuche J. Eine tabellarische Übersicht über die verwendeten Logos und deren Bedeutung, siehe nächste Randspalte, findet sich auch auf dem beigefügten Lesezeichen, das zusätzlich mit einem Replika-Gitter für optische Beugungsexperimente ausgestattet ist, siehe z. B. die Themenkreise 38 und 44. Das Lesezeichen listet ferner eine Reihe physikalischer Fundamentalkonstanten auf, wie sie auch nebenstehend abgedruckt sind. Erfahrungen aus dem Einsatz dieses Buches seit seinem ersten Erscheinen im Jahr 2001 sowie fachliche und methodische Weiterentwicklungen waren Anlaß für eine Überarbeitung für die nunmehr vorgelegte 2. Auflage. So wurden Fehler der 1. Auflage beseitigt, den Grundlagen Elemente der modernen Optik hinzugefügt (u. a. Flüssigkristalle, Laser), das

6 Vorwort VII Aufgabenspektrum erweitert (z. B. Beugung von Materiewellen, Digitalkamera). Schließlich wurden die Themenkreise des Kapitels XII Digitalelektronik und Computer durch Umstellung auf das moderne und komfortable Softwarepaket LabVIEW grundlegend überarbeitet, wobei wir die Firma National Instruments für ihre Hardware-Unterstützung dankbar erwähnen möchten. Die bewährte grafische Gestaltung mit den Piktogrammen, der Hervorhebung der wichtigen Formeln, dem optischen Replikagitter und der durchgehenden Zweifarbigkeit wurde beibehalten. Die Autoren hoffen, daß das Buch so den sich wandelnden Ansprüchen eines zeitgemäßen Physikalischen Grundpraktikums gerecht wird. Dieses Lehrbuch ist aus der Arbeit der Autoren als Praktikumsveranstalter erwachsen. Es stützt sich dabei auch auf die langjährigen Arbeiten von Kollegen, die das Physikalische Grundpraktikum in der Vergangenheit mit großem Engagement mit dem Ziel weiterentwickelt haben, den Studierenden eine inhaltlich und methodisch stets moderne experimentelle Einführung in die Physik zu geben. Stellvertretend für alle anderen sei hier Prof. Dr. Gerd Koppelmann ( 1992) erwähnt. Ihnen allen gilt unser Dank. Wir danken ferner mehreren Generationen engagierter wissenschaftlicher Mitarbeiter, die durch ihre neuen Ideen bei der Weiterentwicklung der Praktikumsaufgaben und der zugehörigen Skripten Grundlagen für dieses Buch gelegt haben. In diesen Dank beziehen wir auch die vielen studentischen Mitarbeiter mit ein, die in der täglichen Arbeit bei der Betreuung der Praktikumsstudierenden für eine Fülle von Anregungen gesorgt haben. Besondere Beiträge und Anregungen verdanken wir dabei den Herren Dr. David Ashkenasi, Dr. Hans Blersch, Dipl.-Phys. Andreas Hermerschmidt, Dipl.-Phys. Frank Kallmeyer, Dipl.-Phys. Matthias Kock, Dr. Peter Kümmel, Prof. Dr. Rainer Macdonald, Dipl.-Phys. Christian Müller, Prof. Dr. K.-H. Rädler, Dr. Thomas Riesbeck, Dipl.-Phys. A. Rüdel, Dr. Knut Stahrenberg und Dipl.-Phys. Christoph Theiss. Bei der Herstellung des Buches haben sich besondere Anerkennung verdient Herr Dr. Guido Sawade ( 2004), sowie die Damen Dr. Nicola Iwanowski und Dipl.-Phys. Constanze Beyer. Schließlich sei den Mitarbeitern des Springer Verlages, Herrn Dr. Hans Jürgen Kölsch und Frau Petra Treiber sowie Herrn Dr. Thorsten Schneider und Frau Ute Heuser gedankt, die dieses Buchprojekt anhaltend und konstruktiv gefördert haben. Wir wünschen uns, daß auch die künftigen Praktikumsstudierenden dieses Buch gerne und mit gutem Erfolg nutzen werden. Berlin, Juni 2005 H. J. Eichler H.-D. Kronfeldt J. Sahm Übersicht über die verwendeten Logos und deren Bedeutung V Ziel Wichtigste Lernziele der Aufgaben oder Aufgabenteile. W Literatur Hinweise auf einführende oder weiterführende Literaturquellen. G Grundlagen Physikalisches Grundwissen zur Aufgabe. Z Zubehör Benötigte Geräte und Material. K Meßaufgabe Vorschläge zur Durchführung von Experimenten und Messungen. K Teilmeßaufgabe J Auswertung Vorschläge zur Auswertung einer Meßaufgabe. J Teilauswertung Formel in rotem Rahmen gehört zum Grundwissen. Formel in grauem Rahmen ist wichtig.

7 U Kapitel I. Grundbegriffe der Meßtechnik 1. Messen und Auswerten... 3 Physikalische Größen und ihre Einheiten... 3 Fehler einer Messung Systematische Fehler... 6 Zufällige Fehler... 8 Fehlerfortpflanzung Grafische Darstellungen Auswertung linearer Zusammenhänge Protokollführung Meßunsicherheit und Statistik Statistik Histogramm und Wahrscheinlichkeit Die Gauß- oder Normalverteilung Meßunsicherheit des Endergebnisses Grundversuche mit dem Galton-Fallbrett (1/2) Standardabweichung und Vertrauensbereich für verschieden große Stichproben (1/2) N Kapitel II. Bewegungen und Kräfte 3. Translation und Rotation Bewegungen von Massenpunkten Drehbewegungen starrer Körper Weg-Zeit-Verlauf beim freien Fall (1/3) Bestimmung der Erdbeschleunigung (1/3) Energieerhaltungssatz (1/3) Beziehung zwischen Winkel und Zeit unter Einwirkung eines Drehmomentes (1/3) Beziehung zwischen Drehmoment und Winkelbeschleunigung (1/3)

8 X 4. Stoßprozesse Impuls- und Energieerhaltungssatz Kugelpendelkette Stöße zweier Kugeln (1/3) Kugelpendelkette (1/3) Kugelpendelkette mit Störungen (1/3) Harmonische Schwingungen Schwingungen eines Federpendels Fadenpendel (Mathematisches Pendel) Physikalisches (physisches) Pendel Reversionspendel Federpendel (1/1) Fadenpendel (Mathematisches Pendel) (1/1) Physikalisches Pendel (1/1) Reversionspendel (1/1) Gekoppelte Schwingungen Gekoppelte Pendel Bewegungsgleichungen der gekoppelten Pendel Lösung der gekoppelten Differentialgleichungen Gekoppelte Pendel mit Federkopplung (1/1) Gekoppelte Pendel mit Gewichtskopplung (1/1) Kopplung zwischen Dehnung und Drehung einer Schraubenfeder (1/3) Gedämpfte und erzwungene Schwingungen Pohlsches Rad Freie, gedämpfte Schwingung Erzwungene Schwingungen Gedämpfte Schwingung (1/2) Erzwungene Schwingung (1/2) Trägheitsmoment Drehbewegungen und Trägheitsmomente Trägheitsmomente bei parallelen Drehachsen Trägheitstensor Trägheitsmomente aus Drehschwingungen (1/1) Gleichmäßig beschleunigte Drehbewegungen (1/1)... 88

9 XI M Kapitel III. Deformierbare Körper und Akustik 9. Elastizität Elastizität und Hookesches Gesetz Durchbiegung von Stäben Verdrillung von Stäben und Drähten Querkontraktion, Poissonsche Zahl Inhomogene und anisotrope Körper Elastische Hysterese und Fließvorgänge Drahtdehnung (1/2) Biegung zweiseitig aufliegender Stäbe (1/2) Messung des Elastizitätsmoduls anisotroper oder inhomogener Stoffe (1/2) Elastische Hysterese und Fließvorgänge (1/2) Biegung einseitig eingespannter Stäbe (1/2) Torsionsschwingungen und Schubmodul (1/2) Zähe Flüssigkeiten Flüssigkeiten Viskosität oder Zähigkeit Strömung in engen Röhren; Kapillaren StrömungumeineKugel Zähigkeit nach der Kugelfallmethode (1/2) Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit (1/2) Oberflächenspannung und Kapillarität Spezifische Oberflächenenergie und Oberflächenspannung Oberflächenspannung an gekrümmten Oberflächen Kapillarität Grenzflächenspannungen und Randwinkel Lamellen-Abreißverfahren (1/3) Kapillaren-Steighöhenmethode (1/3) Luftblasenmethode (1/3) Stoff- und Temperaturabhängigkeit (1/3) Schallwellen und Akustik WellenundSchall Stehende Wellen und Eigenschwingungen Elastische Wellen Schallwellen und adiabatische Vorgänge Grundbegriffe der Akustik Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (2/3) Physiologische Akustik (1/3)

10 XII 13. Ultraschall Erzeugung und Nachweis von Ultraschall Elastische Wellen in deformierbaren Materialien Schallwechsel- und Schallstrahlungsdruck, Energiedichte Schallintensität Schallreflexion, Schalldurchlässigkeit Wirkungen von Ultraschall hoher Leistung Schallwellenlänge und -geschwindigkeit in Wasser (1/3) Schallstrahlungsdruck (2/3) Qualitative Experimente mit Ultraschall (2/3) B Kapitel IV. Vielteilchensysteme und Thermodynamik 14. Thermische Grundversuche Temperatur und thermische Ausdehnung Kalorische Grundgleichung, Wärmekapazitäten WärmemengenundEnergiesatz Atomistische Betrachtung Schmelz- und Verdampfungswärmen Wärmeleitung, Thermohaus Spezifische Wärmekapazität fester Körper (1/2) Schmelz- und Verdampfungswärme von Wasser (1/2) Wärmeausdehnung fester Stoffe (1/2) Volumenausdehnung von Flüssigkeiten (1/2) Wärmeleitung (Thermohaus) (1/2) Statistische Mechanik auf einem Luftkissentisch Vielteilchensysteme Barometrische Höhenformel Boltzmann-Verteilung Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Translation auf der schiefen Ebene (1/2) Barometrische Höhenformel (1/2) Druckverteilung in einem Gebäude (1/2) Geschwindigkeitsverteilung eines Modellgases (1/2) Luftdichte, Dampfdruck, Luftfeuchte Zusammensetzung von Luft Reduktion der Dichte auf Normalbedingungen Dampfdruck von Flüssigkeiten Luftnormdichte (1/1) Dampfdruck von Wasser (Niederdruckbereich) (1/2) Dampfdruck von Wasser (Hochdruckbereich) (1/2)

11 XIII 17. Ideale und reale Gase IdealeGase Adiabatenexponent nach kinetischer Gastheorie RealeGase Adiabatenexponent aus Expansionsversuch (1/2) Adiabatenexponent aus Schwingungsversuch (1/2) Präzisionsmessung des Adiabatenkoeffizienten (1/2) Messung des Joule-Thomson-Koeffizienten (1/2) Thermodynamische Prozesse in einem Heißluftmotor Stirlingscher Kreisprozeß Stirlingmaschine als Heißluftmotor Wirkungsgrad beim Heißluftmotor Stirlingmotor als Kältemaschine und Wärmepumpe pv -Diagramm und Wirkungsgrad bei elektrischer Heizung (2/3) pv -Diagramm und Wirkungsgrad bei Heizung mit Spiritusbrenner (2/3) Belastung und Gesamtwirkungsgrad (1/3) Kältemaschine und Wärmepumpe (1/3) C Kapitel V. Gleich- und Wechselstromkreise 19. Widerstände, Ohmsches Gesetz Elektrische Grundgrößen ElektrischerWiderstand Temperaturabhängigkeit des Widerstandes Strom- und Spannungsmessung Kennlinien von Widerständen (1/2) Lineare und logarithmische Potentiometer (1/2) Temperaturabhängigkeit von Widerständen (1/2) Gleichspannungsschaltungen, Kirchhoffsche Regeln Kirchhoffsche Regeln Wheatstone-Brücke Batterie als Spannungsquelle Kondensatoren im Gleichstromkreis Instrumenten-Innenwiderstände und Änderung der Meßbereiche (1/2) Widerstandsmessung mit Wheatstone-Brücke (1/2) Ausgangsspannung und Innenwiderstand einer Batterie (1/2) Kondensator im Gleichstromkreis (1/2)

12 XIV 21. Messungen mit einem Oszilloskop Aufbau und Funktionsweise des Kathodenstrahloszilloskops Überlagerungsellipsen zweier Wechselspannungen Messung von Phasendifferenzen Grundfunktionen des Oszilloskops (1/3) Zeit- und Frequenzmessung (1/3) Lissajous-Figuren Gleiche Frequenzen (1/3) Lissajous-Figuren Ungleiche Frequenzen (1/3) Wechselspannungen Zeitverläufe,Scheitel-undEffektivwerte Ohmscher, kapazitiver, induktiver Widerstand Komplexe Darstellung von Wechselspannungen und Wechselstromwiderständen Innenwiderstand einer Wechselstromquelle Tiefpaß Schwingkreis, erzwungene Schwingungen GleichrichterundVerstärker Effektiv- und Scheitelwert (1/3) Innenwiderstand und Leistungsabgabe einer Wechselstromquelle (1/3) Tiefpaß (1/3) Schwingkreis (1/3) Gleichrichterschaltungen (1/3) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode (1/3) Speicheroszilloskop Digital-Speicheroszilloskop Betriebsarten eines Speicheroszilloskops Nanodrähte mit quantisierter Leitfähigkeit Kondensatorentladung und -aufladung (2/3) Schalterprellung (1/3) Quantisierte Leitfähigkeit von Nanodrähten (1/1) Schallgeschwindigkeit aus Laufzeitmessung (1/3) Herzschlagmonitor (1/3) Elektrische Schwingungen Freie gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Reihenschwingkreis: Analytische Beschreibung Freie gedämpfte Schwingungen (1/3) Erzwungene Schwingung eines Reihenschwingkreises (2/3) Resonanzkurvenmessung mit dem XY -Schreiber (1/3).. 253

13 XV P Kapitel VI. Elektrische und magnetische Felder 25. Elektrische Felder Feldbegriff und Felddarstellung Elektrische Ladung Elektrische Feldstärke Potential Potentiallinien Potentialgleichung Influenz Potential und Feldlinien (1/1) Kräfte zwischen Ladungen, Influenz (1/3) Elektronenbewegung in elektrischen und magnetischen Feldern ElektronenimelektrischenFeld Elektronen in magnetischen Feldern Elektronenstrahlröhre Wirkungsweise und Eigenschaften eines einfachen Kathodenstrahl-Oszilloskops (2/3) Messung der Elektronenstrahlablenkung (1/3) Nachweis des erdmagnetischen Feldes (1/3) Erdmagnetisches Feld UrsachenvonMagnetfeldern Messung von Magnetfeldern Erdmagnetfeld AufbauderErde,UrsachendesErdmagnetfeldes Horizontalkomponente des Erdfeldes (2/3) Inklination, Gesamtfeldstärke (1/3) Magnetische Kreise und Ferromagnetismus Magnetisches Feld Dia-, Para- und Ferromagnetismus Magnetische Kreise Meßverfahren für magnetische Feldgrößen Grundversuche zum Transformator (1/3) Messung der Hysteresekurve ohne Luftspalt (1/3) Hall-Messung der Hysteresekurve mit Luftspalt (2/3) Einfluß eines Luftspaltes (1/3) Kalibrieren einer Feldplatte (1/3)

14 XVI Q Kapitel VII. Halbleiterelektronik 29. Halbleiterdioden Zur Elektrizitätsleitung in Festkörpern pn-übergang Bändermodell Eigenschaften und Arten von Halbleiterdioden Statische Diodenkennlinien (1/3) Dynamische Messungen (1/3) Untersuchungen von Leuchtdioden (1/3) Untersuchungen an einer Solarzelle (1/3) Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden (1/3) Transistoren Transistoren Bipolare Transistoren Feldeffekttransistoren Quasistatische Messungen an einem bipolaren Transistor (1/3) Dynamische Messungen an einem bipolaren Transistor (1/3) Aufbau einer Verstärkerschaltung (1/3) Verstärkung von Sprachschwingungen (1/3) Transistor als Schalter (1/3) Messungen an einem Feldeffekttransistor (1/3) Operationsverstärker Aufbau von Operationsverstärkern Grundschaltungen Meßtechnische Anwendungen Frequenzverhalten von Operationsverstärkern Lineare Verstärkung (1/3) Mathematische Operationen (2/3) Anwendung als Elektrometer (1/3) Simulationsschaltungen mit Operationsverstärkern Operationsverstärker Differentialgleichung 1. Ordnung Differentialgleichung 2. Ordnung Erzwungene Schwingungen Gekoppelte Differentialgleichungen Analoge Simulationen Zerfallsgleichung (1/3) Schwingungsgleichung (2/3) Erzwungene Schwingung (1/3) Gekoppelte Pendel (1/3)

15 XVII R Kapitel VIII. Linsen und optische Instrumente 33. Linsen Ausbreitung von Licht Brechung Linsen Optische Abbildungen mit dünnen Linsen Paraxialgebiet Linsenfehler Einfache Bestimmung von Linsenbrennweiten (1/3) Bestimmung von Brennweiten nach Bessel (1/3) Qualitative Beobachtung von Linsenfehlern (1/3) Messung der chromatischen Aberration (1/3) Messung der sphärischen Aberration (1/3) Optische Geräte Vergrößerung und Auge Lupe und Okular Fernrohre nach Kepler und Galilei Dia-Projektor Digitalkamera Kepler- oder Astronomisches Fernrohr (1/3) Galilei-Fernrohr (Opernglas) (1/3) Dia-Projektor (1/3) Digitalkamera (1/3) Mikroskop: Vergrößerung Geometrische Optik des Mikroskops Gesamtvergrößerung, Objektiv, Okular (2/3) Messung kleiner Längen (1/3) Brechzahlmessung mit dem Mikroskop (1/3) Exakte Messung der Objektivbrennweite (1/3) Mikroskop: Beleuchtung und Auflösung Beleuchtungsanordnung, Aperturen Gesamtstrahlengang Auflösung des Mikroskops Beleuchtung (1/2) Apertur der Objektive (1/2) Zusammenhang zwischen Auflösungsvermögen und Objektivapertur (1/2)

16 XVIII 37. Dispersion und Prismenspektrometer Lichtbrechung und Dispersion Prismenspektrometer Spektrales Auflösungsvermögen Messung des brechenden Winkels (1/3) Dispersion von Glas (2/3) Prismenspektrometer (1/3) Brechzahl von Flüssigkeiten (1/3) S Kapitel IX. Licht- und Mikrowellen 38. Wellenoptik Beugungsversuche mit Laserlicht Licht als elektromagnetische Welle Interferenz und Beugung Fraunhofer- und Fresnel-Beugung Fraunhofer-Beugung am Doppelspalt Fraunhofer-Beugung am Gitter Fresnel-Beugung an einer Kante Fresnel- und Fraunhoferbeugung (2/3) Wellenlängenmessung aus Doppelspaltbeugung (1/3) Wellenlängenmessung aus Gitterbeugung (1/3) Interferenz an dünnen Schichten Grundbegriffe der Interferenz Newtonsche Ringe Dünne Schichten zur Reflexionsverminderung oder -erhöhung Krümmungsradius plankonvexer Linsen (1/2) Wellenlängenmessung mit Newtonschen Ringen (1/2) Entspiegelungsschicht (1/1) Dielektrischer Spiegel (1/1) Beugung am Einfachspalt Beugung am Einfachspalt Phänomenologische Betrachtung Intensität des Spaltbeugungsbildes Fraunhofer-Beugung an einer Lochblende Kohärenzbedingung Wellenlängenmessung mit einem Einfachspalt (2/3) Prüfung der Kohärenzbedingung (1/3) Prüfung der Ortsauflösungsgrenze (1/3) Ausmessen des Spaltbeugungsbildes mit einem Fotomultiplier (1/3)

17 XIX 41. Polarisation und Streuung PolarisiertesLicht Aufbau und Funktion von Polarisatoren Optische Aktivität Polarisation durch Reflexion (2/3) Halbschattenpolarimeter (2/3) Spezifische Drehung von Quarz (1/3) Saccharimetrie (1/3) Rotationsdispersion (1/3) Tyndall-Effekt (1/3) Fotometrische Leistungsmessung hinter Polarisatoren (1/3) Elektrooptik von Flüssigkristallen (2/3) Ausbreitung von Laserstrahlung Laserstrahlung mit Gaußverteilung Umformung von Laserstrahlung durch Linsen Kollimierung von Laserdiodenstrahlung Laserstrahl-Aufweitung mit einem Fernrohr Messung des Strahldurchmessers und -profils (1/3) Messung von Divergenz und Rayleigh-Länge (1/3) Strahltransformation durch eine Linse (1/3) Abbildungsgesetze der geometrischen Optik (1/3) Aufweitung mit einem Fernrohr (1/3) Mikrowellen Erzeugung und Nachweis Reflexion und Absorption von Mikrowellen Polarisation durch Reflexion Zirkulare Polarisation (λ/4-plattensystem) Totalreflexion Grundversuche mit Mikrowellen (2/3) Michelson-Interferometer (1/3) Doppelspaltinterferenzen (1/3) Beugung am Einzelspalt (1/3) Polarisation durch Reflexion (1/3)

18 XX Kapitel X. T Photonen, Elektronen und Atome 44. Spektren und Aufbau der Atome LichtundSpektren Vorstellungen vom Atomaufbau AtommodellvonBohr Energien und Spektren des H-Atoms ElektronenalsMateriewellen Beugungsgitter zur spektralen Zerlegung Wellenlängenmessungen mit dem Beugungsgitter (2/3) Gitterspektrometer (2/3) Spektroskopische Handversuche (1/3) Take Home - Spektroskopie (1/3) Röntgenstrahlung Röntgenquellen Röntgenspektren Moseley-Gesetz Schwächung der Röntgenstrahlung Bragg-Reflexion Röntgengeräte Strahlenschutzhinweise Wellenlängenbestimmung der K-Linien (1/3) Ausmessen eines Röntgenspektrums (1/3) Bestimmung der K-Absorptionskante (1/3) Schwächungskoeffizient (1/3) Durchstrahlungsexperiment (1/3) h-bestimmung aus der Grenzwellenlänge (1/3) Elektronen als Teilchen und als Welle Elektronenstoßversuche mit Atomen Franck-Hertz-Röhre mit reiner Hg-Füllung AufbaueinerFranck-Hertz-Röhre Elektronenstoßröhre mit Hg-Ne-Füllung Äußerer lichtelektrischer Effekt Elektronenwellen Elektronenbeugung an Kristallen Elektronenstöße in reinem Hg-Dampf (2/3) Elektronenstöße in einer Hg/Ne-Röhre (2/3) Plancksches Wirkungsquantum (1/3) Elektronenbeugung (1/3)

19 XXI F Kapitel XI. Radioaktivität und Strahlenschutz 47. Radioaktive Strahlung Aufbau der Atomkerne Eigenschaften radioaktiver Strahlung Absorption von γ-strahlung Abstandsgesetz Biologische Wirkungen radioaktiver Strahlung Geiger-Müller-Zählrohr Statistische Schwankungen bei Zählungen Zählrohrkennlinie und statistische Schwankungen beim radioaktiven Zerfall (1/3) Prüfung des Abstandsgesetzes (1/3) Prüfung des Absorptionsgesetzes (1/3) Absorptionskoeffizient und Wirkungsquerschnitt verschiedener Substanzen für γ-strahlung (2/3) Messung der Totzeit eines Zählrohres (2/3) Untersuchung von Zählstatistiken (2/3) γ-spektroskopie γ-strahlung Wechselwirkung von γ-strahlung mit Materie Detektion von γ-strahlung Spektren von γ-quellen (1/2) Compton-Streuung (1/2) α-strahlung und Nebelkammer Radioaktiver Zerfall, α-strahlung Zerfallsreihen Ionisationskammer Nebelkammer Ionisationskammer (1/3) Reichweite der α-strahlen in Luft (1/3) Halbwertszeit von Radon-220 (1/3) Kontinuierliche Nebelkammer (1/3)

20 XXII I Kapitel XII. Digitalelektronik und Computer 50. Logische Verknüpfungen Digitalschaltungen Grundverknüpfungen Realisierung einer NAND-Schaltung GrafischeProgrammierumgebungLabVIEW Einführung in die Nutzung von LabVIEW Logische Verknüpfungsschaltungen (1/2) Grafische Programmierung logischer Verknüpfungen (1/2) Einführung in das Arbeiten mit einem PC Digitale Informationsverarbeitung im PC Hardware Software Erstellung von Programmen Protokollerstellung mittels GUI-Programmen (1/3) Verarbeitung und Visualisierung von Meßdaten(1/3) Statistik und Zufallszahlen mit C++ (1/3) Fourieranalyse, Signalabtastung und Signalfilterung Periodische Signale und Fourierreihen Bandbreite Signal-Abtastung und Spektrenberechnung Gauß-Rauschen Harmonische Analyse und Synthese Fourierspektrum von Rechteck- und Sägezahnsignalen Erzeugung und Abtastung von Signalen mit LabVIEW Darstellung von Signalen (1/3) Fourieranalyse und -synthese (1/3) Fourieranalyse von Rechteck- und Sägezahnsignalen, Abtasttheorem von Shannon (1/3) Spektrale Filterung durch Bandpässe (1/3) Ein- und Ausgabe von Meßwerten und Steuersignalen mit dem PC Computer am Experiment Parallele Schnittstelle eines PC Analog-Digital-Wandler Digital-Analog-Wandler D/A-Wandler mit der Parallelschnittstelle DA/AD-Wandler-Meßkarten für PCs Nutzung von PC-Schnittstellen mit LabVIEW Byteslesenundschreiben Spannungen einlesen und ausgeben Digitale Spannungsein- und -ausgabe (1/2)

21 XXIII 53.2 Analoge Spannungsein- und -ausgabe (1/2) Aufbau eines Digital-Analog-Wandlers (1/2) Literaturverzeichnis Sachverzeichnis