Physikalisches Praktikum für Maschinenbauer Lehrstuhl für Messtechnik und Sensorik

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1 Basiseinheiten B1a Lehrstuhl für Messtechnik & Sensorik Basiseinheiten B1a Physikalisches Praktikum für Maschinenbauer Lehrstuhl für Messtechnik und Sensorik 1

2 Der Versuch soll mit den SI-Basiseinheiten und Naturkonstanten vertraut machen. Die Entstehung und deren Entwicklung. Er soll Sie in verschiedenen Versuchen an die Größen heranführen. 2

3 Literatur 1. Tietze-Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik 2. Demtröder: Experimentalphysik 3. Gerthsen: Physik 4. Schrüfer: Elektrische Messtechnik 5. Moeller: Grundlagen der Elektrotechnik 3

4 Aufgabe 1 Bestimmen Sie mit Hilfe der Wahren-Zeit-Uhr die momentane Wahre Ortszeit für Kaiserslautern und einen Ort Ihrer Wahl und geben Sie die Differenz zur MEZ an. Geben Sie für zwei weitere Tage im Jahr (einen selbstgewählten Tag im Juli und einen Tag im November) die Wahre Ortszeit für Kaiserslautern und einen Ort Ihrer Wahl an. Auswertung für Aufgabe 1 Berechnen Sie die Wahre Ortszeit mit der Näherungsformel für alle drei Tage und vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit Ihrem im Experiment bestimmten. Berechnen Sie weiterhin die Deklination, die Zeitgleichung, den Sonnenaufgang und Sonnenuntergang. Aufgabe 2 Bestimmen Sie die Längen von den drei Gegenständen ohne technische Hilfsmittel. Wiederholen Sie Ihre Messung mit der Elle. Können Sie auch π bestimmen? Auswertung für Aufgabe 2 Führen Sie eine Abweichungsfortpflanzung durch. Beurteilen Sie die drei Verfahren. 4

5 Formeln für Aufgabe 1 Kaiserslautern: Geografische Breite: 49,45 WOZ= MEZ + 4 min*( L ort - L bezug ) + Zeitgleichung Deklination = 0,4095*sin(0,016906*(T-80,086)) Zeitgleichung= WOZ - MOZ = -0,171*sin(0,0337 * T + 0,465) 0,1299*sin(0,01787 * T 0,168) Aufgang MEZ= Aufgang MOZ + geographische Länge /15 + Zeitzone Untergang MEZ= Untergang MOZ + geographische Länge /15 + Zeitzone Aufgang MOZ = 12 - Zeitdifferenz - Zeitgleichung Untergang MOZ = 12 + Zeitdifferenz - Zeitgleichung Zeitdifferenz = 12*arccos((sin(h) - sin(b)*sin(deklination)) / (cos(b)*cos(deklination)))/π; WOZ= Wahre Ortszeit MEZ= Mitteleuropäische Zeit T= Tagnummer L ort = Geografische Länge Ort L bezug = Geografische Länge Bezugsort h= Horizonthöhe h=-50 Bogenminuten B=Breitengrad 5

6 Aufgabe 3 Bestimmen Sie mit Hilfe des Pendels die Erdbeschleunigung. Messen Sie die Zeit für jeweils 1, 5 und 10 Schwingungsperioden. Verändern Sie die Länge des Pendels (0,5 m, 1 m und 1,5 m). Auswertung für Aufgabe 3 Führen Sie eine Abweichungsfortpflanzung durch. Beurteilen Sie Ihr Ergebnis und berechnen Sie die Gravitationskonstante mit Ihrer errechneten Erdbeschleunigung. Berechnen Sie zunächst den Erdradius nach Eratosthenes und die Masse der Erde mit der Annahme, die Erde sei eine homogene Kugel, die aus Eisenoxid (70% Eisen) besteht. Vergleichen Sie Ihre errechnete Gravitationskonstante mit dem Literaturwert. Aufgabe 4 Machen Sie sich mit dem Prisma vertraut. Schauen Sie sich die Kärtchen durch das Prisma an. Zeichen Sie die Ergebnisse qualitativ auf. Auswertung für Aufgabe 4 Beurteilen Sie Ihr Ergebnis und vergleichen Sie die Aussagen von Newton und Goethe im Bezug auf die Zusammensetzung des Lichtes, Farbentstehung, Dekomponierung und Refraktion. Was hätte Newton zu Ihren Beobachtungen gesagt? 6

7 Formeln für Aufgabe 3 Erdbeschleunigung: Dichte Eisen: Dichte Sauerstoff: Gravitationskonstante: 9,81 m s 2 7,874 g 3 cm 1, 429 kg 3 m 6, m kg s 2 Erdradius nach Eratosthenes Man wähle zwei Orte, die auf dem selben Längengrad liegen. Über die Differenz der Breitengrade und der Strecke zwischen den Orten kann man den Umfang der Erde und damit den Radius berechnen. 7

8 Aufgabe 5 Bauen Sie einen Schwingkreis auf. Stauchen und Dehnen Sie die Spule. Schieben Sie einen Kugelschreiber in die Spule. Entfernen Sie den Kondensator C 3. Was beobachten Sie jeweils? Auswertung für Aufgabe 5 Erklären Sie Ihre Beobachtungen. Berechnen Sie die Induktivität der Spule L, die Resonanzfrequenz des idealen Schwingkreises und die erforderliche Induktivität der Spule. Vergleichen Sie die beiden Frequenzen und Induktivitäten und beurteilen Sie Ihr Ergebnis. Berechnen Sie weiter den ohmschen Widerstand der Spule R L, den induktiven Widerstand bei Arbeitsfrequenz und den Resonanzwiderstand. Was sagt Ihnen Ihr Ergebnis aus? 8

9 Für Aufgabe 5 Schaltplan 13,56 MHz R 1 C 2 R 2 9 V C 1 BC547 LED L C 3 9

10 Für Aufgabe 5 Legende Widerstand: R1= 1 kω R2= 100 kω Wert Aufdruck 1 kω braun, schwarz, schwarz, braun 100 kω braun, schwarz, schwarz, orange Scheibenkondensator: C1= 33 pf C2= 150 pf C3= 150 pf Wert Aufdruck 33 pf pf

11 Für Aufgabe 5 Legende Leuchtdiode: +A -K +A -K Transistoranschlüsse: NPN-Transistor BC547C NPN C PNP C B B E E 11

12 Formeln für Aufgabe 5 Induktivität: A 2 L 0 N l Resonanzfrequenz: f LC Resonanzfrequenz (realer Schwingkreis): f r L C R L 2 L 2 Resonanzwiderstand: Z L R C L L= Induktivität der Spule µ 0 = magnetische Feldkonstante N= Windungszahl A= Querschnittsfläche der Spule l= Länge der Spule C= Kapazität des Kondensators R L = ohmscher Widerstand der Spule , N A 12

13 Fragen zum Versuch 1. Was bedeutet die Abkürzung SI? 2. Nennen Sie alle SI-Basiseinheiten. 3. Was bedeutet Zeit? 4. Wie ist die Sekunde definiert? 5. Wie funktioniert eine Atomuhr? 6. Wer macht die Zeit in Deutschland? 7. Was bedeutet MEZ und MESZ? 8. Was ist der Unterschied zwischen einem Sterntag und einem Sonnentag? 9. Wie lauten die drei Keplerschen Gesetze? 10. Welcher Nachweis gelang Ole Rømer? Wie hat er die Lichtgeschwindigkeit berechnet? 11. Wie das Kilogramm definiert? 12. Welche Idee gibt es für eine neue Definiti0n des Kilogramms? 13. Leiten Sie die Gleichung für das Reversionspendel her. 14. Was sagt der Satz von Steiner? 15. Was ist ein mathematisches Pendel? Was ein physikalisches Pendel? 16. Was ist Gravitation? 17. Wie ist die Gravitationskonstante definiert? 13

14 Fragen zum Versuch 18. Wie hat Eratosthenes den Erdradius bestimmt? 19. Wie der Meter definiert? 20. Welche Längenmaße gab es in Deutschland früher? 21. Wie wurde/ist Karat früher und heute definiert? 22. Welche Systeme gibt es neben dem metrischen System? 23. Wie ist die Temperatur definiert? 24. Welche Einheiten für die Temperatur kennen Sie? 25. Wie kann man die Temperatur messen? 26. Wie funktionieren LCD-Flachfilmthermometer? 27. Wie ist die Lichtstärke definiert? 28. Welche Eigenschaften hat das sichtbare Licht? 29. Was ist der Unterschied zwischen natürlichem und künstlichem Licht? 30. Was bedeutet Kohärenz? 31. Erklären Sie Polarisation! 32. Was sind Spektralfarben, was Pigmentfarben? 33. Wie ist die elektrische Stromstärke definiert? 14

15 Fragen zum Versuch 34. Machen Sie sich mit den Bauelementen: Spule, Kondensator, LED, Transistor und Oszillator vertraut! 35. Was ist ein Schwingkreis? 36. Erklären Sie wie es zu der Schwingung kommt! 37. Welche Arten von Schwingkreisen kennen Sie? 38. Was ist ein Tesla-Transformator? 39. Wie ist die Stoffmenge definiert? 40. Wie kann die Stoffmenge berechnet werden? 15