Physikalisches Grundpraktikum I Dr. Henning Gast & Dr. Thomas Kirn I. Physikalisches Institut B RWTH Aachen

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1 Physikalisches Grundpraktikum I Dr. Henning Gast & Dr. Thomas Kirn I. Physikalisches Institut B RWTH Aachen Im Grundpraktikum Physik sollen Sie lernen, wie man Experimente aufbaut, wie man Experimente durchführt, wie man experimentelle Daten aufzeichnet, wie man experimentelle Daten auswertet und wie die Ergebnisse im Rahmen von physikalischen Theorien zu bewerten und zu interpretieren sind. Die physikalischen Grundlagen sind Ihnen in der Vorlesung Experimental Physik I und II vermittelt worden. Die Grundkenntnisse zur Datenverarbeitung sind Ihnen in der Vorlesung Datenverarbeitung für Physiker vermittelt worden. Weitere Informationen unter: 1

2 Mechanik Akustik Wärmelehre Elektrizitätslehre MBP2 212 MBP2 211 MBP2 209 MBP2 208 Trägheitsmomente Schall in Gas (v2.1) Dampfdruckkurve Alles (v1.3) Festkörpern (v2.2) (v3.1) (v4.1 - v4.4) Gitarre (v2.3) Bei der Versuchsdurchführung und der Versuchsauswertung arbeiten Sie mit Notebooks. Die Arbeit in dem Praktikum orientiert sich an den typischen Arbeitsabläufen im Berufsleben: Ein Experiment aufbauen, Messungen durchführen und Daten analysieren Die Ergebnisse zusammenschreiben und vortragen 2

3 Mechanik Akustik Wärmelehre Elektrizitätslehre MBP2 212 MBP2 211 MBP2 209 MBP2 208 MBP2 212 MBP2 207 MBP2 208 MBP2 209 MBP2 211

4 Teilnehmerzahlen Teil I Teil I: 129 Praktikanten/-innen: 119 Physik Bachelor 0 Physik Lehramt 7 Mathematik Bachelor 3 Informatik Bachelor Th. Kirn 4

5 Gruppeneinteilung Teil I, A-Gruppen, Th. Kirn 5

6 Gruppeneinteilung Teil I, B-Gruppen, Th. Kirn 6

7 Gruppeneinteilung Teil I, C-Gruppen, Th. Kirn 7

8 Gruppeneinteilung Teil I, D-Gruppen, Th. Kirn 8

9 Zeitlicher Ablauf des Praktikums, Teil I 9

10 Zeitlicher Ablauf 1. Tag (Vormittags von 08:30 13:00 Uhr) 1. Vorbesprechung mit dem Tutor 2. Versuchsaufbau ab ca. 10:00 Uhr 3. Versuchsdurchführung 4. Versuchsauswertung 5. Rückgabe der Versuchsaufbauten und Notebooks Vorbesprechung werden durch Tutoren individuell beurteilt: ja/nein Tag Versuchsauswertung und Erstellung eines Versuchsprotokolls im CIP-Pool 3. Tag 1. Vormittags: Versuchsprotokoll abgeben in Kästen vor MBP2 203 und 204 bis 10:00 Uhr 1. Nachmittags: Präsentation der Ergebnisse und Protokollbesprechung mit Tutoren von 14:00 bis 18:30 Uhr Jede Arbeitsgruppe von max. 4 Studenten gibt ein gemeinsames Protokoll ab Bewertung durch Tutoren für gesamte Arbeitsgruppe mit OK/Nicht OK Präsentationen werden durch Tutoren individuell beurteilt: OK/Nicht OK Th. Kirn 10

11 Zeitlicher Ablauf des Praktikums, Teil I 11

12 Zeitlicher Ablauf des Praktikums, Teil I 12

13 Zeitlicher Ablauf des Praktikums, Teil I 13

14 Zeitlicher Ablauf des Praktikums, Teil I 14

15 Zeitlicher Ablauf des Praktikums, Teil I Praktischer Abschlusstest (Aktualisierungen während Praktikums möglich!) Th. Kirn 15

16 Beurteilung Teilnahme an 4 Versuchstagen Pflicht! 1x entschuldigt gefehlt oder nicht vorbereitet Versuch nachholen! 2x entschuldigt gefehlt mit Attest beim ZPA abmelden 2x nicht vorbereitet Praktikum nicht bestanden. Jeder Versuch muß mit einem OK bestanden werden! Nicht OK Protokoll -> 1x Verbesserung und Wiedervorlage am nächsten Versuchstag Nicht OK bei Präsentation -> 1x Wiederholung am nächsten Versuchstag Studenten, die ihre Versuchsergebnisse oder Protokolle nicht selber erarbeiten oder abschreiben, werden von dem Praktikum unverzüglich ausgeschlossen! Abschlusstest: Der Abschlusstest besteht aus einer praktischen Prüfung (ein während des Praktikums durchgeführter Teilversuch, 60min). Die Endnote für das physikalische Grundpraktikum I ergibt sich aus der Note des durchgeführten Abschlusstestes. Der Abschlusstest gilt als bestanden, wenn mindestens eine ausreichende Leistung erreicht wurde! Bei nicht ausreichender Leistung hat der Studierende die Möglichkeit, den Abschlusstest ein weiteres Mal durchzuführen zwecks Notenverbesserung! 16

17 Mess-Protokoll Während der Versuchsdurchführung anzufertigen, auf Übersichtlichkeit achten, zum Versuch mitbringen Schreibzeug und Taschenrechner Versuchsaufbau: Beschreibung der verwendeten Aufbauten unter Verwendung einer Handskizze. Tabelle mit Messwerterfassungseinstellungen (eingestellte Messzeiten, Messbedingungen, Trigger, Anzahl der Messungen) Versuchsauswertung: Name des/der Datenfiles Ergebnisse von Schnellanalysen der Daten Fehlerabschätzung Abzeichnung durch Betreuer, Messprotokoll an Protokoll anhängen Abgabe aller Messdaten und Auswerteprogramme

18 Protokoll Versuchsbeschreibung: Kurze Darstellung der physikalischen Grundlagen und Ziele der Versuche, die zum Verständnis des Versuches/Protokolls benötigt werden. (max. 1 Seite) Versuchsaufbau+durchführung: Genaue Beschreibung der verwendeten Aufbauten unter Verwendung von Skizzen oder Photos. Beschreibung der Messwerterfassungseinstellungen (eingestellte Messzeiten, Messbedingungen, Trigger, Anzahl der Messungen) und der Durchführung der Versuche. (max. 1 Seite) Versuchsauswertung: Aufarbeitung Rohdaten in tabellarischer oder grafischer Form; (1 Seite) Transformation der Rohdaten + Modellanpassung tab./graf. Form (1 Seite) Analyse der Daten inklusive Fehlerrechnung; Residuen- & Pullverteilung (1 Seite) Diskussion der Ergebnisse und Vergleich der erzielten Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen. (1 Seite) Einzelne Teilversuche zusammenhängend im Protokoll abhandeln! 18

19 Präsentation: elektronischer Folienvortrag < 15min Versuchsbeschreibung: Kurze Darstellung der physikalischen Grundlagen und Ziele der Versuche, die zum Verständnis des Versuches benötigt werden. Versuchsaufbau: Beschreibung der verwendeten Aufbauten unter Verwendung von Skizzen oder Photos Versuchsdurchführung: Beschreibung der Messwerterfassungseinstellungen (eingestellte Messzeiten, Messbedingungen, Trigger, Anzahl der Messungen) und der Durchführung der Versuche. Versuchsauswertung: Analyse der Daten inklusive Fehlerrechnung; Zusammenfassung von Zwischenergebnissen und Endergebnissen in tabellarischer und graphischer Form (x-y-achsenbeschriftungen) und eine Interpretation selbiger. Vergleich der erzielten Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen. 19

20 Aufbau einer Präsentation Begrüßung Einleitung Theorie bezogen auf Ergebnisse Versuchsaufbau und durchführung Rohdaten Verlauf der Daten? Beschreibung Auswertung Messergebnisse Diskussion Fazit Schluss Anhang Worum geht es? Was an Grundlagen nötig ist, um Ergebnisse zu verstehen? Wie wurde experimentiert? (Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte) Wie ausgewertet? Welche Formeln benutzt? Wie MU behandelt? Auf Ergebnis beschränken und es korrekt mit Einheit und MU-bereich angeben Sind Ergebnisse sinnvoll? Ggf. Vgl. mit Literaturwerten 20

21 Aufbau einer Präsentation: Layout der Folien Folien nicht zu voll 21

22 Aufbau einer Präsentation: Layout der Folien Folien nicht zu voll (1-2 min/folie) Nicht zu viel Text auf einer Folie bringen. Sonst sind Zuhörer damit beschäftigt den Text lesen zu wollen und nicht mehr damit, dem Vortragenden zuzuhören. Eine zu klein gewählte Schriftgröße lenkt vom Vortrag ab, da man eher versucht den Text zu entziffern anstatt dem Vortrag zu folgen. Ein optimales Folienlayout unterstützt den Vortrag und lenkt nicht ab. Schlüsselwörter oder wichtige Zusammenhänge, die projiziert werden, helfen Vortragendem dabei, durch den Vortrag zu kommen 22

23 Aufbau einer Präsentation: Layout der Folien Folien nicht zu voll (1-2 min/folie) Kapitel/Überschrift Nicht zu viel Text (Schlüsselwörter) Schriftgröße Erleichterte Informationsaufnahme Gute Kontraste wählen Seitenzahl 23

24 Halten einer Präsentation: Präsentation kennen glatte Überleitungen Spannungsbogen Sprache Lautstärke Deutliche Aussprache Sinnvoller Satzbau Keine Füllwörter Auftreten Körpersprache Augenkontakt Aufmerksamkeit 24

25 Laborordnung und Sicherheitshinweise 25

26 Allgemeines Verhalten im Grundpraktikum 26

27 Allgemeines Verhalten im Grundpraktikum 27

28 Umgang mit Lasern 28

29 Brandschutz 29

30 Brandfall 30

31 Laborordnung und Sicherheitshinweise 31

32 Datenauswertung im Praktikum, Praktikumsrechner und -routinen 32

33 Praktikumsrechner Windows-7-Partition: Login: Passwd: Datentransfer: USB-Sticks: Achtung! USB-Stick immer sicher entfernen! Internet-Browser: Mozilla Maple ROOT Phython Open-Office Editoren: xemacs, vi Latex, Texnic Center Ghostview 33

34 Praktikumsroutinen Praktikumsroutinen (bibliothek) Python: nützliche Routinen (sollten nachvollzogen werden zwecks Verständnis) Zur Benutzung: import Praktikum Inhalt: Cassy-Lab-Dateien einlesen Lineare Regression Fourier-Transformation Peaksuche (Schwerpunktsberechnung) Gewichteter Mittelwert Tests/Beispiele: Tests.psy Dokumentation: z.b. in ipython: help (Praktikum) Grafische Datendarstellung (Plots, Histogramme, Graphen, ) wird mit Hilfe von matplotlib durchgeführt 34

35 Datenauswertung im Praktikum Datenauswertung in der Physik sehr häufig mit Hilfe eines Rechners Kenntnis einer geeigneten (und gängigen) Programmiersprache und ggfs eines Computer-Algebrasystems unerlässlich Vorkenntnisse: Vorlesung zur Datenverarbeitung und Programmierkurs geeignete Werkzeuge: Python unsere Empfehlung ROOT Maple 35

36 Datenauswertung im Praktikum Blick in Cassy-Lab-Dateien: Einlesen mit: Praktikum.lese_lab_datei Datenreihen entsprechen einzelnen Spalten in dem Array. Array slicing: t=data[:,0] p=data[:,2] Ein erster Plot: plot(t,p) Tests.test_datenlesen() 36

37 Datenauswertung im Praktikum Einfache Plots: Dokumentation: Histogramm: hist(p, bins=1000, range=(1000.,1020.), color='green') Graph: plot(x, y) Plot mit Fehlerbalken: errorbar(tinv, logp, xerr=sigma_tinv, yerr=sigma_logp,fmt='.') Konfiguration von matplotlib: ~/.config/matplotlib/matplotlibrc: backend: Qt4Agg font.size: 16.0 Tipp: Plots als Vektorgrafik (eps, pdf) abspeichern und im Protokoll einbinden! 37

38 Beispiel: Pendelversuch Datenauswertung im Praktikum Mathematisches Pendel der Länge L: Bestimmung der Erdbeschleunigung g über Beispiel_Pendel.py 38

39 Datenauswertung im Praktikum Beispiel: Versuch zur Dampfdruckkurve Clausius-Clapeyron-Gleichung, mit geeigneten Näherungen: Beispiel_Thermodynamik.py 39

40 Wir haben uns bemüht, Ihnen eine Ausbildung in einem modernen Physikpraktikum zu ermöglichen. Gehen Sie sorgfältig mit den Geräten und Computern um. Es wird manches nicht so reibungslos funktionieren wie Sie und auch wir das erwarten. Haben Sie Geduld, aus den Versuchen, die nicht so glatt gehen, können Sie das meiste lernen. Praktikum ist sehr arbeitsintensiv! 40

41 Praktikum/Praktische Anfängerpraktikum Versuche Physik Teil I (Ergänzungen) 25,00 20,00 20,44 15,72 17,26 16,35 15,00 10,00 5,00 3,78 4,52 4,19 4,64 0,00 Mechanik Akusti Wärmelehre Elektrizitätslehre Wie viele Stunden haben Sie sich auf die Versuche vorbereitet? Wie viele Stunden haben Sie außerhalb des Praktikums an der Versuchsauswertung gearbeitet? 41