Das Neue Physikalische Grundpraktikum

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1 H. J. Eichler H.-D. Kronfeldt J. Sahm Das Neue Physikalische Grundpraktikum 53 Themenkreise mit über 300 Vorschlägen für Experimente, 577 zweifarbige Bilder, 55 Tabellen, Lesezeichen mit Piktogrammen, Fundamentalkonstanten und einem Replika-Gitter, 123

2 Professor Dr. Hans J. Eichler Priv.-Doz. Dr. Heinz-Detlef Kronfeldt Professor Dr. Jürgen Sahm Technische Universität Berlin Fachbereich 4 Physik Optisches Institut Hardenbergstraße Berlin, Deutschland eichler@physik.tu-berlin.de (Prof. Eichler) kf@physik.tu-berlin.de (PD. Kronfeldt) sahm@physik.tu-berlin.de (Prof. Sahm) ISBN Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Die Deutsche Bibliothek CIP-Einheitsaufnahme Eichler, Hans Joachim: Das neue physikalische Grundpraktikum: Experimentalaufgaben, Lesezeichen mit Piktogrammen, Fundamentalkonstanten und Replika-Gitter / Hans J. Eichler; Heinz-Detlef Kronfeldt; Jürgen Sahm. Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer, 2001 (Springer-Lehrbuch) ISBN Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Bildern 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-Verlag Berlin Heidelberg New York ein Unternehmen der BertelsmannSpringer Science+Business Media GmbH Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001 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: P. Treiber, Heidelberg Satz und Umbruch: Druckfertige Daten von den Autoren Einbandgestaltung: design & production GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: /3141/tr

3 Inhaltsverzeichnis 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 Fehlerrechnung und Statistik Mathematische 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)

4 X Inhaltsverzeichnis 4. Stoßprozesse Impuls- und Energieerhaltungssatz Kugelpendelkette Stöße zweier Kugeln (1/3) Kugelpendelkette (1/3) Kugelpendelkette mit Störungen (1/3) Harmonische Schwingungen Mechanik von Schwingungen Federpendel 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)... 87

5 Inhaltsverzeichnis 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)

6 XII Inhaltsverzeichnis 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 (1/3) 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 BarometrischeHöhenformel 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 ZusammensetzungvonLuft Reduktion der Dichte auf Normalbedingungen Dampfdruck von Flüssigkeiten Luftnormdichte (1/1) Dampfdruck von Wasser (Niederdruckbereich) (1/2) Dampfdruck von Wasser (Hochdruckbereich) (1/2)

7 Inhaltsverzeichnis XIII 17. Ideale und reale Gase IdealeGase Adiabatenexponent nach kinetischer Gastheorie RealeGase Adiabatenexponent aus Expansionsversuch (1/2) Adiabatenexponent aus Schwingungsversuch (1/2) Präzisionsmessung der 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 (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)

8 XIV Inhaltsverzeichnis 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 Tiefpaß Schwingkreis, erzwungene Schwingungen GleichrichterundVerstärker Effektiv- und Scheitelwert (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).. 249

9 Inhaltsverzeichnis XV P Kapitel VI. Elektrische und magnetische Felder 25. Elektrische Felder Feldbegriff und Felddarstellung Elektrische Ladung Elektrische Feldstärke Potential Potentiallinien Potentialgleichung (optional) 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) Materie im Magnetfeld Magnetisches Feld Dia-, Para- und Ferromagnetismus Magnetfelder in magnetischen Kreisen Meßverfahren für die magnetischen Feldgrößen Messung der Hysteresekurve ohne Luftspalt (1/3) Messung der Hysteresekurve mit Luftspalt (2/3) Kalibrieren einer Feldplatte (1/3) Einfluß eines Luftspaltes (1/3)

10 XVI Inhaltsverzeichnis Q Kapitel VII. Halbleiterelektronik 29. Halbleiterdioden Zur Elektrizitätsleitung in Festkörpern pn-übergang DasBändermodell 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)

11 Inhaltsverzeichnis 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 VergrößerungundAuge Lupe und Okular Fernrohre nach Kepler und Galilei Dia-Projektor Fotoapparat Kepler- oder Astronomisches Fernrohr (1/3) Galilei-Fernrohr (Opernglas) (1/3) Dia-Projektor (1/3) Fotoapparat, Schärfentiefe (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)

12 XVIII Inhaltsverzeichnis 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 (1/2) Dielektrischer Spiegel (1/2) Beugung am Einfachspalt Beugung am Einfachspalt Phänomenologische Betrachtung Intensität des Spaltbeugungsbildes Fraunhofer-Beugung an einer Lochblende Kohärenzbedingung Wellenlängenmessung mit Einfachspalt (2/3) Prüfung der Kohärenzbedingung (1/3) Prüfung der Ortsauflösungsgrenze (1/3) Ausmessen des Spaltbeugungsbildes mit einem Fotomultiplier (1/3)

13 Inhaltsverzeichnis 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 Messung (1/3) Ausbreitung von Laserstrahlung Gaußstrahlung 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) Kapitel X. T Spektroskopie und Atomaufbau 44. Spektren und Aufbau der Atome LichtundSpektren Vorstellungen vom Atomaufbau AtommodellvonBohr EnergienundSpektrendesH-Atoms ElektronenalsMateriewellen Beugungsgitter zur spektralen Zerlegung Wellenlängenmessungen mit dem Beugungsgitter (2/3).. 459

14 XX Inhaltsverzeichnis 44.2 Gitterspektrometer (2/3) Spektroskopische Handversuche (1/3) Take Home - Spektroskopie (1/3) Elektronenanregung durch Stöße Elektronenstoßversuche mit Atomen Franck-Hertz-Röhre mit reiner Hg-Füllung AufbaueinerFranck-Hertz-Röhre Elektronenstoßröhre mit Hg-Ne-Füllung Äußerer lichtelektrischer Effekt Elektronenstöße in reinem Hg-Dampf (1/1) Elektronenstöße in einer Hg/Ne-Röhre (2/3) Plancksches Wirkungsquantum (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) F Kapitel XI. Radioaktivität und Strahlenschutz 47. Radioaktive Strahlung AufbauderAtomkerne 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)

15 Inhaltsverzeichnis XXI 47.5 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 Rn Radon (1/3) Kontinuierliche Nebelkammer (1/3) I Kapitel XII. Digitalelektronik und Computer 50. Logische Verknüpfungen Digitalschaltungen Grundverknüpfungen Realisierung einer NAND-Schaltung Logische Verknüpfungen (1/3) Addierer-Schaltung (1/3) Einführung in das Arbeiten mit einem PC (Personal Computer) Digitale Informationsverarbeitung Hardware Software EinführungindieProgrammierung Grundfunktionen eines PCs (1/3) Schreibprogramm (1/3) Tabellenauswertung (1/3) Programmieren mit Pascal (1/3)

16 XXII Inhaltsverzeichnis 52. Fourieranalyse, Signalabtastung und Signalfilterung Periodische Signale und Fourierreihen Bandbreite Signal-Abtastung und Spektrenberechnung Harmonische Analyse und Synthese Darstellung von Signalen (1/3) Fouriersynthese und -analyse (1/3) Fourierkoeffizienten von Rechteck- und Sägezahnsignalen (1/3) Spektrale Filterung durch Bandpässe (1/3) Rauschunterdrückung (1/3) Signal-Abtastung (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 Byteslesenundschreiben Digitale Speicheroszilloskopkarte Digitale Spannungsein- und -ausgabe (1/3) Analoge Spannungsein- und ausgabe (1/3) Aufbau eines Digital-Analog-Wandlers (1/3) Funktionsgenerator (1/3) Speicheroszilloskopkarte (1/3) Literaturverzeichnis Sachverzeichnis

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