Physik mit dem PC. Von Dr. rer. nat. Ingo Bull Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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1 Physik mit dem PC Von Dr. rer. nat. Ingo Bull Christian-Albrechts-Universität zu Kiel B.G.Teubner Stuttgart Leipzig 1998

2 Inhalt 1 Einleitung 11 2 PC-Interfacetechnik ADT-Interface am Enhanced Parallel Port Aufgabe: 12-Bit-Analog-Digital-Wandlung am EP-Port Aufgabe: Digitaler I/O-Port am EP-Port Aufgabe: 12-Bit-Digital-Analog-Wandlung am EP-Port Aufgabe: Entwicklung der Unit ADT Kraftmessung mit Dehnungsmeßstreifen Aufgabe: DMS-Kraftmeßsensor am ADT-Interface 29 3 Programmierwerkzeuge Grafikprogrammierung Aufgabe: Aktivierung der VGA-Grafik Aufgabe: Einfache Achsensysteme Aktivierung von Mausfunktionen Aufgabe: Mausbewegung und Tastenstatus Zeitmessungen mit dem PC-Timer Aufgabe: Bestimmung der Abtastrate mit dem PC-Timer Aufgabe: Messung von Ereignissen am Digitalport Meßwertaufnahme und -ausgäbe Aufgabe: Programmierung einer Post-Triggerung Aufgabe: Programmierung einer Meßwertaufnahme Aufgabe: Programmierung einer Pre-Triggerung Aufgabe: Programmierung einer Meßwertausgabe 53

3 8 Inhalt 4 Numerische Methoden Numerische Integration Aufgabe: Die Trapezregel Aufgabe: Das SIMPSON-Verfahren Differentialgleichungen erster Ordnung Theorie der Einschrittverfahren Aufgabe: Das Richtungsfeld einer Differentialgleichung Aufgabe: Das EULER-CAUCHY-Verfahren Aufgabe: Freier Fall mit Reibung Aufgabe: Das RUNGE-KUTTA-Verfahren erster Ordnung Aufgabe: Das Iterationsprinzip von RUNGE-KUTTA Aufgabe: Konvergenztest mit einer Zerfallsgleichung Differentialgleichungen zweiter Ordnung Aufgabe: Das EULER-CAUCHY-Verfahren Aufgabe: Zuwachsberechnung mit konstanter Krümmung Aufgabe: Das RUNGE-KUTTA-Verfahren Aufgabe: Die Schwingungsgleichung mit viskoser Reibung Aufgabe: Der harmonische Oszillator im Phasenraum Differentialgleichungssysteme zweiter Ordnung Aufgabe: Erweiterung des EULER-CAUCHY-Verfahrens Aufgabe: Erweiterung des RUNGE-KUTTA-Verfahrens Aufgabe: Konvergenztest mit der LORENTZ-Kraft Die diskrete FOURIER-Transformation Einführung in die FOURIER-Transformation Aufgabe: Programmierung der DFT Aufgabe: Frequenzspektrum und FOURIER-Periode Aufgabe: FOURIER-Analyse einfacher Signalformen Aufgabe: Frequenzspektren von Rechteckfunktionen Aufgabe: Frequenzspektrum der 8-Funktion 127

4 Inhalt Aufgabe: FOURIER-Transformation und Abtasttheorem Aufgabe: Anwendung des HANNTNG-Fensters Experimente und Simulationen Die fallende Leiter Aufgabe: Bestimmung der Erdbeschleunigung Die Fallröhre Aufgabe: Messung der Induktionsspannung Aufgabe: Auswertung des Fallrohrexperiments Der gedämpfte LC-Schwingkreis Aufgabe: Messung der gedämpften LC-Schwingung Aufgabe: Messung der Eigenfrequenz Aufgabe: Bestimmung des Abklingkoeffizienten Aufgabe: Aufnahme der Resonanzfunktion Akustische Wellenpakete Aufgabe: Kohärenz und Interferenz von Schall Aufgabe: Messung der Schallgeschwindigkeit in Luft Zentrifugalkräfte am mathematischen Pendel Aufgabe: Messung der Zentrifugalkräfte Kraftstoß Aufgabe: Messung des Kraftstoßes Der Wackelschwinger Aufgabe: Berechnung der potentiellen Energie Aufgabe: Aufnahme der nichtlinearen Oszillation Das ebene Überschlagspendel Aufgabe: Entwicklung und Integration der Pendelperiode Aufgabe: Simulation der Pendelperiode Aufgabe: Messung der Pendelperiode 198

5 10 Inhalt 5.9 Ein DUFFING-Oszillator auf der Luftkissenbahn Aufgabe: Simulation der nichtlinearen Oszillation Aufgabe: Simulation und Messung der Periodendauer Die logistische Gleichung Aufgabe: Das FEIGENBAUM-Diagramm Aufgabe: Das Iterationsprinzip Aufgabe: Der LJAPUNOV-Exponent Chaos an der getriebenen Kompaßnadel Aufgabe: Messung eines Bimrkationsdiagramms 225 Literatur 229 Index 236