Praktikum Physik Klasse 9

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1 Praktikum Physik Klasse 9 Versuchsanleitungen Johannes - Kepler - Gymnasium Chemnitz Fachbereich Physik Impressum Praktikumsanleitung Physik, Klassenstufe 9 mathematisch-naturwissenschaftliche Ausbildung Internes Arbeitsmaterial des Johannes-Kepler-Gymnasiums Chemnitz Autoren: J. Mischke, J. Hoffmann Herausgabejahr: 2015

2 Physikpraktikum Klasse 9 Allgemeine Informationen 1) Ziel, Inhalt und Dokumentation Das physikalische Praktikum ermöglicht es Ihnen, selbstständig zu experimentieren und damit rfahrungen im Handwerkszeug des xperimentalphysikers - Planung, Durchführung und Auswertung von Versuchen - zu sammeln. Dabei wird besonderer ert auf selbstständiges Arbeiten und vollständiges Protokollieren gelegt. Nur ein vollständiges Protokoll ermöglicht es dem Leser nachzuvollziehen, welches xperiment auf welche Art durchgeführt wurde, was es für rgebnisse hervorgebracht hat und inwieweit Messfehler diese rgebnisse verfälscht haben können. Zu jedem Versuch gehört ein theoretischer Teil. Ihre Aufgabe ist es, den entsprechenden Text zu lesen, zu verstehen und Unklarheiten zu beseitigen. Die Vorbetrachtungsaufgaben helfen dabei, den physikalischen Inhalt und die xperimentiermethode zu verstehen. Sollten Fragen bestehen, die sich mit Lehrbuch, Hefter und Tafelwerk nicht beantworten lassen, können diese vor dem Versuchstag dem Physiklehrer gestellt werden. Jede xperimentiergruppe gibt zu jedem Versuch genau ein Protokoll ab, welches in einen Praktikumshefter eingeheftet wird. s enthält: Lösungen der Vorbetrachtungsaufgaben Geräteliste Messwerttabelle mit einer ausreichenden Menge an Messwerten zu jeder Messreihe zu jeder Berechnung eine Beispielrechnung Auswertung nach Anleitung des jeweiligen Versuches Fehlerbetrachtung, getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern Diagramme werden dabei grundsätzlich auf Millimeterpapier angefertigt. 2) Organisation und Bewertung Die Versuche werden in Gruppen von zwei Schülern durchgeführt. Die inteilung in die Praktikumsgruppen und die Termine für die Versuche gibt der Physiklehrer rechtzeitig vor Beginn der Versuche bekannt. Die Versuche sind auch dann durchzuführen, wenn einer der xperimentierpartner nicht anwesend ist. Auf dem Protokoll wird vermerkt, welcher Schüler gefehlt hat. Jedes der Protokolle aus dem Praktikumshefter wird einzeln bewertet. enn am nde des Praktikums vier Bewertungen eines Schülers vorliegen, werden die drei besten Versuche gewertet und zu einer Klassenarbeitsnote (Komplexe Leistung) zusammengefasst. Bei nur drei Protokollen werden diese ohne Streichung zu einer Note zusammengefasst. Liegen nur zwei oder weniger Protokolle vor, muss der betroffene Schüler so viele Versuche nachholen, bis von ihm drei Protokolle vorliegen. Die Terminabstimmung erfolgt mit dem Physiklehrer. Die Praktikumstermine zählen nicht als Klassenarbeitstermine, das heißt, in einer oche mit Physikpraktikum können bis zu drei Klassenarbeiten, auch im Fach Physik, geschrieben werden. Der Praktikumshefter kann jeweils am nächsten Versuchstag eingesehen, aber nicht mitgenommen werden. So wird verhindert, dass man den gleichen Fehler mehrfach macht. Viel rfolg!

3 Physikpraktikum Klasse 9 Verstärkerkennlinien eines Transistors xperiment 1 1) Aufgabe Nehmen Sie die I C (I B ) Kennlinie eines npn Transistors für drei unterschiedliche Betriebsspannungen auf und bestimmen Sie den Stromverstärkungsfaktor. 2) Vorbetrachtungen a) In dieser Schaltung wird zur Änderung der Spannung U B ein Potentiometer verwendet. rläutern Sie die irkungsweise dieses Bauelementes! (Abb. 1) b) Beschreiben Sie die Funktionsweise der Schaltung in Abb. 2! c) in Transistor habe den Verstärkungsfaktor β = 10. Der Basisstrom verlaufe wie im I B (t)-diagramm (Abb. 4) dargestellt. Zeichnen Sie die zugehörige I C (t)-kennlinie in ein und dasselbe Diagramm. d) Alle Messwerte werden mit dem Tabellenkalkulationsprogramm XCL erfasst (Abb. 3). ntwickeln Sie jeweils eine Berechnungsfunktion zur Berechnung des Stromverstärkungsfaktors für einzelne Messwertpaare. zur Berechnung der Stromverstärkung einer Messreihe mit konstanter Spannung durch einfache Mittelwertbildung. 3) Durchführung a) Bauen Sie die Schaltung nach Abb. 2 auf und lassen Sie diese vom Lehrer überprüfen! b) Nehmen Sie die Kennlinie für Betriebsspannungen von 4 V, 6 V und 8 V auf! rhöhen Sie bei der Aufnahme einer Messreihe I B in Schritten von 0,05 ma! 4) Auswertung a) rfassen Sie alle Messwerte mit dem Tabellenkalkulationsprogramm XCL. Nutzen Sie dazu die zur Verfügung gestellte Vorlage! b) Die Berechnung des Verstärkungsfaktors β erfolgt durch lineare Regression im Bereich des konstanten Anstieges mit der Funktion RGP(Y_erte;X_erte;Konstante;Stats)! c) Stellen Sie die drei Kennlinien mit dem Tabellenkalkulationsprogramm XCL in einem gemeinsamen Diagramm vom Typ Punkt (XY) graphisch dar! d) Formuliere ein Versuchsergebnis bezüglich des Zusammenhangs zwischen I B und I C am Transistor. des influsses der Spannung U auf den Verstärkungsfaktor β. 5) Fehlerbetrachtung Führen Sie eine Fehlerbetrachtung getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern durch! + U Quelle + U B Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4

4 6) Anhang Die Funktion zur linearen Regression RGP(Y_erte;X_erte;Konstante;Stats) hat folgende Parameter: Y_erte: Liste der Funktionswerte der Funktion I C (I B ) X_erte: Liste der Argumente der Funktion I C (I B ) Konstante: ahrheitswert, der angibt, ob die Konstante n der Funktion y = mx + n den ert 0 annehmen soll Stats: ahrheitswert, der angibt, ob zusätzliche Regressionskenngrößen ausgegeben werden sollen (hier FALS einsetzen)

5 Physikpraktikum Klasse 9 Lichtabhängiger iderstand xperiment 2 1) Aufgabe Bestimme den Zusammenhang zwischen dem Abstand einer mit konstanter Helligkeit leuchtenden Glühlampe und dem iderstandswert eines lichtabhängigen iderstandes (Fotowiderstand). Bauen Sie außerdem eine Dämmerungsschaltung auf und untersuchen Sie die Abhängigkeit der Schaltschwelle von dem zum Fotowiderstand in Reihe geschalteten iderstand! 2) Physikalische Grundlagen Um die Helligkeit einer bestrahlten Oberfläche A zu bestimmen, bezieht man den auf die Oberfläche treffenden Lichtstrom Φv auf die Größe der bestrahlten Fläche A und erhält damit die Größe der Beleuchtungsstärke. Name Symbol inheit Zusammenhang Lichtstrom Φ v 1 lm = 1 cd 1 sr Beleuchtungsstärke v 1 lx = 1 lm/m 2 A v Φ = Als Beispiel betrachten wir dazu eine Fläche, welche sich in einem Abstand r = 1 m von einer Kerze befindet. Bei einer Lichtstärke von 1 cd trifft der abgegebene Lichtstrom von 1 lm auf eine Fläche von A = 1 m 2. Bezogen auf die bestrahlte Fläche A ergibt sich damit eine Beleuchtungsstärke von v = 1 lm / 1 m 2 = 1 lx. Verdoppelt man die ntfernung der bestrahlten Fläche, verteilt sich unter sonst gleichen Bedingungen der Lichtstrom von 1 lm auf die vierfache Fläche. In 2 m Abstand beträgt die Beleuchtungsstärke daher nur noch 0,25 lx. Mathematisch gesehen stellt die Skizze eine zentrische Streckung dar. Somit gilt für die Fläche A in Bezug auf den Abstand r ihres Mittelpunkts zur Lichtquelle: 2 A ~ s ist. Und da. Aus 2 A ~ s 3) Vorbetrachtungen Φ v v = folgt sofort, dass A, gilt ebenfalls: 1 ~ s 2 v. 1 v ~ A a) Begründen Sie kurz, warum die die Lichtstärke der Leuchtmittel in einem Raum allein nichts darüber aussagt, wie hell der Raum erscheint. b) rläutern Sie, warum in diesem Versuch die Stromstärke durch den Fotowiderstand ein Maß für die Beleuchtungsstärke am Fotowiderstand ist! c) rläutern Sie die Funktionsweise der Schaltung in Abb. 2! d) Bereiten Sie eine Messwerttabelle vor. Notieren Sie im Tabellenkopf jeweils Symbol und inheit der zu messenden physikalischen Größe! I 0 = 13 ma s in cm U F in V I F in m A I in m A R F in Ω v s ) Durchführung 1 a) Bauen Sie die Schaltung entsprechend des Schaltbildes auf und lassen Sie diese vom Lehrer kontrollieren bevor eingeschaltet wird! Stellen Sie am Stromversorgungsgerät 9 V ein (Schalterstellung 3)! b) ntfernen Sie die Glühlampe und schalten die Spannungsquelle ein. Durch das Umgebungslicht wird schon jetzt eine Anfangsstromstärke I 0 angezeigt. Notieren Sie diese! U = 9 V A R F V Abb. 1

6 c) Setzen Sie die Lampe wieder ein und messen Sie zu 7 verschiedenen Abständen jeweils Spannung und Stromstärke am Fotowiderstand. Der Abstand wird dabei von der Mitte der Glühwendel bis zur Mitte des Fotowiderstandes gemessen. 5) Auswertung 1 a) Subtrahieren Sie von jedem gemessenen Stromstärkewert die Anfangsstromstäke I 0. Der erhaltene ert I entspricht der Stromstärke, die durch das Glühlampenlicht verursacht wurde. b) Berechnen Sie zu jedem Messwertepaar (U F ; I) den iderstandswert R F! c) Zeichnen Sie ein Diagramm R F in Abhängigkeit von 1/s 2 und interpretieren Sie die Kennlinie! Leiten Sie daraus eine Aussage über den Zusammenhang des iderstandswertes und der Beleuchtungsstärke R F ( v ) ab! 6) Fehlerbetrachtung Führen Sie eine Fehlerbetrachtung getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern durch! 7) Durchführung 2 a) Bauen Sie die abgebildete Schaltung mit R = 10 kω auf. Richten Sie de Fotowiderstand zum Fenster aus. Lassen Sie die Schaltung vom Lehrer kontrollieren bevor eingeschaltet wird! b) Verdunkeln Sie den Fotowiderstand langsam und notieren Sie Ihre Beobachtung! c) Ändern Sie den ert von R in 4,7 kω bzw. 47 kω (20 kω wäre besser, steht aber nicht zur Verfügung) und wiederholen Sie jeweils das xperiment! 8) Auswertung 2 a) ie wirkt sich die Größe von R auf das Verhalten der Schaltung aus? b) Begründen Sie diese Abhängigkeit! 10 kω B C + U = 12 V Abb. 2 9) Anhang möglicher Aufbau zur Beleuchtung des Fotowiderstandes in verschiedenen Abständen:

7 Physikpraktikum Klasse 9 Kinetische nergie xperiment 3 1) Aufgabe eisen Sie den Zusammenhang von kinetischer nergie und Geschwindigkeit eines Körpers nach! 2) Physikalische Grundlagen nergie ist die Fähigkeit eines Körpers, Kräfte auszuüben, Licht auszusenden oder ärme abzugeben. Dabei kann die nergie in verschiedenen Formen auftreten. Für einige nergieformen sind Ihnen bereits Möglichkeiten bekannt, die Größe der nergie zu berechnen. Für die kinetische nergie gilt: m 2 v 2 kin =. Abb. 1 Im Versuch wird ein xperimentierwagen auf einer geneigten bene durch Anschnipsen beschleunigt und fährt die bene nach oben. Auf dem agen befindet sich ein Pappstück, das im Vorbeifahren eine Lichtschranke auslöst. Mit Hilfe einer Stoppuhr wird die Zeit gemessen, während der die Lichtschranke verdunkelt ist. Aus der Länge s des Pappstücks und der gemessenen Zeit t kann die Geschwindigkeit des agens am Ort der Lichtschranke bestimmt werden. Der agen rollt die geneigte bene nach oben und wird dabei langsamer. An einem bestimmten Punkt kehrt er um. An diesem Punkt wurde die kinetische nergie, die der agen am Ort der Lichtschranke besessen hat, vollständig in potentielle nergie umgewandelt. Um sie zu berechnen benötigt man die Höhe h. Diese kann allerdings nur schwer gemessen werden, deswegen wird sie aus den leichter zu messenden Größen l, l ges und h ges bestimmt. 3) Vorbetrachtungen a) Der agen in Abb. 1 wird angeschnipst. Geben Sie an, welche nergieumwandlungen ab dem Zeitpunkt stattfinden, zu dem er die Lichtschranke durchquert. b) Geben Sie die Gleichungen zur Berechnung folgender nergieformen an: potentielle, elektrische nergie. c) Geben Sie eine Gleichung zur Berechnung der Höhe h aus l, l ges und h ges in Abb. 1 an. Begründen Sie! d) Für einen 150 g schweren agen wurde mit der xperimentieranordnung aus Abb. 1 die Höhe h = 10 cm bestimmt. Berechnen Sie aus diesen Angaben die kinetische nergie des agens am Ort der Lichtschranke. 4) Durchführung a) Bestimmen Sie die Masse des xperimentierwagens, die Länge s des Pappstücks, die Gesamtlänge l ges und die Gesamthöhe h ges der geneigten bene. Protokollieren Sie diese Messwerte. b) Schalten Sie die Stoppuhr mit dem Netzschalter ein. Vergewissern Sie sich, dass der Schalter 1000 Hz, bzw. 100 Hz, gedrückt ist. Setzen Sie die Uhr mit der Taste NULL gegebenenfalls auf Null zurück und drücken Sie die Taste Messen nach unten. Die Uhr sollte jetzt auf 0 s stehen. c) Finden Sie die Stellen auf der geneigten bene, an der die Lichtschranke bei Durchfahrt des agens die Stoppuhr startet und anhält (jeweils hörbar durch ein klickendes Geräusch). Der Mittelwert der beiden Längen ist die Startlänge l 0. Protokollieren Sie diese. d) Schnipsen Sie den agen mehrmals (mind. 8 Mal) unterhalb der Lichtschranke an und halten Sie den agen am Umkehrpunkt fest. Versuchen Sie dabei so zu schnipsen, dass die Umkehrpunkte recht gleichmäßig über die Gesamtlänge verteilt sind. Protokollieren Sie die von der Stoppuhr angezeigte Zeit und die Gesamtlänge l gemessen (= ndpunkt des agens) auf der geneigten bene.

8 5) Auswertung a) Berechnen Sie aus den gemessenen Größen jeweils die zurückgelegten Strecken l = l gemessen l 0, die Höhen h und die Startgeschwindigkeiten v des agens am Start. b) Berechnen Sie aus den potentiellen nergien des agens am Umkehrpunkt die kinetischen nergien kin am Start. c) rstellen Sie ein kin (v) - Diagramm. d) Begründen Sie anhand des Graphen und rechnerisch, dass kin ~ v 2 gilt. soll e) Berechnen Sie zu jeder Startgeschwindigkeit v die kinetische nergie kin mit der bekannten Gleichung. Beurteilen Sie daran die Güte der Messwerte und den influss der Reibung auf den Versuchsaufbau. 6) Fehlerbetrachtung Führen Sie eine Fehlerbetrachtung getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern durch!

9 Physikpraktikum Klasse 9 Schmelzwärme xperiment 4 1) Aufgabe s dauert eine gewisse Zeit, bis ein iswürfel komplett geschmolzen ist. Für das Schmelzen ist eine bestimmte ärmemenge (die Schmelzwärme Q S ) erforderlich, die der Umgebung entnommen wird. Q S hängt von der Masse und vom Stoff des schmelzenden Körpers ab. Letzteres wir durch die spezifische Schmelzwärme q s erfasst. Bestimmen Sie experimentell die spezifische Schmelzwärme von is! 2) Physikalische Grundlagen Zur Bestimmung der Schmelzwärme wird ein Kalorimeter verwendet. Das ist nichts anderes als ein isoliertes Gefäß mit Rührer und Thermometer, in dem sich asser befindet. Die iswürfel schmelzen, das asser im Kalorimeter kühlt sich ab. Aus den Massen und Temperaturen kann die spezifische Schmelzwärme von is ermittelt werden. s gilt: Q ab = Q auf Die vom asser abgegebene ärme ist gleich der Schmelzwärme plus der ärme, die zur Temperaturerhöhung des Schmelzwassers erforderlich ist: m c T = m q + m c T. S Die Gleichung ist noch unvollständig: Auch das Kalorimetergefäß, das Thermometer und der Rührer geben ärme ab. Diese ärme berechnet man mit Hilfe der Formel Q = C K T. C K nennt man die die ärmekapazität des Kalorimeters. Damit ergibt sich: m c T + C T = m q + m c T. K Die ärmekapazität C K des Kalorimeters kann im Vorversuch experimentell ermittelt werden. Dazu gibt man eine bestimmte Menge warmes asser in das Kalorimeter und misst vor- und nachher die assertemperatur. Dabei gilt: Die vom warmen asser abgegebene ärme ist gleich der vom Kalorimeter aufgenommenen ärme. 3) Vorbetrachtungen a) 200 g is von 0 C sollen geschmolzen werden. Anschließend wird das Schmelzwasser auf 20 C erwärmt. Berechnen Sie die ärme, die man hierfür braucht. b) Für den Versuch von a) steht eine Heizplatte mit 150 att zur Verfügung. Zeichnen Sie das T(t) - Diagramm (es ist ein irkungsgrad von 100 % anzunehmen). c) Leiten Sie eine Formel zur Berechnung der Mischungstemperatur zweier unterschiedlich großer assermengen mit unterschiedlicher Anfangstemperatur her! d) 20 Gramm is werden in 300 ml asser von 20 C gegeben. Berechnen Sie die Mischungstemperatur, wenn das Kalorimeter eine ärmekapazität von 100 J/K hat. e) In einem Kalorimeter befinde sich eine Anfangsmenge kaltes asser. Nun wird eine zweite Menge heißes asser hinzu gegeben und die Mischungstemperatur bestimmt. Leiten Sie eine Formel zur Berechnung der ärmekapazität des Kalorimeters her! 4) Durchführung a) Vorversuch: Bestimmung der ärmekapazität des Kalorimeters Stellen Sie im Kalorimeter 50 ml kaltes asser und in einem weiteren Gefäß 50 ml warmes asser bereit und messen Sie jeweils die Temperatur. Gießen Sie das warme asser in das Kalorimeter und bestimmen nach kurzem Verrühren die Mischungstemperatur. b) xperiment zur Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme Geben Sie 100 ml asser in das Kalorimeter und messen Sie die Anfangstemperatur. Bestimmen Sie die Masse eines iswürfels (vor dem iegen abtrocknen!). Geben Sie den iswürfel ins Kalorimeter und messen Sie die ndtemperatur (Umrühren bis alles is geschmolzen ist!) iederholen Sie das xperiment mit zwei iswürfeln. S

10 5) Auswertung a) Berechnen Sie die ärmekapazität des Kalorimeters aus dem Vorversuch! b) Berechnen Sie die spezifische Schmelzwärme des ises für beide Hauptversuche! c) Diskutieren Sie mögliche Unterschiede in den rgebnissen mit einem bzw. zwei iswürfeln! 6) Fehlerbetrachtung Führen Sie eine Fehlerbetrachtung getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern durch!