Begleitendes Seminar. Praktischen Übungen in Physik. Humanmediziner, Zahnmediziner, Molekulare Biomediziner und Pharmazeuten

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1 Dr. Christoph Wendel Begleitendes Seminar zu den Praktischen Übungen in Physik für Humanmediziner, Zahnmediziner, Molekulare Biomediziner und Pharmazeuten

2 Übersicht Praktikum Vorbereitung und Durchführung Werte und Einheiten Messung und Messfehler Funktionale Zusammenhänge und Auswertung Fehlerbetrachtung und Fehlerrechnung Klausurvorbereitung Bonn, Christoph Wendel 2

3 Praktikum Was wollen wir von Ihnen? Lernen zu experimentieren Messung planen, durchführen und auswerten Was müssen Sie dafür tun? Vorbereiten Thema verstehen Voraufgaben lösen Protokoll vorbereiten Versuch durchführen Alle geforderten Messungen Sauber protokollieren Alle Messungen auswerten Bonn, Christoph Wendel 3

4 Ablauf eines Versuchstags (1) An den Tagen zuvor: Skript lesen, Bücher konsultieren, Thema verstehen Protokoll vorbereiten Verstehen, was wann warum wie gemessen werden soll Einleitende Sätze im Protokollheft schreiben, erklärende Skizzen anfertigen, wichtige Formeln notieren Tabellen für die Messwerte vorbereiten Formeln für die Fehlerrechnung vorbereiten Am Versuchstag: Pünktlich erscheinen! (bewertetes) Vorgespräch mit Ihrem Versuchsassistenten Versuchsbeginn Bonn, Christoph Wendel 4

5 Ablauf eines Versuchstags (2) Während des Versuchs: Versuch vorbereiten Versuch aufbauen (und ggf. vom Assistenten abnehmen lassen) eine kleine Testmessung durchführen Verstehen, wie sich die Apparatur bedient, wie man die Messwerte abliest Messfehler (vor)abschätzen Versuchsteil 1 durchführen Alle Messwerte im Protokollheft aufnehmen Ergebnis überschlagen und auf Plausibilität prüfen ggf. Versuch erneut durchführen Versuchsteil 2 durchführen usw... Bonn, Christoph Wendel 5

6 Ablauf eines Versuchstags (3) Versuchsteile auswerten ggf. Diagramme erstellen Ergebnisse bestimmen Fehlerbetrachtung und Fehlerrechnung Diskussion der Ergebnisse (z.b. Vergleich mit Literaturwerten) Protokoll dem Versuchsassistenten abgeben... Bonn, Christoph Wendel 6

7 Beispiel: Versuch 0 Vorbereiten Versuchsziel Bestimmung der Reaktionszeit Grundkenntnisse verstehen Von einfach nach schwer Geschwindigkeit und Beschleunigung Formeln für gleichförmige und gleichmäßig Beschleunigte Bewegung raus suchen Bücher konsultieren Messgrößen und Einheiten verstehen (Zeit, Strecke) Fehlerrechnung vorbereiten Weiterer Seminartermin und Tipps der Assistenten Versuchsdurchführung verstehen Voraufgaben lösen Diese dienen dem Verständnis der einzelnen Versuchsteile Verstehen, was wann warum wie gemessen werden soll Bonn, Christoph Wendel 7

8 Beispiel: Versuch 0 Die Reaktionszeit eines Menschen soll bestimmt werden... aber es werden Strecken gemessen, warum kann ich daraus Zeiten errechnen? Welche Formel aus meiner Vorbereitung brauche ich dafür? Wie muss ich sie umstellen? Wie komme ich von den Zeiten auf DIE Reaktionszeit? Was ist eigentlich DIE Reaktionszeit? Bonn, Christoph Wendel 8

9 Protokoll Versuch 0 Name und Praktikumsgruppe auf dem Heft Versuchsnummer, Name und Datum Kurze Beschreibung des Versuchsthemas Für jeden Versuchsteil eine Beschreibung was gemessen werden soll, was das Prinzip der Messung ist (inc. Skizzen) und welche Formeln und Messwerte dafür benötigt werden. Zusätzlich die Lösung zu allen Voraufgaben des Versuchsteils Tabelle für die Messwerte (inc. Platz für Messfehler und ggf. zu berechnender Größen) Ergebnisse Diskussion Bonn, Christoph Wendel 9

10 Messwerttabelle Versuch 0 Was wird gemessen? Die Fallstrecke des Lineals Wie oft soll gemessen werden? zwei mal fünf Messwerte Messung Person A 1) 2) 3) 4) 5) Messung Person B 1) 2) 3) 4) 5) Fallstrecke Reicht das? Bonn, Christoph Wendel 10

11 Messwerttabelle Versuch 0 Platz für zu berechnende Größen lassen! Fallstrecke Fallzeit, Mittelwerte Messung Person A Fallstrecke Fallzeit 1) 2) 3) 4) 5) Messung Person B 1) 2) 3) 4) 5) Bonn, Christoph Wendel 11

12 Messwerttabelle Versuch 0 Wie berechnet man die Mittelwerte? Erst mitteln dann rechnen? Erst rechnen dann mitteln? Messung Person A Fallstrecke Fallzeit 1) 2) 3) 4) 5) Messung Person B 1) 2) 3) 4) 5) Was wurde gemessen? DIE Reaktionszeit mehrfach? Oder verschiedene Reaktionszeiten jeweils einmal? Bonn, Christoph Wendel 12

13 Messwerttabelle Versuch 0 Einheiten! Messungenauigkeit Person A Fallstrecke [cm] Fallzeit [s] 1) ± 2) ± 3) ± 4) ± 5) ± Person B 1) ± 2) ± 3) ± 4) ± 5) ± Bonn, Christoph Wendel 13

14 Messwerttabelle Versuch 0 Fehlerfortpflanzung! Ergebnis Person A Fallstrecke s / [cm] σs / [cm] Fallzeit t / [s] σt / [cm] 1) ± ± 2) ± ± 3) ± ± 4) ± ± 5) ± ± Mittelwert A: ± Person B 1) ± ± 2) ± ± 3) ± ± 4) ± ± 5) ± ± Mittelwert B: Bonn, Christoph Wendel 14

15 Messwerttabelle Versuch 0 Minimal: A s / [cm] t / [s] 1) ± ± 2) ± ± 3) ± ± 4) ± ± 5) ± ± ± B 1) ± ± 2) ± ± 3) ± ± 4) ± ± 5) ± ± Bonn, Christoph Wendel 15

16 Zusammenfassung Protokoll Es gibt keine strikte Form, wie ein Protokoll oder Tabellen auszusehen haben Anhand des Protokolls muss in 10 Jahren jemand nachvollziehen können was Sie vor hatten (kurzer Satz) wie Sie das messen wollten (wichtige Zusammenhänge und Formeln, den Rest kann die Person ja in Büchern nachschlagen oder nachrechnen) was Sie gemessen haben (Skizze + Tabelle mit ALLEN Messwerten) wie genau Sie das gemessen haben (Messfehler!!!) wie Sie daraus Ihr Ergebnis bestimmt haben was Ihr Ergebnis ist und wie Sie es bewerten Bonn, Christoph Wendel 16

17 Fehlerrechnung Was sind Messfehler Systematische Fehler / Statistische Fehler Was ist Fehlerfortpflanzung Fehlerabschätzung / Fehlerrechnung usw. späterer Seminartermin(e)! Bonn, Christoph Wendel 17

18 Teil 2 Messwerte Messgrößen Maßeinheiten Einheitensysteme Bonn, Christoph Wendel 18

19 Messgrößen Messgröße Messen Maß Größe von etwas Vergleich von Dingen, Mengen, Ziel: Zusammenhänge oder Eigenschaften beschreiben über Formeln in Beziehung setzen Zeitdauer t, Länge s, Anzahl n, Volumen V, Temperatur T, Helligkeit, Lautstärke, Stromfluss I =? Bonn, Christoph Wendel 19

20 Messgrößen Direkte Messung: Strom = Menge / Zeit Indirekte Messung: Bekannter Zusammenhang: Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld Das Magnetfeld erzeugt ggf. eine Kraft Messung der Kraft erlaubt Bestimmung des Stroms Zuvor muss der Zusammenhang über die direkte Messung der Größen verifiziert sein. Vergleich von Messgrößen erfordert die Definition vom Maßeinheiten Bonn, Christoph Wendel 20

21 Maßeinheiten Ziel: Vergleichbarkeit von Messgrößen Länge: Abstand zweier Punkte Wie messen/vergleichen? Finger, Spanne, Elle, Klafter, Fuß, Schritt, Stadion, Meile,... Maßeinheiten bilden ein (konsistentes) Einheitensystem Jeder Messgröße wird eine Einheit zugeordnet (streng genommen genau eine) SI (Systeme International d' unites) Internationales System, Umsetzung in Deutschland durch die PTB Bonn, Christoph Wendel 21

22 SI - Einheiten Basiseinheiten und abgeleitete Einheiten Basiseinheiten kleinster Satz an Einheiten, mit dem sich die Physik in diesem Einheitensystem beschreiben lässt. Länge Masse Zeit Stromstärke Temperatur Stoffmenge Lichtstärke Definition über konstante und sehr genau bestimmbare Messgrößen Bonn, Christoph Wendel 22

23 SI - Einheiten Zeit : 1 Sekunde (s) = festgelegte Anzahl von Schwingungen der Hochfrequenz, die man zur Anregung eines speziellen Atomniveaus braucht Länge: 1 Meter (m) = festgelegter Bruchteil der Strecke, die Licht in einer Sekunde zurücklegt Masse: 1 Kilogramm (kg) = Die Masse, die genau der Masse des Ur-Kilogramms in Paris entspricht (Sehr unschöne Definition) Stromstärke: 1 Ampere (A) = Kraft zwischen zwei speziellen stromdurchflossenen Leitern (eine Messung über die Ladung des Elektrons wäre schöner, ist aber sehr schlecht Bonn, Christoph Wendel 23

24 SI - Einheiten Temperatur: 1 Kelvin (K) = Bruchteil der Differenz zwischen absolutem Nullpunkt und Trippelpunkt des Wassers Stoffmenge 1 Mol (mol) = Anzahl der Atome von 12 C in 0,012 kg Lichtstärke 1 Candela (cd) = Anzahl der Photonen, die eine monochromatische Lichtquelle bestimmter Wellenlänge in eine Richtung aussendet, wenn die Energiesumme der Photonen einer bestimmten Energie entspricht Es gibt direkt und indirekt messbare Basiseinheiten Alle anderen Einheiten, die sich durch einfache Multiplikation oder Division aus den Basiseinheiten ableiten lassen sind abgeleitete SI-Einheiten (m², Newton, Joul, Pascal, Coulomb,...) Bonn, Christoph Wendel 24

25 Größenordnungen Anstelle von Dezimalschreibweise (0,0005 m) oder Bruchschreibweise (1/1000 kg) schreibt man besser mit Zehnerpotenzen ( m) = 0, m Für jede dritte Zehnerpotenz gibt es eine Abkürzung, die der Einheit vorangestellt werden kann Kilo Mega Giga Terra Peta Exa... milli micro nano piko femto atto 1000 µm = 1 mm; 1 TByte = 1000 GByte 1kN / 1mm² = GPa Bonn, Christoph Wendel 25

26 Abschlussbemerkung Teil 2 Jeder Messwert besteht aus Wert und Einheit! Das in Deutschland gültige Einheitensystem sind die SI Einheiten Das Rechnen mit Einheiten und Größenordnungen ist das!!wichtigste!! was Sie können müssen Man muss nicht alles in SI Basiseinheiten umrechnen... aber das Rechnen mit Stunden, cm und Litern birgt ein hohes Fehlerpotential! Dazu nächste Woche mehr! Bonn, Christoph Wendel 26