Anwendung physikalischen Wissens aus den Vorlesungen. Computerunterstützte Messung und Auswertung. Führen eines Laborbuchs (Messprotokoll)

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1 In dem physikalischen Grundpraktikum II für Physiker (Bachelor und Lehramt) sollen die Studenten moderne Arbeitsmethoden in der Physik kennen- und anwenden lernen. Dabei sollen folgende Kompetenzen erworben werden: Anwendung physikalischen Wissens aus den Vorlesungen Aufbau eines Experimentes Computerunterstützte Messung und Auswertung Führen eines Laborbuchs (Messprotokoll) Anfertigung einer wissenschaftlichen Ausarbeitung (Protokoll), Präsentation der Ergebnisse in schriftlicher und mündlicher Form (Folienvortrag) Arbeiten in der Gruppe Die Studenten sollen sich intensiv mit dem Versuch, dem physikalischen Hintergrund, den Messmethoden und der Auswertung der Daten auseinandersetzen. Für jedes Versuchsgebiet stehen daher für die Durchführung und Auswertung jeweils zwei Tage im Blockpraktikum, entsprechend mehr im semesterbegleitenden Praktikum Das Praktikum wird wie folgt gegliedert: Die Studenten erarbeiten insgesamt vier Versuche aus den Arbeitsgebieten Atomphysik, Optik und Elektrizitätslehre. Der Stoff orientiert sich an der Vorlesung Experimentalphysik I, II und III, in denen die physikalischen Grundlagen vermittelt worden sind. Die notwendigen Vorkenntnisse in statistischen Methoden und computergestützter Datenanalyse wurden in der Vorlesung zur Datenverarbeitung und im physikalischen Grundpraktikum Teil I vermittelt. Eine Arbeitsgruppe besteht aus maximal vier Studenten. Maximal drei Arbeitsgruppen arbeiten in einem Raum. Zu Beginn des Praktikums gibt es eine einführende Veranstaltung, in der den Studenten die Voraussetzungen, Gruppeneinteilungen, Praktikumsregeln, Laborund Sicherheitshinweise etc. vermittelt werden. 5

2 0.1 Zeitlicher Ablauf Die Tutoren wählen an jedem Versuchstag aus, welchen Versuch aus einem Arbeitsgebiet die Studenten durchführen werden. Dies ist natürlich nur in dem Umfang möglich, wie es die vorhandenen Versuchsaufbauten zulassen. Die Studenten müssen sich daher auf alle Versuche eines Arbeitsgebietes vorbereiten. Jeder Student aus einer Gruppe muss während des Praktikums mindestens einmal die Ergebnisse der Gruppe präsentiert haben. Das Praktikum beginnt mit der Einführungsveranstaltung und endet mit dem Abschlusstest. Der genaue zeitliche Ablauf des Praktikums, die Raumeinteilung, sowie die Einteilung der Studenten in die Arbeitsgruppen und in den Abschlusstest werden in der Einführungsveranstaltung besprochen und auf der Praktikums- Webseite bekannt gegeben Blockpraktikum in der vorlesungsfreien Zeit nach dem Semester Die Gruppen sind vormittags (von 08:30 Uhr bis 13:00 Uhr) im Wechsel jeweils drei Tage aktiv und bereiten einen Tag die Versuche vor. 1. Tag: Anwesenheitspflicht vormittags von 08:30 bis 13:00 Uhr Der Versuchstag beginnt mit einer Vorbesprechung mit dem Tutor, während der geeignete Versuchsaufbauten, -durchführungen und -auswertungen erarbeitet werden sollen. Danach erfolgt der Versuchsaufbau mit der Inbetriebnahme aller für die Messung erforderlicher Geräte sowie des Computers. Pro Arbeitsgruppe sollen zwei Versuchsaufbauten in Betrieb genommen werden, die identisch oder unterschiedlich sein können, je nach Fragestellung. Die Messdaten werden aufgezeichnet und die Auswertung soweit durchgeführt, dass erste, vorläufige Ergebnisse diskutiert werden können. Die Versuchsaufbauten, Einstellungen, die Namen der Dateien und die vorläufigen Ergebnisse werden in Form eines Messprotokolls dokumentiert. Der Vormittag endet mit der Rückgabe der Versuchsaufbauten und der Computer. Die Tutoren zeichnen die Messprotokolle ab. Die Messprotokolle sowie auf einen Datenträger gespeicherte Versuchsdaten und Analyseprogramme werden später an das erstellte Protokoll angehängt. Ohne die abgezeichneten Messprotokolle, Daten oder Auswertungsprogramme wird der Versuch als nicht bestanden gewertet. Zur weiteren Versuchsauswertung steht der CIP-Pool der Physik 2. Tag: Die Auswertung der Versuche wird im CIP-Pool der Physik oder auf eigenen Computern zu Hause weitergeführt und abgeschlossen. Das Protokoll wird von der Arbeitsgruppe gemeinsam erarbeitet. 3. Tag: Anwesenheitspflicht nachmittags von 14:00 bis 18:30 Uhr Die Arbeitsgruppe gibt vormittags bis 10:00 Uhr ein Protokoll ab im Flur 6

3 0.1 Zeitlicher Ablauf der Praktikumsräume des Modulbau 2 der Physik, welches die Messergebnisse aller Versuchsaufbauten der Gruppe beschreibt und gegebenenfalls vergleicht. Die Arbeitsgruppe arbeitet die Präsentation zu dem Versuch aus. Die Tutoren lesen und bewerten das Protokoll. Nachmittags von 14:00 bis 18:30 Uhr werden die Versuchsergebnisse in den Arbeitsgruppen präsentiert und diskutiert. Die Präsentation erfolgt für die maximal drei Arbeitsgruppen, die an dem gleichen Arbeitsgebiet experimentiert haben, zusammen in einem Raum. Im Anschluss werden die Protokolle mit den Tutoren besprochen Semesterbegleitendes Praktikum Die Gruppen sind an einem Tag in der Woche in einem Zeitraum von 4.5 Stunden aktiv. Die Versuchsdurchführungen werden dabei im Wechsel mit den Protokollbesprechungen und Präsentationen durchgeführt. Bei allen Terminen herrscht Anwesenheitspflicht. Versuchstag: Der Versuchstag beginnt mit einer Vorbesprechung mit dem Tutor, während der geeignete Versuchsaufbauten, -durchführungen und -auswertungen erarbeitet werden sollen. Danach erfolgt der Versuchsaufbau mit der Inbetriebnahme aller für die Messung erforderlicher Geräte sowie des Computers. Pro Arbeitsgruppe sollen zwei Versuchsaufbauten in Betrieb genommen werden, die identisch oder unterschiedlich sein können, je nach Fragestellung. Die Messdaten werden aufgezeichnet und die Auswertung soweit durchgeführt, dass erste, vorläufige Ergebnisse diskutiert werden können. Die Versuchsaufbauten, Einstellungen, die Namen der Dateien und die vorläufigen Ergebnisse werden in Form eines Messprotokolls dokumentiert. Der Termin endet mit der Rückgabe der Versuchsaufbauten und der Computer. Die Tutoren zeichnen die Messprotokolle ab. Die Messprotokolle sowie auf einen Datenträger gespeicherte Versuchsdaten und Analyseprogramme werden später an das erstellte Protokoll angehängt. Ohne die abgezeichneten Messprotokolle, Daten oder Auswertungsprogramme wird der Versuch als nicht bestanden gewertet. Zur weiteren Versuchsauswertung steht der CIP-Pool der Physik Versuchsauswertung und Protokollerstellung, -abgabe: Die Auswertung der Versuche wird im CIP-Pool der Physik oder auf eigenen Computern zu Hause weitergeführt und abgeschlossen. Das Protokoll wird von der Arbeitsgruppe gemeinsam erarbeitet, welches die Messergebnisse aller Versuchsaufbauten der Gruppe beschreibt und gegebenenfalls vergleicht. Die Abgabe des Protokolls muss am Arbeitstag (Montag bis Freitag) vor dem Präsentationstag erfolgen. Die genaue Frist und die Modalitäten der Protokollabgabe werden in der Einfürungsveranstaltung bekannt gegeben. Präsentationstag: Die Arbeitsgruppe präsentiert den Versuch (Aufbau, Durchführung, Aus- 7

4 wertung und Interpretation) in Form einer elektronischen Folien-Präsentation. Die Präsentation erfolgt für die maximal drei Arbeitsgruppen, die an dem gleichen Arbeitsgebiet experimentiert haben, zusammen im Versuchsraum. Im Anschluss werden die Protokolle mit den Tutoren besprochen. 0.2 Benutzung der Notebooks Für die Durchführung der Versuche erhält jede Arbeitsgruppe zwei Notebooks mit WLAN-Verbindung. Die Praktikumsteilnehmer benötigen dazu den bei der Immatrikulation durch das Rechenzentrum zugewiesenen Zugang. Die Notebooks stehen nur für die Arbeiten im Praktikum zur Verfügung und können nicht mit nach Hause genommen werden. Auf den Notebooks läuft als Betriebssystem Windows 7 und die für die Versuchsdurchführung benötigten Messwerterfassungsprogramme sind installiert. Für die Präsentationen werden nur Dateien im Adobe PDF Format akzeptiert. Die Studenten haben nur Schreibzugriff auf den User-Bereich. Als ersten Arbeitsschritt legt jede Arbeitsgruppe, sobald sie ein Notebook erhält, im User-Bereich ein Verzeichnis mit dem Gruppennamen an. In diesem Verzeichnis sollten alle Dateien, die zu dem Versuch gehören, abgespeichert werden und am Ende der Arbeitsphase auf Datenträger kopiert werden. Der User-Bereich wird bei jedem Wechsel zwischen den Gruppen gelöscht, so dass alle ungesicherten Daten unwiederbringlich verloren sind. Private Notebooks sind erlaubt. Der Besitzer ist für den erfolgreichen Einsatz zur Messwerterfassung eigenverantwortlich. 0.3 Versuchsvorbereitung Die Versuchsbeschreibungen sollen den Studenten eine Vorbereitung auf den Versuch ermöglichen und eine Anleitung für die Versuchdurchführung sein. Die physikalischen Grundlagen zu den Versuchsthemen werden in den Versuchsanleitungen nur bedingt hergeleitet. Es ist daher unerlässlich, entsprechende Physikbücher für die Vorbereitung zu verwenden. Besonders geeignet sind die folgenden Bücher: W. Walcher, Praktikum der Physik, Teubner Taschenbuch. Demtröder, Experimentalphysik, Band 1 und 2. P.A. Tipler, Physik, Spektrum Verlag. Gerthsen, Kneser, Vogel, Physik, Springer Verlag Zur Vertiefung der statistischen Methoden, die im Praktikum angewendet werden, eignen sich die folgenden Lehrbücher: 8

5 0.4 Bewertung G. Cowan, Statistical Data Analysis, Oxford University Press, ISBN R. Barlow, Statistics, Wiley, ISBN V. Blobel und E. Lohrmann, Statistische und numerische Methoden der Datenanalyse, ebuch: blobel/ebuch.html Vorbereitung: Während der Vorbesprechung zu Beginn eines Versuchstages werden die physikalischen Grundlagen zu den Versuchsthemen, sowie die Versuchsdurchführung und Auswertung besprochen. In der Vorbesprechung werden typischerweise die folgenden Fragen im Mittelpunkt stehen: Was ist das Ziel des Versuchs? Welche physikalischen Größen sollen bestimmt werden? Was sind die physikalischen Grundlagen des Versuchs? Welche Formeln werden benötigt? Wie kann man sie ggfs. herleiten? Wie sieht der Versuchsaufbau aus? Welchen Zweck erfüllen die einzelnen Geräte bzw. Bauteile? Wie geht man bei der Messung vor? Welche einzelnen Observablen müssen gemessen werden? Wie werden sie gemessen? Wie werden die Messunsicherheiten statistischer und/oder systematischer Natur auf die Observablen bestimmt? Stellen Sie sicher, dass Sie mit den Grundbegriffen der Statistik vertraut sind! Wie geht man bei der Auswertung der Daten vor? Welche Auftragung ist geeignet? Welchen Verlauf der Datenpunkte erwarten Sie? Wie funktioniert eine Modellanpassung? Wie sieht das χ 2 aus? Wie ist der Wert am Minimum zu interpretieren? Wie pflanzen sich die einzelnen Fehlerbeiträge auf das Endergebnis fort? Welche Erwartung (Zahlenwerte) haben Sie für das Endergebnis? Wie sollten Sie sich die zur Verfügung stehende Zeit einteilen? 0.4 Bewertung Das Bewertungsschema wird in den Einführungsveranstaltungen bekannt gegeben! 9