Praktikum Physik Klasse 8 Versuchsanleitungen Johannes - Kepler - Gymnasium Chemnitz Fachbereich Physik Impressum Praktikumsanleitung Physik, Klassenstufe 8 mathematisch-naturwissenschaftliche Ausbildung Internes Arbeitsmaterial des Johannes-Kepler-Gymnasiums Chemnitz Autoren: J. Mischke, J. Hoffmann Herausgabejahr: 2015
Physikpraktikum Klasse 8 Allgemeine Informationen 1) Ziel, Inhalt und Dokumentation Das physikalische Praktikum ermöglicht es Ihnen, selbstständig zu experimentieren und damit Erfahrungen im Handwerkszeug des Experimentalphysikers - Planung, Durchführung und Auswertung von Versuchen - zu sammeln. Dabei wird besonderer Wert auf selbstständiges Arbeiten und vollständiges Protokollieren gelegt. Nur ein vollständiges Protokoll ermöglicht es dem Leser nachzuvollziehen, welches Experiment auf welche Art durchgeführt wurde, was es für Ergebnisse hervorgebracht hat und inwieweit Messfehler diese Ergebnisse 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 Experimentiermethode 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 Experimentiergruppe gibt zu jedem Versuch genau ein Protokoll ab, welches in einen Praktikumshefter eingeheftet wird. Es 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 Einteilung 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 Experimentierpartner nicht anwesend ist. Auf dem Protokoll wird vermerkt, welcher Schüler gefehlt hat. Jedes der Protokolle aus dem Praktikumshefter wird einzeln bewertet. Wenn am Ende 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 Woche 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. Viel Erfolg!
Physikpraktikum Klasse 8 I(U) Kennlinie von Bauelementen Experiment 1 1) Aufgabe Nehmen Sie die I(U) Kennlinien für drei verschiedene Bauelemente auf! Prüfen Sie ob jeweils das Ohm sche Gesetz gilt! {Glühlampe (Rundkopf); Widerstand 47 Ω; Widerstand 100 Ω} 2) Vorbetrachtungen a) Geben Sie die physikalische Bedeutung und die Einheiten der Größen Spannung, Stromstärke und Widerstand an! b) Wie lässt sich rechnerisch und grafisch nachweisen, ob für zwei Größen x und y gilt: y ~ x? c) Entwerfen Sie einen Schaltplan mit Messgeräten für die gleichzeitige Messung von Spannung und Stromstärke an einem Bauelement! d) Notieren Sie eine Liste aller notwendigen Geräte! e) Bereiten Sie die Messwerttabellen vor! 3) Aufbau a) Bauen Sie die Schaltung nach Ihrem Entwurf mit allen Messgeräten auf! b) Für die Spannungsregelung steht Ihnen ein regelbarer Widerstand zur Verfügung. Schließen Sie diesen Widerstand zunächst an die Spannungsquelle an (siehe Abbildung). Der Stromkreis mit Bauelement und Messgeräten wird dann an den regelbaren Widerstand angeschlossen. + SVG c) Stellen Sie am Stromversorgungsgerät (SVG) eine Gleichspannung von ca. 9 V ein (Schalterstellung 3). Lassen Sie die Schaltung vom Lehrer kontrollieren! + zum Stromkreis zum Stromkreis 4) Durchführung der Experimente a) Schalten Sie das Stromversorgungsgerät nach der Aufnahme einer Messreihe immer wieder aus! Andernfalls erwärmen sich die Bauelemente unnütz. b) Messen Sie für ein Bauelement für 10 unterschiedliche Spannungen von 0 V bis 9 V jeweils die elektrische Stromstärke! c) Wiederholen Sie die Messungen für das zweite Bauelement! 5) Auswertung a) Zeichnen Sie die I(U) Kennlinien alle Bauelemente in ein und dasselbe Diagramm (Kennlinien beschriften)! Interpretieren Sie die Kennlinien! b) Weisen Sie auch rechnerisch nach, ob für das jeweilige Bauelement das Ohm sche Gesetz gilt! c) Geben Sie mindestens vier Fehlerquellen an, welche die Genauigkeit der Messergebnisse am stärksten beeinflussen! Unterscheiden Sie dabei systematische und zufällige Fehler. 6) Fehlerbetrachtung Gib die wesentlichsten Fehlerquellen getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern an. 7) Anhang Vorschlag für die Messwerttabellen: U in V 0 9 I in ma
Physikpraktikum Klasse 8 Gesamtwiderstand von Bauelementen Experiment 2 1) Teilaufgabe 1 Weisen Sie die Gesetze über den Gesamtwiderstand zweier in Reihe bzw. parallel geschalteter Einzelwiderstände nach! 2) Vorbetrachtungen 1 a) Entwerfen Sie je einen Schaltplan mit den erforderlichen Messgeräten zur Messung der Gesamtspannung und Gesamtstromstärke für zwei in Reihe geschaltete und für zwei parallel geschaltete Widerstände! b) Geben Sie jeweils eine Gleichung zur Berechnung des Gesamtwiderstandes aus den Teilwiderständen an! c) Geben Sie eine Gleichung zur Berechnung des Gesamtwiderstandes aus Gesamtspannung und Gesamtstromstärke an! d) Bereiten Sie die Messwerttabellen vor! 3) Aufbau/Durchführung 1 a) Bauen Sie aus den gegebenen Widerständen eine Reihenschaltung auf und schließen Sie diese an die Spannungsquelle mit 6 V Betriebsspannung an. Lassen Sie die Schaltung vor dem Einschalten vom Lehrer kontrollieren! b) Messen Sie anschließend Gesamtspannung und Gesamtstromstärke! c) Wiederholen Sie das obige Vorgehen für eine Parallelschaltung! d) Lesen Sie von beiden Widerständen die jeweilige Toleranz ab und notieren Sie die Werte in einer Tabelle! 4) Auswertung 1 a) Berechnen Sie für beide Schaltungen den Gesamtwiderstand aus den gemessenen Werten für U und I (ausführlichen Rechenweg angeben)! b) Berechnen Sie außerdem die Gesamtwiderstände aus den gegebenen Werten für die Einzelwiderstände und vergleichen Sie diese mit den experimentell ermittelten Gesamtwiderständen! c) Berechnen Sie aus den abgelesenen Toleranzen die Grenzwerte der gegebenen Widerstände. d) Berechnen Sie aus den Grenzwerten der Einzelwiderstände den jeweils kleinstmöglichen und größtmöglichen Wert des Gesamtwiderstandes für die Reihen- und Parallelschaltung! e) Überprüfen Sie, ob die experimentell ermittelten Gesamtwiderstände innerhalb der berechneten Toleranzgrenzen der berechneten Gesamtwiderstände liegen! 5) Teilaufgabe 2 Bestimmen Sie den Gesamtwiderstand der angegebenen Schaltungen durch Messung von Gesamtspannung und Gesamtstromstärke. 6) Vorbetrachtungen 2 a) Berechnen Sie den Gesamtwiderstand in den gegebenen Schaltungen! b) Bereiten Sie die Messwerttabelle vor! 7) Aufbau/Durchführung 2 a) Bauen Sie die jeweilige Schaltung auf und lassen Sie diese vor dem Einschalten vom Lehrer kontrollieren! (2.1) 6 V (2.2) 6 V 47 Ω 100 Ω 470 Ω 47 Ω 100 Ω 470 Ω b) Messen Sie für alle Schaltungen die Gesamtspannung und Gesamtstromstärke! (Messwerttabelle Teilaufgabe 1 nutzen)
8) Auswertung 2 a) Berechnen Sie für jede Schaltung den Gesamtwiderstand R ges aus U und I! b) Vergleichen Sie die experimentell ermittelten Gesamtwiderständen mit den im Voraus berechneten Gesamtwiderständen! 9) Fehlerbetrachtung Nennen Sie für beide Teilversuche die wesentlichsten Fehlerquellen, die nicht auf die Toleranzen der Widerstände zurück zu führen sind! 10) Anhang Vorschlag für die Messwerttabelle: Schaltung U ges in _ I ges in R ges in R ges berechnet Reihenschaltung: R 1 und R 2 Parallelschaltung: R 1 und R 2 Schaltung (2.1) Schaltung (2.2) Einzelwiderstände Reihenschaltung Parallelschaltung berechneter Widerstand 100 Ω 470 Ω Toleranz kleinstmöglicher Wert größtmöglicher Wert gemessener Widerstand Farbcodetabelle für Widerstände:
Physikpraktikum Klasse 8 Wirkungsgrad eines Elektromotors Experiment 3 1) Aufgabe Untersuchen Sie, wie der Wirkungsgrad eines Elektromotors von der angelegten Spannung und von der Belastung abhängt! Die Belastung des Motors wird dabei über die angehängte Masse geändert. 2) Vorbetrachtungen a) Geben Sie für einen Motor, der mit einer Spannung U betrieben wird und eine Masse m in einer Zeit t um eine Höhe h anhebt, folgende Gleichungen an: potentielle Energie des Körpers nach dem Heben aufgewendete elektrische Energie allgemeine Gleichung für den Wirkungsgrad b) Beim Heben einer Last mit einem Elektromotor lässt sich der Wirkungsgrad durch folgende Gleichung berechen: η = m g h U I t. Leiten Sie diese Gleichung aus den Gleichungen in a) her! c) Begründen Sie, warum ein hoher Wirkungsgrad das Streben eines jeden Entwicklungsingenieurs ist! d) Bereiten Sie beide Messwerttabellen vor! 3) Aufbau Zur Erfüllung Ihrer Aufgaben steht Ihnen ein fertig aufgebauter Experimentiermotor zur Verfügung. b) Schließen Sie den Motor nach dem Schaltplan an die Spannungsquelle an! c) Hängen Sie zunächst eine Masse von 200 g an den Motor und lassen Sie den Motor mit der Masse abwärts laufen, bis das Massestück 1 mm über dem Boden schwebt. Dies ist in allen Teilversuchen die Ausgangsposition. (Das Lineal beginnt 1 mm über dem Boden mit 0!). M U V A 4) Durchführung der Experimente a) Messen Sie, bei konstanter Motorlast (Masse = 200 g) für die vier voreingestellten Spannungen der Spannungsquelle, die fließende Stromstärke und die Zeit die der Motor benötigt, um die Körper um 0,5 m zu heben! b) Messen Sie bei einer konstanten Motorspannung von 6 V für Massen von 100 g bis 500 g, in Schritten von 100 g, die fließende Stromstärke und die Zeit die der Motor benötigt, um die jeweilige Masse um 0,5 m zu heben! 5) Auswertung a) Berechnen Sie folgende Größen und tragen Sie die Werte übersichtlich in die Tabelle ein! Die Berechnungen sind für genau ein Paar von Masse und Spannungswert ausführlich zu dokumentieren! Nutzleistung beim Heben des Körpers dem Motor zugeführte elektrische Leistung Wirkungsgrad des Motors b) Erstellen Sie je ein Diagramm, welches die Abhängigkeit η(u) und η(m) zeigt! Leiten Sie aus den beiden Graphen jeweils eine Aussage über den Zusammenhang der Größen ab! 6) Fehlerbetrachtung Erläutern Sie die Fehlerquellen, welche die Genauigkeit der Messergebnisse am stärksten beeinflussen! Unterscheiden Sie dabei systematische und zufällige Fehler. 7) Anhang Vorschlag für die Messwerttabellen: U in V I in ma m in g t in s P nutz in W P el in W Wirkungsgrad
Physikpraktikum Klasse 8 Federn und Gummis Experiment 4 1) Aufgabe Ziel dieses Versuchs ist es, das Dehnungsverhalten zweier Federn und eines Haushaltsgummis zu untersuchen und zu vergleichen. Außerdem soll die sogenannte Vorspannung einer der Federn bestimmt werden. 2) Vorbetrachtungen a) Abbildung 1 zeigt die l(f) - Linien mehrerer dehnbarer Körper. Welche davon genügen im gesamten Diagrammbereich dem Hooke schen Gesetz? Begründe. b) Eine ideale Feder habe die Federkonstante D = 0,3 N/cm. Sie soll durch Anhängen eines Körpers um 4 mm gedehnt werden. Berechne die Masse des benötigten Körpers. c) Begründe, warum die Federkonstante der Feder mit Vorspannung im Hooke schen Bereich gerade das Reziproke des Anstiegs der Regressionsgerade ist. d) Eine Feder habe die Vorspannung 1 N und im Hooke schen Bereich die Federkonstante D = 2 N/cm. Wie weit dehnt sie sich, wenn man mit einer Kraft von 4 N senkrecht an ihr zieht? Begründe. e) Zusatz: Informiere dich über Spannungs - Dehnungs - Diagramme. Welcher Unterschied besteht zwischen dem nichtlinear - elastischen Bereich und dem plastischen Bereich? 3) Aufbau/Durchführung a) Baue das Stativ und das Lineal mit zwei Höhenmarkierungen auf! b) Hänge die erste Feder an einem Stativ auf. Stelle die erste Markierung auf die Ausgangslänge der Feder ein. Belaste dann wird die Feder mit Massestücken. Die zweite Markierung wird auf die Endlänge der Feder gesetzt und die Längenänderung daraus bestimmt und protokolliert. c) Die Belastung der Feder wird nun von 50 g bis 300 g in Schritten zu 50 g geändert. d) Wiederhole die Messreihe für die zweite Feder und den Gummi! 4) Auswertung a) Bestimme aus den Massen die jeweilige Gewichtskraft F G! b) Trage die Messwerte von Kraft und Längenänderung der Federn und des Gummis in ein gemeinsames l(f G ) - Diagramm ein und verbinde jeweils durch eine sinnvolle Kennlinie! c) Untersuche rechnerisch, welcher der drei Körper im gesamten Bereich dem Hooke schen Gesetz genügt. d) Bestimme durch Ablesen aus dem Diagramm die Vorspannung der kleineren Feder! Ermittle außerdem ihre Federkonstante im Hooke schen Bereich! 5) Fehlerbetrachtung Gib die wesentlichsten Fehlerquellen getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern an. Abb. 1
6) Anhang Manche Federn haben eine Vorspannung. Das bedeutet, dass man zunächst vergleichsweise viel Kraft aufbringen muss, um die Länge der Feder überhaupt zu verändern. Anschließend folgt der Hooke sche Bereich. Bekannte Beispiele für solche Federn sind die Federn in Wäscheklammern. Messwerte der Dehnung l in Abhängigkeit der Kraft F bei einer solchen Feder können beispielsweise so aussehen, wie im Diagramm in Abbildung 2 dargestellt. Der Hooke sche Bereich beginnt hier erst nach dem dritten Messpunkt. Ab dann verhält sich die Feder ideal. Die Vorspannung der Feder lässt sich nun ermitteln, indem man eine lineare Regression der Messwerte des Hooke schen Bereichs durchführt und die Nullstelle der Trendlinie bestimmt (vgl. Abbildung 3). Die Federkonstante im Hooke schen Bereich ist das Reziproke des Anstiegs der Regressionsgeraden. Abb. 2 Abb. 3