Warum Physik?

Vorbesprechung zum physikalischen Grundpraktikum
Teil 1:
• Warum Physik?
• Warum ein Praktikum?
- Lernziele der Veranstaltung
• Wie läuft es ab? Was ist wann und wie zu tun?
-Vorbereitung
-Durchführung des Versuch
-Ausarbeitung des Versuchsprotokolls
• Sehr wichtig: Sicherheit
• Einteilung der Zweiergruppen
Teil 2:
• Einführung in die Fehlerrechnung
Warum Physik?
Naturwissenschaft:
historische
Einteilung
Physik
Chemie
Biologie
Die Grenzen sind fließend!
Viele Fragestellungen innerhalb der Biologie lassen sich auf die
Physik zurückführen!
• Informationsverarbeitung im Nervensystem von Lebewesen beruht auf
elektrischen Signalen.
Elektrizitätslehre Versuche zur Elektrolyse und Widerständen
• Blutfluss in Adern
Strömungslehre Versuch Zähigkeit von Flüssigkeiten
• Wie läuft ein Wasserläufer über das Wasser ?
Versuch Oberflächenspannung
• Wie funktioniert ein Auge, welche Augentypen gibt es, was sieht ein Tier
damit ?
Optik
Versuche Gitterspektralapparat und Mikroskop
Bei Untersuchungsmethoden und der Messtechnik wird die Physik
benötigt!
• Mikroskope (Lichtmikroskop, Elektronenmikroskop, Rasterkraftmikroskop)
Was sehe ich eigentlich? Welche Information steckt im Messsignal? Was
kann ich mit dem Instrument überhaupt messen?
Grundlegendes Verständnis in Optik, Elektrizitätslehre,
und Mechanik erforderlich!
• Forschung zur Sprache der Fische: Frequenzanalyse von Schall.
Grundlegendes Verständnis von Schwingungen und
Wellen erforderlich!
Versuche: Fadenpendel, Schallgeschwindigkeit und Gaskonstante R.
Fazit: Um in der Biologie erfolgreich arbeiten zu können ist ein
physikalisches Grundwissen unerlässlich!
Naturwissenschaften sind Erfahrungswissenschaften!
D.h.: Naturbeobachtungen und Experimente sind unentbehrlich für die
Gewinnung und Bestätigung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse.
Warum ein Praktikum?
Lernziele des Praktikums:
•
fachbezogene Fähigkeiten
•
Schlüsselqualifikationen („soft skills“)
1. Die Durchführung von Experimenten d. h. eine „Arbeitsweise der Physik“
erlernen
-
(Experiment planen und aufbauen).
-
Sicherer und kompetenter Umgang mit physikalischen Messgeräten.
-
Messungen durchführen und das Experiment sowie die Messergebnisse
ausführlich und nachvollziehbar dokumentieren. „Ein Messprotokoll schreiben.“
-
Versuch auswerten, d.h. physikalische Größen bestimmen.
-
Fehler für die Ergebnisse berechnen oder abschätzen: Welche Aussagekraft
haben meine Ergebnisse überhaupt?
-
Arbeiten in einem Team.
2. Physikalisches Verständnis durch eigenes Tun vertiefen.
Konfuzius (chinesischer Philosoph): 500 v. Chr.
erzähle mir
und
ich vergesse
zeige mir
und
ich erinnere mich
lass es mich tun
und
ich verstehe
3. Eigenständiges Erarbeiten eines überschaubaren Themas und die
schriftliche Präsentation eigener Ergebnisse unter
wissenschaftlichen Gesichtspunkten erlernen.
-
Literatur finden.
-
Wesentliche Informationen zu einem Thema klar darstellen.
-
Reflexion der Aussagekraft der experimentellen Ergebnisse, d.h.
eigene Arbeiten kritisch bewerten und in einen Zusammenhang
mit Bekanntem stellen.
Ablauf des Praktikums:
1. Vorbereitungsphase
Um das Praktikum sinnvoll durchführen zu können, ist eine gründliche
Vorbereitung notwendig!
•
Versuchsanleitung
kein Lehrbuch
kein Skript
Beispiel: Fadenpendel
• Stichworte im Text: z. B. „mathematisches Pendel“ oder „ Schwingungsdauer“
• Literaturvorschläge im allgemeinen Teil der Versuchsanleitung.
z. B.: Bergmann Schäfer Serie Band 1: Mechanik, Akustik, Wärme
Beispiel: Wärmeausdehnung
• Hinweise zur Vorbereitung
• Literaturvorschläge
Vor dem Praktikumstag fassen Sie die Grundlagen zu dem Versuch
schriftlich zusammen und bringen sie am Praktikumstag mit.
• Direkter Bezug zum Versuch
• Zusammenhängende Sätze, keine Stichwortsammlung
• Umfang etwa zwei DIN A4 Seiten
• Grundsätzlich dürfen die Grundlagen auch „mit Hand“ geschrieben
werden.
• Zu jeder Abbildung gehört eine Bildunterschrift.
• Verwendete Symbole für physikalische Größen müssen definiert werden.
• Für physikalische Größen verwendet man kursive Buchstaben.
Beispiele: „Die Masse der Kugel m beträgt 1 kg.“
„Wir messen die Stromstärke I und die Spannung U, um den Widerstand R
Ω
zu berechnen. Mit U = 5 V und I = 1 A erhalten wir R = 5
.“
Umgang mit Internetquellen:
• Zusätzliche Informationsquelle, kein Lehrbuchersatz!
• Achten Sie auf die Zuverlässigkeit der Quelle.
• Kopieren von Texten für die schriftliche Zusammenfassung der
Grundlagen ist nicht erlaubt, auch nicht abschnittsweise!
• Abbildungen aus dem Internet müssen als solche mit genauer
Quellenangabe gekennzeichnet werden.
Beispiel:
Abb. 1: Unterschiedliche Linsenformen und deren Bezeichnungen.
Quelle: Internet-Enzyklopädie: Wikipedia
http://de.wikipedia.org/wiki/Linse_%28Optik%29
2. Der Praktikumstag: Durchführung des Versuchs
•
Sie führen die Experimente in Gruppen von 2 Personen durch.
•
Ihnen stehen zur Durchführung des Experiments drei Stunden zur
Verfügung.
•
Während dieser Zeit findet ein Gespräch von 15 min bis maximal 30 min
mit dem Praktikumsbetreuer statt.
•
Helfen Sie sich in den ersten 5 min bis 10 min gegenseitig beim Erkennen
und der Bedienung der Praktikumsgeräte.
•
Machen Sie sich mit der Funktionsweise aller Einzelteile vertraut.
•
Spielen Sie nach Möglichkeit die Messprozedur zunächst qualitativ durch.
•
Während der Versuchsdurchführung schreiben Sie ein Messprotokoll.
•
Das Messprotokoll ist ein Dokument! (kein Bleistift)
•
Falsche Einträge werden durchgestrichen (gegebenenfalls kommentiert).
•
Nach dem Versuch wird das Messprotokoll vom Betreuer unterschrieben.
•
Arbeitsplatz sauber, vollständig und funktionsfähig hinterlassen!
Das Messprotokoll enthält im Einzelnen:
• Namen der Praktikanten und Datum
• Überschrift des Versuchs
• Benötigte Formeln (Symbole definieren)
• Skizze der Versuchsanordnung
• Kurze Angaben über das Messverfahren und die Messgeräte
• Direkte Messergebnisse (mit Einheiten!), übersichtlich z.B. als
Tabelle (keine Umrechnungen im Kopf durchführen!)
• Geschätzte Messunsicherheiten für alle direkt gemessenen Größen
• Alle Besonderheiten: z. B. Wechsel eines Messgerätes,
Stromausfall während des Praktikums, Gewitter, schwüle Luft (hohe
Luftfeuchtigkeit), Fenster öffnen (Änderung der Raumtemperatur),…
Beispiel:
Name 1
Name 2
Datum
Messprotokoll
Messung eines Ohmschen Widerstandes
Ohmsches Gesetz: R = U / I
U : Spannung
I : Stromstärke
Versuchsskizze
V
R
A
Messgeräte: Digital
Multimeter VC140 von
Voltkraft
Messwerte
Fehler
U [V]
I [mA]
∆U = 0,3V
7,8
35
∆I = 3 mA
15,6
65
23,4
78
31,3
126
39,0
142
46,9
171
Nach dem 3.
Wertepaar wurde bei
dem Voltmeter die
Batterie ersetzt.
3. Ausarbeitung des Versuchsprotokolls
1. Deckblatt: Thema des Versuchs, Datum, Namen der Praktikanten, Name
des Betreuers
2. Schriftliche Zusammenfassung der Grundlagen (Vorbereitung)
3. Original-Messprotokoll (dokumentiert die Versuchsdurchführung)
4. Auswertung: Berechnung der physikalischen Größen
5. Fehlerrechnung
6. Diskussion der Ergebnisse
7. Vergleich mit Literaturwerten (wenn möglich)
8. Zusammenfassung der sinnvoll gerundeten Ergebnisse
9. Literaturangaben
Geben Sie das gesamte Versuchsprotokoll ordentlich
in eine Mappe geheftet ab.
Sinnvoll Runden?
Allgemein wird jedes Messergebnis einer Größe angegeben als:
Messwert = Bestwert ± Unsicherheit
x = x Best ± δx
Beispiel: Bestwert für eine gemessene Zeit: T = 2,4s
wahrscheinlicher Bereich: 2,3s ≤ T ≤ 2,5s
T = 2,4s ± 0,1s = ( 2,4 ± 0,1)s
Definition: Unsicherheit δx ist immer positiv.
x Best + δx höchster wahrscheinlicher Wert der Messgröße
x Best − δx niedrigster wahrscheinlicher Wert der Messgröße
Die Unsicherheit δx ist ein Schätzwert.
Unsinn wäre z. B.: g = (9,82 ± 0,02385) m/s 2
Sinnvoll ist hier
g = (9,82 ± 0,02)m/s 2
Messunsicherheiten werden auf eine signifikante Stelle gerundet.
Ausnahme: An der führenden Stelle der Unsicherheit steht eine 1.
δx = 0,14 : Runden auf δx = 0,1 entspräche einer Verminderung um 40% .
Welche Stelle des Messwertes ist signifikant?
Unsinn wäre z. B.: v = (124,1234567 ± 7) m/s
Sinnvoll gerundet: v = (124 ± 7) m/s
Bei der Angabe von Messergebnissen sollte die letzte signifikante
Stelle des Bestwertes dieselbe Größenordnung haben (an der selben
Dezimalstelle stehen) wie die Messunsicherheit.
Ausnahme: An der führenden Stelle der Unsicherheit steht eine 1.
Beispiel:
l = (27,6 ± 1,2)cm
In Rechnungen sollte jedoch mindestens eine Stelle mehr mitgenommen
werden, gerundet wird erst am Ende.
unübersichtlich ist:
e = (1,61 ⋅10 −19 ± 5 ⋅10 − 21 )C
wesentlich besser ist:
e = (1,61 ± 0,05) ⋅10 −19 C
Relative Unsicherheiten:
Beispiel: Länge l = 1 km,
Länge l = 5 cm,
δl = 1cm „genaue Messung“
δl = 1cm „grobe Messung“
Die absolute Messunsicherheit sagt nichts über die Qualität einer Messung aus.
Definition: relative Unsicherheit =
Beispiel: l = (50 ± 1)cm ⇒
δl
l Best
δx
x Best
=
Die relative Unsicherheit ist
dimensionslos!
1
= 0,02
50


Ergebnis angeben: l = 50cm(1 ± 0,02 ) = 50cm1 ±
2 

100 
Schreibweise l = 50cm ± 2% soll nicht verwendet werden.
Literaturangaben:
Beispiel:
Liste der verwendeten Literatur:
1. Physik, Tipler, Spektrum Akademischer Verlag.
2. Lehrbuch der Experimentalphysik, Bergmann-Schäfer, Band 1,
Mechanik Akustik, Wärme, Walter de Gruyter Verlag.
3. Fehleranalyse, John R. Taylor, VCH Verlag.
Kennzeichnung im Text:
Beispiel:
„Der Literaturwert für den Längenausdehnungskoeffizienten von
−
−
Aluminium beträgt: α = 24 ⋅10 K [1].“
6
1
Regeln zur Abgabe der Versuchsprotokolle:
• Die Protokolle zu den Versuchen müssen immer am folgenden
Praktikumstag abgegeben werden!
• Falls ein Protokoll nicht in Ordnung ist muss es am folgenden
Praktikumstag verbessert wieder vorgelegt werden. Dabei bitte das
ursprüngliche Protokoll und die Korrekturen abgeben.
• Ein Protokoll darf maximal dreimal abgegeben werden. Wenn es dann
immer noch nicht testiert wurde gilt es als endgültig nicht bestanden.
• Den Termin (Deadline) bis zu dem alle Protokolle testiert sein müssen
finden Sie im allgemeinen Teil der Versuchsanleitung. Protokolle, die bis
dahin nicht testiert wurden gelten als nicht bestanden.
• Wichtig: Heben Sie testierte Protokolle sorgfältig auf!
Sicherheitshinweise
Bitte befolgen Sie die Sicherheitshinweise gewissenhaft:
1. Um sich selbst nicht zu gefährden und
2. die Praktikumsgeräte nicht zu beschädigen!
Sicherheitshinweis für das Experimentieren mit Elektrizität.
Wenn eine elektrische Schaltung aufgebaut oder umgebaut wird muss
vor dem Anlegen der Spannung
die Schaltung von einem Praktikumsbetreuer überprüft werden.
Sicherheitshinweise für das Arbeiten mit Lasern, Laserdioden und
starken Lichtquellen (z. B.: Hg-Lampe, Leuchtdiode)
•
Niemals direkt in den Laserstrahl oder die Lichtquelle schauen
(Netzhautschädigung).
•
Nicht mit optischen Geräten (wie z. B. einem Fernglas) in den
Laserstrahl oder die Lichtquelle blicken.
•
Achten Sie darauf, beim Justieren niemanden im Praktikumsraum
anzustrahlen.
•
Halten Sie keine reflektierenden Gegenstände in den Strahl.
•
Legen Sie Uhren, Ringe usw. ab, um unbeabsichtigte Reflexionen zu
vermeiden.
Sicherheitshinweise für das Arbeiten mit radioaktiven Präparaten
Ziele: Jede unnötige Strahlenexposition oder Kontamination von Mensch
und Umwelt ist zu vermeiden. Jede Strahlenexposition oder
Kontamination von Mensch und Umwelt ist so gering wie möglich zu
halten.
• Lassen Sie sich das Präparat erst dann vom Betreuer geben, wenn
Sie sofort mit den Messungen beginnen können und geben Sie es
nach dem Ende der Messungen sofort zurück.
• Halten Sie einen größtmöglichen Abstand zum Präparat.
• Waschen Sie sich die Hände wenn Sie das Präparat angefasst haben.
• Essen und trinken Sie nichts wenn Sie den Versuch durchführen.
Nichtbeachtung der Sicherheitshinweise kann den
Ausschluss vom Praktikum bedeuten!
Tipps zur Organisation und Arbeitsteilung
Als Gruppe (Team) führen Sie den Versuch gemeinsam durch, schreiben
dabei ein Messprotokoll und fertigen ein Versuchsprotokoll an.
Unsere Empfehlung:
• Treffen Sie sich zur Vorbereitung, erklären Sie sich gegenseitig
„die Physik“ und reden Sie über das geplante Experiment.
• Sprechen Sie auch über die Auswertung des Versuchs und die
Fehlerrechnung und arbeiten Sie das Versuchsprotokoll gemeinsam
aus.
Konflikte bei der Zusammenarbeit:
• Nicht verdrängen, sich ärgern und alleine arbeiten.
• Frühzeitig ansprechen (konstruktive Wortwahl), gemeinsam
Lösungen suchen und wenn nötig Hilfe holen.