EXPERIMENTIERÜBUNGEN FÜR LEHRAMTSKANDIDATEN

Prof. Dr. Gerd Hermann
EXPERIMENTIERÜBUNGEN FÜR LEHRAMTSKANDIDATEN
Sehr geehrte Teilnehmerin, sehr geehrter Teilnehmer!
Herzlich willkommen in den Experimentierübungen für Lehramtskandidaten!
Dieses Praktikum der Experimentalphysik will die kreative Ideenfindung beim Konzept und das Geschick zur Durchführung von zur Demonstration physikalischer Phänomene geeigneten Experimenten
fördern. Es unterscheidet sich wesentlich von den anderen Praktika, die Sie bisher kennen lernten. So
finden Sie hier zum Beispiel keine fertig aufgebauten Versuche mehr vor. Hilfsmittel sind Geräte wie
sie in einer Schulsammlung vorzufinden sind. Gelegentlich ist auch Improvisationsvermögen gefragt.
Das Praktikum entspricht insofern bereits Ihrer künftigen Herausforderung, als Lehrer Unterricht mit
Experimenten aus einer Sammlung vorbereiten und bestreiten zu müssen.
Wie läuft das nun ab? Sie wählen für jeden Praktikumtermin ein Thema, zu dem Sie Demonstrationsexperimente vorbereiten und erproben wollen. Erinnern Sie sich bitte zunächst an alle wesentlichen
Zusammenhänge, die zu dem jeweils gewählten Thema mit Hilfe von Experimenten demonstriert,
bestätigt oder illustriert werden sollen! Wenn die Erinnerung versagt, kommen Sie um ein erneutes,
gründliches Studium dieses Gegenstands nicht herum. Erarbeiten Sie dann ein kurzes, dennoch klares
und umfassendes Experimentierprogramm (Experimentierplan: 1 DIN A4-Seite)! Nur wenn Sie mit
grundlegendem Verständnis der wesentlichen Zusammenhänge und mit einem wohlüberlegten Arbeitsplan kommen, ist ein sinnvoller Praktikumverlauf zu erwarten.
Klären Sie also zunächst, welche wesentlichen Zusammenhänge und Gesetze es zu dem gewählten
Thema gibt! Auswahl und Optimierung des Programms durch sinnvolle Beschränkung setzt Übersicht
voraus!
Überlegen Sie sich vorher genau, was Sie zu dem gewählten Thema mit den vorhandenen Geräten (s.
Geräteliste) zeigen können und wollen: Welche Versuche sind besonders geeignet, die wesentlichen
Zusammenhänge klarzustellen? Welche Versuchsergebnisse machen Zusammenhänge unmittelbar
quantitativ deutlich (z.B. Proportionalitäten oder Potenzgesetze)? Solche Experimente sind der Aufnahme langer Meßreihen im Unterricht oftmals vorzuziehen.
Treffen Sie Ihre Themenwahl insgesamt möglichst vielseitig und versuchen Sie im Verlauf des Praktikums, Experimente zu allen wichtigen Gebieten zu entwerfen und zu erproben. Bemühen Sie sich,
jedes Experiment zu einem deutlichen Ergebnis zu führen. Nur Experimente, die das Demonstrationsziel klar erfüllen, sind zur Präsentation geeignet. Unsere Anleitung will Ihnen dazu Anregungen geben.
Merken Sie sich besonders erfolgreiche Experimentierprogramme! Sie haben am Ende des Semesters
Gelegenheit, Ihre Kolleginnen und Kollegen an Ihrer Erfolgsbilanz teilnehmen zu lassen. Abschließend zeigt dann jeder Teilnehmer in einem Vortrag mit Experimenten über ein selbstgewähltes Thema, wie ein Gegenstand der Physik erfolgreich mit grundlegenden und verständnisfördernden Experimenten präsentiert werden kann. Dieser Abschlussvortrag hat ein oder mehrere Experimente zu einem Thema Ihrer Wahl zum Gegenstand. Er soll Ihren Kollegen und Betreuern eine sinnvolle Konzeption und Durchführung vorstellen.
Mit den besten Wünschen für einen Verlauf mit Erfolg und Freude bin ich
Ihr
Gerd Hermann
EXPERIMENTIERÜBUNGEN FÜR LEHRAMTSKANDIDATEN - ÜBERSICHT
Sachgebiet
Thema bzw. Versuche
Kürzel
Mechanik
Pendelversuche: Fadenpendel,
Federpendel, Koppelschwingungen,
erzwungene Schwingungen, el. u. unel. Stoß
MP
Experimente mit der Luftkissenbahn:
Kinematik, Stöße, Schwingungen
ML
Schall/Akustik
Schallausbreitung
Aa
Optik
Geometrische Optik:
Reflexion, Brechung, Farbenlehre
optische Linsen u. Spiegel
OGa
Optische Apparate:
Linsen, Spiegel, Abbildungen, Kamera,
Projektor, Fernrohr, Mikroskop
OGb
Optische Beugung und Interferenz
OWa
Versuche mit der Wellenwanne
OWb
Gesetze der Elektrik:
Coulomb-, Lorentz-, Induktionsgesetz
EG
Stromkreise:
Reihen- und Parallelschaltungen
reeller und komplexer Widerstände
Parallel- und Reihenresonanz
ESa
Anwendungsbeispiele für den Oszillographen,
Schwingkreise, Kennlinien
ESb
Der Transformator
EMa
Motoren und Generatoren
EMb
Dioden, Transistoren, Optoelektronik
EEa
Analoge Operatiosverstärkerschaltungen
EEb
Digitale Schaltungen, Rechner
EEc
Atom- und Molekülsprektren
AS
Experimente mit freien Elektronen:
Fadenstrahlrohr
Elektronenbeugung
AE
Versuche mit Röntgenstrahlung
AR
Wärme-Kraft-Prozeß:
Stirling-Motor
Kältemaschine, Wärmepumpe
Ta
Kalorik:
elektrische und mechanische Messung der spezifischen
Wärmekapazität, kalorimetrische Messung von Wärmekapazitäten, Dulong-Petitsches Gesetz
Tb
Wellenoptik
Grundlagen der
Elektrik
Elektrische
Maschinen
Elektronik
Atomphysik
Thermodynamik
1
ANREGUNGEN ZU EINZELNEN VERSUCHEN
M E C H A N I K:
MP
Pendelschwingungen
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Bestimmen Sie mit Hilfe eines mathematischen Pendels die Erdbeschleunigung!
b)
Erzeugen Sie mit Hilfe einer Feder eine gedämpfte und eine erzwungene gedämpfte Schwingung!
c)
Bauen Sie gekoppelte Pendel gleicher Frequenz; variieren Sie die Stärke der Kopplung sowie eine Frequenz!
Überlegen Sie, wo in der Physik gekoppelte schwingende Systeme eine Rolle spielen!
d)
Führen Sie Stoßversuche mit Pendeln und der Pendelkette aus!
e)
Ergänzen Sie b) durch Demonstrationen mit dem Pohlschen Rad!
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Informieren Sie sich über Mathematisches und Physikalisches Pendel, Reversionspendel, Trägheitsmoment, Steinerscher Satz;
erzwungene und gedämpfte Schwingungen, Schwingungsgleichung, Resonanzkurve, Dämpfungsbreite, nichtharmonische Schwingungen;
gekoppelte Pendel, gekoppelte Schwingungen von Molekülen;
Stoßgesetze, Impuls- und Energieerhaltung, elastischer und unelastischer Stoß.
2
M E C H A N I K:
ML
Experimente mit der Luftkissenbahn
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Zeigen Sie gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegung!
Vorgabe: Realisieren Sie eine Zeitmessung, deren Start elektronisch mit dem Start der Bewegung synchronisiert wird!
b)
Bestimmen Sie mit Hilfe der schief gestellten Luftkissenbahn die Erdbeschleunigung!
c)
Verifizieren Sie Impuls- und Energieerhaltungssatz!
d)
Erzeugen Sie ungedämpfte, gedämpfte, gedämpfte erzwungene und gekoppelte Schwingungen!
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Informieren Sie sich über Kinematik, Masse, Gewicht, Erdbeschleunigung; Impuls- und Energieerhaltung, elast. und inelast. Stoß, Energieübertragung bei Stößen in Abhängigkeit vom Massenverhältnis,
Schwingungen, erzwungen und gedämpfte Schwingung, Resonanz, Eigenschwingungen gekoppelter
Systeme, gekoppelte Schwingungen von Molekülen.
3
SCHALL/AKUSTIK
Aa
Experimente zur Schallausbreitung
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Demonstrieren Sie die Welleneigenschaften des Schalls! Zeigen Sie Interferenzen und stehende Wellen!
b)
Demonstrieren Sie resonante Energieübertragung zwischen Stimmgabeln! Diskutieren Sie
die Eigenschaften des Resonanzkastens und die Abstrahlung eines Oszillators als Schallsender!
c)
Bestimmen Sie die Schallgeschwindigkeit!
d)
Demonstrieren Sie Versuche und Anwendungsbeispiele aus dem Themenkreis Schall (z.B.
Schwebungen, Klänge, Echolot, Ultraschall)!
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Studieren Sie die Grundlagen zur Schallausbreitung in Gasen, Füssigkeiten und Festkörpern;
Schallgeschwindigkeit, Schalldruck; Grund- und Oberwellen; Weber-Fechner-Gesetz, Dezibel,
Phon.
4
O P T I K: - Geometrische Optik -
OGa
Reflexion, Brechung und Farbenlehre
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Demonstrieren Sie mit Hilfe der optischen Scheibe und des Modellinsensatzes
das Reflexionsgesetz,
das Snelliussche Brechungsgesetz,
das Abbildungsgesetze,
die Totalreflexion und den Brewster-Winkel.
b)
Zeigen Sie das Zustandekommen des Grenzwinkels der Totalreflexion und des Brewsterschen Winkels sowie deren Abhängigkeit vom Brechungsindex des Materials.
c)
Leiten Sie das Abbildungsgesetz her. Welche Besonderheiten lassen sich demonstrieren?
d)
Demonstrieren Sie die Linsenfehler am Modell.
e)
Bestimmen Sie die Brennweite des Konkav/Konvex-Spiegels.
f)
Messen Sie den Winkel, um den ein Lichtstrahl beim Durchgang durch ein Prisma abgelenkt
wird, in Abhängigkeit vom Einfallswinkel.
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Studieren Sie die Wirkung von Prismen und Linsen. Erörtern Sie Abbildung, Abbildungsfehler bei
Linsen und Spiegeln, die Korrektur von Abbildungsfehlern, Polarisation des Lichtes bei Reflexion!
Informieren Sie sich über Methoden zur Reflexminderung an optischen Oberflächen!
Studieren Sie die Stetigkeitsbedingungen für die Felder der elektromagnetischen Strahlung an
Grenzflächen sowie das optische Reflexionsvermögen nach den Fresnelschen Formeln (erklären Sie
den Brewsterschen Winkel)!
Wiederholen Sie die Grundlagen der Dispersion und Absorption sowie von (Teil-)Reflexion, Brechung! Welche Zusammenhänge bestehen zwischen Brechungsindex und Dielektrizitätskonstante?
5
O P T I K: - Geometrische Optik -
OGb
Optische Abbildung und Apparate
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
b)
c)
Bauen Sie Lochkamera, Kamera und Projektor auf.
Bauen Sie Modelle der verschiedenen Fernrohrarten.
Bauen Sie ein Mikroskop auf.
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Wiederholen Sie Ihr Wissen über Linsen, Entstehung und geometrische Konstruktion von Abbildungen mit Linsen und Spiegeln, Linsensysteme, Abbildungsfehler bei Linsen und Spiegeln.
Betrachten Sie Kamera, Auge und Diaprojektor: Abbildung, Kondensorsystem.
Aufbau und Wirkungsweise verschiedener Fernrohrtypen und des Mikroskops; Aufbau, Vergrößerungen, Auflösungsvermögen, Feldlinsen.
6
O P T I K: - Wellenoptik -
OWa
Beugung und Interferenz
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Erzeugen Sie mit Laserlicht die Beugungsfiguren von Spalt, Doppelspalt, Dreifachspalt usw.
und von 2 Gittern und vergleichen Sie mit der Theorie.
b)
Bestimmen Sie mit dem Gitter die Wellenlänge des Laserlichts und bei bekanntem l die
Breite eines variablen Spaltes.
c)
Erzeugen Sie mit diesem Spalt und mit natürlichem Licht (Hg-Höchstdrucklampe) Beugungsfiguren.
d)
Erzeugen Sie Interferenzen mit einer Glimmerplatte (Hg-Lampe oder Na-Dampf-Lampe).
e)
Justieren Sie die Spiegel des He-Ne-Lasers so, daß der Laservorgang einsetzt.
f)
Verändern Sie die Eigenschaften des Resonatorraumes (Spiegel, Haar, Glasplatte). Betrachten und diskutieren Sie verschiedene Lasermoden!
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Informieren Sie sich erneut über:
Beugung am Spalt, Doppelspalt, Gitter, Gitter im Spektralapparat, Auflösung und freier Spektralbereich, Kohärenz, zeitliche und räumliche Kohärenz, Prinzip und Aufbau eines Lasers.
Achtung (!): Bitte dejustieren Sie den Laser nicht! Nach Versuchsende nicht demontieren!
spez. Literatur:
Anleitungsheft He-Ne-Laser 50, (Kopie Nr.: 5)
7
E L E K T R I Z I T Ä T S L E H R E: - Grundlagen der Elektrik Gesetze der Elektrik
EG
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Demonstrieren Sie die Coulombkräfte zwischen Ladungen (qualitativ)!
b)
Demonstrieren Sie die qualitativen Aussagen des Coulomb Gesetzes!
(F = F(q1, q2, r) )
c)
Demonstrieren Sie die Lorentzkraft an einer stromdruchflossenen Leiterschleife im Magnetfeld (qualitativ)!
d)
Demonstrieren Sie die quantitativen Aussagen des Lorentzgesetzes!
e)
Diskutieren Sie einfache Möglichkeiten der quantitativen Ladungs- und Magnetfeldmessung
in den vorangegangenen Experimenten! Erörtern Sie die ballistische Messung des Induktions-Spannungsstoßes! Messen Sie die Ladung mit Hilfe eines Faraday-Bechers und eines
elektrostatischen Voltmeters bekannter Kapazität!
f)
Zeigen Sie den Verlauf elektr. Feldlinien
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Wiederholen Sie:
Definitionen und von Zusammenhängen zwischen den Größen: Ladung, Spannung, Elektrische
Feldstärke, Dielektrische Verschiebungsdichte.
Betrachten Sie: Kräfte zwischen Ladungen, Materie im elektr. Feld, Kondensator.
Informieren Sie sich über: Kräfte auf bewegte Ladungen, Lorentzkraft, magn. Feld, Induktion, Materie im magnetischen Feld, Messung magnetischer Felder.
Was folgt aus den Maxwellschen Gleichungen in integraler Schreibweise für einfache Anordnungen
(Plattenkondensator, geladene Kugel, Spule, ...)?
Überlegen Sie, welche Möglichkeiten es gibt, die Zusammenhänge quantitativ zu demonstrieren.
8
E L E K T R I Z I T Ä T S L E H R E: - Grundlagen der Elektrik Stromkreise/ Ohmsches Gesetz
ESa
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Variieren Sie mit Hilfe von Schiebewiderständen in einem Stromkreis
1. die Stromstärke (Verbraucher z.B. Reuterlampe),
2. die Spannung!
b)
Bestimmen Sie den Widerstand mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes, wobei Strom und Spannung gleichzeitig gemessen werden sollen.
Überlegen Sie dabei, worauf man achten muß, wenn man kleine bzw. große Widerstände mit
dem kleinstmöglichen Fehler bestimmen will.
c)
Messen Sie den Wechselstromwiderstand einer Spule oder eines Kondensators als Funktion
der Frequenz! Zeichnen Sie eine Graphik!
Vergleichen Sie den Widerstand der Spule mit und ohne Kern bei 50 Hz! Demonstrieren Sie
die Wirkung der Permeabilität !
d)
Entladen Sie einen Kondensator über einen Widerstand und bestimmen Sie aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung die Kapazität. Verwenden Sie evtl. einen Oszillographen (Speicher)!
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Wiederholen Sie:
Strom- und Spannungsquellen, Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Gesetze, Strom- und Spannungsmessung bei Gleich- und Wechselstrom, Ohmsche und nichtohmsche Widerstände;
Innenwiderstand von elektrischen Geräten und Meßinstrumenten; Typen, Eigenschaften und Bezeichnungen von Meßinstrumenten (Symbole am unteren Skalenrand) sowie ihre Grundschaltungen
und spezifische Meßfehler;
Schein- und Blindwiderstand, Impedanz;
Phasenwinkel, "RC-Zeit";
Darstellung von Wechselstromgrößen.
9
E L E K T R I Z I T Ä T S L E H R E: - Grundlagen der Elektrik Anwendungsbeispiele für Oszillographen und Meßinstrumente
ESb
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Stellen Sie das Oszillogramm einer Gleich-, Sinus- und Rechteckspannung dar (und bestimmen Sie die Frequenzen).
b)
Erzeugen Sie eine gedämpften Sinusschwingung.
c)
Erzeugen Sie einige spezielle Lissajoussche Figuren und stellen Sie sie auf dem Oszillographen dar.
d)
Zeigen Sie die Phasenbeziehung, die zwischen Strom und Spannung am Kondensator besteht
(2 Methoden).
e)
Nehmen Sie den Frequenzgang von Strom und Spannung an einem Reihen- und Parallelresonanzkreis auf.
f)
Verwenden Sie den Oszillographen als Kennlinienschreiber für eine Diode.
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Erklären Sie die Funktionsweise der Brownschen Röhre.
Studieren Sie die Veränderungen elektronischer Signale (z.B. Sinus, Dreieck, Rechteck) an einem
Hochpaß oder Tiefpaß. Informieren Sie sich über das Fourierspektrum (Oberwellen) einfacher Signale!
Bauen Sie einen Hochpaß und einen Tiefpaß! Demonstrieren Sie den Einfluß komplexer Widerstände auf Phase und Amplitude von Stromsignalen! Studieren Sie Resonanz- und Schwingungseigenschaften des Reihen- und Parallelresonanzkreises. Erklären Sie Herleitung und Lösung der
Thomsonschen Schwingungsformel.
10
E L E K T R I Z I T Ä T S L E H R E: - Elektrische Maschinen -
EMa
Der Transformator
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Schreiben Sie das Induktionsgesetz auf und demonstrieren Sie (qualitativ) den Einfluß der
einzelnen Parameter auf die induzierte Primär- und Sekundärspannung.
b)
Untersuchen Sie am Experimentiertrafo, wie die Spannungen, die Ströme und die Widerstände von Primär- und Sekundärseite vom Windungszahlverhältnis abhängen.
c)
Erörtern und messen Sie Wirk- und Blindströme im unbelasteten und belasteten Zustand.
d)
Bauen Sie ein Modell einer Überlandleitung. Wie wirken sich Leitungswiderstände in den
verschiedenen Bereichen der Strecke aus?
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Wiederholen Sie:
Induktionsgesetz, Materie im magnetischen Feld, Hysterese, Remanenz, Koerzitivkraft. Transformatoren für hoch- und niederfrequente Wechselspannungen. Wo treten Streufelder auf und was bewirken sie?
Wirkungsgrad und Verluste. Zeigerdiagramm im Leerlauf bzw. belasteten Zustand. Wie wirkt sich
ein sekundärseitiger Widerstand auf den Primärstromkreis aus?
Wie ist ein elektrisches Versorgungsnetz vom Stromerzeuger bis zum Kleinverbraucher aufgebaut?
Scheitel-, Effektivspannungen im Wechsel- und Drehstromnetz.
11
E L E K T R I Z I T Ä T S L E H R E: - Elektrische Maschinen Generatoren und Motoren, Motorbaukasten
EMb
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Bauen Sie einen Gleichstrommotor mit Permanentmagnet.
b)
Bauen Sie einen Haupt- und Nebenschlußmotor und nehmen Sie die Kennlinien [M = f (n)]
auf.
c)
Versuchen Sie, die Motoren aus (a) und (b) mit Wechselspannung (U < 20 V) laufen zu lassen (Allstrommotor).
d)
Bauen Sie Gleich- und Wechselspannungsgeneratoren (Beachten Sie dabei die Anleitung).
e)
Bauen Sie einen leistungsfähigen Drehsstromgenerator (N > 1 W) und betreiben Sie damit
einen Drehstrom-Asynchronmotor (Käfig- bzw. Kurzschlußläufer).
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Wiederholen Sie:
Gleichstrommotor, Wechselstrommotor, Synchron-, Asynchronläufer, Haupt- und Nebenschlußmotor, Lastverhalten, Drehstrom, Stern- und Dreieck-Schaltung.
spez. Literatur: Kopie Nr. 1 zum Motorbausatz
12
E L E K T R I Z I T Ä T S L E H R E: : - Elektronik -
EEa
Halbleiterbauelement
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Einen Transistor kann man sich aus einer Diodenkombination aufgebaut denken. Nehmen
Sie eine Diodenkennlinie an einem Transistor (z.B. die Emitter-Basis-"Eingangskennlinie")
auf.
b)
Nehmen Sie einige weitere Transistorkennlinien auf.
c)
Bauen Sie eine Verstärkerschaltung.
Aufgaben zur Durchführung und Vorbereitung:
Informieren Sie sich über elektr. Eigenschaften von Festkörpern (Metalle, Halbleiter, Isolatoren),
Dotierung, p-n-Übergang, Kennlinien von Dioden und Transistoren, Transistorverstärker (Grundschaltungen, Emitter- und Kollektorschaltung);
Bändermodell des Halbleiters, Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitung; WiedemannFranzsches Gesetz;
andere elektronische Halbleiterbauelemente (z.B. Thyristor, Triac, Photowiderstand, Photodiode,
Phototransistor, PTC-, NTC-Widerstände).
spez. Literatur: Lehrbücher der Experimentalphysik (z.B. Gerthsen), Kopie Nr.: 4
13
E L E K T R I Z I T Ä T S L E H R E: - Elektronik - EEb
Analoge Operationsverstärkerschaltungen
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Bauen Sie einfache Analogrechner:
Summierer, Subtrahierer, Integrator, Differenzierer, Logarithmierer!
b)
Demonstrieren Sie die Funktion Ihrer Schaltungen in geeigneter Weise mit Gleich- oder
Wechselspannungssignalen!
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Informieren Sie sich über Eigenschaften und Grundschaltungen (Umkehr- und Elektrometerverstärker) von Operationsverstärkern, Gegenkopplung, typische Anwendungen;
Analogrechner (Summierer, Differenzierer, Integrator, Logarithmierer, Multiplizierer);
aber auch über UND- und ODER-Gatter, Digitalelektronik, "Flip-Flop"-Schaltungen, Zähler, logische Verknüpfungen, Digitalrechner!
spez. Literatur: U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer-Verlag
14
E L E K T R I Z I T Ä T S L E H R E: - Elektronik Digitale Schaltungen, Rechner (Logitron)
EEc
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Erstellen Sie experimentell die Wahrheitstabelle der UND, ODER, UND/ODER-Bausteine
des Logitrons.
b)
Bauen Sie ein Exclusiv-ODER und erstellen Sie die Wahrheitstabelle.
c)
Bauen Sie einen Halbaddierer und addieren Sie zwei einstellige Dualzahlen.
d)
Addieren Sie mit dem 4 Bit Volladdierer und Decodierer zwei einstellige Dezimalzahlen.
e)
Bauen Sie ein Grundflipflop.
(Warum heißt diese Schaltung auch Entprellschaltung?)
f)
Beschäftigen Sie sich mit dem Flip-Flop-Baustein (JK-MS-Flip-Flop) des Logitrons. Bauen
Sie damit einen Frequenzteiler.
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Informieren Sie sich über Digitalelektronik, logische Verknüpfungen und Boolesche Algebra, "FlipFlop"-Schaltungen, Digitalrechner;
aber auch über Operationsverstärker, Eigenschaften und Anwendungen, Analogrechner (Summmierer, Multiplizierer, Logarithmierer, Differentiator, Integrator).
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A T O M P H Y S I K:
AS
Atom- und Molekülspektren
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
"Bauen" Sie aus einem vorgehaltenen Gitter und Ihrem Auge einen Spektralapparat und betrachten Sie damit das Wasserstoffspektrum.
b)
Untersuchen Sie verschiedene Spektren (Wasserstoff-, Alkali-, He-, Hg-, Cd-Spektrum) nach
(a) oder mit einem selbst aufgebauten Prismen- oder Gitterspektralapparat.
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Studieren Sie Spektren und Termschemen einfacher Atome (Wasserstoff-, Alkali-, He-, Hg-, CdSpektrum) in Emission und Absorption! Ordnen Sie die Hg-Linien zu! Erinnern Sie sich an Auswahlregeln, natürliche Linenbreite, Verbreiterungsmechanismen. Was ist Feinstruktur, was Bahnaufspaltung?
Ferner: Spektren von Molekülen, Rotations- und Schwingungsstruktur. Spektren des schwarzen
Körpers, Strahlungsgesetze.
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A T O M P H Y S I K:
AE
Experimente mit freien Elektronen
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Fadenstrahlrohr
Zeigen Sie, wie sich Elektronen im Magnetfeld verhalten. Bestimmen Sie das Verhältnis
e/m. Verwenden Sie hier das Wellen- oder Teilchen-Modell des Elektrons.
b)
Elektronenbeugungsrohr
Bestätigen Sie die Modellvorstellung von der Wellennatur des Elektrons. Zeigen Sie den
Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Impuls nach der de' Broglie-Beziehung.
c)
Bestimmen Sie zwei Gitterkonstanten des Graphit.
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Informieren Sie sich über die Erzeugung freier Elektronen, geladene Teilchen in elektrischen und
magnetischen Feldern, Bestimmung von eo und eo/m; Welleneigenschaften und Teilcheneigenschaften.
Wiederholen Sie das Gelernte über Bragg-Reflexion, Bragg-, Laue- und Debye-Scherrer-Technik.
Betrachten Sie das Graphitgitter! Welches sind die Basisvektoren des Gitters? Welche liefert das
Beugungsbild?
spez. Literatur: Kopie Nr.: 3
17
A T O M P H Y S I K:
AR
Röntgenversuche
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
1.)
Demonstrieren Sie
a) die Röntgenfluoreszenz des Röntgenschirmes
b) ein Röntgenschattenbild verschiedener Gegenstände.
2.)
Zeigen Sie die Ionisation von Luft durch Röntgenstrahlen (Luftkondensator).
3.)
Bestimmen Sie mit Hilfe eines LiF- und NaCl-Kristalls das charakteristische RöntgenSpektrum der hier verwendeten Röntgenstrahlung.
4.)
Zeigen Sie die Röntgenabsorption verschieden dicker Aluminiumplatten.
5.)
Beachten Sie die Totzeit des Zählrohres (t0).
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Informieren Sie sich über die Erzeugung von Röntgenstrahlen, Röntgenspektrum, charakteristisches
und Röntgenbremsspektrum, Wechselwirkung von Strahlung mit Materie (Photo-, Paar- und Comptoneffekt), Strukturuntersuchungen und Kristallographie, Bragg-Bedingung, Debye-Scherrer-, LaueVerfahren.
spez. Literatur:
Versuchsanleitung Röntgenversuche
Staatsexamensarbeit: H.J. Böhme
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T H E R M O D Y N A M I K:
Ta
Wärme - Kraft - Prozeß
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Betreiben Sie die Stirlingmaschine als Heißluftmotor.
b)
Nehmen Sie das P-V-Diagramm mit Hilfe des P-V-Indikators auf (quantitativ)!
c)
Bestimmen sie den Wirkungsgrad aus der elektrisch zugeführten Leistung und der aus dem
P-V-Diagramm ermittelten.
d)
Betreiben Sie die Stirlingmaschine mit Hilfe des Elektromotors als Wärmepumpe und Kältemaschine.
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Informieren Sie sich über 1. und 2. Hauptsatz der Wärmelehre, P-V-Diagramm, isotherme und adiabatische Prozesse, thermodynamischer Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses, die mechanische Funktion von Arbeits- und Verdrängerkolben, die Funktion des "Regenerators" und die "Carnotisierung".
Welche anderen Wärme-Kraftprozesse kennen Sie? Informieren Sie sich auch über den Peltier- und
Seebeck-Effekt!
unbedingt beachten:
Versuchsfreigabe durch Assistent nach Gespräch erforderlich!
und (!):
Spez. Literatur:Gebrauchsanweisung der Fa. Leybold
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T H E R M O D Y N A M I K: - Kalorik Spezifische Wärmekapazität, Dulong-Petitsches Gesetz
Tb
Vorschläge zum Experimentierprogramm:
a)
Bestimmen Sie die spez. Wärmekapazität von Flüssigkeiten, z. B. Wasser und Ethanol.
b)
Bestimmen Sie die spez. Wärmekapazität einiger Metalle (Al, Cu, Pb, Zn).
c)
Demonstrieren Sie anschaulich die Regel von Dulong-Petit.
d)
Bestimmen Sie die Verdampfungswärme von Wasser.
e)
Demonstrieren Sie die Lösungswärme und die Siedepunktserhöhung am Beispiel von NaClLösungen.
Aufgaben zur Vorbereitung und Durchführung:
Wiederholen Sie die Begriffe Wärme, Temperatur, spezifische und molare Wärmekapazität. Informieren Sie sich über Kalorimeter, Aggregatzustände, den Dampfdruck von Flüssigkeiten und Feststoffen, Phasenübergänge und die Verdampfungswärme. Welche Mechanismen bewirken das Lösen
eines Salzes und wie kommt es dabei zur Temperaturänderung?
Was ist ein Dewar-Gefäß und wie funktioniert die Temperaturmessung mit Hilfe eines Thermoelements? Gibt es weitere Möglichkeiten der Temperaturmessung?
Informieren Sie sich auch über die Prozesse der Wärmeübertragung!