Physik Praktikum Sekunda U
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Physik Praktikum Tertia f Projekt: Infrarot Schülerinnen: Allgemeines: Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter Strom setzen! Material: ITT Kasten Holz ITT Kasten digital IR Diode, IR Fotodiode KO, Tongenerator Anleitung: Bauen Sie einen IR Sender und einen IR Empfänger gemäss beiliegenden Schemata (Blatt ) auf und testen Sie die Übertragung. Untersuchen Sie das Abstandsverhalten, die Durchlässigkeit von Stoffen und die Reflexion mit der Sende – Empfangs – Einrichtung. Falls die Übertragung zu schwach ist, bauen Sie sich einen Sender – Empfänger gemäss Blatt ). Untersuchen Sie mit Ihrerm Empfänger, was eine Infrarot – Fernsteuerung übermittelt (ev. mit Speicheroszilloskop). 15.05.2016 11:24:00/Sö Physik Praktikum Tertia f Projekt: Analog – Digital - Wandler Schüler: Allgemeines: Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter Strom setzen! Material: VC-20 ADC Platine Flachbandkabel zu Userport + Kästchen ITT Kasten Holz Föhn Anleitung: Nehmen Sie den ADC am VC-20 gemäss beiliegender Anleitung in Betrieb und testen Sie. Ersetzen Sie das Potentiometer durch einen NTC gemäss beiliegender Folie und testen Sie bei verschiedenen Temperaturen. Eichen Sie Ihre Einrichtung, so dass Sie am Bildschirm eine Temperatur anstelle des ADC Wertes angeben können (beachten Sie, dass der Zusammenhang Widerstand / Temperatur nicht linear ist!). 15.05.2016 11:24:00/Sö Physik Praktikum Tertia f Projekt: Verstärker Schüler: Allgemeines: Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter Strom setzen! Material: Experimentierkasten ITT Holz Digitalmultimeter Plattenspieler Lautsprecher aus dem MSW Kasten Oszillograf Anleitung: Schliessen Sie den Plattenspieler direkt an den Lautsprecher an, nehmen Sie den Plattenspieler in Betrieb und halten Sie den Lautsprecher ans Ohr. Hören Sie die Musik? Eventuell müssen Sie den Lautsprecher ein- und ausstecken um zu unterscheiden ob der Ton vom Plattenspieler direkt oder vom Lautsprecher kommt. Bauen Sie jetzt den zweistufigen Verstärker nach dem beiliegenden Schema auf. Zeigen Sie mir Ihren Aufbau! Schliessen Sie den Plattenspieler am Eingang des zweistufigen Verstärkers und den Lautsprecher am Ausgang an. Achtung: Wenn es schnarrt, dann ist eine Kabelverbindung nicht in Ordnung. Bewegen Sie die Kabel. Es braucht einiges Fingerspitzengefühl in der Analogtechnik! Schliessen Sie den Oszillografen an den Ausgang des Verstärkers parallel zum Lautsprecher an. Schauen Sie sich die Musik an, welche Sie hören! Weitere Ideen: Mikrofon an Stelle des Plattenspielers Regelung für die Verstärkung Klänge ab Tongenerator 15.05.2016 11:24:00/Sö Physik Praktikum Tertia f Projekt: ALU Schüler: Allgemeines: Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter Strom setzen! Material: Experimentierkasten MSW Testplatine ALU Netzberät 5V Anleitung: Bauen Sie nochmals den 2 – bit – Addierer von früher auf um sich über die Rechenschaltungen ins Bild zu setzen. Machen Sie aus dem Addierer einen Subtrahierer. Siehe dazu den beiliegenden Ausdruck der Website der Uni München. Sehen Sie sich ev. direkt die Seite http://www.nano.physik.uni-muenchen.de/elektronik/nav/k14t1.html an Jetzt soll der Rechner entweder addieren oder subtrahieren können. Die Wahl der Rechenoperation soll über einen Schalter geschehen. Die entsprechende Schaltung finden Sie wieder auf der obigen Website unter „Kombinierter Addierer/Subtrahierer. Damit haben Sie eine Ein – Bit – ALU gebaut. ALU = Arithmetic Logic Unit. Eine ALU kann arithmetische oder logische Operationen durchführen, wobei eine Bitkombination bestimmt, welche Operation durchgeführt wird. Bei Ihnen besteht die Bitkombination nur aus einem bit: Der Stellung des Schalters, der Addition oder Subtraktion bestimmt. Die Bitkombination heisst auch Maschinenbefehl. Eine moderne ALU kennt hundert oder mehr Maschinenbefehle, welche im allgemeinen durch eine Kombination von 8 bit voneinander unterschieden werden. Die Logikschaltung 74F181 ist eine komplette 4-bit ALU. Sie sollen diese ALU mit Hilfe einer Test – Platine kennenlernen. Das beiliegende Schaltschema zeigt Ihnen den Aufbau der Testplatine. Die ALU verarbeitet die Operanden A und B, welche hier durch Schalter zu je 4 bit realisiert sind. Welche Operation die ALU durchführt, bestimmt die Selection S, welche hier ebenfalls durch einen 4 - bit Schalter realisiert ist. Im beiliegenden Datenblatt finden Sie die Tabelle der Operationen unter Operation Table. Das Resultat der Operation wird über die Leitungen F ausgegeben. Diese sind mit vier Leuchtdioden verbunden. Beachten Sie bitte folgende Anmerkungen: Anmerkungen: 1. Die Leuchtdiode ganz links zeigt das Carry Cn+4 an. Dieses carry wird auf 1 gesetzt, wenn sich aus der Operation ein Übertrag ergibt. Aus technischen Gründen wird hier leider die Negation des carry angezeigt: Die Diode leuchtet, wenn Cn+4 0 ist! 2. Die nächsten vier Dioden zeigen das Resultat S mit höchstwertigem bit links und niederstwertigem bit rechts. 3. Diode Nr. 7 von links leuchtet, wenn die Schaltung betriebsbereit ist (PWR). 4. C0=Cn ist auf low (inactive) gesetzt. Dieses Carry In würde gebraucht, wenn man mehrere ALUs zusammenschalten möchte um z.B. eine 8 – bit ALU zu realisieren. Die ALU mit den höherwertigen bits würde hier den Übertrag von der ALU mit den tieferwertigen bits beziehen. 5. Der Mode Control Input M bestimmt ob eine logische oder eine arithmetische Operation ausgeführt wird: 1 bedeutet logisch, 0 bedeutet arithmetisch. Man könnte also auch sagen, dass die ALU 5 – bit breite Maschinenbefehle versteht. M stellen Sie mit dem Schalter rechts von S ein. 6. Die Ausgänge G und P werden für schnelle Carry Überträge verwendet und sind deshalb für uns nicht interessant. Der Ausgang A=B ist ein Flag, welches hier nicht herausgeführt wurde. Falls Sie wollen, können Sie das ergänzen und auch gleich den Cn+4 Ausgang invertieren. Bitte mit mir besprechen. Testen Sie die ALU aus. Als Hilfe nachfolgend ein paar Fragen: Fragen: 1. Können Sie z.B. 3+4 rechnen? 2. Wozu dient wohl die Operation F=A? 3. Eine der wichtigsten Operationen bei Maschinenbefehlen ist Decrement. Wie wird das hier realisiert? 4. Wie werden negative Zahlen dargestellt? Stichwort: Zweierkomplement, siehe z.B. http://de.wikipedia.org/wiki/Zweierkomplement 5. Welche logische Operationen kennt die ALU? Maschinenbefehl, Operanden (Summanden, etc.) und Resultat müssen während der Ausführung der Operation zwischengespeichert werden in sogenannten Registern. ALU, Register und weitere Steuerlogik zusammen bilden die CPU (= Central Processing Unit) eines Mikroprozessors, wie zum Beispiel des Pentium. Setzen Sie sich mit Hilfe des Internet oder der Bibliothek weiter ins Bild über das Zusammenspiel von ALU und CPU. Siehe z.B. .: http://de.wikipedia.org/wiki/CPU Ev. könnte aus diesem Projekt der Bau eines einfachen Prozessors resultieren? Datenblatt 74F181: http://www.fairchildsemi.com/ds/74/74F181.pdf http://www.gte.us.es/ASIGN/CE_2T/p1/74F181.pdf http://eshop.engineering.uiowa.edu/NI/pdfs/00/94/DS009491.pdf 15.05.2016 11:24:00/Sö Physik Praktikum Tertia f Projekt: Solarzellen Schüler: Arbeitsplatz: Allgemeines: Es stehen Ihnen noch alle Praktika dieses Semesters für Ihr Projekt zur Verfügung. Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Das kann auch bedeuten, dass sich der Titel Ihres Projektes ändert – geben Sie mir solche Aenderungen bekannt. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter Strom setzen! Material: Demo – Solarzelle mit Propeller Spotlampe Solarzellenmodule des GF Grosse Richtleuchte Stativ und Befestigung Ev. grosse Solarzelle mit Ladegerät Anleitung: Nehmen Sie die Demo – Solarzelle in Betrieb gemäss der beiliegenden Anleitung. Beleuchten Sie die Zelle aus verschiedenen Distanzen (nicht zu nahe – Schmelzgefahr!) und Richtungen mit der Spotlampe. Messen Sie Spannung und Strom der Demo – Solarzelle unter verschiedenen Bedingungen. Führen Sie Messreihen mit den Solarzellen des GF durch, indem Sie entweder mit der Sonne oder der grossen Richtleuchte beleuchten und eine oder mehrere der folgenden Grössen variieren: Lichtintensität, Einfallswinkel, Lastwiderstand, ... Setzen Sie sich an Hand von Literatur und/oder Internet ins Bild über die Funktionsweise von Solarzellen. Sprechen Sie Ihre mit den Gruppen Samuel + Lorenz und Singi ständig ab. Der Einstieg ist für alle Gruppen gleich, aber dann sollte sich jede spezialisieren. 15.05.2016 11:24:00/Sö Physik Praktikum Tertia f Projekt: Kennlinien Schüler: Halbklasse: Arbeitsplatz: Allgemeines: Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Das kann auch bedeuten, dass sich der Titel Ihres Projektes ändert – geben Sie mir solche Aenderungen bekannt. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter Strom setzen! Material: PC auf Wagen mit ULI Interface Zwei Kabel mit DIN- und Bananenstecker bzw. Klemmen MSW Experimentierkasten Netzgerät Kabel Anleitung: Starten Sie den PC und starten Sie das Programm „Logger Pro“. Stecken Sie den DIN Stecker des einen Kabels in die Buchse „DIN 1“ beim ULI: Das ULI mit dem Messprogramm auf dem PC ist Ihr Voltmeter! Bauen Sie mit dem MSW Kasten einen einfachen Stromkreis mit Netzgerät (5V) und 1 k Widerstand auf. Messen Sie die Spannung über dem Widerstand mit dem ULI. Achtung: Roter Stecker bzw. rote Klemme = +, blauer Stecker bzw. schwarze Klemme = -. Beachten Sie, dass im Programm unten im Fenster laufend die aktuelle Spannung angezeigt wird als „Potential = “. Schalten Sie einen 3.3 k Widerstand in Serie zum 1 k Widerstand. Messen Sie die Spannungen über den einzelnen Widerständen und die Gesamtspannung. Stimmen die drei Messungen mit der Theorie überein? Stecken Sie den zweiten DIN Stecker bei „DIN 2“ ein. Wählen Sie im Programm „Setup“, „Sensors ...“ und „DIN 2“. Stellen Sie bei „Sensor“ „Voltage“ ein: Damit können Sie eine zweite Spannung messen; Messen Sie die Spannung über dem 1 k Widerstand über „DIN 2“. Achtung: Sowohl der blaue Stecker, als auch die schwarze Klemme müssen mit 0 V verbunden sein. Sie können also nicht gleichzeitig die Spannung über beiden Widerständen messen, sondern nur über den einen und die Gesamtspannung. Eine Kennlinie ist ein Diagramm, in welchem Spannung gegen Strom aufgetragen werden. Anstatt zwei Spannungen sollten wir also eine Spannung und einen Strom messen können. Wir haben aber nur Voltmeter zur Verfügung. Wenn wir aber den Widerstand kennen, können wir den Strom berechnen (lassen): Für Berechnungen brauchen Sie „Data“, „New Column“, „Formula“. Unter „Options“ können Sie angeben wie die berechneten Daten dargestellt werden (Units = Einheiten nicht vergessen!). Unter „Definition“ sagen Sie, was berechnet werden Soll: Wir wollen den Strom durch den 1 k Wirderstand berechnen auf Grund der Spannung über diesen Widerstand. Wählen Sie dazu unter „Variables“ „Potential_2“. Schreiben Sie bei „Equation“ hinter „Potential_2“ / 1000 (wir dividieren die Spannung durch 1000 (Ohm), denn I = U/R! Es gibt noch eine einfachere Version: Sie dividieren nicht durch tausend und schreiben den Strom mit mA an anstatt A. Wir messen also den Strom mit Hilfe des 1 k Widerstandes. Solange keine Verzweigung im Stromkreis ist, ist dies auch der Strom durch alle andern Schaltelemente, z.B. der Strom durch den andern Widerstand. Die Spannung über den andern Widerstand können wir nicht direkt messen, mit „Potential_1“ messen wir die Gesamtspannung. Also machen Sie nochmals eine „New Column“ und berechnen Sie dort „Potential_1“ minus „Potential_2“. Die Darstellung der beiden neu berechneten Kolonnen stellen Sie ein über „View“, „Graph Options“. Wählen Sie bei „Axis Options“ unter „Y Axis“ die Kolonne mit dem Strom und unter „X Axis“ die Kolonne mit der Spannung. Damit im Graphen etwas vernünftiges zu sehen ist, sollten sich Strom und Spannung ändern. Also ergänzen Sie Ihre Schaltung so, dass Sie mit einem 0 – 10 k Potentiometer die Spannung, die an den beiden Widerständen anliegt zwischen 0 und 5 V verändern können. Mit der Taste „Collect“ können Sie nun eine Messreihe starten. Drehen Sie während der Messung das Potentiometer langsam om einen Anschlag in den andern. Drücken Sie dann auf „Stop“. Haben Sie eine schiefe Gerade gekriegt? Ersetzen Sie den 3.3 kW Widerstand durch eine Diode – das gibt schon eine interessantere Kennlinie! In der Standardeinstellung werden nach „Collect“ laufend Messungen durchgeführt. Sie können aber selber bestimmen, wann eine Messung gemacht wird: Wählen Sie "Setup“, „Data Collection ...“, „Selected Events“: So werden nach „Collect“ dann Messungen durchgeführt wenn Sie entweder auf „Keep“ klicken oder die Eingabetaste drücken bis sie „Stop“ klicken. Beachten Sie folgende weitere Möglichkeiten des Programms: Mit „Edit“, „Copy Graph“ können Sie die Grafik in die Zwischenablage speichern und dann z.B. in Word einfügen. Mit „File“, „Save“ können Sie Ihre momentanen Einstellungen abspeichern für ein nächstes Mal. Mit „Analyze“ können Sie die Daten analysieren: Statistik betreiben und mathematische Funktionen Ihren Daten anpassen etc. Mit „Tangent“ können Sie z.B. die Tangente an die Kurve legen. Die Tangente gibt Ihnen den Kehrwert des Widerstandes in einem Punkt – und der ist bei einer Diode veränderlich! Besprechen Sie mit mir, welche weiteren Schaltelemente Sie untersuchen wollen (z.B. Zenerdiode). Eventuell könnten Sie auch Kennlinien – Scharen eines Transistors aufnehmen. Diodenkennlinie: 30.3.04/Sö Physik Praktikum Tertia f Projekt: Operationsverstärker Schüler: Arbeitsplatz: Allgemeines: Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Das kann auch bedeuten, dass sich der Titel Ihres Projektes ändert – geben Sie mir solche Aenderungen bekannt. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter Strom setzen! Material: Experimentierkasten ITT (Holz) Datenblatt zu Operationsverstärker 741 Multimeter Anleitung: Nehmen Sie den Experimentierkasten in Betrieb. Suchen Sie den Operationsverstärker (siehe Symbol rechts). Verbinden Sie +UB mit der oberen roten Stromschiene (+ 12 V) und - UB mit der unteren schwarzen Stromschiene (- 12 V): Der Operationsverstärker (OpAmp) ist betriebsbereit. Die Funktion ist folgende: Die Spannungsdifferenz zwischen dem „Non – inverting input“ und dem „Inverting input“ wird theoretisch beliebig stark verstärkt und erscheint am „Output“. Als erstes nehmen Sie eine Justierung vor: Wenn die Spannungsdifferenz am Eingang null ist, sollte die Ausgangsspannung auch null sein. Das ist in Realität meist nicht ganz der Fall. Daher ist auf dem Baustein auch ein Potentiometer, das Sie mit einem Schraubenzieher einstellen können. Die Schaltung für diese Justierung finden Sie auf dem beiliegenden Blatt „Operationsverstärker Offsettabgleich“. Eine Einstellung auf +/- 0.1 V genau genügt. Verstärkungsfaktor: Es ist Ihnen sicher aufgefallen, dass bei der vorigen Schaltung ein Widerstand (1 m) vom Ausgang zurück zum Eingang geht. Das ist eine Rückkopplung. Mit Hilfe der Rückkopplung können Sie die Verstärkung verändern. Das Verhältnis der Widerstände in der Figur rechts gibt den Verstärkungsfaktor. In diesem Beispiel ist also vout zehn mal so gross wie vin. Damit Sie vin einstellen können, verbinden Sie diesen Anschluss nicht mit 0V, sondern mit dem mittleren Anschluss eines 10 k Potentiometers. Die beiden Anschlüsse des Potentiometers verbinden Sie mit + 12 V und - 12 V. Messen Sie vin und vout je mit einem Potentiometer. Hoppla: Sobald die Eingangsspannung ganz wenig von 0 V abweicht, ist der Verstärker schon übersteuert, weil Sie eine riesige Verstärkung von 1000 haben, falls Sie immer noch den 1 M Widerstand verwenden. Sie können feiner einstellen, wenn Sie das Potentiometer nicht direkt, sondern je über einen 100 k Widerstand mit der Stromversorgung verbinden. Ersetzen Sie den 1 M Widerstand durch einen 10 k Widerstand wie in der Figur und prüfen Sie den Verstärkungsfaktor. Sie können den Verstärkungsfaktor auch variabel machen mit einem Potentiometer in Serie zum Rückkopplungswiderstand. Ein Operationsverstärker kann auch verwendet werden um etwas ein- und auszuschalten, je nachdem ob eine Spannung grösser oder kleiner als eine andere Spannung ist. Eine solche Schaltung nennt man Komparator. Siehe dazu die beiliegende Anleitung „“Operationsverstärker als Komparator“. Sie haben damit den OpAmp etwas kennen gelernt. Genauere Angaben zum verwendeten OpAmp finden Sie im beiliegenden Datenblatt und wenn Sie noch genaueres wissen möchten, können Sie im Buch „Halbleiter Schaltungstechnik“ von Tietze – Schenk Seiten 479ff bzw. 769ff nachsehen. Es kann jetzt in drei verschiedenen Richtung weitergehen, indem Sie den OpAmp für eine der drei folgenden Anwendungen einsetzen: 1. Sie bauen einen Audioverstärker 2. Sie bauen einen Analogrechner 3. Sie steuern einen Motor mit Licht. Bitte besprechen Sie das „wie weiter“ mit mir! 30.3.04/Sö Physik Praktikum Tertia f Projekt: 555 Schüler: Allgemeines: Gehen Sie zuerst nach meiner Anleitung vor. Sie soll Sie schnell ins Thema einführen. Anschliessend sind Ihre Ideen gefragt um das Thema zu erweitern, abzuändern, etc. Wenn Sie Ihre eigenen Ideen verwirklichen, dann ist es besonders wichtig, dass Sie mich rufen bevor Sie Ihr Experiment unter Strom setzen! Material: Experimentierkasten MSW Testplatine ALU Netzberät 5V Anleitung:
