Computer im Praktikum: Moderne physikalische Versuche

315 Pages·1999·10.483 MB·German

by  Dr. U. Diemer, Prof.Dr. H.-J. Jodl, B. Baser (auth.)

Computer im Praktikum
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Hongkong
London
Mailand
Paris
Singapur
Tokio
Uli Diemer
Bjorn Baser
Hans-Jo rg JodI
Computer
im Praktikum
Moderne physikalische Versuche
Mit 121 Abbildungen
• Springer
Prof. Dr. H.-J. JodI
Dr. U. Diemer
Fachbereich Physik
Universitat Kaiserslautern
Erwin-Schrodinger-StraBe
0-67663 Kaiserslautern
e-mail: [email protected]
[email protected]
B.Baser
Institut fUr Mikrotechnik Mainz GmbH
Abteilung Mikroabformung
Carl-Zeiss-StraBe 18-20
0-55129 Mainz
e-mail: [email protected]
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Computer im Praktikum. Moderne physikalische Versuchel Diemer, U., JodI, H.-J., Bas'er, B.
Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris;
Singapur; Tokio: Springer, 1999
ISBN-13:978-3-642-64135-0 e-ISBN-13:978-3-642-59813-5
DOl: 10.1007/978-3-642-59813-5
ISBN-13:978-3-642-64135-0
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1999
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Vorwort
Es wundert sich heute niemand mehr daruber, daB der Computer die physika
lische MeBtechnik revolutioniert hat. Die Bearbeitung von Daten, sei es z.B.
bei der Erfassung bei Experimenten zur Elementarteilchenphysik in groBen
Teilchenbeschleunigern oder ihre grafische Aufbereitung z.B. in der Astra
nomie, ist ohne ihn nicht mehr denkbar. Eine weitere groBe Rolle spielt der
Computer bei der Simulation von Vorgangen. Sei es in der Wettervorhersage,
wo heute zur Erfahrung des Meteorologen 1 zunehmend die Fahigkeiten des
Kollegen Computer bei der Erstellung der Vorhersage gefragt sind, oder auch
bei der Planung neuer Techniken, sei es in der Forschung oder Industrie, wo
die Computersimulation das Verfahren "trial and error" inzwischen auf we
nige real gebaute Prototypen beschrankt (Simultaneous Engineering), womit
erhebliche Entwicklungszeit und -kosten gespart werden konnen, wenngleich
es auch hier noch Risiken gibt (siehe aktuelle Probleme bei der Entwicklung
neuer PKW-Modelle).
Ganz im Gegensatz dazu steht noch haufig die Ausbildung eines Physikers.
N aturlich haben viele Schuler heute einen Computer zu Hause, verfugen uber
erste Programmierkenntnisse und sind auch sonst im Umgang mit dem Gerat
vertraut. In den seltensten Fallen beschaftigen sie sich aber mit Themen, die
in der Physik wichtig sind, seien es Datenerfassung und Experimentsteuerung
in der Experimentalphysik oder numerische Methoden in der theoretischen
Physik. Auch im Verlauf des Studiums in seiner klassischen Form kommen
Studierende kaum mit den Themen "Moderne MeBtechnik mit Hilfe des Com
puters", "Simulationsmethoden", "Computational Physics" oder "Numerik"
in Kontakt. Viele erwerben die hier notwendigen Kenntnisse erst wahrend
der Zeit ihrer Diplomarbeit.
Diesen Zustand, zumindest fur Experimentalphysiker, zu andern, war Auf
gabe eines von der Bundesrepublik Deutschland und dem Land Rheinland
Pfalz finanzierten Modellversuchs, der von 1991-1995 am Fachbereich Phy
sik der Universitat Kaiserslautern durchgefiihrt wurde. Aufbauend auf ei
ner Analyse bereits bestehender Ansatze und offensichtlicher Defizite wurden
konkrete Beispiele zur Verbesserung der Ausbildungssituation vor allem im
In diesem Buch werden durchweg mannliche Bezeichnungen wie Meteorologe,
1
Kollege, Physiker, Student u.s.w. gebraucht. Die Leserinnen mogen dies den
Autoren nicht verargen und wohlwollend annehmen, daB bier immer beide Ge
schlechter gemeint sind.
VI Vorwort
Bereich der Praktika erarbeitet. Das vorliegende Buch faBt die wesentlichen
Ergebnisse dieses Modellversuchs beispielhaft zusammen und wendet sieh an
Praktikumsleiter, Assistenten, Dozenten und Lehrer. Das Buch gliedert sieh,
entsprechend den Themenschwerpunkten des Modellversuchs, in drei Teile.
Der erste Teil befaBt sich damit, wie ein modernes Praktikum aufgebaut
sein sollte. Dabei wird auch berucksiehtigt, wie die moderne MeBtechnik die
Lernziele eines klassischen Praktikums verandert, ohne dabei aus dem Auge
zu verlieren, was auch weiterhin in klassischer Manier gelernt werden sollte.
Der zweite, und weitaus umfangreiehste Teil, stellt eine Sammlung von
Beispielen dar, wie man moderne MeBtechnik in ein Praktikum einbringen
kann, ohne dabei die Kunst des Messens zu vernachlassigen. Das bedeutet,
daB in einem Anfangerpraktikum nicht mehr als 25-30% der Experimente
mit einem Computer ausgestattet sein sollten. Obwohl das Projekt zunachst
ausschlieBlich fur den Hochschulbereieh konzipiert war, zeigte sieh sehr bald,
daB fast alle erarbeiteten Beispiele in leicht abgewandelter Form auch im
Schulunterrieht eingesetzt werden konnen.
1m dritten Teil wird ein Praktikum beschrieben, in dessen Verlauf der
Physikstudent die Handhabung des Werkzeugs Computer erlernen solI. Ne
ben den fur alle Physiker wichtigen Grundlagen der Numerik und Compu
teranwendung lernen hier Theoretiker und Experimentalphysiker die jeweils
fur sie wichtigen Methoden kennen.
Die Beschreibung der Experimente im zweiten Teil des Buches reieht
von ganz konkreten Versuchsanleitungen, unter der Berucksiehtigung der
Moglichkeiten und Grenzen der speziell fur diese Versuche entwiekelten Pro
gramme, bis zu allgemeinen Beschreibungen der Einsatzmoglichkeiten von
Programmen, die zusammen mit der entsprechenden Hardware ein univer
selles MeBinstrument darstellen. Es wird auch darauf hingewiesen, wo Si
mulationen parallel zu Experimenten sinnvoll eingesetzt werden konnen. Die
Beschreibungen sind so angelegt, daB einerseits ganz konkrete Teile direkt
ubernommen werden konnen, andererseits aber weitere Anregungen fUr ei
gene Varianten und Weiterentwieklungen aufgezeigt werden. Dabei kommen
die Anregungen aus der Praxis und sind fUr Praktiker entwickelt. Wo dies
moglich ist, enthalten die Beschreibungen darum Hinweise, wie wahlweise,
je nach den lokalen Gegebenheiten, kommerzielle Produkte oder aber billi
ge Eigenbauversionen (fUr die die notigen Tips und Tricks angegeben sind)
eingesetzt werden konnen.
Die von uns entwickelten Programme zu den einzelnen Experimenten wer
den jeweils besprochen. Dabei wird Wert darauf gelegt, zu verdeutlichen, wie
groB der jeweilige Funktionsumfang fur den entsprechenden Einsatz sein soll
teo Dies solI ermoglichen, unter Berucksichtigung der Erkenntnisse des o.g.
Modellversuchs, selbst eigene, den lokalen Gegebenheiten besser angepaBte,
Applikationen zu entwickeln. Immer wieder wird auf die, durch manche Fehl
entwicklung bestatigte Erkenntnis verwiesen, daB nieht alles, was machbar
ist, auch sinnvoll ist.
Vorwort VII
Die Struktur des zweiten Teils des Buchs, betrachtet man die Themen der
einzelnen Versuche, mag zunachst sehr heterogen erscheinen. Dies kommt
daher, daB, genau wie in einem Praktikum auch, Themen aus allen Teil
bereichen der Physik angesprochen werden. Trotzdem wurde versucht, eine
gewisse Gliederung nach diesen Teilbereichen zu schafIen. Daruber hinaus
findet sich eine ubergreifende Struktur darin, daB sowohl der Schwierigkeits
grad der Themen, als auch die Komplexitat der Experimente zum Ende hin
immer weiter steigen. Dies zeigt sich darin, daB zum SchluB Experimente
aus dem Fortgeschrittenen-Praktikum ebenso beschrieben werden, wie sol
che, bei denen eine begleitende Simulation eingesetzt werden kann. Am Ende
des zweiten Teils werden zwei Programme vorgestellt, die ganz im Zeichen
des multimedialen Zeit alters stehen und deren Einsatz weniger ein spezielles
Experiment, als vielmehr die Einsatzmoglichkeiten von Multimedia in der
Ausbildung zeigen sollen.
1m letzten Kapitel des zweiten Teils werden allgemeine Aspekte des Com
putereinsatzes im Praktikum besprochen. Es werden die Vor- und Nachteile
von Eigenentwicklungen (sog. "lokaler Losungen") im Vergleich zu kommer
ziellen Losungen diskutiert, wobei zwischen der Datenerfassung und deren
Auswertung unterschieden wird. Weiterhin wird angesprochen, wo Simulati
on im Praktikum eingesetzt werden kann, und wo besser darauf verzichtet
werden sollte.
Wahrend im zweiten Teil des Buches vor allem die Benutzung beste
hender Programme geschildert wird, stellt das im dritten Teil beschriebe
ne Praktikum Numerik und Interfacing einen Ansatz dar, die physikspezi
fischen Programmier- und Hardwarekenntnisse der Studenten zu vertiefen.
Dabei wird sowohl auf numerische Grundlagen, als auch auf die MeBdaten
erfassung, -verarbeitung und -dokumentation Wert gelegt. Dieses Praktikum
ist so konzipiert, daB es als Alternative fUr die ohnehin meist vorgeschriebe
nen Numerikkurse dienen kann. Dadurch tritt keine Studienzeitverlangerung
ein, im Gegenteil: dadurch, daB Kenntnisse nicht wie bisher oft ublich, erst
zu Beginn der Diplomarbeit erworben werden, sondern bereits wahrend der
normalen Studienzeit, wirkt es sogar studienzeitverkurzend. Darum wurde es
auch fest in den Studienplan unseres Fachbereichs aufgenommen.
Dieses Buch will und kann kein Praktikumsbuch wie z.B. Kohlrausch [4.6]
oder Walcher [1.13] ersetzen. Es zeigt die Moglichkeiten des Computereinsat
zes in der Physikausbildung auf und verschweigt auch nicht die dabei auftre
tenden Probleme. Es ist gedacht fur aile Personen, die sich mit dem Compu
tereinsatz in der Physikausbildung beschaftigen. Dies reicht yom Praktikums
leiter, der nach sinnvollen Einsatzmoglichkeiten moderner MeBtechnik sucht,
uber den engagierten Physiklehrer, der seinen Unterricht moderner gestalten
will und konkrete Hinweise auf solche Experimente sucht, bis zur wissen
schaftlichen Hilfskraft, die neue Experimente konkret aufbaut und austestet.
Sie aIle finden hier nicht nur konkrete Beschreibungen von Experimenten,
sondern immer wieder auch Hinweise darauf, was beachtet werden soUte, urn
VIII Vorwort
den Erfolg nicht zu gefahrden. Daruber hinaus finden sich zahlreiche Tips, wie
manches Problem besonders elegant oder auch kostengfinstig gelost werden
kann.
Die Leser sollten sich nicht daran storen, daB manchmal Hingst veraltete
Rechnertypen genannt werden, oder alle Programme nur fUr das Betriebs
system DOS entwickelt wurden (sie laufen auch unter Windows; bis min
destens Windows95). Sowohl moderne Hardware als auch Software veralten
sehr schnell. Die Ideen, die hinter den beschriebenen Experimenten stehen,
bleiben unabhangig davon gUltig.
U. Diemer
Kaiserslautern,
B. Baser
August 1998
H.J. Jodl
Danksagung
Die Autoren mochten all denen danken, die im Hintergrund dazu beigetragen
haben, dieses Buch zu vollenden.
Das Bundesministerium fUr Bildung und Wissenschaft in Bonn, das Mi
nisterium fur Bildung, Wissenschaft und Weiterbildung in Mainz, sowie der
Fachbereich Physik der Universitat Kaiserslautern haben durch ihre finanziel
Ie Unterstutzung erst ermoglicht, daB der Modellversuch durchgefuhrt werden
und dieses Buch entstehen konnte.
Besonderer Dank gilt den Autoren der einzelnen Programme. Dies waren:
B. Ruffing (STREC)j B. Baser, J. Becker (SWING)j B. Baser (RAP)j
A. Kuhn (XLINES, VIVIANund CARMEN)j A. Schuch (FLAP)j C. Kothe,
M. Wahl (EFELD)j M. Putz (WAERME)j B. Ruffing, C. Laue, R. Getto
(MOTOR)j J. Hussong (ROMA) und T. Kettenring, A. Schuch, J. Grohs
(CHAOSGEN).
Zahlreiche Staatsexamensarbeiten beschaftigten sich inhaltlich mit Teil
aspekten des Computereinsatzes im Praktikum: K. Schmalenberger [2.6]
(Lernzielkatalog)j K. Burkhardt [16.1] (Computerpraktikum: Numerik und
Interfacing)j B. Schwitzgebel [1.11] (Kriterienkatalog fur Computerein
satz im Praktikum und Praktikumsanleitungen)j D. Cliisserath [4.3] (Ein
satzmoglichkeiten von DehnungsmeBstreifen) und C. Franz [14.3] (Ein
satzmoglichkeiten von CARMEN).
Dank gilt auch jenen Mitarbeitern, die direkt bei der Erstellung des Ma
nuskripts behilflich waren. Dazu zahlen A. Gingrich, der den Text des 3.
Teils dieses Buches entworfen hat ebenso wie A. Schuch, der zahlreiche Ka
pitel korrekturgelesen hat und die technische Zeichnerin des Fachbereichs,
Frau Wollscheid, aus deren Hand viele Bilder stammen. Ebenso B. Eckart
fur seine Bereitschaft, das Buch Korrektur zu lesen.
Dem Springer-Verlag und seinen Mitarbeitern ist fur die Unterstutzung
bei der Erstellung des Manuskripts und die Bereitschaft zur Veroffentlichung
zu danken.
Zum SchluB sei den Mitgliedern des wissenschaftlichen Beirats (R. Linke,
Kielj K. Luchner Munchenj G. Ruickoldt, Rostock und H.M. Staudenmaier,
Karlsruhe), der den Modellversuch begleitet hat zu danken. Ihre konstruktive
Kritik hat den Blick fur Probleme gescharft und der Arbeit des Modellver
suchs stets neue Impulse gegeben.
Inhalt
Teil I. Das moderne Praktikum
1. Grundziige eines modernen Praktikums .................. 3
1.1 Derzeitiger Stand der Anfangerpraktika ................... 3
1.1.1 Ziele eines Praktikums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 PC-Einsatz im Praktikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 Praktikumsbiicher................................ 4
1.2 Warum eine Erneuerung notig ist. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Probleme bei der Erneuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Das moderne Praktikum ................................ 9
2. Lernziele im Praktikum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
2.1 Der bisherige Stand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
2.1.1 Exemplarische Darstellung der Lernzieltaxonomien ... 12
2.1.2 Bisherige Literatur zu Lernzielen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
2.2 Neue Lernziele durch den PC-Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13
2.2.1 Befragung anderer Fachbereiche nach Lernzielen. . . . .. 14
2.2.2 Auswertung der Befragung ........................ 14
2.2.3 Lernzielkatalog................................... 15
2.3 Zusammenfassung...................................... 18
3. Didaktische Uberlegungen zum sinnvollen Computereinsatz
in Praktika .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
3.1 Einsatzmoglichkeiten des Computers im Unterricht ......... 22
3.1.1 Einsatz bei Experimenten ......................... 22
3.1.2 Sonstiger PC-Einsatz ............................. 23
3.2 Computereinsatz im Anfangerpraktikum. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
3.3 Kriterien fur den sinnvollen PC-Einsatz ................... 26
3.4 Probleme beim Computer-Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
3.5 Programmbewertung im Versuch ......................... 31
3.6 Anmerkungen zur Praktikumsanleitung ................... 33
3.7 Protokollheft........................................... 34
3.8 Zusammenfassung...................................... 36