Das neue Physikalische Grundpraktikum

469 Pages·2016·13.744 MB·German

by  Hans Joachim Eichler, Heinz-Detlef Kronfeldt, Jürgen Sahm (auth.)

Hans Joachim Eichler
Heinz-Detlef Kronfeldt
Jürgen Sahm
Das neue
Physikalische
Grundpraktikum
3. Auflage
Springer-Lehrbuch
Hans Joachim Eichler · Heinz-Detlef Kronfeldt
Jürgen Sahm
Das neue
Physikalische
Grundpraktikum
52 Themenkreise mit über 500 Vorschlägen für
Experimente, 612 meist zweifarbigen Bildern
und 56 Tabellen
3., ergänzte und aktualisierte Auflage 2016
Hans Joachim Eichler
Technische Universität Berlin
Berlin, Deutschland
Heinz-Detlef Kronfeldt
Technische Universität Berlin
Berlin, Deutschland
Jürgen Sahm
Technische Universität Berlin
Berlin, Deutschland
ISSN 0937-7433
Springer-Lehrbuch
ISBN 978-3-662-49022-8 ISBN 978-3-662-49023-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-49023-5
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte
bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Springer Spektrum
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001, 2006, 2016
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich
vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für
Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in
elektronischen Systemen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt
auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und
Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem
Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder
die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder
Äußerungen.
Planung: Margit Maly
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Springer Spektrum ist Teil von Springer Nature
Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg
Vorwort
Die Physik ist eine grundlegende Naturwissenschaft und Basis der meisten tech-
nischen Disziplinen; sie bezieht ihre Erkenntnisse aus der befruchtenden Wechsel-
beziehung zwischen Experiment und Theorie. Die persönlicheBegegnung mit dem
physikalischenExperimentimRahmeneinesGrundpraktikumsistdahereinwesent-
liches Ausbildungselement für alle angehenden Physiker, Naturwissenschaftler und
Ingenieure. Kennzeichnend für das physikalische Grundpraktikum ist das Lernen
durch eigenes Tun, das eine notwendige Ergänzung zu dem rezeptiven Lernen aus
Vorlesungen und Büchern darstellt. Im besten Falle kommt es zum Verstehen durch
Begreifen.
HierauslassensichalswichtigsteAusbildungszieleeinesPhysikalischenGrund-
praktikumsformulieren:
• EinführungindiePhysikalsErfahrungswissenschaftdurchdieexperimentierende
BeschäftigungmitdenGrundphänomenenderPhysik,wozuimPraktikumvoral-
lemauchdieMessungphysikalischerGrößenunddieÜberprüfungphysikalischer
Gesetzmäßigkeitenzählt.
• KennenlernenundVertrautwerdenmitwichtigenMessverfahrenund−gerätenso-
wie deren Eigenschaften einschließlich rechnergestützter Messwerterfassung und
-verarbeitung.
• Einführung in die MethodikwissenschaftlicherexperimentellerArbeit. Hierzu ge-
höreninsbesondereVersuchsplanungund-aufbau,DurchführungundProtokollie-
rungderMessungen,einegeeigneteAuswertungderMesswertesowieschließlich
eine kritische Bewertung mit Fehlerbetrachtungen und die Diskussion der Mess-
ergebnisse.
Damit diese Ziele erreicht werden und das Experimentieren sich nicht in einem
bloßenProbierenerschöpft,musseinExperimentatorsowohldiephysikalischenZu-
sammenhänge als auch die messtechnischen Bedingungen überschauen. Für beides
will dieses Praktikumsbuch eine Hilfe sein. Es ist entstanden aus den schriftlichen
Anleitungen für das Physikalische Grundpraktikum an der Technischen Universität
Berlin und wendet sich an StudierendederPhysik,derNatur-undIngenieurwis-
senschaftenanUniversitätenundFachhochschulen.FürPhysikstudierendeerstreckt
sich das Praktikum über drei Semester, während zukünftige Mathematiker, Infor-
matiker,MedizinerundNaturwissenschaftler(wieChemiker,BiologenundGeowis-
senschaftler) sowie Ingenieure (wie z.B. Bau-, Elektro-, Maschinenbau- und Wirt-
schaftsingenieure) eine ihrer Fachrichtung angepasste Aufgabenauswahl für einen
ein-oderzweisemestrigenKurstreffenkönnen.
Die experimentellen Aufgaben aus 52Themenkreisen sind zu 12Kapiteln zu-
sammengefasst. Jeder Themenkreis enthält mehrere Aufgaben, aus denen für einen
Experimentiertermin eine Auswahl zusammengestellt werden kann. Für jede dieser
experimentellen Aufgaben ist eine Gewichtung (z.B. 1/3, 1/2, 2/3, 1/1) angege-
ben,diedenungefährenZeitbedarfwiderspiegelt.WährendeinesPraktikumstermins
mit typisch 4 Stunden experimenteller Arbeit sollen Aufgaben im Umfang von 1/1
bearbeitet werden. Studierende von Fachrichtungen, in denen wöchentlich weniger
Praktikumsstunden zur Verfügung stehen, bearbeiten Aufgaben mit einer entspre-
chend geringeren Gewichtung. Die möglichen Kombinationenverschiedener Aufga-
ben erlauben den Praktikumsveranstaltern eine Differenzierung für die verschiede-
nenFachrichtungenundschaffenzugleichaucheinwünschenswertesAuswahlange-
botfürdieStudierenden.
VI Vorwort
V Ziel Die Darstellung der 52 Themenkreise in diesem Buch ist stets in der gleichen
WichtigsteLernzieleder Weise strukturiert. Diese Struktur wird durch Logos visuell unterstützt. Der Formu-
AufgabenoderAufgaben- lierungdesallgemeinenLernzielsV folgenzunächstHinweiseaufdieLiteraturW,
teile. die zur ergänzenden Vorbereitung auf die Aufgabe herangezogen werden kann. Zur
Erleichterungder Suche in StandardlehrbüchernsindjeweilsthematischeStichworte
W Literatur
angegeben.ZusätzlichwerdenspezielleQuellengenannt.DieanschließendeDarstel-
Hinweiseaufeinführende
lung der physikalischenGrundlagen G enthält sowohl die für das Verständnis der
oderweiterführendeLite-
zu untersuchenden Phänomene benötigten Grundlagen als auch die der verwende-
raturquellen.
ten Messverfahren. Dabei sind zum Grundwissen gehörende Formeln rot unterlegt,
G Grundlagen
andere für die Aufgabe wichtige Formeln sind grau unterlegt. Besonders wichtiger
PhysikalischesGrundwis-
Text ist als Merksatz rot gekennzeichnet. Fett gedruckte Worte bezeichnen Schlüs-
senzur Aufgabe.
selbegriffe,diefürdenbehandeltenStoffvongrundlegenderBedeutungsind.Kursiv
Z Zubehör gedruckte Worte bezeichnen andere wichtige Fachtermini, die oft an anderer Stelle
BenötigteGeräteund ausführlicherläutertsind– siehedazudasStichwortverzeichnis.
Material. Bei den experimentellen Aufgaben ist das jeweilige Lernziel V formuliert, ge-
K Messaufgabe folgtvonAngabenzumMessverfahrenundzuGerätenmitZubehör Z.Dieeigent-
Vorschlägezur Durchfüh- lichenMessaufgabenwerdenjeweilsdurcheineStoppuhrK eingeführt.Schließlich
rungvonExperimenten gibtesnochHinweisezurAuswertungderVersucheJ.EinetabellarischeÜbersicht
undMessungen. überdieverwendetenLogosundderenBedeutungzeigtdienebenstehendeTabelle.
K Teilmessaufgabe Erfahrungen aus dem Einsatz dieses Buches in den zwei Auflagen seit seinem
ersten Erscheinen im Jahr 2001 sowie fachliche und methodische Weiterentwick-
J Auswertung
lungen waren erneut Anlass für eine Überarbeitung für die nunmehr vorgelegte 3.
VorschlägezurAuswertung
Auflage. So wurden Fehler beseitigt, das Aufgabenspektrum insbesondere in der
einerMessaufgabe.
Optik (Polarisation, Flüssigkristalle, Mikrowellen) und in der Kernphysik (α- und
J Teilauswertung
γ-Spektroskopie) erweitert, die Messverfahren weitgehend auf die heute gängige
digitale Messtechnik umgestellt und schließlich nicht mehr zeitgemäße Aufgaben
Formel in rotem Rahmen gestrichen. Die bewährte grafische Gestaltung mit den Piktogrammen, der Hervor-
gehörtzumGrundwissen. hebung der wichtigen Formeln und der durchgehenden Zweifarbigkeit wurde beibe-
halten. Die Autoren hoffen, dass das Buch den sich wandelnden Ansprüchen eines
zeitgemäßenPhysikalischenGrundpraktikumsgerechtwird.
Formel in grauem
Dieses Lehrbuch ist aus der Arbeit der Autoren als Praktikumsveranstalter er-
Rahmenistwichtig.
wachsen. Es stützt sich dabei auch auf die langjährigen Arbeiten von Kollegen, die
das Physikalische Grundpraktikum in zurückliegenden Jahrzehnten mit großem En-
gagementmitdemZielweiterentwickelthaben,denStudierendeneineinhaltlichund
methodisch stets moderne experimentelle Einführung in die Physik zu geben. Ihnen
allen gilt unser Dank. Wir danken ferner mehreren Generationen engagierter wis-
senschaftlicher Mitarbeiter, die durch ihre neuen Ideen bei der Weiterentwicklung
der Praktikumsaufgaben und der zugehörigen Skripten Grundlagen für dieses Buch
gelegthaben.IndiesenDankbeziehenwirauchdievielenstudentischenMitarbeiter
mitein,dieindertäglichenArbeitbeiderBetreuungderPraktikumsstudierendenfür
eine Fülle von Anregungen gesorgt haben. Besondere Beiträge und Anregungen bei
der Vorbereitung der 3. Auflage verdanken wir vor allem Dr. Oliver Schöps, ebenso
PTA Chris Scharfenorth, Dr. Frank Kallmeyer, Dipl.-Phys. Yücel Kaptan und Dr.
OliverLuxsowiedenstudentischenMitarbeiternAndrejBokov,SimonKubitza,Se-
bastianPraetzundJanikWolters.WertvolleHinweisezueinzelnenThemenerhielten
wirvonDr.MonikaKorteundProf. HansKoch.
Bei der Herstellung des Buches hat sich ganz besondere Anerkennung B.Sc.
Alexandra Haack verdient, die die Vorarbeiten aus den ersten Auflagen kreativ fort-
geführtundmitvielen–auchinhaltlichen–IdeenzumGelingendesProjektsbeige-
tragen hat. Schließlich sei den Mitarbeitern des Springer Verlages Margit Maly und
BarbaraLuehkergedankt,diedieseAufgabevonihrenVorgängernübernommenund
dasBuchprojektanhaltendundkonstruktivgeförderthaben.
Wirwünschenuns,dassauchdiekünftigenPraktikumsstudierendendiesesBuch
gerneundmitgutemErfolgnutzenwerden.
Berlin,Herbst2015 H.J.Eichler,H.-D.Kronfeldt,J.Sahm
Inhaltsverzeichnis
U KapitelI.
GrundbegriffederMesstechnik
1. MessenundAuswerten ................................... 3
PhysikalischeGrößenundihreEinheiten ............................. 3
FehlereinerMessung.............................................. 5
SystematischeFehler .............................................. 6
ZufälligeFehler .................................................. 6
Fehlerfortpflanzung ............................................... 8
GrafischeDarstellungen............................................ 9
AuswertunglinearerZusammenhänge................................ 13
Protokollführung.................................................. 16
2. MessunsicherheitundStatistik ............................. 18
Statistik ......................................................... 18
HistogrammundWahrscheinlichkeit ................................. 19
DieGauß-oderNormalverteilung ................................... 20
MessunsicherheitdesEndergebnisses ................................ 20
2.1 GrundversuchemitdemGalton-Fallbrett(1/2) ................... 21
2.2 StandardabweichungundVertrauensbereich(1/2)................. 22
N KapitelII.
BewegungenundKräfte
3. TranslationundRotation ................................. 27
BewegungenvonMassenpunkten.................................... 27
DrehbewegungenstarrerKörper..................................... 30
3.1 Weg-Zeit-VerlaufbeimfreienFall(1/3) ......................... 32
3.2 BestimmungderErdbeschleunigung(1/3) ....................... 33
3.3 Energieerhaltungssatz(1/3).................................... 33
3.4 DrehungunterEinwirkungeinesDrehmomentes(1/3)............. 33
3.5 DrehmomentundWinkelbeschleunigung(1/3) ................... 33
4. Stoßprozesse .......................................... 35
Impuls-undEnergieerhaltungssatz................................... 35
Kugelpendelkette ................................................. 36
4.1 StößezweierKugeln(1/3) .................................... 36
4.2 Kugelpendelkette(2/3) ....................................... 37
4.3 Kugelpendelkettemit Störungen(2/3)........................... 39
VIII Inhaltsverzeichnis
5. HarmonischeSchwingungen ............................... 41
SchwingungeneinesFederpendels................................... 41
Fadenpendel(MathematischesPendel) ............................... 42
Physikalisches(physisches)Pendel .................................. 43
Reversionspendel ................................................. 44
5.1 Federpendel(1/1)............................................ 45
5.2 Fadenpendel(MathematischesPendel)(1/1) ..................... 46
5.3 PhysikalischesPendel(1/1) ................................... 48
5.4 Reversionspendel(1/1) ....................................... 50
6. GekoppelteSchwingungen ................................ 52
GekoppeltePendel ................................................ 52
BewegungsgleichungendergekoppeltenPendel ....................... 53
LösungdergekoppeltenDifferentialgleichungen....................... 54
6.1 GekoppeltePendelmitFederkopplung(1/1) ..................... 57
6.2 GekoppeltePendelmitGewichtskopplung(1/1) .................. 57
6.3 KopplungsschwingungeneinerSchraubenfeder(1/3) .............. 58
7. GedämpfteunderzwungeneSchwingungen.................... 59
PohlschesRad.................................................... 59
Freie,gedämpfteSchwingung....................................... 61
ErzwungeneSchwingungen ........................................ 62
7.1 GedämpfteSchwingung(1/2).................................. 64
7.2 ErzwungeneSchwingung(1/2) ................................ 64
8. Trägheitsmoment ....................................... 66
DrehbewegungenundTrägheitsmomente ............................. 66
TrägheitsmomentebeiparallelenDrehachsen.......................... 67
Trägheitstensor ................................................... 68
8.1 TrägheitsmomenteausDrehschwingungen(1/1).................. 68
8.2 GleichmäßigbeschleunigteDrehbewegungen(1/1)................ 69
M KapitelIII.
DeformierbareKörperundAkustik
9. ElastizitätundplastischeVerformung ........................ 75
ElastizitätundHookeschesGesetz................................... 75
DurchbiegungvonStäben .......................................... 76
VerdrillungvonStäbenundDrähten ................................. 76
Querkontraktion,PoissonscheZahl .................................. 77
InhomogeneundanisotropeKörper.................................. 77
GrenzendesHookeschenGesetzes .................................. 78
9.1 Drahtdehnung(1/2) .......................................... 79
9.2 BiegungbeidseitigaufliegenderStäbe (1/2)...................... 79
9.3 ElastizitätsmoduleanisotroperoderinhomogenerStoffe(1/2) ...... 80
9.4 ElastischeHystereseundFließvorgänge(1/2) .................... 81
9.5 BiegungeinseitigeingespannterStäbe(1/2)...................... 81
9.6 TorsionsschwingungenundSchubmodul(1/2).................... 82
10. ZäheFlüssigkeiten ...................................... 83
Flüssigkeiten ..................................................... 83
ViskositätoderZähigkeit........................................... 83
StrömunginengenRöhren;Kapillaren............................... 84
StrömungumeineKugel........................................... 85
10.1 ZähigkeitnachderKugelfallmethode(1/2) ...................... 86
10.2 TemperaturabhängigkeitderZähigkeit(1/2) ..................... 87
Inhaltsverzeichnis IX
11. OberflächenspannungundKapillarität ....................... 88
SpezifischeOberflächenenergieundOberflächenspannung............... 88
OberflächenspannungangekrümmtenOberflächen..................... 89
Kapillarität....................................................... 89
GrenzflächenspannungenundRandwinkel ............................ 90
11.1 Lamellen-Abreißverfahren(1/2)................................ 90
11.2 Kapillaren-Steighöhenmethode(1/2)............................ 91
11.3 Luftblasenmethode(1/2)...................................... 92
11.4 Stoff-undTemperaturabhängigkeit(1/2) ........................ 92
12. SchallwellenundAkustik ................................. 94
WellenundSchall................................................. 94
StehendeWellenundEigenschwingungen ............................ 95
SchallwellenundadiabatischeVorgänge.............................. 96
GrundbegriffederAkustik.......................................... 97
12.1 BestimmungderSchallgeschwindigkeit(1/3) .................... 99
12.2 KundtschesRohr(2/3) .......................................100
12.3 PhysiologischeAkustik(1/3) ..................................101
13. Ultraschall ............................................ 103
ErzeugungundNachweisvonUltraschall.............................103
ElastischeWellenindeformierbarenMaterialien.......................104
Schallwechsel-undSchallstrahlungsdruck,Energiedichte ...............104
Schallintensität ...................................................106
Schallreflexion,Schalldurchlässigkeit ................................106
WirkungenvonUltraschallhoherLeistung............................107
13.1 Schallwellenlängeund-geschwindigkeitinWasser(1/3)...........108
13.2 Schallstrahlungsdruck(2/3) ...................................109
13.3 QualitativeExperimentemitUltraschall(2/3) ....................110
B KapitelIV.
VielteilchensystemeundThermodynamik
14. ThermischeGrundversuche ............................... 115
TemperaturundthermischeAusdehnung .............................115
KalorischeGrundgleichung,Wärmekapazitäten........................116
WärmemengenundEnergiesatz .....................................116
AtomistischeBetrachtung ..........................................117
Schmelz- undVerdampfungswärmen.................................117
Wärmeleitung,Thermohaus ........................................118
14.1 SpezifischeWärmekapazitätfesterKörper(1/2) ..................119
14.2 Schmelz-undVerdampfungswärmevonWasser(1/2) .............120
14.3 WärmeausdehnungfesterStoffe (1/2)...........................121
14.4 VolumenausdehnungvonFlüssigkeiten(1/2).....................122
14.5 Wärmeleitung(Thermohaus)(1/2) .............................123
15. StatistischeMechanikaufeinemLuftkissentisch ................ 125
Vielteilchensysteme ...............................................125
BarometrischeHöhenformel ........................................125
Boltzmann-Verteilung .............................................127
MaxwellscheGeschwindigkeitsverteilung.............................127
Rutherford-Streuung...............................................128
15.1 TranslationaufderschiefenEbene(1/2) ........................129
15.2 BarometrischeHöhenformel(1/2) ..............................130
15.3 GeschwindigkeitsverteilungineinemModellgas(1/2).............130
15.4 Rutherford-Streuung(1/2).....................................131
X Inhaltsverzeichnis
16. Luftdichte,Dampfdruck,Luftfeuchte ........................ 132
ZusammensetzungvonLuft ........................................132
ReduktionderDichteaufNormalbedingungen ........................133
DampfdruckvonFlüssigkeiten......................................134
16.1 Luftnormdichte(1/1) .........................................135
16.2 DampfdruckvonWasser(Niederdruckbereich)(1/2) ..............137
16.3 DampfdruckvonWasser(Hochdruckbereich)(1/2) ...............138
17. IdealeundrealeGase .................................... 140
IdealeGase ......................................................140
AdiabatenexponentnachkinetischerGastheorie .......................141
Reale Gase.......................................................142
17.1 AdiabatenexponentausExpansionsversuch(1/2) .................143
17.2 AdiabatenexponentausSchwingungsversuch(1/2)................145
17.3 PräzisionsmessungdesAdiabatenkoeffizienten(1/2) ..............146
17.4 MessungdesJoule-Thomson-Koeffizienten(1/2) .................147
18. ThermodynamischeProzesseineinemHeißluftmotor............. 148
StirlingscherKreisprozess..........................................148
StirlingmaschinealsHeißluftmotor ..................................150
WirkungsgradbeimHeißluftmotor...................................150
StirlingmotoralsKältemaschineundWärmepumpe ....................151
18.1 HeißluftmotorbeielektrischerHeizung(2/3).....................152
18.2 HeißluftmotormitSpiritusbrenner(2/3) .........................153
18.3 BelastungundGesamtwirkungsgrad(1/3) .......................155
18.4 KältemaschineundWärmepumpe (1/3) .........................155
C KapitelV.
Gleich-undWechselstromkreise
19. Widerstände,OhmschesGesetz............................. 159
ElektrischeGrundgrößen...........................................159
ElektrischerWiderstand............................................159
TemperaturabhängigkeitdesWiderstandes ............................160
Strom- undSpannungsmessung .....................................161
Weichlöten.......................................................161
19.1 KennlinienvonWiderständen(2/3).............................162
19.2 LineareundlogarithmischePotentiometer(1/3) ..................162
19.3 TemperaturabhängigkeitvonWiderständen(2/3) .................163
19.4 Löten(2/3) .................................................164
20. Gleichspannungsschaltungen,
KirchhoffscheRegeln .................................... 166
KirchhoffscheRegeln..............................................166
Wheatstone-Brücke ...............................................167
BatteriealsSpannungsquelle .......................................167
KondensatorenimGleichstromkreis .................................168
20.1 WiderstandsmessungmitWheatstone-Brücke(1/2) ...............168
20.2 Instrumenten-Innenwiderstände(1/2) ...........................169
20.3 AusgangsspannungundInnenwiderstandeinerBatterie(1/2) .......171
20.4 KondensatorimGleichstromkreis(1/2) .........................171