Das Neue Physikalische Grundpraktikum PDF
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Springer-Lehrbuch Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH H. J. Eiehier H.-D. Kronfeldt J. Sahm Das Neue Physikalische m Grundprakt·k 53 Themenkreise mit über 300 Vorschlägen für Experimente, 577 zweifarbige Bilder, 55 Tabellen, Lesezeichen mit Piktogrammen, Fundamentalkonstanten und einem Replika-Gitter, 'Springer Professor Dr. Hans J. Eiehier Priv.-Doz. Dr. Heinz-Detlef Kronfeldt Professor Dr. Jürgen Sahm Technische Universität Berlin Fachbereich 4 Physik Optisches Institut Hardenbergstraße 36 10623 Berlin, Deutschland e-mail: [email protected] (Prof. Eichler) [email protected] (PD. Kronfeldt) [email protected] (Prof. Sahm) ISBN 978-3-662-21754-2 Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme Eichler, Hans )oachim: Das neue physikalische Grundpraktikum: Experimentalaufgaben, Lesezeichen mit Piktogrammen, Fundamentalkonstanten und Replika-Gitter I Hans). Eichler; Heinz-Detlef Kronfeldt; )ürgen Sahm. Springer, 2001 (Springer-Lehrbuch) ISBN 978-3-662-21754-2 ISBN 978-3-662-21753-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-21753-5 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Bildern und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfllmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenver arbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9· September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Beideiberg 2001 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Y ork 200 I Softcover reprint of tbe hardcover ISt edition 2001 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 jeder mann benutzt werden dürften. Herstellung: P. Treiber, Beideiberg Satz und Umbruch: Druckfertige Daten von den Autoren Einbandgestaltung: design & production GmbH, Beideiberg Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10476376 56/3141/tr-54 3 2 1 o Vorwort Die Physik ist eine grundlegende Naturwissenschaft und Basis der meisten technischen Disziplinen; sie bezieht ihre Erkenntnisse aus der befruchten den Wechselbeziehung zwischen Experiment und Theorie. Die persön liche Begegnung mit dem physikalischen Experiment im Rahmen eines Grundpraktikums ist daher ein wesentliches Ausbildungselement für alle angehenden Physiker, Naturwissenschaftler und Ingenieure. Hauptziel im physikalischen Grundpraktikum ist daher das Lernen durch eigenes Tun, das eine notwendige Ergänzung zu dem rezeptiven Lernen in Vorlesungen und aus Büchern darstellt. Im besten Falle kommt es zum Verstehen durch Begreifen. Hieraus lassen sich als wichtigste Ausbildungsziele eines Physikali schen Grundpraktikums formulieren: • Einführung in die Physik als Eifahrungswissenschaft durch die expe rimentierende Beschäftigung mit den Grundphänomenen der Physik, wozu im Praktikum vor allem auch die Messung physikalischer Größen und die Überprüfung physikalischer Gesetzmäßigkeiten zählt. • Kennenlernen und Vertrautwerden mit wichtigen Meßveifahren und - geräten sowie deren Eigenschaften. • Einführung in die Methodik wissenschaftlicher experimenteller Arbeit. Hierzu gehören insbesondere Versuchsplanung und -aufbau, Durchfüh rung und Protokollierung der Messungen, eine geeignete Auswertung der Meßwerte sowie schließlich eine kritische Bewertung mit Fehlerbe trachtungen und die Diskussion der Meßergebnisse. Damit diese Ziele erreicht werden und das Experimentieren sich nicht in einem bloßen Probieren erschöpft, muß ein Experimentator sowohl die physikalischen Zusammenhänge als auch die meßtechnischen Bedingun gen 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 Studierende der Physik, der Natur- und Ingenieurwissenschaften an Universitäten und Fachhochschulen. Für Physikstudierende erstreckt sich das Praktikum über drei Semester, während zukünftige Mathematiker, Informatiker, Mediziner und Naturwissenschaftler (wie Chemiker, Biolo gen und Geowissenschaftler) sowie Ingenieure (wie z. B. Bau-, Elektro-, Maschinenbau- und Wirtschaftsingenieure) eine ihrer Fachrichtung ange paßte Aufgabenauswahl für einen ein- bis Zweisemestrigen Kurs treffen können. VI Vorwort Übersicht über die verwendeten Lo- Zu 12 Kapiteln I-XII sind die experimentellen Aufgaben aus 53 The- gos und deren Bedeutung menkreisen zusammengefaßt. Jeder Themenkreis enthält eine Zahl von Teilaufgaben, aus denen für einen Experimentiertermin eine Auswahl At Ziel zusammengestellt werden kann. Für jede dieser experimentellen Teilauf Wichtigste Lernziele der gaben ist eine Gewichtung (z. B. 1/3, 1/2, 2/3, 111) angegeben, die den Aufgaben oder Aufgaben- Zeitbedarf angibt. Während eines Praktikumstermins mit typisch 4 Stun teile. den experimenteller Arbeit sollen Aufgaben im Umfang von 111 bearbeitet werden. [f[J Literatur Studierende von Fachrichtungen, in denen wöchentlich weniger Prak Hinweise auf einführende tikumsstunden erforderlich sind, bearbeiten Aufgaben mit einer entspre oder weiterführende Lite- chend geringeren Gewichtung. raturquellen. rn Die möglichen Kombinationen verschiedener Teilaufgaben erlauben Grundlagen den Praktikumsveranstaltern eine Differenzierung für die verschiedenen Physikalisches Grundwis- Fachrichtungen und schaffen zugleich auch ein wünschenswertes Aus sen zur Aufgabe. wahlangebot für die Studierenden. [!] Zubehör Die Darstellung der 53 Themenkreise in diesem Buch ist stets in der Benötigte Apparate und gleichen Weise strukturiert. Diese Struktur wird durch grafische Logos Geräte. visuell unterstützt. Der Formulierung des allgemeinen Lernziels A folgen zunächst Hinweise auf die Literatur , die zur ergänzenden Vorberei @ Meßaufgabe tung auf die Aufgabe herangezogen werden kann. Zur Erleichterung der Vorschläge zur Durchfüh- Suche in Standardlehrbüchern sind jeweils thematische Stichworte ange rung von Experimenten geben. Zusätzlich werden spezielle Quellen genannt. Die anschließende und Messungen. Darstellung der physikalischen Grundlagen enthält sowohl die für das IO Verständnis der zu untersuchenden Phänomene benötigten Grundlagen als Teilmeßaufgabe auch die der verwendeten Meßverfahren. Dabei sind zum Grundwissen ge 25 Au wertung hörende Formeln rot unterlegt, andere für die Aufgabe wichtige Formeln Vorschläge zur Auswertung sind grau unterlegt. Besonders wichtiger Text ist als Merksatz rot ge einer Meßaufgabe. kennzeichnet. Fettgedruckte Worte bezeichnen Schlüsselbegriffe, die für den behandelten Stoff von grundlegender Bedeutung sind. Kursivgedruck ~ Teilau wertung te Worte bezeichnen andere wichtige Fachterrnini, die oft an anderer Stelle ausführlich erläutert sind - siehe dazu das Stichwortverzeichnis. Formel in rotem Rahmen Bei den experimentellen Aufgaben ist das Lernziel A der jeweiligen gehört zum Grundwissen. Teilaufgabe formuliert, gefolgt von Angaben zum Meßverfahren und zum Handwerkszeug und Zubehör C. Die eigentlichen Meßaufgaben werden jeweils durch eine Stoppuhr eingeführt. Schließlich gibt es noch Hin Formel in grauem weise zur Auswertung der Versuche ~. Eine tabellarische Übersicht über Rahmen ist wichtig. die verwendeten Logos und deren Bedeutung, siehe Randspalte, findet sich auch auf dem beigefügten Lesezeichen, das zusätzlich mit einem Replika-Gitter für optische Beugungsexperimente ausgestattet ist. Dieses Lehrbuch ist aus der Arbeit der Autoren als Praktikumsveran stalter erwachsen. Es stützt sich dabei auch auf die langjährigen Arbeiten von Kollegen, die das Physikalische Grunpraktikum in der Vergangenheit mit großem Engagement mit dem Ziel weiterentwickelt haben, den Studie renden eine inhaltlich und methodisch stets moderne experimentelle Ein führung in die Physik zu geben. Stellvertretend für alle anderen sei hier Prof. Dr. Gerd Koppelmann (t1992) erwähnt. Ihnen allen gilt unser Dank. Wir danken ferner mehreren Generationen engagierter wissenschaftlicher Vorwort VII Mitarbeiter, die durch ihre neuen Ideen bei der Weiterentwicklung der Praktikumsaufgaben und der zugehörigen Skripten Grundlagen für dieses Buch gelegt haben. In diesen Dank beziehen wir auch die vielen studen tischen Mitarbeiter mit ein, die in der täglichen Arbeit bei der Betreuung der Praktikumsstudierenden für eine Fülle von Anregungen gesorgt haben. Schließlich sei dem Verlag, insbesondere Herrn Dr. Kölsch und Frau Trei ber für ihre unermüdliche und konstruktive Förderung dieses Buchprojekts gedankt. Wir wünschen uns, daß die künftigen Praktikumsstudierenden dieses Buch gerne und mit gutem Erfolg nutzen. Berlin, Januar 200 1 H. J. EichZer H.-D. Kronfeldt J. Sahm Inhaltsverzeichnis ~ Kapitell. ~ Grundbegriffe der Meßtechnik 1. Messen und Auswerten...... ... ............ ........... 3 Physikalische Größen und ihre Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Fehler einer Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Systematische Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Zufällige Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Fehlerfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Grafische Darstellungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Auswertung linearer Zusammenhänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Protokollführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2. Fehlerrechnung und Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Mathematische Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Histogramm und Wahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Die Gauß- oder Normalverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Meßunsicherheit des Endergebnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1 Grundversuche mit dem Galton-Fallbrett (112) . . . . . . . . . . 26 2.2 Standardabweichung und Vertrauensbereich für verschieden große Stichproben (112) . . . . . . . . . . . . . . . 28 Kapitel II. Bewegungen und Kräfte 3. Translation und Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Bewegungen von Massenpunkten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Drehbewegungen starrer Körper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1 Weg-Zeit-Verlauf beim freien Fall (113)...... .......... 39 3.2 Bestimmung der Erdbeschleunigung (1/3)... . . . . . . . . . . . 40 3.3 Energieerhaltungssatz (1/3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3 .4 Beziehung zwischen Winkel und Zeit unter Einwirkung eines Drehmomentes (1/3) . . . . . . . . . . . 41 3.5 Beziehung zwischen Drehmoment und Winkelbeschleunigung (113)...................... 41 X Inhaltsverzeichnis 4. Stoßprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Impuls- und Energieerhaltungssatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Kugelpendelkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.1 Stöße zweier Kugeln (1/3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.2 Kugelpendelkette (113) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.3 Kugelpendelkette mit Störungen (113) . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5. Harmonische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Mechanik von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Federpendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Fadenpendel (Mathematisches Pendel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Physikalisches (physisches) Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Reversionspendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.1 Federpendel (1/1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.2 Fadenpendel (Mathematisches Pendel) (111)............ 58 5.3 Physikalisches Pendel (1/1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.4 Reversionspendel (1/1).............................. 62 6. Gekoppelte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Gekoppelte Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Bewegungsgleichungen der gekoppelten Pendel . . . . . . . . . . . . . 67 Lösung der gekoppelten Differentialgleichungen . . . . . . . . . . . . . 68 6.1 Gekoppelte Pendel mit Federkopplung (1/1)............ 71 6.2 Gekoppelte Pendel mit Gewichtskopplung (1/1)......... 72 6.3 Kopplung zwischen Dehnung und Drehung einer Schraubenfeder (1/3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 7. Gedämpfte und erzwungene Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . 74 Pohlsches Rad.......................................... 74 Freie, gedämpfte Schwingung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Erzwungene Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 7.1 Gedämpfte Schwingung (1/2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.2 Erzwungene Schwingung (1/2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 8. Trägheitsmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Drehbewegungen und Trägheitsmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Trägheitsmomente bei parallelen Drehachsen . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Trägheitstensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 8.1 Trägheitsmomente aus Drehschwingungen (1/1) . . . . . . . . 85 8.2 Gleichmäßig beschleunigte Drehbewegungen (1/1) . . . . . . 87
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