Physikalisches Praktikum

411 Pages·2014·4.49 MB·German

by  Wolfgang Schenk

Wolfgang Schenk
Friedrich Kremer Hrsg.
Physikalisches
Praktikum
14. Auflage
Physikalisches Praktikum
Priv.-Doz. Dr. rer. nat. habil Gunter Beddies
Diplom in Physik 1974. Promotion 1979. Wiss. Mitarbeiter und Oberassistent. Promotion-B 1987. Verleihung
der facultas docendi 1991, seit 1992 Dr. rer. nat. habil., Ernennung zum Privatdozenten 1994. Leitung des
Physikalischen Grundpraktikums an der TU Chemnitz bis 2012.

Dr. rer. nat. Thomas Franke
Diplom 1982. Promotion 1986. Wiss. Mitarbeiter der Sächsischen Akademie der Wissenschaften und Ent-
wicklungsingenieur. Wiss. Assistent an der TU Chemnitz. Leitung des Fortgeschrittenen- und Laborprakti-
kums seit 2005.

Dr. rer. nat. Petrik Galvosas
Dipl.-Ing. (FH) 1993. Diplom in Physik 1998. Promotion 2003. 2005 bis 2009 Juniorprofessor an der Univ.
Leipzig. Betreuer im Physikalischen Fortgeschrittenenpraktikum und Verantwortlicher für die Elektronik-
ausbildung, seit 2009 Victoria University of Wellington (NZ).

Prof. Dr. rer. nat. habil Friedrich Kremer
Diplom in Physik 1973. Promotion 1977. Wiss. Mitarbeiter am Max-Planck-Inst. für Festkörperforschung in
Stuttgart und am Max-Planck-Inst. für Polymerforschung in Mainz. Habilitation 1993. Professor für Experi-
mentalphysik an der Univ. Leipzig seit 1993. 2005 Karl Heinz Beckurts Preis. 2009 Whitehead Memorial
Award-Lecture. 2011Wolfgang-Ostwald-Preis der Kolloid-Gesellschaft.

Dr. rer. nat. Peter Rieger
Diplom Lehramt Physik/Mathematik 1979. Lehrer und Fachberater. Wiss. Mitarbeiter an der Univ. Leipzig
seit 1990. Promotion 1997. Betreuer im Physikalischen Grundpraktikum. Verantwortlicher für das Praktikum
Physikalische Schulexperimente seit 2001.

Dr. rer. nat. Wolfgang Schenk
Diplom in Physik 1970. Promotion 1981. Wiss. Mitarbeiter und Lektor 1970 bis 1993 (TH Merseburg, Univ.
Leipzig). Leitung des Physikalischen Grundpraktikums an der Univ. Leipzig bis 2010.
Wolfgang Schenk ⋅ Friedrich Kremer ⋅
Gunter Beddies ⋅ Thomas Franke ⋅
Petrik Galvosas ⋅ Peter Rieger
Physikalisches Praktikum
14., überarbeitete und erweiterte Auflage
Begründet von W. Ilberg,
Weitergeführt von M. Krötzsch und D. Geschke

Herausgegeben von W. Schenk und F. Kremer
WolfgangSchenk,FriedrichKremer PetrikGalvosas
Leipzig,Deutschland Wellington,Neuseeland
ThomasFranke Peter Rieger
Jahnsdorf,Deutschland Böhlen, Deutschland

Gunter Beddies
Chemnitz, Deutschland
ISBN978-3-658-00665-5 ISBN978-3-658-00666-2(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-00666-2
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Vorwort
Zur ersten Auflage mehr oder weniger überall vorhanden sind,
wozu je nach Eigenart des betreffenden Instituts
Die „Grundaufgaben des physikalischen Prakti- bzw. der zuständigen Praktikumsleiter noch
kums“ von Schaefer, Bergmann und Kliefoth unterschiedliche Spezialversuche kommen. Es
musste nun Aufgabe des vorliegenden Prakti-
haben durch mehrere Jahrzehnte in zahlreichen
Auflagen und Neudrucken viele Generationen kumsbuches sein, durch die aufgenommenen
von Studenten erfolgreich durch das physikali- Versuchsbeschreibungen die wichtigsten
Grundversuche möglichst weitgehend zu erfas-
sche Praktikum an unseren Hoch- und teilweise
auch Fachschulen geführt. Wenngleich auch bei sen, wobei ein Verzicht auf speziellere Aufga-
ben in Kauf genommen werden konnte, zumal
jeder neuen Auflage einige als wünschenswert
für diese an den betreffenden Instituten Einzel-
erkannte Änderungen und Ergänzungen ange-
bracht worden sind, so verlangte doch die in beschreibungen vorhanden sein werden. Ebenso
wird es öfters nützlich sein, dem Studenten die
den letzten Jahren erfolgte Neuordnung der
örtlich unterschiedlichen Abweichungen von
Ausbildung künftiger Physiker und anderer
Naturwissenschaftler sowie der Lehrerstudenten der Versuchsbeschreibung in vorliegendem
Buch durch schriftliche Anweisung oder auch
eine eingehende Überarbeitung sowohl des
nur mündlich zu erläutern.
Versuchsbestandes als z. T. auch der Darstel-
lung. Ebenso musste die Tatsache Berücksichti- Herausgeber und Mitarbeiter sahen es für
zweckmäßig an, sachlich verwandte Versuche
gung finden, dass einfachere Versuche heute
vielfach schon im Schulunterricht als Schüler- zu Versuchsgruppen zu vereinigen, denen je-
versuche durchgeführt werden, so dass sich ihre weils allgemeine Ausführungen vorangestellt
sind, die dem Studenten den zugrunde liegen-
Wiederholung im Physikalischen Praktikum der
Hochschule zumeist erübrigt. Im Laufe der den Stoff in großen Zügen in Erinnerung brin-
Vorarbeiten für eine in solchem Sinne beabsich- gen sollen. Dass es nicht die Aufgabe sein kann,
hiermit ein Lehrbuch zu ersetzen, versteht sich
tigte Neubearbeitung des genannten Lehrbuches
zeigte sich, dass diese der Herausgabe eines von selbst. Zu den einzelnen Aufgaben werden
völlig neu geschriebenen Werkes entsprechen anschließend noch die speziellen Grundlagen
gegeben und schließlich die Versuchsdurchfüh-
würde, so dass es durchaus berechtigt erschien,
im Titel den Bezug auf das frühere Werk fallen rung beschrieben. Der zunehmenden Bedeutung
der Atomphysik entsprechend wurden auch
zu lassen.
einige einfache Versuche aus diesem Gebiet mit
Eine gewisse Schwierigkeit besteht bei der
Schaffung eines Praktikumsbuches immer dar- aufgenommen, die sich mit Praktikumsmitteln
durchführen lassen. Kritische Beurteilung des
in, eine angemessene Auswahl von wirklich
unmittelbar gemessenen oder aus Messungen
zweckmäßigen Versuchen zu treffen. Dies ist
umso schwerer, als an den verschiedenen Aus- gefundenen Resultates ist grundsätzliche Forde-
rung jeder wissenschaftlichen Arbeit und au-
bildungsstätten sich im Laufe der Zeit auch
ßerdem von hohem erzieherischem Wert. Es
verschiedene Aufgabenbestände herausgebildet
haben. Um hierüber zunächst eine Übersicht zu sollte daher stets im Anschluss an jeden Ver-
such eine Fehlerrechnung oder wenigstens Feh-
bekommen, wurden zahlreiche Universitäts-
und Fachschulinstitute innerhalb der Deutschen lerabschätzung durchgeführt werden. Es ist
Demokratischen Republik um Mitteilung des kaum vermeidbar, dass ein neu geschriebenes
Buch noch Mängel und Fehler aufweist.
derzeitigen Versuchsbestandes gebeten. Den
betreffenden Praktikumsvorständen, die uns Herausgeber und Verfasser wären für entspre-
durch die Beantwortung unserer Fragen entge- chende Hinweise dankbar, um sie bei einer
späteren Auflage berücksichtigen zu können.
genkommend unterstützten, sei auch an dieser
Stelle herzlich gedankt. Als Ergebnis der Um-
frage kann festgestellt werden, dass, gewisse
Grundversuche mit geringfügigen Varianten Leipzig, Januar 1966 Waldemar Ilberg
VI Vorwort
Zur dreizehnten Auflage Dr. W. Schenk bearbeitet wurde, enthält drei
ausgewählte Versuche aus verschiedenen The-
Das Teubner-Buch „Physikalisches Praktikum“ mengebieten, um die Bedeutung dieser heute in
- 1966 von W. Ilberg begründet und von der
vielen Gebieten der Wissenschaft zur Auswer-
vierten bis zur neunten von M. Krötzsch sowie tung von Messdaten etablierten Methode her-
von der zehnten bis zur zwölften Auflage von vorzuheben.
D. Geschke herausgegeben - bewährt sich als
Mit der getroffenen Versuchsauswahl, die auf
Lehrbuch für die Studierenden der Physik, an- die Erfahrungen der Arbeitsgruppe „Physikali-
derer naturwissenschaftlicher und technischer sche Praktika“ im Fachverband „Didaktik der
Studiengänge sowie für Lehramtsanwärter ent-
Physik“ der Deutschen Physikalischen Gesell-
sprechender Fachkombinationen, die ein physi- schaft sowie auf gründliche Internetrecherchen
kalisches Grundpraktikum an Universitäten und zurückgreift, möchten wir den Bedingungen
Fachhochschulen absolvieren.
und Anforderungen in möglichst vielen Physi-
Die vorliegende 13. Auflage wurde umfassend kalischen Praktika gerecht werden. Auf die
neu bearbeitet und in einem zweifarbigen Lay- Erstellung einer neuen CD-ROM wurde aus
out gestaltet. Es sind unter Beibehaltung der
verschiedenen Gründen verzichtet. Einige der
bewährten Grundkonzeption mehr als zwanzig ergänzenden Inhalte, die auf der in der zwölften
Versuche neu aufgenommen oder stark überar- Auflage mitgelieferten CD-ROM enthalten
beitet worden, um der Entwicklung in den Phy-
waren, sind in das Internetportal OnlinePlus des
sikalischen Praktika in den letzten Jahren ge- Verlags übernommen worden. Dort werden
recht zu werden. Dabei wurden die geltenden auch die im Anhang des Buches enthaltenen
Normen des Deutschen Instituts für Normung Textabschnitte zu wichtigen Grundlagen im
(DIN) weitestgehend berücksichtigt. Einige Physikpraktikum, die von Dr. P. Rieger (Kom-
Versuche sind aus Gründen der Aktualisierung
plexe Zahlen, Lösungen linearer Differential-
nicht mehr enthalten. gleichungen), Prof. Dr. W. Oehme aus Leipzig
Die Neubearbeitung des Kapitels Mechanik (Nichtlineare Dynamik), Priv.-Doz. Dr. habil.
übernahmen Dr. P. Rieger und Dr. W. Schenk,
G. Beddies (Grundlagen digitaler Messungen)
der auch die Einführung und das Kapitel Wär- und Dr. T. Franke (Nuklid-Zerfall) erstellt wur-
melehre überarbeitet hat. Im Kapitel Elektrizi- den, sowie weitere Informationen publiziert.
tätslehre erfolgte die Bearbeitung der Themen-
Für seine engagierte Unterstützung bei der Ent-
gebiete Widerstände und Stromquellen sowie wicklung sowie Erprobung neuer Versuche und
elektrische und magnetische Felder durch bei der Gestaltung der Druckvorlage gilt unser
Dr. W. Schenk, die Versuche zum Gebiet Halb-
besonderer Dank Herrn C. Hanisch (Leipzig).
leiter-Bauelemente und elektronische Grund- Bei Herrn Sandten und Frau Hoffmann vom
schaltungen wurden durch Dr. P. Galvosas Verlag Vieweg+Teubner möchten wir uns für
bearbeitet. Eine inhaltliche Neugestaltung der
die freundliche Unterstützung und fachkundige
Versuche zu den Themengebieten Spulen und Beratung bis zur Fertigstellung dieser Auflage
Kondensatoren in Gleich- und Wechselstrom- herzlich bedanken.
kreisen sowie elektrische Schwingungen ist von
Die Herausgeber und die Autoren wünschen
Dr. P. Rieger übernommen worden. Priv.-Doz. sich auch für die dreizehnte, neu bearbeitete
Dr. habil. G. Beddies und Dr. T. Franke sind für Auflage einen breiten Nutzerkreis. Dankbar
die Bearbeitung des Kapitels Optik und Atom- nehmen wir Verbesserungsvorschläge und sach-
physik verantwortlich, wobei einige neue Ver- kundige, kritische Hinweise zu Inhalt und Form
suche zu den Themen ionisierende Strahlung
des Buches entgegen.
sowie fundamentale Konstanten und Effekte der
Physik hinzugekommen sind. Das neu konzi-
pierte Kapitel zur Fourier-Transformation und Leipzig, Wolfgang Schenk
Signalanalyse, das von Prof. Dr. F. Kremer und Dezember 2010 Friedrich Kremer
Vorwort VII
Zur vierzehnten Auflage

Das Lehrbuch „Physikalisches Praktikum“ - Diese Zusatzmaterialien und andere Informatio-
1966 von W. Ilberg begründet und von der nen, die den jeweiligen Hauptkapiteln zugeord-
vierten bis zur neunten von M. Krötzsch sowie net sind, findet man über die Internetadresse
von der zehnten bis zur zwölften Auflage von http://www.springer.com/physics/book/978-3-
D. Geschke herausgegeben – ist seit Jahrzehn- 658-00666-2 unter der Rubrik „Zusätzliche
ten ein anerkanntes Praktikumsbuch für die Informationen“ auf der rechten Seite.
Studierenden der Physik, anderer naturwissen- Bei Frau Hoffmann vom Springer-Verlag
schaftlicher und technischer Studiengänge so- möchten wir uns für die freundliche Unterstüt-
wie für Lehramtsanwärter entsprechender Fach- zung und Beratung bis zur Fertigstellung dieser
kombinationen, die ein physikalisches Prakti- Auflage herzlich bedanken. Weiterhin gilt unser
kum an Universitäten und Fachhochschulen Dank Prof. Dr. M. Ziese (Leipzig) für seine
absolvieren. Hinweise zu notwenig gewordenen Korrekturen
Die dreizehnte neubearbeitete Auflage hat eine und Vorschläge zu einigen inhaltlichen Verbes-
gute Resonanz gefunden und damit eine vier- serungen.
zehnte Auflage notwendig gemacht, in der alle Die Herausgeber und die Autoren wünschen
bisher bekannt gewordenen Druckfehler korri- sich, dass auch die vierzehnte Auflage für die
giert wurden. Des Weiteren haben wir Ände- Studierenden bei der Vorbereitung von Versu-
rungen bzw. Ergänzungen im Text und in eini- chen im physikalischen Praktikum ein hilfrei-
gen Abbildungen vorgenommen, die zur Ver- ches und nützliches Lehrbuch sein wird und
besserung der Darstellung einiger Inhalte bei- wieder einen breiten Nutzerkreis findet.
tragen soll. Die bisherigen Onlinematerialien Konstruktive Verbesserungsvorschläge und
zum Buch wurden durch zusätzliche Ergänzun- sachkundige, kritische Hinweise zu Inhalt und
gen zu ausgewählten Themen (z. B. Simulati- Form des Buches nehmen wir dankbar entge-
onsprogramm zum nichtlinearen Drehpendel gen.
nach Pohl, Fourier-Transformation und -Ana-
lyse, Ermittlung der Unsicherheit bei Messun- Leipzig, Wolfgang Schenk
gen, Begründungen von Gleichungen) erweitert. Juli 2013 Friedrich Kremer
Inhaltsverzeichnis
EF Einführung
1 Größen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Internationales Einheitensystem (SI-Einheiten) . . . . . . . . . . 2
1.2 Abgeleitete Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Erfassung und Auswertung von Messwerten . . . . . . . . . . 4
2.1 Sensoren und Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Graphische Darstellung und Auswertung . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Ausgleichsrechnung (lineare Regression) . . . . . . . . . . . . . 9
3 Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1 Messabweichungen bei Einzelmessungen . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Messunsicherheit bei direkten Messgrößen . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 Messunsicherheit bei indirekten Messgrößen . . . . . . . . . . . 13
3.2 Messgrößen mit zufälligen Messabweichungen . . . . . . . . . . 14
3.2.1 Mittelwert, Standardabweichung, Vertrauensbereich . . . . . . . 14
3.2.2 Messunsicherheit bei kombinierten Messgrößen . . . . . . . . . . 16
3.2.3 Messunsicherheit beim linearen Ausgleich . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Angabe des Messergebnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 Statistische Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1 Ermittlung von Häufigkeitsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2 Verteilungen und Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5 Versuchsvorbereitung und Protokollführung . . . . . . . . . . 27
M Mechanik
1 Wägung und Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.0 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.1 Pyknometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2 Auftriebsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.3 Resonanzverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.1 Schwingrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.3.2 Stimmgabeldichtemesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.0 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.0.1 Bewegungsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.0.2 Satz von Steiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Inhaltsverzeichnis IX
2.0.3 Reduzierte Pendellänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.1 Fadenpendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2 Reversionspendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3 Drehpendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.1 Lineare Schwingungen und Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.2 Nichtlineare Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4 Gekoppelte Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5 Trägheitsmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3 Deformationsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.0 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1 Elastizitätsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.1 Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2 Biegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Torsionsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.1 Statische Messmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2 Dynamische Messmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3 Federkonstante einer Schraubenfeder . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 Schall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.0 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.0.1 Wellengleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.0.2 Schallwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.1 Schallgeschwindigkeit in Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.1.1 Dehnungswelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.1.2 Biegewelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2 Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . 87
5 Oberflächenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.0 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1 Abreißmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Steighöhenmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3 Tropfenmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Viskosität und Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.0 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.0.1 Bernoulli-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.0.2 Gesetz von Hagen und Poiseuille . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.1 Kugelfallmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2 Kugelfall-Viskosimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3 Kapillar-Viskosimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.4 Strömung im Rohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106