Göttinger Physikalisches Praktikum - GWDG

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Peter SchaafDieses Handbuch ist die „Anleitung“ zum Grundpraktikum für Studentinnen undStudenten der Physik an der Universität Göttingen. Es beschreibt die Versucheund deren Grundlagen, die im Göttinger Physikalischen Praktikum vom 2. biszum 4. Semester durchzuführen sind.Göttinger Physikalisches PraktikumGöttinger Physikalisches PraktikumHandbuch für das Praktikum (SS 2004 - SS 2005)ISBN 3-930457-47-4Peter SchaafII. Physikalisches InstitutUniversität GöttingenUniversitätsdrucke GöttingenUniversitätsdrucke Göttingen

Peter SchaafGöttinger Physikalisches PraktikumExcept where otherwise noted, this work islicensed under a Creative Commons License

erschienen in der Reihe der Universitätsdruckeim Universitätsverlag Göttingen 2004

Peter SchaafGöttinger Physikalisches PraktikumFür Studentinnen und Studenten der PhysikHandbuch SS 2004 – SS 2005Mit 117 Abbildungen, 20 Tabellen und7 AufgabenUniversitätsdrucke Göttingen2004

Die Deutsche Bibliothek – CIP-EinheitsaufnahmeEin Titelsatz für diese Publikation istbei der Deutschen Bibliothek erhältlich.PD Dr. Peter SchaafII. Physikalisches InstitutUniversität GöttingenTammannstrasse 1D-37077 GöttingenTel.: 0551-39-7632E-Mail: pschaaf@uni-goettingen.deURL: http://www.ph2.physik.uni-goettingen.de/a-prakt/ Alle Rechte vorbehalten, Universitätsverlag Göttingen 2004Umschlagabbildung vorne: Zeichnung des im Praktikum verwendeten PohlschenResonators zur Messung von gedämpften Schwingungen, sowie das Beugungsbildeines Gitters mit Intensitätsverlauf aus dem Versuch „Beugung von Laserstrahlung“Abbildung hinten: Raumplan des Göttinger Physikalischen PraktikumsUmschlaggestaltung: Peter Schaaf und Margo BargheerISBN 3-930457-47-4

InhaltsverzeichnisVorwortIVorbemerkungenVIII1A Literaturhinweise für das Praktikum2B Organisatorische Regeln für das Praktikum6C Sicherheit im Praktikum12D Anfertigung eines Versuchsprotokolls14E Fehlerrechnung und Auswertungen im Praktikum16F Erstellung von Diagrammen29G Umgang mit Computern32H Verwendung von Messinstrumenten36II Versuche441 Der Pohlsche Resonator452 Die Gravitationswaage523 Das Trägheitsmoment594 Kapillarität und Viskosität655 Spezifische Wärme der Luft und Gasthermometer706 Der Adiabatenexponent c p /cV757 Der Dampfdruck von Wasser818 Diffusion85

VI9InhaltsverzeichnisKreiselpräzession10 Die Potentialwaage919511 Das Drehspul-Galvanometer10012 Messung großer Widerstände10713 Die spezifische Elektronenladung e/me11614 Magnetfeld von Spulen12415 Wechselstromwiderstände12916 Das Magnetometer13417 Ferromagnetismus14118 Der Transformator14619 Dia- und Paramagnetismus15220 Kennlinie der Vakuum-Diode15821 Der Transistor16322 Das Mikroskop16823 Das Prismen- und Gitterspektrometer17324 Das Gasinterferometer18125 Fresnelsche Formeln und Polarisation18526 Beugung und Interferenz von Laserlicht19227 Der Franck-Hertz-Versuch20928 Röntgenstrahlung21429 Radioaktivität22330 Die spezifische Wärme23331 Der Operationsverstärker238III Projektpraktikum250

InhaltsverzeichnisVII1 Projektpraktikum Allgemein2512 Durchführung des Projektpraktikums2523 Mögliche bellenverzeichnis265Raumverzeichnis des Praktikums266Stichwortverzeichnis268

Vorwort SS 2004Herzlich Willkommen zum Göttinger Physikalischen Praktikum mit Projektpraktikum.Dieses »Handbuch« (oder auch Praktikumsanleitung) wird Sie die nächsten drei Semester begleiten. Das erneuerte Physikalische Praktikum für das Fach Physik beinhaltet 30 Versuche undein zusätzliches Projektpraktikum. Es erstreckt sich über drei Semester und soll im Regelfall vom2. bis zum 4. Semester absolviert werden. Das Praktikum wird benötigt für das Diplom in Physik,Geophysik und für das Lehramt an Gymnasien mit Physik als Fach. Für das Lehramt werden nur30 Versuche benötigt, das Praktikum kann also weiterhin in 2 Semestern abgeschlossen werden(2. und 3. Semester). Für den Diplomstudiengang ist auch das Projektpraktikum verpflichtenderforderlich.1 Der entsprechende Schein über die erfolgreiche Teilnahme am Praktikum ist Bedingung für die Anmeldung zum Vordiplom, bzw. zur Zwischenprüfung.Das Göttinger Physikpraktikum für angehende Physikerinnen und Physiker führt zuerst anhand ausgewählter, vorgefertigter Versuche in einen weiten Bereich physikalischer Grundlagen,in den Umgang mit Apparaturen und Messgeräten und in die Technik des physikalischen Experimentierens ein und stellt damit einen wesentlichen Teil der traditionellen Grundausbildung inPhysik dar. Ziel ist hierbei auch eine Vertiefung des bisher in den Vorlesungen erlernten Stoffesdurch eigenes Umsetzen und Erfahren von Physik (learning by doing). Sie erlernen den Umgangmit verschiedensten Geräten und erfahren wie eine physikalische Aufgabenstellung experimentell und methodisch angegangen wird. Problem - Analyse - Bearbeitung - Lösung - Dokumentation, dies ist die Sequenz, die Sie in Ihrem ganzen »Physik-Leben« begleiten wird. Hierbei spieltauch Gruppen- oder Teamarbeit eine wichtige Rolle. Nutzen Sie die Gelegenheit im Praktikumauch dies zu üben, und bringen Sie sich aktiv ein. Es wird sich auszahlen.Dieses Handbuch beschreibt derzeit 31 Versuche, wovon nur 30 verpflichtend durchgeführtwerden müssen. Der optionale Versuch 31 »Operationsverstärker« kann anstelle eines beliebiganderen Versuches durchgeführt werden. Sprechen Sie dies bitte mit Ihrem/r Betreuer/in ab. Wirbemühen uns im Laufe Ihres Praktikums weitere optionale und interessante Versuche anbieten zukönnen. Weiterhin sind für einige Versuche auch Aufgaben in das Handbuch aufgenommen worden. Diese Aufgaben sind fakultativ und sollen der Vorbereitung und dem tieferen Verständnisdienen. Auf lange Sicht wollen wir mehr solcher Aufgaben aufnehmen und auch die Lösungenzur Verfügung stellen.Mit dem seit 2002 eingeführten Projektpraktikum, welches sich an die vorgefertigten 30 Versuche anschließt, soll verstärkt auch das eigenständige wissenschaftliche Arbeiten gefördert werden. Hierzu werden nur Themen (bzw. Aufgabenstellungen) vorgegeben oder auch von den Praktikantinnen und Praktikanten selbst ausgewählt, die dann eigenständig in der Gruppe (max. 6 Personen) bearbeitet werden (mit Hilfestellung eines Betreuers). Eine Liste mit entsprechenden Themenvorschlägen und weitere Einzelheiten zum Projektpraktikum sind in diesem Handbuch imTeil »Projektpraktikum« angeführt.1 Das Projektpraktikum kann auch von LehramtsstudentInnen durchgeführt und möglicherweise als Studienleistunganerkannt werden. Bitte informieren Sie sich bei Ihrem Studienberater für das Lehramt.

IXDie Verwendung von Computern, vom Beginn des Studiums an, ist zur Regel geworden. DasGöttinger Physikalische Praktikum hat bereits einen großen Teil der Praktikumsversuche mitdem Einsatz von Computern verbunden. Es sollen weitere PC, sowohl zur Messdatenerfassungund Experimentsteuerung, als auch zur Datenauswertung, eingesetzt werden. Gleichzeitig hatdie Fakultät im Neubau der Physik einen neuen CIP-Pool (CIP Computer im Praktikum inder Physik) aufgebaut, dessen Computer durch die Praktikanntinnen und Praktikanten genutztwerden können und sollen.Wir legen hiermit ein erneuertes und überarbeitetes Handbuch für das Göttinger Physikalische Praktikum vor. Hiermit möchte ich mich bei allen Praktikantinnen und Praktikanten, sowieallen Betreuerinnen und Betreuern bedanken, die durch ihre Hinweise und Vorschläge geholfenhaben, diese Anleitung zu verbessern. Weitere Versuche wurden verändert und erneuert. Auchder Umzug in den Neubau der Physik Ende 2003 hat im Praktikum einiges verändert. So ist esnur natürlich, dass sich auch wieder neue Fehler und Unzulänglichkeiten in dieses Handbuch einschleichen. Wir wären dankbar, wenn Sie uns entdeckte Fehler und auch Verbesserungsvorschläge sofort mitteilen würden (E-Mail: pschaaf@uni-goettingen.de). Wir werden diesedann schnellstmöglich beheben und auf den Web-Seiten eine verbesserte Version der jeweiligenAnleitung zur Verfügung stellen. Noch sind nicht alle Versuche und ihre Anleitungen auf demStand, den Sie und wir gerne hätten. Dies werden Sie sicherlich feststellen. Bedenken Sie, dassdiese Anleitung und auch die Überarbeitung und Erneuerung der Versuche sehr viel Arbeit erfordert, und wir bei der derzeitigen Personal- und Betreuungssituation nicht alles umsetzen können,was Sie sich und wir uns wünschen.Weiterhin wird das Physikalische Praktikum kontinuierlich durch Neuanschaffungen, Versuchsmodifikationen und neue Versuche modernisiert, wie Sie z.B. an Hand der modernen Messinstrumente, der Laser, der Digital-Oszilloskope, Computer, etc. ersehen können, die Ihnen imPraktikum zur Verfügung stehen. Daneben gibt es Apparaturen, die etwas »altmodischer« aussehen, aber doch noch ganz ihrer (didaktischen) Aufgabe gerecht werden. Es kostet große Mühe,alle diese Apparaturen in einem einwandfreien Zustand zu erhalten. Sollten Sie dennoch Fehlerfeststellen, so geben Sie uns bitte sofort Bescheid. Nur dann können wir für Abhilfe sorgen.Auch nach dem Druck dieser »Praktikumsanleitung« werden Versuche weiterentwickelt undverbessert, so dass es zu Abweichungen des aktuellen Versuches von dieser Anleitung kommenkann. Bedenken Sie bitte, dass zwischen Drucklegung und Ihrer Durchführung des Versuchesschon eine lange Zeitspanne vergangen sein kann (im Extremfall über ein Jahr). Wir bemühenuns, Ihnen solche Änderungen und Verbesserungen rechtzeitig mitzuteilen, hoffen aber auch,dass Sie diese Verbesserungen honorieren werden. Wir werden versuchen, auf den Webseitenimmer aktuelle Versuchsanleitungen zur Verfügung zu stellen. Es lohnt sich also bestimmt, vonZeit zu Zeit auf den Web-Seiten des Praktikums rakt.html nachzusehen, da wir uns bemühen werden, dort immer die aktuellstenInformationen zu publizieren. Auf den Webseiten finden Sie auch wertvolle Hinweise, Kontaktadressen, Termine, Gruppeneinteilungen und eine E-Mail Liste. Die E-Mail-Liste ist zur Vermeidung von SPAM-Mail mit einem Password geschützt, welches Ihnen noch mitgeteilt wird. Siekönnen es aber auch gerne per E-Mail abfragen.In diesem Handbuch finden Sie eine kleine Abhandlung über die Grundlagen der Fehlerrechnung und Protokollerstellung. Sprechen Sie bitte Ihren Betreuer/Ihre Betreuerin an, damit diese/ran den ersten Versuchstagen die Fehlerrechnung und Protokollerstellung nochmal an einem konkreten Beispiel mit Ihnen und Ihrer Gruppe übt.

XBitte bedenken Sie auch immer, dass Ihre Betreuerinnen und Betreuer für Ihr Praktikum, alsofür Ihren Lernerfolg, viel Arbeit und Zeit investieren. Dies geschieht neben eigenem Studiumoder eigener Promotion und resultiert in einer Belastung, die weit über das hinausgeht, was alsLehrverpflichtung von Doktoranden und Diplomanden im Durchschnitt an der Fakultät erbrachtwird. Leider stehen uns nicht so viele Betreuer zur Verfügung, wie wir dies aus praktischen unddidaktischen Erwägungen für sinnvoll erachten. Erleichtern Sie deshalb bitte Ihren Betreuerinnen und Betreuern diese Belastung durch Ihre engagierte, aktive, gut vorbereitete und möglichsteigenständige Mitarbeit im Praktikum und »zahlen« Sie deren Engagement mit einem guten Lernerfolg zurück. Das Praktikum ist »keine Museumsführung« einer Schulklasse durch die Grundlagen der Physik. Nur Ihr aktives und eigenständiges Arbeiten erzielt auch eine hohe Nachhaltigkeit des Erlernten und schafft so das solide Wissensfundament, auf dem Sie aufbauen und in diehöheren Sphären der Physik vorstoßen können. So kann frei nach J. F. K ENNEDY gesagt werden:»Fragen Sie nicht was das Praktikum für Sie tun kann, sondern was Sie für Ihr Praktikum tunkönnen!«.Zusammenfassend wünschen Ihnen alle Betreuerinnen und Betreuer des Praktikums viel Spaßim und einen guten Lernerfolg durch das Praktikum. Wir alle, insbesondere Ihre Betreuerinnenund Betreuer, bemühen uns, damit dies - Ihre Mithilfe angenommen - auch erreicht werden kann.Göttingen, im August 2004Peter Schaaf

Teil IVorbemerkungen

ALiteraturhinweise für das PraktikumAls begleitende Literatur für das Göttinger Physikalische Praktikum sind prinzipiell die folgenden Bücher zu nennen. Die Aufzählung erhebt weder einen Anspruch auf Vollständigkeit nochstellt sie eine Wertung dar. Welches Buch für Sie persönlich das Beste ist, können nur Sie selbstentscheiden. Schauen Sie sich die Bücher an, vergleichen Sie dabei beispielsweise direkt dieunterschiedlichen Darstellungen eines bestimmten engen Gebietes. Wählen Sie dann dasjenigeBuch aus, welches Ihnen am besten liegt. Neben dieser Aufzählung finden sich diese und weitereBücher auch im Literaturverzeichnis wieder. Die Abkürzungen der Bücher werden zum Teil auchbei den Versuchen zur Literaturangabe benutzt.A.1Spezielle PraktikumsbücherTabelle A.1 enthält eine Aufzählung von Büchern, die speziell für das Physikalische Praktikumgedacht sind (Praktikumsbücher).Tabelle A.1: Dedizierte PraktikumsbücherKürzelAutor, Titel, Verlag, Jahr, ReferenzNPPE ICHLER , K RONFELD , S AHM, Das Neue Physikalische Grundpraktikum, Springer,2001 [18]WALCHER, Praktikum der Physik, Teubner, 2004 [94]W ESTPHAL, Praktikum der Physik, Springer, 1984 (vergriffen) [99]G ESCHKE, Physikalisches Praktikum, Teubner, 2001 [26]B ECKER , J ODL, Physikalisches Praktikum, VDI-Verlag, 1983 [2]D IEMER , BASEL , J ODL, Computer im Praktikum Springer, 1999 [15]PAUS, Physik in Experimenten und Beispielen, Hanser [71]WalWesGeschkeBeJoCIPPausA.2Allgemeine PhysikbücherFolgende, in Tabelle A.2 aufgeführte, allgemeine Physikbücher sind für das Praktikum und dasStudium insgesamt nützlich.A.3Handbücher und NachschlagewerkeNützliche Hinweise zur Auswertung und Fehlerrechnung, sowie eine Vielzahl von Werten, Datenund Eigenschaften findet man in den in Tabelle A.3 aufgeführten Handbüchern und Nachschlagewerken.

A.3 Handbücher und Nachschlagewerke3Tabelle A.2: Allgemeine Physikbücher, die für das Praktikum nützlich sind.KürzelAutor, Titel, Verlag, Jahr, ReferenzBS 1-8B ERGMANN -S CHAEFER,Experimentalphysik1-8,DeGruyter,[89, 78, 69, 76, 77, 75, 79, 80]W. D EMTRÖDER, Experimentalphysik 1-4, Springer, 2002 [11, 12, 13, 14]M ESCHEDE , VOGEL , G ERTHSEN, Gerthsen: Physik, Springer, 2003 [66]H ALLIDAY, Physik, Springer, 2003 [35]F EYNMAN Physics Lectures [20, 19, 21]KOHLRAUSCH, Praktische Physik 1-3, Teubner, 2002 [47, 48, 49]W ESTPHAL, Physik, Springer [98]L ÜDERS -P OHL, Pohls Einführung in die Physik, Springer 2004 [58]G RIMSEHL, Lehrbuch der Physik 1-4, Teubner [33, 30, 32, 31]A LONSO , F INN, Physik, Oldenbourg, 2000 [1]L ÜSCHER, Experimentalphysik 1-3, Piper [60, 59, 61]S TÖCKER, Taschenbuch der Physik, Harri Deutsch [90]T IPLER, Physik, Spektrum [93]Berkeley Physik Kurs, Vieweg [43, 74, 10, 100, 81]Dem 1-4GerthsenHallidayFeynKohlr 1-3WespPohlGrim 1-4AlonsoLüsch 1-3StöckerTiplerBerk 1-52000Tabelle A.3: Handbücher und Nachschlagewerke für das PraktikumKürzelAutor, Titel, Verlag, Jahr, ReferenzBronTBMatheB RONSTEIN -S EMENDAJEV, Taschenbuch der Mathematik, Harri Deutsch [5]S TÖCKER, Taschenbuch mathematischer Formeln und moderner Verfahren, HarriDeutsch [91]S TÖCKER, Taschenbuch der Physik, Harri Deutsch [90]L UTZ , W ENDT, Taschenbuch der Regelungstechnik, Harri Deutsch [62]R INNE, Taschenbuch der Statistik, Harri Deutsch [83]KORIES , S CHMIDT-WALTER, Taschenbuch der Elektrotechnik, Harri Deutsch [16]S CHRÖTER , L AUTENSCHLÄGER , B IBRACK, Taschenbuch der Chemie, Harri Deutsch[87]K NEUBÜHL, Repetitorium der Physik, Teubner [45]L ICHTEN, Scriptum Fehlerrechnung, Springer [56]B EVINGTON , ROBINSON, Data reduction and error analysis for the physical sciences,McGraw-Hill, 1992 [4]B ERBER , K ACHER , L ANGER, Physik in Formeln und Tabellen, Teubner [3]W EISE , W ÖGER, Messunsicherheit und Messdatenauswertung, Wiley-VCH, Weinheim, 1999 [97]K UNZE, Physikalische Messmethoden, Teubner, 1986 [54]Web-Elements www.webelements.comL ANDOLT-B ÖRNSTEIN www.springeronline.de [63]NIST ST

4A Literaturhinweise für das PraktikumA.4Verwendung im PraktikumWählen Sie anhand der Sachverzeichnisse und der Stichworte in den Anleitungen die geeigneteLiteratur zu dem jeweiligen Versuch aus. Zu einigen Versuchen wird spezielle Literatur angegeben, die Sie auch in der Physik-Bibliothek einsehen, oder auch bei der Betreuerin erfragen können. Die meisten Bücher und Lehrbücher sind in der Bereichsbibliothek Physik (BBP) ausleihoder einsehbar.Im Rahmen der Erneuerung des Praktikums und der Verbesserung dieser Anleitung sind wirbemüht, die wichtigsten physikalischen Grundlagen in diese Anleitung aufzunehmen. Dies istaber erst für einige Versuche gelungen. Wir halten es für unerlässlich, sich selbständig die zugehörige Physik durch eigenes Nachlesen in mehreren Büchern (zur Not auch in Vorgängerprotokollen, aber auf Richtigkeit achten!) tiefgehender anzueignen. Die unterschiedlichen Darstellungsweisen fördern zudem sehr das Verständnis.A.5FundamentalkonstantenViele physikalische Fundamentalkonstanten werden im Praktikum für Berechnungen benötigt.Einige werden dort auch direkt vermessen und können so mit den allgemein akzeptierten Wertenverglichen werden. Tabelle A.4 gibt eine Auswahl dieser Werte wieder. Diese wurden aus der,von der IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics) festgelegten, Zusammenstellung CODATA [7] übernommen.

A.5 FundamentalkonstantenTabelle A.4: Zusammenstellung einiger wichtiger physikalischer Fundamentalkonstanten die im Praktikum häufig benötigt werden (nach [7]). x/x gibt die relative Unsicherheit des Wertes �t des VakuumsPermittivität des VakuumsGravitationskonstantePlanck KonstanteElementarladungHall-WiderstandBohr MagnetonFeinstrukturkonstanteRydberg KonstanteBohr RadiusElektronenmasseAvogadro KonstanteAtomare MasseneinheitFaraday KonstanteMolare GaskonstanteBoltzmann KonstanteMolvolumen Ideales Gas1Loschmidt KonstanteStefan-Boltzmann KonstanteWien KonstanteSymbolWert x/x [ppm]c0µ0ε0G, γhheRHµB e}/2meα µ0 ce2/2hα 1R cR hcR a0 α/4πR meNAmumuFRkBkBVmn0 NA/Vmσb λmax T299 792 458 m s 50,001 20,001 4π · 10 7 N A 28,854 187 817 · 10 12 F m 16,672 59 · 10 11 m3 kg 1 s 26,626 075 5 · 10 34 J s4,135 669 2 · 10 15 eV s1,602 177 33 · 10 19 C25 812,805 6 Ω5,788 382 63 · 10 5 eV/T0,007 297 353 08137,035 989 510 973 731,534 m 13,289 841 949 9 · 1015 Hz13,605 698 1 eV0,529 177 249 · 10 10 m9,109 389 7 · 10 31 kg6,022 136 7 · 1023 mol 11,660 540 2 · 10 27 kg931,494 32 MeV96 485,309 C mol 18,314 510 J mol 1 K 11,380 658 · 10 23 J K 18,617 385 · 10 5 eV K 122 414,10 m3 mol 12,686 763 · 1025 m 35,670 51 · 10 8 W m 2 K 40,002 897 756 m K5

BOrganisatorische Regeln für das PraktikumWir haben folgende organisatorische Regeln für das Praktikum aufgestellt, die einen reibungslosen und effektiven Ablauf des Praktikums ermöglichen sollen.B.1AnmeldungEine persönliche Anmeldung ist erforderlich. Der Anmeldebogen muss ausgefüllt und unterschrieben werden. Bitte benutzen Sie hierfür die Online-Anmeldung auf den Webseiten. EineAngabe der E-Mail Adresse ist erwünscht, um eine bessere Erreichbarkeit zu gewährleisten. Aufden Webseiten wird eine E-Mail-Liste geführt, die aber durch ein Password geschützt ist umMissbrauch zu vermeiden. Voraussetzung für die Teilnahme am Göttinger Physikalischen Praktikum ist die erfolgreiche Teilnahme an den Physikvorlesungen des 1. Semesters.B.2KarteikarteJede Praktikantin und jeder Praktikanten führt eine Karteikarte, auf der alle wesentlichen Punktedes Praktikums (Versuchsdurchführung, Protokoll, Vortrag, Kolloquium, usw.) festgehalten werden. Diese Karteikarte ist ein wichtiges Dokument und vollständig ausgefüllt die Grundlage fürdie Ausstellung des Scheines. Achten Sie also bitte sorgfältig auf diese Karteikarte.B.3VersuchsvorbereitungJede Praktikantin und jeder Praktikant muss sich genügend auf den durchzuführenden Versuchvorbereiten. Die Durcharbeitu

Göttinger Physikalisches Praktikum Handbuch für das Praktikum (SS 2004 - SS 2005) Peter Schaaf Göttinger Physikalisches Praktikum Dieses Handbuch ist die „Anleitung“ zum Grundpraktikum für Studentinnen und Studenten der Physik an der Universität Göttingen. Es beschreibt die Versuche und deren Grundlagen, die im Göttinger Physikalischen Praktikum vom 2. bis zum 4. Semester .

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