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2014 | Buch

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Physikalisches Praktikum

verfasst von: Wolfgang Schenk, Friedrich Kremer, Gunter Beddies, Thomas Franke, Petrik Galvosas, Peter Rieger

herausgegeben von: Wolfgang Schenk, Friedrich Kremer

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Dieses erfolgreiche Praktikumsbuch bewährt sich seit vielen Jahren bei Studierenden der Physik sowie anderer naturwissenschaftlicher Studiengänge und des Lehramts, die ein physikalisches Grundpraktikum absolvieren. Vielfach genutzt wird es auch von Studierenden der Ingenieurwissenschaften an Technischen Universitäten und Fachhochschulen.
In der vorliegenden 14. Auflage wurden Änderungen bzw. Ergänzungen im Text und in einigen Abbildungen vorgenommen, die zur Verbesserung der Darstellung einiger Inhalte beitragen sollen. Die bisherigen Onlinematerialien zum Buch wurden durch zusätzliche Ergänzungen zu ausgewählten Themen (z. B. Simulationsprogramm zum nichtlinearen Drehpendel nach Pohl, Fourier-Transformation und -Analyse, Ermittlung der Unsicherheit bei Messungen, Begründungen von Gleichungen) erweitert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Im Abschnitt Größen und Einheiten wird die physikalische Größe als Messgröße mit einer Maßeinheit eingeführt. Grundlegende Darstellungen zur Messung physikalischer Größen enthält der Abschnitt Erfassung und Auswertung von Messwerten, in dem auch Möglichkeiten der grafischen Darstellung und Auswertung von gemessenen Größen beschrieben werden. Zum Thema Messunsicherheit im gleichnamigen Abschnitt gibt es kurze Anleitungen zur Erörterung und Berechnung von Messunsicherheiten von direkt gemessenen Größen und kombinierten Messgrößen. An Beispielen wird die Ermittlung von Messunsicherheiten auf der Grundlage statistischer Kenngrößen dargestellt. Wichtige Inhalte des Abschnitts Statistische Tests sind die Ermittlung von Häufigkeitsverteilungen sowie praktische Anwendungen von Verteilungen und Prüfverfahren. Der Abschnitt Versuchsvorbereitung und Protokollführung enthält wichtige Hinweise für die Vorbereitung eines Praktikumsexperiments und dessen Dokumentierung in Form eines Versuchsprotokolls.

Wolfgang Schenk, Friedrich Kremer, Gunter Beddies, Thomas Franke, Petrik Galvosas, Peter Rieger

2. Mechanik

Zusammenfassung

Im Abschnitt Wägung und Dichte werden Experimente zur Bestimmung der Dichte von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen unter der Anwendung klassischer Verfahren sowie von Resonanzverfahren dargestellt. Das einfachste Beispiel einer mechanischen Schwingung im Abschnitt Schwingungen wird im Versuch zum Fadenpendel behandelt. Weitere Experimente zur Untersuchung mechanischer Schwingungen werden mit einem Reversionspendel, einem Drehpendel zur Messung linearer und nichtlinearer Schwingungen, mit gekoppelten Pendeln sowie einem Drehtisch zur Bestimmung von Trägheitsmomenten vorgestellt. Der Abschnitt Deformationsverhalten enthält Versuche zur Ermittlung von verschiedenen Elastizitätsgrößen, unter anderem durch Dehnungs- und Biegemessungen. Als Beispiel für die Ausbreitung mechanischer Wellen in Festkörpern und Flüssigkeiten enthält der Abschnitt Schallwellen Experimente, in denen insbesondere stehende Wellen für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und charakteristischer Materialgrößen Anwendung finden. Die Abschnitte Oberflächenspannung und Viskosität und Strömung beinhalten Versuche zur Messung von zwei grundlegenden Eigenschaften von Flüssigkeiten, der Oberflächenspannung und der Viskosität.

Wolfgang Schenk, Friedrich Kremer, Gunter Beddies, Thomas Franke, Petrik Galvosas, Peter Rieger

3. Wärmelehre

Zusammenfassung

Im Abschnitt Temperaturmessungen werden verschiedene in der Praxis gängige Temperaturmessverfahren zur Untersuchung von Messobjekten und physikalischer Gesetze verwendet. Der Abschnitt Zustandsänderungen und Phasenumwandlungen enthält Versuche zur Messung und Auswertung von Isothermen realer Gase, der Bestimmung von Adiabatenexponenten mit verschiedenen Messmethoden und der Aufnahme einer Dampfdruckkurve. Für die Untersuchung eines technischen Kreisprozesses werden Messungen mit einer Wärmepumpe durchgeführt. Versuche zur Kalorimetrie im gleichnamigen Abschnitt beinhalten die Bestimmung von Wärmemengen zur Ermittlung spezifischer Wärmekapazitäten und Umwandlungswärmen. Die Ausbreitung von Wärmeenergie durch Wärmeleitung in Festkörpern umfasst Messungen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit an verschiedenen Messobjekten sowie des Wärmedurchgangskoeffizienten.

Wolfgang Schenk, Friedrich Kremer, Gunter Beddies, Thomas Franke, Petrik Galvosas, Peter Rieger

4. Elektrizitätslehre

Zusammenfassung

Es werden im Abschnitt Widerstände und Stromquellen Versuche dargestellt, die das Verhalten von Gleichstrom, -spannung und ohmschen Widerständen in verschiedenen elektrischen Schaltungen und unter unterschiedlichen Bedingungen untersuchen. Der Abschnitt Elektrische und magnetische Felder enthält Experimente zur Messung elektrischer und magnetischer Felder sowie zur Untersuchung des Hall-Effekts. Außerdem wird in einem Versuch das Verhalten eines unbelasteten sowie belasteten Transformators untersucht. Im Abschnitt Spulen und Kondensatoren in Gleich- und Wechselstromkreisen werden grundlegende Schaltungen zur Untersuchung des Zeit- und Frequenzverhaltens von Stromstärke, Spannung und Wechselstromwiderständen beschrieben. Ein Schwerpunkt des Abschnitts Elektrische Schwingungen bildet die Erfassung und Analyse von Resonanzkurven in Serien- und Parallelschaltungen. Eine besondere Art elektrischer Leiter stellen die Halbleiter dar, deren Leitungsmechanismus auf der Bewegung von Elektronen oder Löchern beruht. Im Abschnitt Halbleiter-Bauelemente, elektronische Grundschaltungen werden zum einen Versuche zu unterschiedlichen Halbleitereigenschaften und zum anderen wichtige Grundschaltungen mit Halbleiterbauelementen, wie Dioden, Transistoren und dem Operationsverstärker, beschrieben. Ergänzend werden exemplarisch einige Versuche mit Grundschaltungen der Digitalelektronik vorgestellt.

Wolfgang Schenk, Friedrich Kremer, Gunter Beddies, Thomas Franke, Petrik Galvosas, Peter Rieger

5. Optik und Atomphysik

Zusammenfassung

Im Abschnitt Linsen und Linsensysteme werden Versuche zur geometrischen Optik vorgestellt, einen Schwerpunkt bilden die Brennweitenbestimmung und die Vergrößerung optischer Systeme. Versuche zum Wellencharakter des Lichts, wie Beugung an Spalten bzw. Gittern sowie Interferenzerscheinungen an ausgewählten Objekten und Untersuchungen mit dem Michelson-Interferometer, werden im Abschnitt Kohärenz, Interferenz und Beugung beschrieben. Experimente mit grundlegenden optischen Apparatesystemen, wie Refraktometer, Prismenspektrometer und Spektralphotometer werden im Abschnitt Brechung, Dispersion und Absorption dargestellt. Der Abschnitt Polarisation beinhaltet Versuche, die auf den Fresnelschen Formeln so wie dem Gesetz von Malus basieren. Die praktische Anwendung eines Polarimeters wird durch die Bestimmung der Konzentration von Zuckerlösungen demonstriert. Ein zentraler Schwerpunkt des Abschnitts Ionisierende Strahlung bilden sowohl die Messmethoden für die verschiedenen Strahlungsarten als auch deren charakteristischen Eigenschaften bei der Wechselwirkung mit Materie. Im Abschnitt Fundamentale Konstanten und Effekte der Physik werden Experimente zur Bestimmung wichtiger Naturkonstanten beschrieben, wie z. B. der Lichtgeschwindigkeit, der Elementarladung, des Planckschen Wirkungsquantums, der Rydberg- und der Avogadro-Konstante sowie der spezifischen Ladung des Elektrons und der Gravitationskonstante.

Wolfgang Schenk, Friedrich Kremer, Gunter Beddies, Thomas Franke, Petrik Galvosas, Peter Rieger

6. Fourier-Transformation und Signalanalyse

Zusammenfassung

Im Kapitel Fouriertransformation und Signalanalyse wird in drei unterschiedlichen Experimenten diese heute in vielen Gebieten der Wissenschaft etablierte Methode zur Analyse von Messsignalen exemplarisch angewendet. Im Versuch Fourier-Synthese und -Analyse optischer Muster und elektrischer Signale wird die Überlagerung und Fourieranalyse von optischen und elektrischen Signalen zur Bestimmung des Amplitudenspektrums dargestellt, um die in den Messgrößen enthaltenen Frequenzen zu ermitteln. Dabei wird auch die Bedeutung des Abtasttheorems für die korrekte Messung digitaler Signale erörtert. In den beiden anderen Versuchen, Fourier-Analyse von gekoppelten elektrischer Schwingungen und akustischen Schwingungen liegt der Schwerpunkt der Anwendung der Fouriertransformation auf der Analyse der nach der Fouriertransformation aus den Spektren gewonnenen Frequenzen, die im Zusammenhang mit den für die verschiedenen Schwingungsarten physikalisch begründeten Gleichungen diskutiert werden.

Wolfgang Schenk, Friedrich Kremer, Gunter Beddies, Thomas Franke, Petrik Galvosas, Peter Rieger

7. Anhang

Wolfgang Schenk, Friedrich Kremer, Gunter Beddies, Thomas Franke, Petrik Galvosas, Peter Rieger

Backmatter

Titel: Physikalisches Praktikum
verfasst von: Wolfgang Schenk
Friedrich Kremer
Gunter Beddies
Thomas Franke
Petrik Galvosas
Peter Rieger
herausgegeben von: Wolfgang Schenk
Friedrich Kremer
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-00666-2
Print ISBN: 978-3-658-00665-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-00666-2

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