Praktikum der Physik

Aufgabe und Ziel der Physik ist es, die Objekte (Dinge, Erscheinungen) der Natur zu beobachten und ihre Eigenschaften, Zustände und Zustandsänderungen zu beschreiben. Dabei begnügt sie sich nicht mit qualitativen Angaben, sondern sucht immer quantitative Aussagen zu gewinnen, indem sie die gleichartigen Eigenschaften zweier Objekte (ihre gleichen „Qualitäten“) vergleicht, oder indem sie gleichartige Ereignisse (Zustandsänderungen) zählt.

Die Messung von Längen ist eines der ältesten Meßprobleme. Die einfachen Längenmeßverfahren sind daher allgemein bekannt, weniger jedoch die damit verbundenen prinzipiellen Schwierigkeiten, obwohl an diesen die allgemeine Problematik des Messens, nämlich die Veränderung des Meßobjekts durch den Meßprozeß, besonders deutlich wird. Als Beispiel stelle man sich die Aufgabe, den Abstand zweier Seitenflächen eines weichen Gummiwürfels zu bestimmen Ein häufig angewandtes Verfahren besteht darin, den Würfel zwischen zwei planparallele Platten, deren Abstand an einem Maßstab abgelesen werden kann, zu legen und die Platten so weit an den Würfel heranzuschieben, bis sie dessen Seitenflächen berühren. In dieser einfachen Meßanordnung äußert sich die Berührung im Widerstand gegen die weitere Verschiebung der Platten; die Platten üben bei „Berührung“ eine Kraft auf die Seitenflächen aus, so daß der Würfel deformiert wird. Das Meßergebnis ist also zu klein. Die Meßunsicherheit wird weitgehend bestimmt vom „Gefühl“ des Messenden. Die Durchführung einer fehlerfreien Längenmessung ist also keineswegs so selbstverständlich, wie es dem unkritischen Beobachter scheinen mag.

Wärme ist die Energie der ungeordneten Bewegung (Translation) sowie der Rotation und Schwingung der Atome oder Moleküle eines Körpers; je größer diese Energie, desto höher seine Temperatur. Bewegt sich ein Körper als Ganzes, so führen alle seine Atome oder Moleküle zusätzlich zur ungeordneten Bewegung eine dieser überlagerte gerichtete (geordnete) Bewegung aus. Die gerichtete Bewegung kann — z. B. durch Reibung oder unelastischen Stoß oder durch die „Reibung“ elektrisch geladener Teilchen an den atomaren Bausteinen des „Leiters“ — ganz in ungeordnete Bewegung, die Energie der gerichteten Bewegung — mechanische oder elektrische — also vollständig in Energie der ungeordneten Bewegung, Wärme, umgewandelt werden. Dabei erhöht sich die Temperatur des Körpers.

Zum Aufbau optischer Versuchsanordnungen verwendet man — wegen der einfachen Justiermöglichkeiten — zweckmäßigerweise eine optische Bank nach Fig. 4.1. Die Bauelemente — Linsen, Spiegel, Filter, Mattscheiben, Lichtquellen u. a. — werden auf Reiter gesetzt, die an ihrem Fuß gewöhnlich eine Ablesemarke tragen und längs einer (Zeiß-)Schiene mit Millimeterteilung meßbar verschoben werden können.

Aus den Gesetzen der Elektrolyse (Faraday; vgl. Abschn. 5.3.0) folgt mit der Annahme des atomaren Aufbaus der Materie auch eine atomare Struktur der Elektrizität, d.h. die Existenz einer Elementarladung e, so daß jede Ladung Q ein ganzzahliges Vielfaches dieser Elementarladung, also ist, und ferner, daß ist. Einen direkten Beweis für die Existenz und zugleich eine direkte Bestimmung der Elementarladung e und darüber hinaus der Masse m _e des Elektrons ermöglichen die von R.A.Millikan 1910 und von H. Busch 1922 angegebenen Methoden zur Messung der Elementarladung e und der spezifischen Ladung des Elektrons e/m _e.

Ungedämpfte, freie, harmonische Schwingungen werden durch die Differentialgleichung (vgl. Gl. (2.99), (2.109)) beschrieben.

Elektronische Schaltelemente, die alternativ nur einen von insgesamt zwei möglichen stabilen Zuständen annehmen können, werden als „bistabile“ oder „bivalente“ Bauelemente bezeichnet (z. B. Schalter: aus/ein; Relais: nicht erregt/erregt). Untersuchung und Darstellung der Eigenschaften komplizierterer Schaltungen, die aus bistabilen Bauelementen zusammengesetzt sind, werden stark vereinfacht, wenn man von algebraischen Methoden Gebrauch macht. Die Theorie, die sich mit der Zusammenschaltung (logischen Verknüpfung) solcher bistabilen Elemente beschäftigt, heißt Schaltalgebra; sie ist identisch (isomorph) mit der Aussagenalgebra und ein Spezialfall der vor über 100 Jahren zur systematischen Behandlung der Logik entwickelten Booleschen Algebra.

In einem Querschnitt senkrecht zur neutralen Faser treten sehr wohl Schubspannungen auf, die an der Stelle der neutralen Faser maximal, an den Rändern des Balkens Null sind. Sie sind aber nur für die Festigkeit, nicht jedoch für die Durchbiegung von Bedeutung.

Die Aufgabe hat die Beobachtung der vielfäligen Erscheinungen im Resonanzverhalten eines nichtlinearen Schwingers zum Ziel. Die Einschwingdauer der subharmonischen Resonanzen (Untertonerregung) ist groß, die Durchführung erfordert daher viel Geduld. Darüberhinaus gelingt die Beobachtung nur, wenn die Erregerfrequenz ω _a sehr gut konstant gehalten wird; die von den Lehrmittelfirmen gelieferten Antriebe erfüllen diese Bedingung derzeit nicht.