Physiklabor

Das Physikalische Praktikum des Fachbereichs 2 vermittelt zwischen Experimentalvorlesungen und Übungen die praktische Anwendung des zuvor erlernten Stoffes. Die Durchführung der physikalischen Versuche findet in Zweiergruppen statt – so wird eine gute praktische Ausbildung ermöglicht. Es stehen zehn Versuche aus den Bereichen Mechanik, Schwingungen, Wellen, Optik und Thermodynamik zur Verfügung.

Standort

HOST Bauteil C, Hungenerstr. 6

Physiklabor 1: Raum 209

Physiklabor 2: Raum 205

Versuche: Labor 1

Linearbewegung

Theorie

Schwerpunkte

Untersuchung der gleichförmigen linearen Bewegung.
Bestimmung des Reibungskoeffizienten.
Bestimmung der Federenergie und der Federkonstante.
Untersuchung der gleichmäßig beschleunigten linearen Bewegung (Newton´sche Gesetze, ...).
Bestimmung der potentiellen Energie.
Untersuchung der Umwandlung von potentieller in kinetische Energie (Wirkungsgrad, ...).
Untersuchung des elastischen Stoßes (Energie- und Impulserhaltungssatz).
Untersuchung des inelastischen Stoßes (Energie- und Impulserhaltungssatz).
Messfehler und Messfehlerfortpflanzung.

Physikalische Größen

s = Weg
t = Zeit
m = Masse
l = Länge
g = Erdbeschleunigung
k = Federkonstante
μ = Reibungskoeffizient
h = Wirkungsgrad
F = Kraft

Labor

Geräte

Fahrbahn mit Startvorrichtung, Lichtschranken und Zeitmessgerät 4-4 (Komplettsystem von Phywe, Artikel Nr.: P1198805)

Handhabung

Messreihen aufnehmen

Auswertung

Aufgabenstellung

Qualitative Untersuchung auf der Grundlage der Beobachtung (v (t), s (t)) von linearen Bewegungen.
Bestimmung des Reibungskoeffizienten, der Federenergie und der Federkonstante.
Bestimmung der Effizienz der Energieumwandlung.
Bestimmung der Geschwindigkeiten vor und nach einem elastischen Stoß.
Bestimmung der Gesamtenergie und des Gesamtimpulses vor und nach einem inelastischen Stoß.
Alle Analysen werden unter Berücksichtigung von Messfehlern durchgeführt.

Graphische Darstellung

v(t), s(t) mit Messfehlerbalken

Ergebnisdiskussion

Vergleich mit dem Literaturwert unter Berücksichtigung von Messfehlern.
Vergleich Theorie/Experiment unter Berücksichtigung von Messfehlern.

Drehbewegung

Theorie

Schwerpunkte

Untersuchung der Drehmomentwirkung bei Drehbewegungen.
Untersuchung des Steiner-Satzes.
Untersuchung der Wirkung des Trägheitsmoments bei Drehbewegungen.
Messung des Trägheitsmoments von verschiedenen Körpern.
Untersuchung der Auswirkung der Drehachse eines Körpers in einer Drehbewegung.
Messfehler und Messfehlerfortpflanzung.

Physikalische Größen

α = Winkelbeschleunigung
mZ = Zugmasse
DW/RW= Wickeltrommeldurchmesser/-radius
g = Erdbeschleunigung
M = Drehmoment
J = Trägheitsmoment
A = Abstand der Zusatzmassen zur Drehachse am Dreharm

Labor

Geräte

Rotationsversuch (Pasco, Artikel Nr.: ME-8950A)
Messtechnik (Eigenentwicklung, Odroid XU4 Linux Mini-PC)

Handhabung

Grafische Darstellung des Winkel-Zeit-Diagramms mit automatischem Anpassungsprogramm und Ausgabe der Anpassungsparameter.

Auswertung

Aufgabenstellung

Quantitative Untersuchung der Drehmomentwirkung.
Qualitative und quantitative Untersuchung des Steiner-Satzes.
Messung und Berechnung des Trägheitsmoments von verschiedenen Körpern.
Messung und Berechnung des Trägheitsmoments eines Körpers in Abhängigkeit von seinen Drehachsen.
Alle Analysen werden unter Berücksichtigung von Messfehlern durchgeführt.

Graphische Darstellung

α(m_Z), α(R_W), J(A) mit Messfehlerbalken

Ergebnisdiskussion

Vergleich Theorie/Experiment unter Berücksichtigung von Messfehlern.

Mechanische Schwingungen Pohl'sches Pendel

Theorie

Schwerpunkte

Untersuchung freier, gedämpfter und erzwungener Schwingungen.
Untersuchung der viskosen und erzwungenen Dämpfung.
Messfehler und Messfehlerfortpflanzung.

Physikalische Größen

m_Z = Zugmasse
M = Drehmoment
j = Drehfederauslenkung, Amplitude
D = Drehfedersteife
f, ω, T = Frequenz, Kreisfrequenz, Schwingungsdauer/Periode
δ = Dämpfungskonstante
I = Wirbelstrom

Labor

Geräte

Pohl'sches Pendel (3B Scientific, Artikel Nr.: 1002956 [U15040])
Messtechnik (Eigenentwicklung, Hall-Sensor für Winkelmessung + Schrittmotor für erzwungene Schwingungen).
Datenerfassung: Oszilloskop Keysight MSO-X 2022A (200 MHz, 2 GSa/s, 2 Kanäle).

Handhabung

Aufnahme von Messreihen.

Auswertung

Aufgabenstellung

Auslenkung:
- Bestimmung der Federsteifigkeit, der Eigenfrequenz, der Periode und der Winkelfrequenz.
- Untersuchung der Links-Rechts-Asymmetrie der Auslenkung.
Freie Schwingungen:
- Messung der Eigenfrequenz, der Periode und der Winkelfrequenz.
- Untersuchung der Links-Rechts-Asymmetrie der Schwingungen.
- Untersuchung der viskosen Dämpfung.
Gedämpfte Schwingungen mittels der Wirbelstrombremse
- Messung der Eigenfrequenz, der Periode und der Winkelfrequenz.
Untersuchung der erzwungenen und aperiodischen Dämpfung.
Erzwungene Schwingungen
- Aufnahme der Resonanzkurven und Bestimmung der Eigenfrequenz.
Alle Analysen werden unter Berücksichtigung von Messfehlern durchgeführt.

Graphische Darstellung

M (j), j (t), I (δ), j (f) mit Messfehlerbalken

Ergebnisdiskussion

Vergleich Theorie/Experiment unter Berücksichtigung von Messfehlern.

Bestimmung von Dichten

Theorie

Schwerpunkte

Messung der Massendichte verschiedener Körper aus unterschiedlichen Materialien und Aggregatzuständen.
Volumenmessung von komplexen Körpern.
Massendichte von trockener Luft.
Untersuchung des idealen Gasverhaltens von trockener Luft.
Messfehler und Messfehlerfortpflanzung.

Physikalische Größen

m = Masse
L, B, H, D = Länge, Breite, Höhe, Durchmesser
V = Volumen
p = Druck

Labor

Geräte

Verschiedene Körper mit unterschiedlichen Materialien, Formen und Aggregatzuständen.
Hochpräzise Messschieber und Waagen.
Druckluft und Manometer.

Handhabung

Aufnahme von Messreihen.

Auswertung

Aufgabenstellung

Wägen, Messen und Berechnen der Massendichte von symmetrischen Festkörpern.
Messen des Volumens und Berechnen der Massendichte von komplexen Körpern.
Wiegen und Berechnen der Massendichte von trockener Luft.
Untersuchung des Verhaltens von Luft im Vergleich zum Verhalten eines idealen Gases.
Alle Analysen werden unter Berücksichtigung von Messfehlern durchgeführt.

Graphische Darstellung

Ideale Gas- und experimentelle m (p)-Kurven für trockene Luft mit Messfehlerbalken

Ergebnisdiskussion

Vergleich Theorie/Experiment unter Berücksichtigung von Messfehlern.

Mechanische Schwingungen, Federsystem (in Arbeit)

Theorie

Schwerpunkte

Untersuchung gedämpfter und erzwungener Schwingungen
Verhalten von Amplituden
Dämpfungen
Phasenwinkel
Messfehler und Messfehlerfortpflanzung.

Physikalische Größen

F = Kraft
Δx= Federauslenkung, Amplitude
c = Federsteife
f, ω, T = Frequenz, Kreisfrequenz, Schwingungsdauer/Periode
φ = Phasenwinkel
δ = Dämpfungskonstante
μ = Reibungskoeffizient

Labor

Geräte

Vertikale Schwingungssysteme mit einer Wendelfeder (Eigenentwicklung).
Messtechnik (Eigenentwicklung, Odroid XU4 Linux Mini-PC)

Handhabung

Aufnahme von Messreihen.

Auswertung

Aufgabenstellung

Gedämpfte Schwingungen:
- Bestimmung der Federsteife.
- Untersuchung der wegabhängigen Reibung
- Untersuchung der geschwindigkeitsabhängigen Luftreibung.
Erzwungene Schwingungen:
- Bestimmung der Federsteife.
- Aufnahme der Resonanzkurven.
- Untersuchung der viskosen Dämpfung.
Alle Analysen werden unter Berücksichtigung von Messfehlern durchgeführt.

Graphische Darstellung

Überprüfung des exponentiellen Abfalls der Amplitude durch Auftragung des Amplitudenverlaufs.
ω (t)-Kurven und eine φ (ω)-Kurve, alle mit Messfehlerbalken

Ergebnisdiskussion

Vergleich Theorie/Experiment unter Berücksichtigung von Messfehlern.

Beschleunigte Bewegung, Erdgravitation (in Planung)

Planung

Bestimmung der Fallbeschleunigung g.
Untersuchung des Newton´schen Gesetzes
Bestimmung des Luftreibungskoeffizienten
Neue Messtechnik auf der Basis von Videodatenverarbeitung.

Mechanische Eigenschaften von Gleichstrommotoren (in Planung)

Planung

Bestimmung des Trägheitsmoments des Motors
Bestimmung des Reibungskoeffizienten
Bestimmung der Motorleistung (elektr., mechan.) und des Wirkungsgrades.

Versuche: Labor 2

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in der Luft, Optik

Theorie

Schwerpunkte

Brechungsindex
Konvexlinsen (Sammellinsen)
Konkavlinsen (Zerstreuungslinsen)
Brennweitenbestimmung
Bessel-Methode

Physikalische Größen

f = Brennweite
a = Objektweite
a' = Bildweite
n = Brechungsindex
r = Krümmungsradius

Labor

Geräte

Optische Bank (Phywe, Eigenentwicklung)
Laser

Handhabung

Messreihen aufnehmen
Optische Justierung

Auswertung

Aufgabenstellung

Messung der Reflektions- und Brechungswinkel.
Bestimmung des Brechungsindexes
Brennweitenbestimmung von Konvexlinsen
Bestimmung der Brechzahl von Konvexlinsen
Alle Analysen werden unter Berücksichtigung von Messfehlern durchgeführt.

Graphische Darstellung

Ausfallswinkel = f (Einfallswinkel)
Brennweite f = (Wellenlänge)

Ergebnisdiskussion

Vergleich Theorie/Experiment unter Berücksichtigung von Messfehlern.

Kalorimetrie

Theorie

Schwerpunkte

Fixpunkte der Celcius-Temperaturskala.
Aggregatzustandsänderungen
Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser und einigen Metallen.
1. Hauptsatz der Thermodynamik

Physikalische Größen

c_F = spezifische Wärmekapazität der Flüssigkeit
C_K = Wärmekapazität des Kalorimeters
m_w = Wasserwert des Kalorimeters
Q = Wärme
T = Temperatur
m = Masse
W_el = elektrische Energie, elektrische Arbeit
U = elektrische Spannung
I = elektrischer Strom
t = Zeit

Labor

Geräte

Kalorimeter (Phywe, Artikel-Nr 04401-00)
Volt- und Amperemeter
Messtechnik (Eigenentwicklung, Odroid XU4 Linux Mini-PC)

Handhabung

Elektrische Verschaltung
Aufnehmen von Messreihen
Korrektes Ermitteln der Wassermassen
Vermeiden von Temperaturunterschieden durch Umrühren

Auswertung

Aufgabenstellung

Herleitung der Gleichung für c_F und Berechnung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser
Bestimmung der Wärmekapazität einiger Festkörpers c_FK
Alle Analysen werden unter Berücksichtigung von Messfehlern durchgeführt.

Graphische Darstellung

T (t): Darstellung des Temperaturverlaufs des Wassers/Festkörpers über die Zeit

Ergebnisdiskussion

Vergleich der ermittelten c-Werte mit den Literaturwerten unter Berücksichtigung von Messfehlern.

Elektrodynamik, Ohm'sches Gesetz

Theorie

Schwerpunkte

Grundlagen elektronischer Schaltungen unter Gleichstrombedingungen.
Korrekte Verwendung des Multimeters mit Ableitung systematischer Messfehler.
Gesetze der Reihen- und Parallelschaltung verschiedener Komponenten.
Funktionsweise von Dioden/LEDs.
Ohm'sches Gesetz: Theorie und Experiment.
Kirchhoffsche Gesetze.
Laden und Entladen von Kondensatoren.

Physikalische Größen

U = elektrische Spannung
I = elektrischer Strom
R = Widerstand
C = Kondensatorkapazität

Labor

Geräte

Steckboard
5 Multimeter/Arbeitsplatz (Fluke 115).
Widerstände, Kondensatoren, Dioden, LEDs.

Handhabung

Elektrische Verbindungen
Aufzeichnen von Messreihen
Korrekte Messung von Strom und Spannung

Auswertung

Aufgabenstellung

Untersuchung von passiven Bauteilen (Widerstände, Kondensatoren) in Parallel- und Reihenschaltung
Herleitung des Ohm'schen Gesetzes.
Untersuchung von Parallel- und Reihenschaltungen von passiven Bauteilen.
Analyse der Funktionsweise einer LED.
Untersuchung der Ladung und Entladung eines Kondensators.
Alle Analysen werden unter Berücksichtigung von Messfehlern durchgeführt.

Graphische Darstellung

U (I), U (t), I (T)

Ergebnisdiskussion

Vergleich Theorie/Experiment unter Berücksichtigung von Messfehlern.

Elektrodynamik, Nachhaltiger Strom (in Arbeit)

Theorie

Schwerpunkte

Grundkenntnisse der Materie (Atomphysik).
Grundkenntnisse über nachhaltige Energien.
Grundkenntnisse über einige Energieumwandlungsprozesse.
Untersuchung einer PV-Zelle (PVZ).
Untersuchung der Leistung der Komponenten einer Produktions- und Speicherkette für Strom aus Photovoltaikzellen, z. B.:
- Untersuchung des Wirkungsgrades neuartiger Kondensatoren (Supercap, …).
- Untersuchung des Wirkungsgrades der Wasserstofferzeugung im Elektrolyseur.
- Untersuchung des Wirkungsgrades von Brennstoffzellen.

Physikalische Größen

V_OC = Leerlaufspannung
I_CC= Kurzschlussstrom
M_PP = Punkt der maximalen Leistung
P_MPP= Maximale elektrische Leistung
V_MPP= Optimale Spannung
I_MPP= Optimaler Strom
U = elektrische Spannung
I = elektrischer Strom
t = Zeit
P= Leistung
h = Wirkungsgrad
R = Gesamtwiderstand der Verbraucher
…

Labor

Geräte

PVZ+Elektrolyseur+Brennstoffzellen (Heliocentris-Academia, Dr. FuelCell – Professional)
Messtechnik (Eigenentwicklung, Odroid XU4 Linux Mini-PC, H₂-Produktionsmessung)

Handhabung

Elektrische Verschaltung
Aufnehmen von Messreihen

Auswertung

Aufgabenstellung

Charakterisierung einer PVZ.
Untersuchung eines auf PVZ-Kondensatoren basierenden Stromkraftwerks
Untersuchung eines auf PVZ-Elektrolyseur-Brennstoffzellen basierenden Stromkraftwerks.

Graphische Darstellung