Experimententwicklung
Innovative Experimente
Die Studierenden einer Vielzahl von naturwissenschaftlichen und technischen und an anderen Universit?ten auch medizinischen Studieng?ngen erhalten in den physikalischen Praktika ihre physikalisch-experimentelle Grundausbildung. In den Bachelorstudieng?ngen pr?gt vor allem die in den Praktika vorhandene Experimentiertechnik entscheidend jenes Bild, das die Studierenden von der Physik als Fachrichtung im Allgemeinen und von der Modernit?t ihrer eigenen Universit?t im Besonderen erhalten.
Es ist daher eine wichtige (und leider zu selten wahrgenommene) Aufgabe sowohl der Fachwissenschaft als auch der Didaktik, moderne Lehrmittel an einer Hochschule auch in Zusammenarbeit mit Studierenden zu entwickeln. Da die Universit?t die Verbindung zwischen Schule und Beruf darstellt, muss die Lehrmittelentwicklung entscheidend mit an den Universit?ten stattfinden und kann nicht allein Lehrmittelfirmen überlassen werden. Die Entwicklung eines neuen Lehrmittels von der Idee bis zur Umsetzung in ein funktionierendes, durchdachtes Experiment für Studierende oder Schüler dauert 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育ere Jahre, schlie?t den Erprobungs-, Evaluierungs- und Optimierungsprozess mit ein und ist mit Grundlagenforschung zu vergleichen.
Die Physikalischen Praktika der Universit?t Bremen organisieren z.B. Weiterbildungsveranstaltungen, wie die j?hrlichen DPG-Workshops "Innovative Lehrmittel zum Erlernen physikalischer Konzepte", um neue Experimente und Ideen einem gr??eren Nutzerkreis zur Verfügung zu stellen. Eine wichtige Rolle für die Verbreitung unserer neuen Experimente zum Zwecke der allgemeinen Verbesserung der Qualit?t der experimentellen Physikausbildung spielen unsere Kooperationspartner.
Unten sind einige der Experimente aufgelistet, die in den vergangenen Jahren durch das Bremer Praktikumsteam unter Einbeziehung von Studierenden modernisiert oder komplett neu entwickelt wurden. Vorgestellt wurden diese Experimente in Vortragsform z.B. im Rahmen der DPG-Schulen "Physikalische Praktika", auf Ausstellungen oder Lehrmittelworkshops(siehe auch "Publikationen"). Die Versuchsanleitungen mit Foto finden sich frei zug?nglich unter "Versuche". Sollten Sie den einen oder anderen Versuch nachempfinden wollen, dann vergessen Sie bitte nicht uns zu zitieren. Einige Experimente sind inzwischen auch am Markt verfügbar.
Impulserhaltung in zwei Dimensionen (M5)
Elastische St??e von Scheiben gleicher Masse (Thaleskreis bei ruhender zweiter Scheibe), ungleicher Masse und zwischen Scheibe und Hantel werden auf einem 50 cm x 50 cm gro?en Eigenbau-Luftkissentisch mit einer Videokamera aufgenommen und mit Hilfe der PHYWE-Software Measure Dynamics ausgewertet. Scheiben und Hantel sind mit Magneten ausgestattet. Die sto?ende Scheibe kann mit zwei Geschwindigkeiten (magnetischer Absto?) gestartet werden.
Taupunkttemperatur (T6)
Der Versuch zur Bestimmung der Taupunkttemperatur ist ein komplexer Versuch, bei dem der Aufbau einer Versuchsanordnung (etwa 1,5 h) im Mittelpunkt steht, wobei bereits erworbene Kenntnisse aus Elektrik, Optik, Thermodynamik und Messwerterfassung angewendet und vernetzt werden müssen. Es wird ein Strahlengang aus Lampe, Linse, Peltier-gekühltem Spiegel und Detektor aufgebaut und so optimiert, dass bei beschlagenem Spiegel (z.B. Anhauchen) eine signifikant geringere Intensit?t registriert wird. Ein auf dem Spiegel befindlicher Temperatursensor (PT 1000) muss an das Messwerterfassungssystem angeschlossen und kalibriert werden. Dazu muss eine vorgegebene Schaltung aufgebaut werden. Ebenso muss das Peltierelement angeschlossen werden. Die Temperatur des Spiegels und die Detektorintensit?t werden mittels CASSY beim Abkühlen des Spiegels aufgezeichnet. Daraus werden dann Taupunkttemperatur, absolute und relative Luftfeuchte bestimmt. Dieser Versuch wurde auf der Woche der Umwelt beim Bundespr?sidenten 2012 in Berlin erfolgreich ausgestellt.
Lorentzkraftgetriebene schwingende Saite (M13)
Der klassische Stroboskop-Versuch wurde wie folgt ersetzt:
Eine von Wechselstrom einstellbarer Frequenz stromdurchflossene Saite wird kontinuierlich durch die Lorentzkraft abwechselnd beidseitig ausgelenkt, wenn eine der Resonanzbedingungen erfüllt ist, sich die Saite senkrecht im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten befindet und der Magnet nicht an einer Knotenposition steht. B?uche und Knoten der ersten bis fünften Harmonischen sind sehr gut mit dem Auge beobachtbar. Bei einer 90 cm langen Saite sind die Knotenpositionen durch Verschieben des Magneten entlang der Saite bis zur 30. Harmonischen gut messbar, wobei die Aufl?sung durch die Breite des Magneten gegeben ist. Die Messung der Saitenschwingung erfogt durch ein Mikrofon und wird neben der erzwingenden Schwingung mit einem Zwei-Kanal-Oszilloskop beobachtet. Die Resonanzen der Saite sind durch Sehen, H?ren und über Lissajousfiguren (Phasenverschiebung 90° bei Resonanz) gut einstellbar. Der ?bergang von harmonischer zu anhormonischer Anregung kann bei steigender Anregungsst?rke (steigende Stromst?rke durch die Saite) mit Hilfe eines Frequenzanalyseprogramms (z.B. CASSY) sehr gut untersucht werden.
Wirbelstrombremse (E8)
Drehbar gelagerte Scheiben aus verschiedenen Materialien (Kupfer, Alu, Stahl, Messing) werden über ein Seil mit einem ablaufenden Gewicht beschleunigt. Die Scheiben befinden sich z.T. zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten, so dass dort in den Scheiben Wirbelstr?me erzeugt werden, deren Magnetfeld mit dem ?u?eren Magnetfeld wechselwirkt, so dass die Scheibenbewegung abgebremst wird. Die sich nach kurzer Zeit einstellende gleichf?rmige Drehbewegung der Scheiben l?sst sich gut messen und gestattet die Berechnung der Leitf?higkeiten des entsprechenden Scheibenmaterials.
DMS-Spannungswaage zur Messung von Kraft und Arbeit im elektrischen Feld (E23)
Mit Hilfe eines Biegebalkens an dem vier Dehnungsmessstreifen, von denen zwei auf der Unterseite und zwei auf der Oberseite angebracht sind, und einer Vollbrückenschaltung wird eine elektrische Waage aufgebaut. Ein Schwerpunkt des Versuchs ist der Aufbau der Waage mit Vollbrücke, die mit zus?tzlichen Potentiometern sehr empfindlich abgeglichen werden soll. Die Waage wird benutzt, um die Coulombkraft zwischen Kondensatorplatten in Abh?ngigkeit von der angelegten Hochspannung und in Abh?ngigkeit vom Plattenabstand zu vermessen.
Corioliskraft (M6)
Im Versuchsteil "Corioliskraft" rollt eine Kugel von einer einstellbaren Rampe über eine Scheibe durch deren Mittelpunkt. Die Drehzahl der Scheibe kann variert werden und ist sehr genau einstellbar. Aus dem ruhenden System werden mit Hilfe einer Videokamera die Bewegungen der Kugel und die der Scheibe aufgezeichnet. Aus diesen Daten wird die Bahnkurve der Kugel im rotierenden Bezugssystem berechnet. Es sind auch mitrotierende Funkkameras (wie beim Vorlesungsexperiment) m?glich, die die Bahn im rotierenden Bezugssystem aufnehmen. Bei Mehrfachaufbauten st?ren sich diese jedoch.
Polytropenexponent (T7)
Eine Gasfeder in Form einer gro?en Glasspritze führt nach kurzem Anschlagen ged?mpfte Schwingungen aus. Dabei bewegt sich ein auf dem Kolben der Spritze angebrachter Magnet neben einer Spule, die das Kolbengeh?use umschlie?t, so dass über Induktion eine Spannung erzeugt wird. Die Schwingung kann so mit dem Speicheroszilloskop aufgezeichnet werden. Aus der Schwingungsdauer ist der Adiabaten- bzw. Polytropenexponent des Gases bestimmbar. Da die Spule auf dem Kolbengeh?use verschiebbar ist, k?nnen Messungen bei verschiedenen Volumina durchgeführt werden (Mittelung über Geradenausgleich). Die Spritze kann schnell mit einem anderen Gas (Ar oder He, Luft, CO2) gespült und gefüllt werden, um die Adiabatenkoeffizienten für ein-, zwei-, und dreiatomige Gase zu bestimmen. Für fünf Versuchspl?tze reicht jeweils ein Luftballon mit einer Gassorte (z.B.Ar) aus.
CD-Spektrometer (O8)
Aus einfachen Komponenten (LEDs, Linse, Spalt, CD, Schirm) wird ein Spektrometer aufgebaut, bei dem entweder eine CD in Reflexionsanordnung oder eine transparente CD (abgezogene Speicherschicht) in Transmissionsanordnung als diffraktives Element wirkt. Es werden die Emissionswellenl?ngen verschiedener LEDs bestimmt. Der Versuch ist ein einfacher Erg?nzungs-, Prüfungs- oder Schulversuch.
Lorentzkraft (E10)
Bei einer zwischen den Polschuhen eines Magneten sich drehenden Scheibe aus leitf?higem Material wird zwischen Scheibenachse und Scheibenrand eine Spannung erzeugt (Unipolarmaschine oder Barlow-Scheibe), die gut und stabil messbar ist. Ursache ist die durch Lorentzkraft erzeugte (Quer-)Spannung in einem im Magnetfeld bewegten Leiter. Unabh?ngig vom Leitermaterial werden jedoch nur jeweils 60% des sehr einfach, theoretisch berechenbaren Spannungwertes gemessen, da sowohl der Innenwiderstand der Spannungsquelle als auch der Lastwiderstand der Spannungsquelle (Wirbelstromkreis) von der Leitf?higkeit des Materials abh?ngen. Deshalb werden im Versuch sowohl an geschlitzten (unbelastete Spannungsquelle durch Wirbelstronunterdrückung) als auch an ungeschlitzten Scheiben Messungen durchgeführt.
Waage mit Dehnmessstreifen (E24)
Mit Hilfe eines Biegebalkens auf dessen Unter- bzw. Oberseite jeweils zwei Dehnungsmessstreifen angebracht sind, wird eine elektrische Waage aufgebaut. Schwerpunkt ist dabei auch der Aufbau einer empfindlichen Vollbrückenschaltung. In einem Zweig muss eine spezielle Schaltung (Parallelschaltung von Potentiometern) für einen exakten Nullabgleich installiert werden. Anschlie?end wird die Waage kalibriert und Probek?rper werden vermessen.
Resonanzverhalten eines Masse-Feder-Systems (M10)
Da die Studierenden in einem Vorversuch in den Einführungswochen die Federkonstante eines Federschwingers sowohl statisch (Hook) als auch dynamisch aus der Schwingungsdauer (Aufzeichnung mit Kraftsensor und CASSY-System) bestimmen, wurde wegen des Wiedererkennungseffekts der klassisische Versuch erzwungene Schwingungen mit dem pohlschen Rad durch einen Federschwinger (senkrechte Anordnung von zwei Federn mit Massestück dazwischen) ersetzt, der mittels Frequenzgenerator, Verst?rker und Aktuator (Lautsprecher mit Ausleger) periodisch angetrieben wird. Die Schwingungsd?mpfung erfolgt durch Wirbelstr?me, da sich die mit einem Magneten versehene Masse des Federschwingers in einem relativ kurzen Aluminiumzylinder bewegt. Die Aufzeichnung der Resonanzkurven und der Phasenlagen gelingt den Studierenden besser als beim pohlschen Rad. Die Aufnahme der Schwingung des angetriebenen Masse-Feder-Systems erfolgt mit Kraftsensor und CASSY.
Stirling-Maschine (T8)
Eine Stirling Maschine nach Kufner wurde in unserer mechanischen Werkstatt so überarbeitet, dass sie die n?tige Robustheit für den Praktikumsalltag besitzt. Die Maschine wird von einem Fonduebrenner beheizt und arbeitet zwischen den Temperaturniveaus (0°C- Eiswasser) und je nach Belastung 180 °C bis 260 °C. Es wird etwa eine Stunde ben?tigt, um die Stirling-Maschine im kalten Zustand zu kalibrieren (Ermittlung Volumen, Volumen?nderungen, Druck?nderungen, Anschluss Messwerterfassungssystem) und den Wirkungsgrad des Brenners. zu ermitteln. Anschlie?end werden p-V Diagramme bei unterschiedlichen Belastungen aufgenommen und Wirkungsgrade ermittelt, u.a. der eines von der Stirling-Maschine angetriebenen Fahrraddynamos. Eine Weiterentwicklung (durchsichtiger Kolben) erfolgt derzeit durch unseren Kooperationspartner AUCOOP e.V.
Diffraktive Optik mit einer transparenten CD als Au?enbereich einer fresnelschen Zonenplatte (O9)
Eine transparente CD (mit Klebeband abgezogenes Speichermedium) wird mit einer etwa 3 mm starken kreisrunden Schlitzblende, die einen Abstand zwischen 2,5 cm und 5 cm vom Mittelpunkt haben kann, versehen. Dieser Bereich dient dann ersatzweise als Au?enbereich einer fresnelschen Zonenplatte. Im Versuch werden die Beugungsbilder von ebenen Wellenfronten vor und hinter den Brennpunkten 1. Ordnung untersucht und die Brennpunkte 1. und 2. Ordnung für verschiedene Farben bestimmt. Anschlie?end werden bei verschiedenen Farben verkleinerte optische Abbildungen realisiert und jeweils aus Gegenstands- und Bildweiten Brennweiten ermittelt. Daraus k?nnen Zonenzahl und Rillenabstand berechnet werden. Der Versuch gibt einen ersten Einblick in die Prinzipien der diffraktiven Optik und ist auch schnell (CD und Pappe) als Schulversuch realisierbar.
Magnetisches Moment (E14)
Permanentmagnete mit unterschiedlichen magnetischen Momenten werden durch ein Acrylrohr, an dem fünf Spulen in ?quidistanten Abst?nden angbracht sind, fallen gelassen. Das zeitliche Verhalten der induzierten Spannungen wird gemessen. Es wird beobachtet, dass mit steigender Geschwindigkeit die Amplituden der induzierten Spannung steigen, das Zeitintegral über diese Spannungen aber konstant bleibt und dem magnetischen Moment proportional ist. Darüber hinaus kann aus der Messung die Erdschwerebeschlweunigung bestimmt werden, wobei die Anfangsgeschwindigkeit berücksichtigt werden muss.
Faraday-Rotation (A11)
Die durch Zeeman-Effekt hervorgerufene magnetfeldinduzierte Doppelbrechung wird in einem BK7-Glasblock untersucht. Da die magnetfeldabh?ngige Drehung der Polarisationsebene des Lichts in diesem Material sehr klein ist, wird ein Modulationsverfahren (Modulation des Magnetfelds) verwendet, womit die Drehwinkel sehr genau bestimmt werden k?nnen. Da als Lichtquellen LED Verwendung finden, k?nnen die Drehwinkel der Polarisationebene in Abh?ngigkeit von der magnetischen Flussdichte bei fünf bis sechs verschiedenen Wellenl?ngen vermessen werden, um daraus die verdetschen Konstanten bei verschiedenen Wellenl?ngen zu erhalten. Bei vorgegebenen Dispersionswerten k?nnen damit die effektive Oszillatormasse der Dispersionselektronen, die Anzahl der Dispersionselektronen und die Lage der Modellresonanz ermittelt werden. Der Versuch ist der Beweis, dass die schwach gebundenen Au?enelektronen - das sind ein bis zwei sogenannte Dispersionselektronen pro Atom - für die optischen Eigenschaften - hier von Glas - verantwortlich sind.
LC-Lichtmodulator (FP6)
Im Versuch wird zuerst ein LC-Lichtmodulator bei zwei verschiedenen Laserwellenl?ngen charakterisiert (Vorzugsrichtung, Polarisationsverhalten, Phasenverschiebung, Pixelgr??e,...) und dann zur Erzeugung von zwei-dimensionalen Phasen- oder Amplitudenhologrammen verwendet. Mit dem LC-Display werden zu berechnende diffraktive optische Elemente (DOE) - wie z.B. Strahlteiler, Linse - realisiert und die Beugungsbilder im Fernfeld untersucht. Ein Bestandteil des Versuchs ist ein 4f-Aufbau zur Untersuchung der Raumfrequenzfilterung. Abschlie?end kann aus einen eigenen Bild (z.B. Passbild) ein DOE berechnet und untersucht werden.
Mach-Zehnder-Interferometeraufbau
Ein Mach-Zehnder Interferometeraufbau (MZI) wird auf einem Breadboard relalisiert, wobei der einfallende Laserstrahl vor dem Interferometer in zwei Strahlen mit gro?er bzw. sehr kleiner Intensit?t geteilt wird. Beide Strahlen sollen das MZI m?glichst parallel durchlaufen. Ein Spiegel des MZI wird mit einem Ringpiezo periodisch hin- und hergeschoben, so dass das jeweilige Interferenzbild an einem feststehenden Empf?nger (Photomultiplier für kleine Intensit?t und Photodiode für gro?e Intensit?t) vorbeigeschoben werden kann. Mit dem Versuch kann der ?bergang von der Photonenstastistik zum klassischen Interferenzbild gut demonstriert werden, wenn das bei kleiner Intensit?t aufgezeichnete "Interferenzbild" über einen l?ngeren Zeitraum summiert wird. Der Aufbau entstand im Rahmen einer Masterarbeit eines Lehramtskandidaten und wird im Projektpraktikum eingesetzt.
He-Ne Laser-Baukasten (FP1)
Im Versuch wird ein He-Ne-Laser aus Einzelkomponenten aufgebaut und charakterisiert. U.a. stehen verschiedene Resonatorspiegel zur Verfügung, so dass nach Aufbau und Justierung z.B. die Resonatorstabilit?t beim ?bergang vom konfokalen zum sph?rischen Resonator untersucht werden kann. Darüber hinaus werden die Schwebungsfrequenzen zwischen Axialmoden (schnelle Photodiode, Spektrumanalysator) vermessen, TE-Moden erzeugt und mit einer HD-Webcam aufgezeichnet und nach Transformation des Gau?strahls der TEoo-Mode über eine Linse Strahlprofile in verschiedenen Abst?nden hinter der Linse vermessen, um die Strahltaille, Divergenz und Strahlqualit?t zu bestimmen. Zus?tzlich werden Spektren der Gasentladung, der Laserlinie und Transmissionsspektren der Spiegel vermessen. Das Verst?rkungsprofil wird aus der Intensit?t verschiedener Axialmoden rekonstruiert, deren Intensit?ten einzeln mit Hilfe eines Etalons im Resonator vermessen werden. Optional k?nnen die Frequenzabst?nde der Axialmoden auch mit einem piezogetriebenen konfokalen FP-Etalons bestimmt werden. Der Versuch entstand im Rahmen einer Bachelorarbeit eines Lehramtskandidaten. Die Arbeit steht den Durchführenden als grundlegende Lektüre zur Einarbeitung zur Verfügung.
Quantenradiereraufbau
Mit dem oben beschriebenen Mach-Zehnder-Interferometeraufbau kann sehr leicht die Funktionsweise eines Quantenradiers gezeigt werden, indem die durch für beide Interferometerarme senkrecht zueinander stehenden Polarisationsfilter erzeugte "Welcher-Weg-Information" mit einem auf 45 Grad orientierten Analysator hinter dem Interferometer wieder aufgehoben wird. Der Versuchsaufbau wird im Projektpraktikum eingesetzt und zuerst im Rahmen einer Masterarbeit eines Lehramtskandidaten aufgebaut.
Michelson-Interferometer (FP11)
Im Versuch wird ein Michelson-Interferometer genutzt, bei dem der Spiegel eines Interferometerarms im nm-Bereich piezoverstellbar ist und der Spiegel des anderen Arms mit einem motorgetriebenen Schlitten um wenige cm verstellbar ist. Es werden Interferogramme eines He-Ne-Lasers, einer Na-Dampflampe sowie von einer roten und einer wei?en Leuchtdiode aufgezeichet und über Fourier-Transformation die entsprechenden Spektren errechnet. Zus?tzlich wird ein Spektrum (Lichtleitfaser, Spektrometer) eines konstruktiven Interferenzrings der roten Leuchtdiode untersucht. Darüber hinaus werden aus den in den Interferogrammen aufgezeichneten Schwebungen der Na-D-Linie und eines grünen HL-Lasers Linien- bzw. Modenabst?nde ermittelt. Der Versuch wird über LabView gesteuert und entand im Rahmen einer Masterarbeit eines Lehramtskandidaten. Die Masterarbeit steht den Durchführenden als grundlegende Literatur zur Verfügung.