Vorbesprechung zum physikalischen Grundpraktikum

Teil 1:• Warum Physik?

• Warum ein Praktikum?- Lernziele der Veranstaltung

• Wie läuft es ab? Was ist wann und wie zu tun?-Vorbereitung-Durchführung des Versuch-Ausarbeitung des Versuchsprotokolls

• Sehr wichtig: Sicherheit

• Einteilung der Zweiergruppen

Teil 2:• Einführung in die Fehlerrechnung

Warum Physik?Physik

Naturwissenschaft: ChemieBiologie

Die Grenzen sind fließend!

historische Einteilung

Viele Fragestellungen innerhalb der Biologie lassen sich auf diePhysik zurückführen!

• Informationsverarbeitung im Nervensystem von Lebewesen beruht auf elektrischen Signalen.

Elektrizitätslehre Versuche zur Elektrolyse und Widerständen

• Blutfluss in AdernStrömungslehre Versuch Zähigkeit von Flüssigkeiten

• Wie läuft ein Wasserläufer über das Wasser ? Versuch Oberflächenspannung

• Wie funktioniert ein Auge, welche Augentypen gibt es, was sieht ein Tierdamit ?

Optik Versuche Gitterspektralapparat und Mikroskop

Bei Untersuchungsmethoden und der Messtechnik wird die Physik benötigt!

• Mikroskope (Lichtmikroskop, Elektronenmikroskop, Rasterkraftmikroskop) Was sehe ich eigentlich? Welche Information steckt im Messsignal? Was kann ich mit dem Instrument überhaupt messen?

Grundlegendes Verständnis in Optik, Elektrizitätslehre,

und Mechanik erforderlich!

• Forschung zur Sprache der Fische: Frequenzanalyse von Schall. Grundlegendes Verständnis von Schwingungen und

Wellen erforderlich!

Versuche: Fadenpendel, Schallgeschwindigkeit und Gaskonstante R.

Fazit: Um in der Biologie erfolgreich arbeiten zu können ist ein physikalisches Grundwissen unerlässlich!

Naturwissenschaften sind Erfahrungswissenschaften!D.h.: Naturbeobachtungen und Experimente sind unentbehrlich für die Gewinnung und Bestätigung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse.

Warum ein Praktikum?

Lernziele des Praktikums:

• fachbezogene Fähigkeiten

• Schlüsselqualifikationen („soft skills“)

1. Die Durchführung von Experimenten d. h. eine „Arbeitsweise der Physik“

erlernen

- (Experiment planen und aufbauen).

- Sicherer und kompetenter Umgang mit physikalischen Messgeräten.

- Messungen durchführen und das Experiment sowie die Messergebnisse

ausführlich und nachvollziehbar dokumentieren. „Ein Messprotokoll schreiben.“

- Versuch auswerten, d.h. physikalische Größen bestimmen.

- Fehler für die Ergebnisse berechnen oder abschätzen: Welche Aussagekraft

haben meine Ergebnisse überhaupt?

- Arbeiten in einem Team.

2. Physikalisches Verständnis durch eigenes Tun vertiefen.

Konfuzius (chinesischer Philosoph): 500 v. Chr.

erzähle mir und ich vergesse

zeige mir und ich erinnere mich

lass es mich tun und ich verstehe

3. Eigenständiges Erarbeiten eines überschaubaren Themas und die schriftliche Präsentation eigener Ergebnisse unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten erlernen.

- Literatur finden.

- Wesentliche Informationen zu einem Thema klar darstellen.

- Reflexion der Aussagekraft der experimentellen Ergebnisse, d.h.

eigene Arbeiten kritisch bewerten und in einen Zusammenhang

mit Bekanntem stellen.

Ablauf des Praktikums:

1. Vorbereitungsphase

Um das Praktikum sinnvoll durchführen zu können, ist eine gründliche

Vorbereitung notwendig!

• Versuchsanleitung kein Lehrbuch

kein Skript

Beispiel: Fadenpendel

• Stichworte im Text: z. B. „mathematisches Pendel“ oder „ Schwingungsdauer“

• Literaturvorschläge im allgemeinen Teil der Versuchsanleitung.

z. B.: Bergmann Schäfer Serie Band 1: Mechanik, Akustik, Wärme

Beispiel: Wärmeausdehnung

• Hinweise zur Vorbereitung

• Literaturvorschläge

Vor dem Praktikumstag fassen Sie die Grundlagen zu dem Versuch

schriftlich zusammen und bringen sie am Praktikumstag mit.

• Direkter Bezug zum Versuch

• Zusammenhängende Sätze, keine Stichwortsammlung

• Umfang etwa zwei DIN A4 Seiten

• Grundsätzlich dürfen die Grundlagen auch „mit Hand“ geschrieben

werden.

• Zu jeder Abbildung gehört eine Bildunterschrift.

• Verwendete Symbole für physikalische Größen müssen definiert werden.

• Für physikalische Größen verwendet man kursive Buchstaben.

Beispiele: „Die Masse der Kugel m beträgt 1 kg.“

„Wir messen die Stromstärke I und die Spannung U, um den Widerstand R

zu berechnen. Mit U = 5 V und I = 1 A erhalten wir R = 5 .“Ω

Umgang mit Internetquellen:

• Zusätzliche Informationsquelle, kein Lehrbuchersatz!

• Achten Sie auf die Zuverlässigkeit der Quelle.

• Kopieren von Texten für die schriftliche Zusammenfassung der

Grundlagen ist nicht erlaubt, auch nicht abschnittsweise!

• Abbildungen aus dem Internet müssen als solche mit genauer

Quellenangabe gekennzeichnet werden.

Beispiel:

Abb. 1: Unterschiedliche Linsenformen und deren Bezeichnungen. Quelle: Internet-Enzyklopädie: Wikipediahttp://de.wikipedia.org/wiki/Linse_%28Optik%29

2. Der Praktikumstag: Durchführung des Versuchs

• Sie führen die Experimente in Gruppen von 2 Personen durch.

• Ihnen stehen zur Durchführung des Experiments drei Stunden zur Verfügung.

• Während dieser Zeit findet ein Gespräch von 15 min bis maximal 30 min mit dem Praktikumsbetreuer statt.

• Helfen Sie sich in den ersten 5 min bis 10 min gegenseitig beim Erkennen und der Bedienung der Praktikumsgeräte.

• Machen Sie sich mit der Funktionsweise aller Einzelteile vertraut.

• Spielen Sie nach Möglichkeit die Messprozedur zunächst qualitativ durch.

• Während der Versuchsdurchführung schreiben Sie ein Messprotokoll.

• Das Messprotokoll ist ein Dokument! (kein Bleistift)

• Falsche Einträge werden durchgestrichen (gegebenenfalls kommentiert).

• Nach dem Versuch wird das Messprotokoll vom Betreuer unterschrieben.

• Arbeitsplatz sauber, vollständig und funktionsfähig hinterlassen!

Das Messprotokoll enthält im Einzelnen:

• Namen der Praktikanten und Datum

• Überschrift des Versuchs

• Benötigte Formeln (Symbole definieren)

• Skizze der Versuchsanordnung

• Kurze Angaben über das Messverfahren und die Messgeräte

• Direkte Messergebnisse (mit Einheiten!), übersichtlich z.B. als

Tabelle (keine Umrechnungen im Kopf durchführen!)

• Geschätzte Messunsicherheiten für alle direkt gemessenen Größen

• Alle Besonderheiten: z. B. Wechsel eines Messgerätes,

Stromausfall während des Praktikums, Gewitter, schwüle Luft (hohe

Luftfeuchtigkeit), Fenster öffnen (Änderung der Raumtemperatur),…

Beispiel:

Messprotokoll

Messung eines Ohmschen Widerstandes

Ohmsches Gesetz: U : Spannung

I : Stromstärke

IUR /=

R

V

A

Versuchsskizze Messwerte Fehler

17146,9

14239,0

12631,3

7823,4

6515,6

357,8

I [mA]U [V]mA 3

V3,0

=∆

=∆

I

U

Nach dem 3. Wertepaar wurde bei dem Voltmeter die Batterie ersetzt.

Messgeräte: Digital Multimeter VC140 von Voltkraft

Name 1 Name 2 Datum

3. Ausarbeitung des Versuchsprotokolls

1. Deckblatt: Thema des Versuchs, Datum, Namen der Praktikanten, Name des Betreuers

2. Schriftliche Zusammenfassung der Grundlagen (Vorbereitung)

3. Original-Messprotokoll (dokumentiert die Versuchsdurchführung)

4. Auswertung: Berechnung der physikalischen Größen

5. Fehlerrechnung

6. Diskussion der Ergebnisse

7. Vergleich mit Literaturwerten (wenn möglich)

8. Zusammenfassung der sinnvoll gerundeten Ergebnisse

9. Literaturangaben

Geben Sie das gesamte Versuchsprotokoll ordentlich

in eine Mappe geheftet ab.

Sinnvoll Runden?

Allgemein wird jedes Messergebnis einer Größe angegeben als:

Messwert = Bestwert Unsicherheit

Beispiel: Bestwert für eine gemessene Zeit:

wahrscheinlicher Bereich:

Definition: Unsicherheit ist immer positiv.

höchster wahrscheinlicher Wert der Messgröße

niedrigster wahrscheinlicher Wert der Messgröße

±

s4,2=T

s5,2s3,2 ≤≤ T

s)1,04,2(s1,0s4,2 ±=±=T

xxx Best δ±=

xδ

xx

xx

Best

Best

δ

δ

−

+

Die Unsicherheit ist ein Schätzwert.

Unsinn wäre z. B.:

Sinnvoll ist hier

Messunsicherheiten werden auf eine signifikante Stelle gerundet.

Ausnahme: An der führenden Stelle der Unsicherheit steht eine 1.

: Runden auf entspräche einer Verminderung um 40% .

Welche Stelle des Messwertes ist signifikant?

Unsinn wäre z. B.:

Sinnvoll gerundet:

Bei der Angabe von Messergebnissen sollte die letzte signifikante

Stelle des Bestwertes dieselbe Größenordnung haben (an der selben

Dezimalstelle stehen) wie die Messunsicherheit.

Ausnahme: An der führenden Stelle der Unsicherheit steht eine 1.

Beispiel:

xδ2

m/s)02385,082,9( ±=g

14,0=xδ 1,0=xδ

2m/s)02,082,9( ±=g

m/s)71234567,124( ±=v

m/s)7124( ±=v

cm)2,16,27( ±=l

In Rechnungen sollte jedoch mindestens eine Stelle mehr mitgenommen werden, gerundet wird erst am Ende.

unübersichtlich ist:

wesentlich besser ist: C10)05,061,1(

C)1051061,1(

19

2119

−

−−

⋅±=

⋅±⋅=

e

e

Relative Unsicherheiten:

Beispiel: Länge l = 1 km, „genaue Messung“

Länge l = 5 cm, „grobe Messung“

Die absolute Messunsicherheit sagt nichts über die Qualität einer Messung aus.

Definition: relative Unsicherheit =

Ergebnis angeben:

Schreibweise soll nicht verwendet werden.

cm1=lδ

cm1=lδ

Bestx

xδ

02,050

1cm)150( ==⇒±=

Bestl

ll

δ

( )

±=±=

100

21cm5002,01cm50l

Die relative Unsicherheit ist dimensionslos!

%2cm50 ±=l

Beispiel:

Literaturangaben:

Beispiel:

Liste der verwendeten Literatur:

1. Physik, Tipler, Spektrum Akademischer Verlag.

2. Lehrbuch der Experimentalphysik, Bergmann-Schäfer, Band 1, Mechanik Akustik, Wärme, Walter de Gruyter Verlag.

3. Fehleranalyse, John R. Taylor, VCH Verlag.

Kennzeichnung im Text:

Beispiel:

„Der Literaturwert für den Längenausdehnungskoeffizienten von

Aluminium beträgt: [1].“16K1024

−−⋅=α

Regeln zur Abgabe der Versuchsprotokolle:

• Die Protokolle zu den Versuchen müssen immer am folgenden

Praktikumstag abgegeben werden!

• Falls ein Protokoll nicht in Ordnung ist muss es am folgenden

Praktikumstag verbessert wieder vorgelegt werden. Dabei bitte das

ursprüngliche Protokoll und die Korrekturen abgeben.

• Ein Protokoll darf maximal dreimal abgegeben werden. Wenn es dann

immer noch nicht testiert wurde gilt es als endgültig nicht bestanden.

• Den Termin (Deadline) bis zu dem alle Protokolle testiert sein müssen

finden Sie im allgemeinen Teil der Versuchsanleitung. Protokolle, die bis

dahin nicht testiert wurden gelten als nicht bestanden.

• Wichtig: Heben Sie testierte Protokolle sorgfältig auf!

Sicherheitshinweise

Bitte befolgen Sie die Sicherheitshinweise gewissenhaft:

1. Um sich selbst nicht zu gefährden und

2. die Praktikumsgeräte nicht zu beschädigen!

Sicherheitshinweis für das Experimentieren mit Elektrizität.

Wenn eine elektrische Schaltung aufgebaut oder umgebaut wird muss

vor dem Anlegen der Spannung

die Schaltung von einem Praktikumsbetreuer überprüft werden.

Sicherheitshinweise für das Arbeiten mit Lasern, Laserdioden und

starken Lichtquellen (z. B.: Hg-Lampe, Leuchtdiode)

• Niemals direkt in den Laserstrahl oder die Lichtquelle schauen

(Netzhautschädigung).

• Nicht mit optischen Geräten (wie z. B. einem Fernglas) in den

Laserstrahl oder die Lichtquelle blicken.

• Achten Sie darauf, beim Justieren niemanden im Praktikumsraum

anzustrahlen.

• Halten Sie keine reflektierenden Gegenstände in den Strahl.

• Legen Sie Uhren, Ringe usw. ab, um unbeabsichtigte Reflexionen zu

vermeiden.

Sicherheitshinweise für das Arbeiten mit radioaktiven Präparaten

Ziele: Jede unnötige Strahlenexposition oder Kontamination von Mensch

und Umwelt ist zu vermeiden. Jede Strahlenexposition oder

Kontamination von Mensch und Umwelt ist so gering wie möglich zu

halten.

• Lassen Sie sich das Präparat erst dann vom Betreuer geben, wenn

Sie sofort mit den Messungen beginnen können und geben Sie es

nach dem Ende der Messungen sofort zurück.

• Halten Sie einen größtmöglichen Abstand zum Präparat.

• Waschen Sie sich die Hände wenn Sie das Präparat angefasst haben.

• Essen und trinken Sie nichts wenn Sie den Versuch durchführen.

Nichtbeachtung der Sicherheitshinweise kann den Ausschluss vom Praktikum bedeuten!

Tipps zur Organisation und Arbeitsteilung

Als Gruppe (Team) führen Sie den Versuch gemeinsam durch, schreiben

dabei ein Messprotokoll und fertigen ein Versuchsprotokoll an.

Unsere Empfehlung:

• Treffen Sie sich zur Vorbereitung, erklären Sie sich gegenseitig

„die Physik“ und reden Sie über das geplante Experiment.

• Sprechen Sie auch über die Auswertung des Versuchs und die

Fehlerrechnung und arbeiten Sie das Versuchsprotokoll gemeinsam

aus.

Konflikte bei der Zusammenarbeit:

• Nicht verdrängen, sich ärgern und alleine arbeiten.

• Frühzeitig ansprechen (konstruktive Wortwahl), gemeinsam

Lösungen suchen und wenn nötig Hilfe holen.