Physikalisches Praktikum:
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Wiesbaden
Springer Spektrum
[2014]
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INHALTSVERZEICHNIS
EF EINFUEHRUNG
1 GROESSEN UND EINHEITEN 1
1.1 INTERNATIONALES EINHEITENSYSTEM (SI-EINHEITEN) 2
1.2 ABGELEITETE EINHEITEN 3
2 ERFASSUNG UND AUSWERTUNG VON MESSWERTEN 4
2.1 SENSOREN UND MESSGERAETE 4
2.2 GRAPHISCHE DARSTELLUNG UND AUSWERTUNG 6
2.3 AUSGLEICHSRECHNUNG (LINEARE REGRESSION) 9
3 MESSUNSICHERHEIT 10
3.1 MESSABWEICHUNGEN BEI EINZELMESSUNGEN 11
3.1.1 MESSUNSICHERHEIT BEI DIREKTEN MESSGROESSEN 12
3.1.2 MESSUNSICHERHEIT BEI INDIREKTEN MESSGROESSEN 13
3.2 MESSGROESSEN MIT ZUFALLIGEN MESSABWEICHUNGEN 14
3.2.1 MITTELWERT, STANDARDABWEICHUNG, VERTRAUENSBEREICH 14
3.2.2 MESSUNSICHERHEIT BEI KOMBINIERTEN MESSGROESSEN 16
3.2.3 MESSUNSICHERHEIT BEIM LINEAREN AUSGLEICH 17
3.3 ANGABE DES MESSERGEBNISSES 18
4 STATISTISCHE TESTS 20
4.1 ERMITTLUNG VON HAEUFIGKEITSVERTEILUNGEN 20
4.2 VERTEILUNGEN UND PRUEFVERFAHREN 22
5 VERSUCHSVORBEREITUNG UND PROTOKOLLFUEHRUNG 27
M MECHANIK
1 WAEGUNG UND DICHTE 29
1.0 GRUNDLAGEN 29
1.1 PYKNOMETER 33
1.2 AUFTRIEBSVERFAHREN 35
1.3 RESONANZVERFAHREN 39
1.3.1 SCHWINGROHR 40
1.3.2 STIMMGABELDICHTEMESSER . . . 41
2 SCHWINGUNGEN 43
2.0 GRUNDLAGEN 43
2.0.1 BEWEGUNGSGLEICHUNGEN 43
2.0.2 SATZ VON STEINER 47
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INHALTSVERZEICHNIS IX
2.0.3 REDUZIERTE PENDELLAENGE 48
2.1 FADENPENDEL 48
2.2 REVERSIONSPENDEL 49
2.3 DREHPENDEL ' 52
2.3.1 LINEARE SCHWINGUNGEN UND RESONANZ 53
2.3.2 NICHTLINEARE SCHWINGUNGEN 57
2.4 GEKOPPELTE PENDEL 59
2.5 TRAEGHEITSMOMENTE 63
3 DEFORMATIONSVERHALTEN 66
3.0 GRUNDLAGEN 66
3.1 ELASTIZITAETSMODUL 68
3.1.1 DEHNUNG 69
3.1.2 BIEGUNG 69
3.2 TORSIONSMODUL 74
3.2.1 STATISCHE MESSMETHODE 75
3.2.2 DYNAMISCHE MESSMETHODE 75
3.3 FEDERKONSTANTE EINER SCHRAUBENFEDER 77
4 SCHALL 79
4.0 GRUNDLAGEN 79
4.0.1 WELLENGLEICHUNG 80
4.0.2 SCHALLWANDLER 84
4.1 SCHALLGESCHWINDIGKEIT IN FESTKOERPERN 84
4.1.1 DEHNUNGSWELLE 84
4.1.2 BIEGEWELLE 86
4.2 SCHALLGESCHWINDIGKEIT IN FLUESSIGKEITEN 87
5 OBERFLAECHENSPANNUNG 91
5.0 GRUNDLAGEN 91
5.1 ABREISSMETHODE 93
5.2 STEIGHOEHENMETHODE 94
5.3 TROPFENMETHODE 97
6 VISKOSITAET UND STROEMUNG 99
6.0 GRUNDLAGEN 99
6.0.1 BERNOULLI-GLEICHUNG 99
6.0.2 GESETZ VON HAGEN UND POISEUILLE 100
6.1 KUGELFALLMETHODE 102
6.2 KUGELFALL-VISKOSIMETER 103
6.3 KAPILLAR-VISKOSIMETER 104
6.4 STROEMUNG IM ROHR 106
X
INHALTSVERZEICHNIS
W WAERMELEHRE
1 TEMPERATURMESSUNG 109
1.0 GRUNDLAGEN 109
1.0.1 TEMPERATUR, MASSEINHEIT UND TEMPERATURSKALEN 109
1.0.2 AUSDEHNUNGSTHERMOMETER 110
1.0.3 ELEKTRISCHE TEMPERATURSENSOREN 110
1.0.4 STRAHLUNGSTHERMOMETRIE 112
1.1 THERMISCHE AUSDEHNUNG 116
1.2 GASTHERMOMETER 118
1.3 ABKUEHLUNGSKURVEN UND WAERMEUEBERGANG 120
1.4 STRAHLUNGSMESSUNGEN 122
2 ZUSTANDSAENDERUNGEN UND PHASENUMWANDLUNGEN 125
2.0 GRUNDLAGEN 125
2.0.1 ZUSTANDSGIEICHUNGEN 125
2.0.2 ENERGIESATZ UND ADIABATENGLEICHUNG 128
2.0.3 DAMPFDRUCK 129
2.1 ISOTHERMEN REALER GASE 131
2.2 ADIABATENEXPONENT 132
2.2.1 VERSUCH NACH CLEMENT UND DESORMES 133
2.2.2 SCHALLGESCHWINDIGKEIT 134
2.2.3 RESONANZMETHODEN 135
2.3 DAMPFDRUCKKURVE UND VERDAMPFUNGSWAERME 138
2.4 WAERMEPUMPE 140
3 KALORIMETRIE 143
3.0 GRUNDLAGEN 143
3.1 WAERMEKAPAZITAET EINES KALORIMETERS 144
3.2 SPEZIFISCHE WAERMEKAPAZITAET VON FESTKOERPERN UND FLUESSIGKEITEN . 145
3.2.1 SPEZIFISCHE WAERMEKAPAZITAET FESTER STOFFE 146
3.2.2 SPEZIFISCHE WAERMEKAPAZITAET VON FLUESSIGKEITEN 148
3.3 UMWANDLUNGSWAERMEN 148
3.3.1 SPEZIFISCHE SCHMELZWAERME DES EISES -148
3.3.2 SPEZIFISCHE KONDENSATIONSWAERME DES WASSERS 150
4 WAERMELEITUNG IN FESTKOERPERN 151
4.0 GRUNDLAGEN 151
4.1 WAERMELEITFAEHIGKEIT 152
INHALTSVERZEICHNIS XI
ELEKTRIZITAETSLEHRE
1 WIDERSTAENDE UND STROMQUELLEN 157
1.0 GRUNDLAGEN 157
1.0.1 ELEKTRISCHER WIDERSTAND 157
1.0.2 REALE SPANNUNGSQUELLE 161
1.1 WIDERSTANDSBESTIMMUNG DURCH STROM- UND SPANNUNGSMESSUNG. . 162
1.2 TEMPERATURABHAENGIGKEIT ELEKTRISCHER WIDERSTAENDE 164
1.3 KENNGROESSEN EINER REALEN SPANNUNGSQUELLE 167
1.4 VERLUSTBEHAFTETER SPANNUNGSTEILER 169
2 ELEKTRISCHE UND MAGNETISCHE FELDER 172
2.0 GRUNDLAGEN 172
2.0.1 ELEKTRISCHES FELD 172
2.0.2 MAGNETISCHES FELD 174
2.0.3 MAGNETISMUS 177
2.1 ELEKTROSTATISCHE FELDER 179
2.2 MAGNETFELDER IN SPULEN 181
2.3 MAGNETISCHE HYSTERESE 183
2.4 HALL-EFFEKT 185
2.5 TRANSFORMATOR 187
J SPULEN UND KONDENSATOREN IN GLEICH- UND
WECHSELSTROMKREISEN 191
3.0 GRUNDLAGEN 191
3.0.1 EINSTELLVORGAENGE 191
3.0.2 KOMPLEXE DARSTELLUNG VON WECHSELGROESSEN 194
3.0.3 SCHALTUNGEN MIT WECHSELSTROMWIDERSTAENDEN 195
3.1 OSZILLOSKOP UND PHASENBEZIEHUNGEN 199
3.2 TIEF- UND HOCHPASS 203
3.3 SPRUNGANTWORTEN VON RC- UND RL-SCHALTUNGEN 207
4 ELEKTRISCHE SCHWINGUNGEN 209
4.0 GRUNDLAGEN " 209
4.0.1 FREIE GEDAEMPFTE SCHWINGUNGEN 209
4.0.2 REIHEN-UND PARALLELSCHWINGKREIS 211
4.1 ABKLINGVORGAENGE IM RLC-KREIS 216
4.2 RESONANZ IM REIHENSCHWINGKREIS 217
4.3 RESONANZ IM PARALLELSCHWINGKREIS 219
XII
INHALTSVERZEICHNIS
5 HALBLEITER-BAUELEMENTE, ELEKTRONISCHE GRUNDSCHALTUNGEN . . 221
5.0 GRUNDLAGEN 221
5.0.1 LEITUNGSVORGAENGE IN HALBLEITERN 221
5.0.2 PN-UEBERGANG - DIODEN UND TRANSISTOREN 223
5.0.3 INTEGRIERTE SCHALTKREISE - OPERATIONSVERSTAERKER UND LOGISCHE
GATTER 227
5.1 BANDLUECKENENERGIE, SPERRSCHICHTKAPAZITAET EINES PN-UEBERGANGS . . 231
5.2. HALBLEITERDIODEN 233
5.2.1 KENNLINIEN EINER SI-DIODE, GLEICHRICHTUNG 233
5.2.2 KENNLINIE EINER Z-DIODE, SPANNUNGSSTABILISIERUNG 234
5.3 NPN-TRANSISTOR, N-KANAL-SPERRSCHICHT-FET'S, VERSTAERKERSCHALTUNG 234
5.4 OPERATIONSVERSTAERKER 236
5.5 DIGITALELEKTRONIK 238
5.5.1 ADDIERER 238
5.5.2 RS-KIPPSCHALTUNGEN 239
5.5.3 DIGITAL-ANALOG-WANDLER 239
O OPTIK UND ATOMPHYSIK
1 LINSEN UND LINSENSYSTEME 240
1.0 GRUNDLAGEN 240
1.1 KRUEMMUNGSRADIUS UND BRENNWEITE DUENNER LINSEN 243
1.2 BRENNWEITE UND HAUPTEBENEN EINES LINSENSYSTEMS 246
1.3 LUPE UND MIKROSKOP 247
1.4 FERNROHR 250
2 KOHAERENZ, INTERFERENZ UND BEUGUNG 252
2.0 GRUNDLAGEN 252
2.0.1 LICHT ALS ELEKTROMAGNETISCHE WELLE 252
2.0.2 KOHAERENZ UND LASER 253
2.0.3 BEUGUNG AN SPALT, DOPPELSPALT UND GITTER 254
2.1 INTERFERENZEN GLEICHER DICKE 257
2.2 BEUGUNG AN SPALT UND DOPPELSPALT 260
2.3 BEUGUNG AM GITTER 263
2.4 MICHELSON-INTERFEROMETER 265
3 BRECHUNG, DISPERSION UND ABSORPTION 268
3.0 GRUNDLAGEN 268
3.0.1 BRECHUNGSINDEX UND DISPERSION 268
3.0.2 EXTINKTION UND ABSORPTION 270
3.1 REFRAKTOMETRIE 271
INHALTSVERZEICHNIS XIII
3.2 PRISMENSPEKTROMETER 274
3.3 BRECHUNGSINDEX VON GASEN 277
3.4 SPEKTRALPHOTOMETETRIE 280
4 POLARISATION 282
4.0 GRUNDLAGEN 282
4.0.1 POLARISATION DURCH REFLEXION 282
'4.0.2 POLARISATION DURCH DOPPELBRECHUNG 283
4.0.3 DREHUNG DER POLARISATIONSEBENE 284
4.1 POLARISATIONSWINKEL UND REFLEXIONSVERMOEGEN 285
4.2 DREHUNG DER SCHWINGUNGSEBENE LINEAR POLARISIERTEN LICHTS . 285
4.3 POLARISATIONSGRAD UND VIERTELWELLENLAENGENPLATTE 287
5 IONISIERENDE STRAHLUNG 291
5.0 GRUNDLAGEN 291
5.0.1 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG UND STOFF 292
5.0.2 STRAHLUNGSDETEKTOREN 293
5.0.3 RADIOAKTIVE UMWANDLUNG 296
5.1 MESSUNGEN MIT DEM GEIGER-MUELLER-ZAEHLROHR 297
5.2 MESSUNG DER HALBWERTSZEIT 300
5.3 REICHWEITE VON A-STRAHLUNG IN LUFT 301
5.4 SS-STRAHLUNG 303
5.4.1 ABSORPTION VON SS-STRAHLUNG 303
5.4.2 SS-SPEKTROSKOPIE 305
5.5 Y-STRAHLUNG 306
5.5.1 SCHWAECHUNG VON Y-STRAHLUNG 306
5.5.2 Y-SPEKTROSKOPIE 308
5.6 COMPTON-EFFEKT 310
5.7 ROENTGENSTRAHLUNG 313
6 FUNDAMENTALE KONSTANTEN UND EFFEKTE DER PHYSIK 316
6.1 LICHTGESCHWINDIGKEIT 317
6.2 ELEMENTARLADUNG 321
6.3 PLANCK'SCHES WIRKUNGSQUANTUM 323
6.3.1 AEUSSERER PHOTOEFFEKT 323
6.3.2 ROENTGENBREMSSPEKTRUM 326
6.4 SPEZIFISCHE LADUNG ELM DES ELEKTRONS 327
6.5 FRANCK-HERTZ-VERSUCH 328
6.6 RYDBERG-KONSTANTE 331
6.7 AVOGADRO-KONSTANTE 332
6.8 GRAVITATIONSKONSTANTE 334
XIV
INHALTSVERZEICHNIS
F FOURIER-TRANSFORMATION UND SIGNALANALYSE
1.0 GRUNDLAGEN 338
1.0.1 DAS PRINZIP DER FOURIER-TRANSFORMATION 338
1.0.2 DISKRETE FOURIER-TRANSFORMATION UND ABTASTTHEOREM 340
1.0.3 FOURIER-TRANSFORMATION IN ENDLICHEN (ZEIT)LNTERVALLEN 341
1.1 FOURIER-SYNTHESE UND -ANALYSE OPTISCHER MUSTER UND ELEKTRISCHER
SIGNALE 342
1.2 FOURIER-ANALYSE GEKOPPELTER ELEKTRISCHER SCHWINGUNGEN 345
1.3 FOURIER-ANALYSE AKUSTISCHER SCHWINGUNGEN 351
ANHANG
A.L KOMPLEXE ZAHLEN 358
A.2 LOESUNGEN LINEARER DIFFERENTIALGLEICHUNGEN 360
A.3 NICHTLINEARE DYNAMIK 364
A.4 GRUNDLAGEN DIGITALER MESSUNGEN 370
A.5 NUKLID-ZERFALL 373
A.6 FUNDAMENTALKONSTANTEN DER PHYSIK 377
A.7 EIGENSCHAFTEN FESTER STOFFE 378
A.8 EIGENSCHAFTEN VON FLUESSIGKEITEN 379
A.9 DICHTE UND DYNAMISCHE VISKOSITAET VON WASSER 380
A.10 SIEDETEMPERATUR DES WASSERS IN ABHAENGIGKEIT VOM LUFTDRUCK . . 380
A.LL SPEZIFISCHE
WAERMEKAPAZITAET
VON
WASSER 381
A.L2 DICHTE VON GASEN, SCHALLGESCHWINDIGKEIT IN GASEN, FLUESSIGKEITEN
UND FESTKOERPERN 381
A.13 WAERMELEITFAEHIGKEIT FESTER STOFFE 381
A.L4 FLAECHENTRAEGHEITSMOMENTE AUSGEWAEHLTER QUERSCHNITTE 382
A.L5 BEISPIELE STATIONAERER WAERMELEITUNG 383
A.L6 SPEZIFISCHER ELEKTRISCHER WIDERSTAND UND TEMPERATURKOEFFIZIENT .
384
A.L 7 BEWEGLICHKEIT DER LADUNGSTRAEGER VERSCHIEDENER HALBLEITER . 384
A.L8 SPEKTRALLINIEN AUSGEWAEHLTER ELEMENTE 385
A.19 TERMSCHEMA VON NEON 386
A.20 TABELLE ZUR STANDARDNORMALVERTEILUNG 387
A.21 TABELLE ZUR/-VERTEILUNG 388
A.22 TABELLE ZUR ^-VERTEILUNG 389
SACHVERZEICHNIS 390
WEITERFUEHRENDE LITERATUR 397 |
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