Anleitung zum Praktikum Klasse 9 - Johannes-Kepler

Praktikum Physik
Klasse 9
Versuchsanleitungen
Johannes - Kepler - Gymnasium Chemnitz
Fachbereich Physik
Impressum
Praktikumsanleitung Physik, Klassenstufe 9
mathematisch-naturwissenschaftliche Ausbildung
Internes Arbeitsmaterial des Johannes-Kepler-Gymnasiums Chemnitz
Autoren: J. Mischke, J. Hoffmann
Herausgabejahr: 2015
Physikpraktikum Klasse 9
Allgemeine Informationen
1) Ziel, Inhalt und Dokumentation
Das physikalische Praktikum ermöglicht es Ihnen, selbstständig zu experimentieren und damit Erfahrungen im
Handwerkszeug des Experimentalphysikers - Planung, Durchführung und Auswertung von Versuchen - zu sammeln. Dabei wird besonderer Wert auf selbstständiges Arbeiten und vollständiges Protokollieren gelegt. Nur ein
vollständiges Protokoll ermöglicht es dem Leser nachzuvollziehen, welches Experiment auf welche Art durchgeführt wurde, was es für Ergebnisse hervorgebracht hat und inwieweit Messfehler diese Ergebnisse verfälscht haben
können.
Zu jedem Versuch gehört ein theoretischer Teil. Ihre Aufgabe ist es, den entsprechenden Text zu lesen, zu verstehen
und Unklarheiten zu beseitigen. Die Vorbetrachtungsaufgaben helfen dabei, den physikalischen Inhalt und die Experimentiermethode zu verstehen. Sollten Fragen bestehen, die sich mit Lehrbuch, Hefter und Tafelwerk nicht beantworten lassen, können diese vor dem Versuchstag dem Physiklehrer gestellt werden.
Jede Experimentiergruppe gibt zu jedem Versuch genau ein Protokoll ab, welches in einen Praktikumshefter
eingeheftet wird. Es enthält:
•
Lösungen der Vorbetrachtungsaufgaben
•
Geräteliste
•
Messwerttabelle mit einer ausreichenden Menge an Messwerten zu jeder Messreihe
•
zu jeder Berechnung eine Beispielrechnung
•
Auswertung nach Anleitung des jeweiligen Versuches
• Fehlerbetrachtung, getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern
Diagramme werden dabei grundsätzlich auf Millimeterpapier angefertigt.
2) Organisation und Bewertung
Die Versuche werden in Gruppen von zwei Schülern durchgeführt.
Die Einteilung in die Praktikumsgruppen und die Termine für die Versuche gibt der Physiklehrer rechtzeitig vor
Beginn der Versuche bekannt. Die Versuche sind auch dann durchzuführen, wenn einer der Experimentierpartner
nicht anwesend ist. Auf dem Protokoll wird vermerkt, welcher Schüler gefehlt hat.
Jedes der Protokolle aus dem Praktikumshefter wird einzeln bewertet. Wenn am Ende des Praktikums vier Bewertungen eines Schülers vorliegen, werden die drei besten Versuche gewertet und zu einer Klassenarbeitsnote (Komplexe Leistung) zusammengefasst.
Bei nur drei Protokollen werden diese ohne Streichung zu einer Note zusammengefasst.
Liegen nur zwei oder weniger Protokolle vor, muss der betroffene Schüler so viele Versuche nachholen, bis von
ihm drei Protokolle vorliegen. Die Terminabstimmung erfolgt mit dem Physiklehrer.
Die Praktikumstermine zählen nicht als „Klassenarbeitstermine“, das heißt, in einer Woche mit Physikpraktikum
können bis zu drei Klassenarbeiten, auch im Fach Physik, geschrieben werden.
Der Praktikumshefter kann jeweils am nächsten Versuchstag eingesehen, aber nicht mitgenommen werden. So wird
verhindert, dass man den gleichen Fehler mehrfach macht.
Viel Erfolg!
Physikpraktikum Klasse 9
Verstärkerkennlinien eines Transistors
Experiment 1
1) Aufgabe
Nehmen Sie die IC(IB) – Kennlinie eines npn – Transistors für drei unterschiedliche Betriebsspannungen auf und
bestimmen Sie den Stromverstärkungsfaktor.
2) Vorbetrachtungen
a) In dieser Schaltung wird zur Änderung der Spannung UBE ein Potentiometer verwendet. Erläutern Sie die Wirkungsweise dieses Bauelementes! (Abb. 1)
b) Beschreiben Sie die Funktionsweise der Schaltung in Abb. 2!
Ein Transistor habe den Verstärkungsfaktor β = 10. Der Basisstrom verlaufe wie im IB(t)-Diagramm (Abb. 4)
dargestellt. Zeichnen Sie die zugehörige IC(t)-Kennlinie in ein und dasselbe Diagramm.
d) Alle Messwerte werden mit dem Tabellenkalkulationsprogramm EXCEL erfasst (Abb. 3). Entwickeln Sie jeweils eine Berechnungsfunktion
c)
•
zur Berechnung des Stromverstärkungsfaktors für einzelne Messwertpaare.
•
zur Berechnung der Stromverstärkung einer Messreihe mit konstanter Spannung durch einfache Mittelwertbildung.
3) Durchführung
a) Bauen Sie die Schaltung nach Abb. 2 auf und lassen Sie diese vom Lehrer überprüfen!
b) Nehmen Sie die Kennlinie für Betriebsspannungen von 4 V, 6 V und 8 V auf! Erhöhen Sie bei der Aufnahme
einer Messreihe IB in Schritten von 0,05 mA!
4) Auswertung
a) Erfassen Sie alle Messwerte mit dem Tabellenkalkulationsprogramm EXCEL. Nutzen Sie dazu die zur Verfügung gestellte Vorlage!
b) Die Berechnung des Verstärkungsfaktors β erfolgt durch lineare Regression im Bereich des konstanten Anstieges mit der Funktion RGP(Y_Werte;X_Werte;Konstante;Stats)!
c) Stellen Sie die drei Kennlinien mit dem Tabellenkalkulationsprogramm EXCEL in einem gemeinsamen Diagramm vom Typ Punkt (XY) graphisch dar!
d) Formuliere ein Versuchsergebnis bezüglich
•
des Zusammenhangs zwischen IB und IC am Transistor.
•
des Einflusses der Spannung U auf den Verstärkungsfaktor β.
5) Fehlerbetrachtung
Führen Sie eine Fehlerbetrachtung getrennt nach systematischen und zufälligen
Fehlern durch!
+
+
UQuelle
–
UBE
–
Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
6) Anhang
Die Funktion zur linearen Regression RGP(Y_Werte;X_Werte;Konstante;Stats) hat folgende Parameter:
•
Y_Werte: Liste der Funktionswerte der Funktion IC(IB)
•
X_Werte: Liste der Argumente der Funktion IC(IB)
•
Konstante: Wahrheitswert, der angibt, ob die Konstante n der Funktion y = mx + n den Wert 0 annehmen
soll
•
Stats: Wahrheitswert, der angibt, ob zusätzliche Regressionskenngrößen ausgegeben werden sollen (hier
FALSE einsetzen)
Lichtabhängiger Widerstand
Physikpraktikum Klasse 9
Experiment 2
1) Aufgabe
Bestimme den Zusammenhang zwischen dem Abstand einer mit konstanter Helligkeit leuchtenden Glühlampe und
dem Widerstandswert eines lichtabhängigen Widerstandes (Fotowiderstand).
Bauen Sie außerdem eine Dämmerungsschaltung auf und untersuchen Sie die Abhängigkeit der Schaltschwelle von
dem zum Fotowiderstand in Reihe geschalteten Widerstand!
2) Physikalische Grundlagen
Um die Helligkeit einer bestrahlten Oberfläche A zu bestimmen, bezieht man den auf die Oberfläche treffenden
Lichtstrom Φv auf die Größe der bestrahlten Fläche A und erhält damit die Größe der Beleuchtungsstärke.
Name
Lichtstrom
Symbol
Einheit
Φv
1 lm = 1 cd × 1 sr
1 lx = 1 lm/m
Ev
Beleuchtungsstärke
Zusammenhang
2
Ev =
Φv
A
Als Beispiel betrachten wir dazu eine Fläche, welche sich in einem Abstand r = 1 m von einer Kerze befindet. Bei
einer Lichtstärke von 1 cd trifft der abgegebene Lichtstrom von 1 lm auf eine Fläche von A = 1 m2. Bezogen auf die
bestrahlte Fläche A ergibt sich damit eine Beleuchtungsstärke von Ev = 1 lm / 1 m2 = 1 lx. Verdoppelt man die Entfernung der bestrahlten Fläche, verteilt sich unter sonst gleichen Bedingungen der Lichtstrom von 1 lm auf die vierfache Fläche. In 2 m Abstand beträgt die Beleuchtungsstärke daher nur noch 0,25 lx.
Mathematisch gesehen stellt die Skizze eine zentrische
Streckung dar. Somit gilt für die Fläche A in Bezug auf
den Abstand r ihres Mittelpunkts zur Lichtquelle:
A ~ s 2 . Aus E v =
ist. Und da
Φv
1
folgt sofort, dass E v ~
A
A
A ~ s 2 , gilt ebenfalls:
1
Ev ~ 2 .
s
s
3) Vorbetrachtungen
a) Begründen Sie kurz, warum die die Lichtstärke der Leuchtmittel in einem Raum allein nichts darüber aussagt,
wie hell der Raum erscheint.
b) Erläutern Sie, warum in diesem Versuch die Stromstärke durch den Fotowiderstand ein Maß für die Beleuchtungsstärke am Fotowiderstand ist!
c) Erläutern Sie die Funktionsweise der Schaltung in Abb. 2!
d) Bereiten Sie eine Messwerttabelle vor. Notieren Sie im Tabellenkopf jeweils Symbol und Einheit der zu messenden physikalischen Größe!
I0 = 13 mA
s in cm
UF in V
IF in m A
I in m A
RF in Ω
...
...
...
...
...
4) Durchführung 1
a) Bauen Sie die Schaltung entsprechend des Schaltbildes auf
und lassen Sie diese vom Lehrer kontrollieren bevor eingeschaltet wird! Stellen Sie am Stromversorgungsgerät 9 V ein
(Schalterstellung 3)!
b) Entfernen Sie die Glühlampe und schalten die Spannungsquelle ein. Durch das Umgebungslicht wird schon jetzt eine Anfangsstromstärke I0 angezeigt. Notieren Sie diese!
...
...
RF
V
U=9V
A
Abb. 1
c)
Setzen Sie die Lampe wieder ein und messen Sie zu 7 verschiedenen Abständen jeweils Spannung und Stromstärke am Fotowiderstand. Der Abstand wird dabei von der Mitte der Glühwendel bis zur Mitte des Fotowiderstandes gemessen.
5) Auswertung 1
a) Subtrahieren Sie von jedem gemessenen Stromstärkewert die Anfangsstromstäke I0. Der erhaltene Wert I entspricht der Stromstärke, die durch das Glühlampenlicht verursacht wurde.
b) Berechnen Sie zu jedem Messwertepaar (UF; I) den Widerstandswert RF!
c) Zeichnen Sie ein Diagramm RF in Abhängigkeit von 1/s2 und interpretieren Sie die Kennlinie! Leiten Sie daraus
eine Aussage über den Zusammenhang des Widerstandswertes und der Beleuchtungsstärke RF(Ev) ab!
6) Fehlerbetrachtung
Führen Sie eine Fehlerbetrachtung getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern durch!
7) Durchführung 2
Bauen Sie die abgebildete Schaltung mit R = 10 kΩ
Ω auf. Richten Sie
de Fotowiderstand zum Fenster aus. Lassen Sie die Schaltung vom
Lehrer kontrollieren bevor eingeschaltet wird!
b) Verdunkeln Sie den Fotowiderstand langsam und notieren Sie Ihre
Beobachtung!
a)
c)
10 kΩ
Ändern Sie den Wert von R in 4,7 kΩ bzw. 47 kΩ (20 kΩ wäre besser, steht aber nicht zur Verfügung) und wiederholen Sie jeweils das
Experiment!
C
+
U = 12 V
–
B
E
8) Auswertung 2
a) Wie wirkt sich die Größe von R auf das Verhalten der Schaltung aus?
b) Begründen Sie diese Abhängigkeit!
9) Anhang
möglicher Aufbau zur Beleuchtung des Fotowiderstandes in verschiedenen Abständen:
Abb. 2
Physikpraktikum Klasse 9
Kinetische Energie
Experiment 3
1) Aufgabe
Weisen Sie den Zusammenhang von kinetischer Energie und Geschwindigkeit eines Körpers nach!
2) Physikalische Grundlagen
Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, Kräfte auszuüben, Licht auszusenden oder Wärme abzugeben. Dabei kann
die Energie in verschiedenen Formen auftreten. Für einige Energieformen sind Ihnen bereits Möglichkeiten bekannt, die Größe der Energie zu berechnen. Für die kinetische Energie gilt:
E kin =
m 2
v .
2
Abb. 1
Im Versuch wird ein Experimentierwagen auf einer geneigten Ebene durch „Anschnipsen“ beschleunigt und fährt
die Ebene nach oben. Auf dem Wagen befindet sich ein Pappstück, das im Vorbeifahren eine Lichtschranke auslöst.
Mit Hilfe einer Stoppuhr wird die Zeit gemessen, während der die Lichtschranke verdunkelt ist. Aus der Länge s
des Pappstücks und der gemessenen Zeit t kann die Geschwindigkeit des Wagens am Ort der Lichtschranke bestimmt werden.
Der Wagen rollt die geneigte Ebene nach oben und wird dabei langsamer. An einem bestimmten Punkt kehrt er um.
An diesem Punkt wurde die kinetische Energie, die der Wagen am Ort der Lichtschranke besessen hat, vollständig
in potentielle Energie umgewandelt. Um sie zu berechnen benötigt man die Höhe ∆h. Diese kann allerdings nur
schwer gemessen werden, deswegen wird sie aus den leichter zu messenden Größen ∆l, lges und hges bestimmt.
3) Vorbetrachtungen
a) Der Wagen in Abb. 1 wird angeschnipst. Geben Sie an, welche Energieumwandlungen ab dem Zeitpunkt stattfinden, zu dem er die Lichtschranke durchquert.
b) Geben Sie die Gleichungen zur Berechnung folgender Energieformen an: potentielle, elektrische Energie.
c)
Geben Sie eine Gleichung zur Berechnung der Höhe ∆h aus ∆l, lges und hges in Abb. 1 an. Begründen Sie!
d) Für einen 150 g schweren Wagen wurde mit der Experimentieranordnung aus Abb. 1 die Höhe ∆h = 10 cm bestimmt. Berechnen Sie aus diesen Angaben die kinetische Energie des Wagens am Ort der Lichtschranke.
4) Durchführung
a) Bestimmen Sie die Masse des Experimentierwagens, die Länge s des Pappstücks, die Gesamtlänge lges und die
Gesamthöhe hges der geneigten Ebene. Protokollieren Sie diese Messwerte.
b) Schalten Sie die Stoppuhr mit dem Netzschalter ein. Vergewissern Sie sich, dass der Schalter „1000 Hz“, bzw.
„100 Hz“, gedrückt ist. Setzen Sie die Uhr mit der Taste NULL gegebenenfalls auf Null zurück und drücken
Sie die Taste „Messen“ nach unten. Die Uhr sollte jetzt auf 0 s stehen.
c) Finden Sie die Stellen auf der geneigten Ebene, an der die Lichtschranke bei Durchfahrt des Wagens die
Stoppuhr startet und anhält (jeweils hörbar durch ein klickendes Geräusch). Der Mittelwert der beiden Längen
ist die Startlänge l0. Protokollieren Sie diese.
d) Schnipsen Sie den Wagen mehrmals (mind. 8 Mal) unterhalb der Lichtschranke an und halten Sie den Wagen
am Umkehrpunkt fest. Versuchen Sie dabei so zu schnipsen, dass die Umkehrpunkte recht gleichmäßig über
die Gesamtlänge verteilt sind. Protokollieren Sie die von der Stoppuhr angezeigte Zeit und die Gesamtlänge
lgemessen (= Endpunkt des Wagens) auf der geneigten Ebene.
5) Auswertung
Berechnen Sie aus den gemessenen Größen jeweils die zurückgelegten Strecken ∆l = lgemessen − l0, die Höhen ∆h
und die Startgeschwindigkeiten v des Wagens am Start.
b) Berechnen Sie aus den potentiellen Energien des Wagens am Umkehrpunkt die kinetischen Energien Ekin am
Start.
c) Erstellen Sie ein Ekin(v) - Diagramm.
d) Begründen Sie anhand des Graphen und rechnerisch, dass Ekin ~ v2 gilt.
a)
e)
Berechnen Sie zu jeder Startgeschwindigkeit v die kinetische Energie
soll
E kin
mit der bekannten Gleichung. Be-
urteilen Sie daran die Güte der Messwerte und den Einfluss der Reibung auf den Versuchsaufbau.
6) Fehlerbetrachtung
Führen Sie eine Fehlerbetrachtung getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern durch!
Physikpraktikum Klasse 9
Schmelzwärme
Experiment 4
1) Aufgabe
Es dauert eine gewisse Zeit, bis ein Eiswürfel komplett geschmolzen ist. Für das Schmelzen ist eine bestimmte
Wärmemenge (die Schmelzwärme QS) erforderlich, die der Umgebung entnommen wird. QS hängt von der Masse
und vom Stoff des schmelzenden Körpers ab. Letzteres wir durch die spezifische Schmelzwärme qs erfasst.
Bestimmen Sie experimentell die spezifische Schmelzwärme von Eis!
2) Physikalische Grundlagen
Zur Bestimmung der Schmelzwärme wird ein Kalorimeter verwendet. Das ist nichts
anderes als ein isoliertes Gefäß mit Rührer und Thermometer, in dem sich Wasser befindet. Die Eiswürfel schmelzen, das Wasser im Kalorimeter kühlt sich ab. Aus den
Massen und Temperaturen kann die spezifische Schmelzwärme von Eis ermittelt werden. Es gilt:
Qab = Qauf
Die vom Wasser abgegebene Wärme ist gleich der Schmelzwärme plus der Wärme,
die zur Temperaturerhöhung des Schmelzwassers erforderlich ist:
mW ⋅ c ⋅ ∆TW = m E ⋅ q S + m E ⋅ c ⋅ ∆TE .
Die Gleichung ist noch unvollständig: Auch das Kalorimetergefäß, das Thermometer und der Rührer geben Wärme
ab. Diese Wärme berechnet man mit Hilfe der Formel Q = C K ⋅ ∆TW .
CK nennt man die die Wärmekapazität des Kalorimeters. Damit ergibt sich:
mW ⋅ c ⋅ ∆TW + C K ⋅ ∆TW = m E ⋅ q S + m E ⋅ c ⋅ ∆TE .
Die Wärmekapazität CK des Kalorimeters kann im Vorversuch experimentell ermittelt werden. Dazu gibt man eine
bestimmte Menge warmes Wasser in das Kalorimeter und misst vor- und nachher die Wassertemperatur. Dabei gilt:
Die vom warmen Wasser abgegebene Wärme ist gleich der vom Kalorimeter aufgenommenen Wärme.
3) Vorbetrachtungen
a) 200 g Eis von 0°C sollen geschmolzen werden. Anschließend wird das Schmelzwasser auf 20°C erwärmt. Berechnen Sie die Wärme, die man hierfür braucht.
b) Für den Versuch von a) steht eine Heizplatte mit 150 Watt zur Verfügung. Zeichnen Sie das T(t) - Diagramm
(es ist ein Wirkungsgrad von 100 % anzunehmen).
c) Leiten Sie eine Formel zur Berechnung der Mischungstemperatur zweier unterschiedlich großer Wassermengen
mit unterschiedlicher Anfangstemperatur her!
d) 20 Gramm Eis werden in 300 ml Wasser von 20°C gegeben. Berechnen Sie die Mischungstemperatur, wenn
das Kalorimeter eine Wärmekapazität von 100 J/K hat.
e) In einem Kalorimeter befinde sich eine Anfangsmenge kaltes Wasser. Nun wird eine zweite Menge heißes
Wasser hinzu gegeben und die Mischungstemperatur bestimmt. Leiten Sie eine Formel zur Berechnung der
Wärmekapazität des Kalorimeters her!
4) Durchführung
a) Vorversuch: Bestimmung der Wärmekapazität des Kalorimeters
•
Stellen Sie im Kalorimeter 50 ml kaltes Wasser und in einem weiteren Gefäß 50 ml warmes Wasser bereit
und messen Sie jeweils die Temperatur.
•
Gießen Sie das warme Wasser in das Kalorimeter und bestimmen nach kurzem Verrühren die Mischungstemperatur.
b) Experiment zur Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme
•
Geben Sie 100 ml Wasser in das Kalorimeter und messen Sie die Anfangstemperatur.
•
Bestimmen Sie die Masse eines Eiswürfels (vor dem Wiegen abtrocknen!).
•
Geben Sie den Eiswürfel ins Kalorimeter und messen Sie die Endtemperatur (Umrühren bis alles Eis geschmolzen ist!)
•
Wiederholen Sie das Experiment mit zwei Eiswürfeln.
5) Auswertung
a) Berechnen Sie die Wärmekapazität des Kalorimeters aus dem Vorversuch!
b) Berechnen Sie die spezifische Schmelzwärme des Eises für beide Hauptversuche!
c) Diskutieren Sie mögliche Unterschiede in den Ergebnissen mit einem bzw. zwei Eiswürfeln!
6) Fehlerbetrachtung
Führen Sie eine Fehlerbetrachtung getrennt nach systematischen und zufälligen Fehlern durch!