Experimententwicklung
Innovative Experimente
Die Studierenden einer Vielzahl von naturwissenschaftlichen und technischen und an anderen Universitäten auch medizinischen Studiengängen erhalten in den physikalischen Praktika ihre physikalisch-experimentelle Grundausbildung. In den Bachelorstudiengängen prägt vor allem die in den Praktika vorhandene Experimentiertechnik entscheidend jenes Bild, das die Studierenden von der Physik als Fachrichtung im Allgemeinen und von der Modernität ihrer eigenen Universität 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 Universität die Verbindung zwischen Schule und Beruf darstellt, muss die Lehrmittelentwicklung entscheidend mit an den Universitäten 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 mehrere Jahre, schließt den Erprobungs-, Evaluierungs- und Optimierungsprozess mit ein und ist mit Grundlagenforschung zu vergleichen.
Die Physikalischen Praktika der Universität Bremen organisieren z.B. Weiterbildungsveranstaltungen, wie die jährlichen DPG-Workshops "Innovative Lehrmittel zum Erlernen physikalischer Konzepte", um neue Experimente und Ideen einem größeren Nutzerkreis zur Verfügung zu stellen. Eine wichtige Rolle für die Verbreitung unserer neuen Experimente zum Zwecke der allgemeinen Verbesserung der Qualität 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 zugänglich 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 Stöße von Scheiben gleicher Masse (Thaleskreis bei ruhender zweiter Scheibe), ungleicher Masse und zwischen Scheibe und Hantel werden auf einem 50 cm x 50 cm großen Eigenbau-Luftkissentisch mit einer Videokamera aufgenommen und mit Hilfe der PHYWE-Software Measure Dynamics ausgewertet. Scheiben und Hantel sind mit Magneten ausgestattet. Die stoßende Scheibe kann mit zwei Geschwindigkeiten (magnetischer Abstoß) 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 Intensität 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 Detektorintensität 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 Bundespräsidenten 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. Bäuche 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 Auflösung 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, Hören und über Lissajousfiguren (Phasenverschiebung 90° bei Resonanz) gut einstellbar. Der Übergang von harmonischer zu anhormonischer Anregung kann bei steigender Anregungsstärke (steigende Stromstärke 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 Wirbelströme erzeugt werden, deren Magnetfeld mit dem äußeren Magnetfeld wechselwirkt, so dass die Scheibenbewegung abgebremst wird. Die sich nach kurzer Zeit einstellende gleichförmige Drehbewegung der Scheiben lässt sich gut messen und gestattet die Berechnung der Leitfähigkeiten 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 zusätzlichen Potentiometern sehr empfindlich abgeglichen werden soll. Die Waage wird benutzt, um die Coulombkraft zwischen Kondensatorplatten in Abhängigkeit von der angelegten Hochspannung und in Abhängigkeit 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) möglich, die die Bahn im rotierenden Bezugssystem aufnehmen. Bei Mehrfachaufbauten stören sich diese jedoch.
Polytropenexponent (T7)
Eine Gasfeder in Form einer großen Glasspritze führt nach kurzem Anschlagen gedämpfte Schwingungen aus. Dabei bewegt sich ein auf dem Kolben der Spritze angebrachter Magnet neben einer Spule, die das Kolbengehäuse umschließt, 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 Kolbengehäuse verschiebbar ist, können 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 Versuchsplätze 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 Emissionswellenlängen verschiedener LEDs bestimmt. Der Versuch ist ein einfacher Ergänzungs-, Prüfungs- oder Schulversuch.
Lorentzkraft (E10)
Bei einer zwischen den Polschuhen eines Magneten sich drehenden Scheibe aus leitfähigem 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. Unabhängig 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 Leitfähigkeit des Materials abhängen. 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. Anschließend wird die Waage kalibriert und Probekörper 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, Verstärker und Aktuator (Lautsprecher mit Ausleger) periodisch angetrieben wird. Die Schwingungsdämpfung erfolgt durch Wirbelströme, 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 nötige 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 benötigt, um die Stirling-Maschine im kalten Zustand zu kalibrieren (Ermittlung Volumen, Volumenänderungen, Druckänderungen, Anschluss Messwerterfassungssystem) und den Wirkungsgrad des Brenners. zu ermitteln. Anschließend 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 Außenbereich 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 Außenbereich 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. Anschließend werden bei verschiedenen Farben verkleinerte optische Abbildungen realisiert und jeweils aus Gegenstands- und Bildweiten Brennweiten ermittelt. Daraus können 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 äquidistanten Abständen 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 magnetfeldabhängige 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 können. Da als Lichtquellen LED Verwendung finden, können die Drehwinkel der Polarisationebene in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte bei fünf bis sechs verschiedenen Wellenlängen vermessen werden, um daraus die verdetschen Konstanten bei verschiedenen Wellenlängen zu erhalten. Bei vorgegebenen Dispersionswerten können 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 Außenelektronen - 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 Laserwellenlängen charakterisiert (Vorzugsrichtung, Polarisationsverhalten, Phasenverschiebung, Pixelgröße,...) 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. Abschließend 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 großer bzw. sehr kleiner Intensität geteilt wird. Beide Strahlen sollen das MZI möglichst parallel durchlaufen. Ein Spiegel des MZI wird mit einem Ringpiezo periodisch hin- und hergeschoben, so dass das jeweilige Interferenzbild an einem feststehenden Empfänger (Photomultiplier für kleine Intensität und Photodiode für große Intensität) vorbeigeschoben werden kann. Mit dem Versuch kann der Übergang von der Photonenstastistik zum klassischen Interferenzbild gut demonstriert werden, wenn das bei kleiner Intensität aufgezeichnete "Interferenzbild" über einen längeren 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 Resonatorstabilität beim Übergang vom konfokalen zum sphärischen 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 Gaußstrahls der TEoo-Mode über eine Linse Strahlprofile in verschiedenen Abständen hinter der Linse vermessen, um die Strahltaille, Divergenz und Strahlqualität zu bestimmen. Zusätzlich werden Spektren der Gasentladung, der Laserlinie und Transmissionsspektren der Spiegel vermessen. Das Verstärkungsprofil wird aus der Intensität verschiedener Axialmoden rekonstruiert, deren Intensitäten einzeln mit Hilfe eines Etalons im Resonator vermessen werden. Optional können die Frequenzabstände 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 weißen Leuchtdiode aufgezeichet und über Fourier-Transformation die entsprechenden Spektren errechnet. Zusätzlich 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. Modenabstände 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.