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Praktikum_Physik_2014_3_1Textmarke_rot_RBPhysik

 

Bild rechts: Experiment zur Bestimmung der spezifischen Elektronenladung (e/m-Bestimmung) mit Hilfe einer Vakuumröhre, in der ein Elektronenstrahl mit Hilfe eines Magnetfeldes auf eine Kreisbahn gelenkt wird. Die Elektronenbahn wird durch die Gasfüllung bei niedrigem Druck sichtbar.

Bild unten: Experiment zur Tonerzeugung mit Hilfe eines Schwingkreises nach dem Prinzip der Meißner’schen Rückkopplungsschaltung.

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Franck_Hertz_1

Bilder oben und unten: Experiment zum Franck-Hertz-Versuch: mit dieser Versuchsanordnung kann man nachweisen, dass Atome Energie  nicht nur gequantelt, d. h. in ganz bestimmten Energieportionen, abgeben; auch die Energieaufnahme gehorcht den Gesetzen der Quantenphysik; so nehmen z. B. Quecksilberatome bei der Anregung durch stoßende Elektronen nur dann Energie auf, wenn die Elektronenenergie 4,9 eV beträgt.

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Bild unten: im Physikunterricht werden u. a. aus experimentellen Ergebnissen allgemeine Gesetzmäßigkeiten abgeleitet; diese werden mathematisiert und in Form von Gleichungen dargestellt, mit deren Hilfe man nun Vorhersagen zum Versuchsausgang weiterer Experimente machen könnte.Im Bild: Tafelanschrieb zur Herleitung der Gleichung für die Bragg-Bedingung bei der Röntgenstrahlbeugung (an Kristallen).

Physik_TA

 

Textmarke_rot_RBQuantenphysik in der Schule - Experiment zum “Quantenradierer” mit dem Mach-Zehnder-Interferometer
25. März 2017, Samstag

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Mit den Bildungsplänen von 2004 hat die Quantenphysik im Physikunterricht der Kursstufe gegenüber den vorherigen Bildungsplänen einen höheren Stellenwert erhalten; Aufgaben zur Quantenphysik sind auch meist Bestandteil der Schriftlichen Abiturprüfung im Fach Physik.

Am Robert-Bosch-Gymnasium unterrichten wir die Quantenphysik nach dem Buch “Die Wesenszüge der Quantenphysik” von Josef Küblbeck (Aulis-Verlag) bzw. nach dem Münchner Unterrichtskonzept zur Quantenphysik (milq, siehe die Website!)

Als Experimentalwissenschaft lebt die Physik von der Durchführung von Versuchen; im Bereich der Quantenphysik können etliche Experimente aufgrund der hohen Kosten für die nötigen Apparaturen und aufgrund der Komplexität an Schulen nicht durchgeführt werden. Das Robert-Bosch-Gymnasium hat in den Jahren seit Einführung der Bildungspläne von 2004 aber “nachgerüstet” und einiges Experimentiergerät beschafft; durchgeführt werden können damit

  • Experimente zum Hallwachs-Effekt und zum Photoeffekt (Messung der Planck’schen Konstanten)
  • Experimente zur Erzeugung un Beugung von Röntgenstrahlen; Bestimmung des kurzwelligen Endes der Röntgenbremsstrahlung und daraus Bestimmung der Planck’schen Konstanten.
  • Experimente zur Beugung von Elektronenstrahlen an Graphit-Kristallen
  • der Franck-Hertz-Versuch
  • sowie: Experimente mit dem Mach-Zehner-Interferometer

Für letzteres Experiment haben wir uns für recht viel Geld aus dem Vermögensetat professionelle optische Geräte zum Aufbau eines solchen Interferometers beschafft: ein Halbleiter-LASER, zwei halbdurchlässige Spiegel (Strahlteiler) und zwei Metall-Oberflächenspiegel bilden zusammen mit einer Kugel-Linse den Versuchsaufbau.

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Bild oben: Ein LASER-Strahl trifft vom LASER ausgehend zunächst auf einen Strahlteiler (ST1); die Hälfte der Lichtintensität steckt danach in dem nach rechts weiterlaufenen Strahl, die andere in dem nach oben reflektierten Strahl. Diese beiden Strahlen werden am Oberflächenspiegel SP1 bzw. SP2 vollständig reflektiert. Der von SP1 reflektierte Strahl geht dann zur Hälfte durch den Strahlteiler ST2, zur anderen geradeaus weiter zum Schirm rechts; der von SP2 reflektierte Strahl teilt sich auf in einen geradeaus zum oberen Schirm laufenden Strahl und einen zum Schirm rechts reflektierten Strahl.

Zum oberen bzw. zum rechten Schirm gelangen also jeweils Strahlen, die den unteren bzw den oberen Lichtweg genommen haben; sie überlagern sich und interferieren dabei. Das Interferenzmuster ist auf dem rechten  bzw. oberen Schirm zu sehen.

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Bild oben: der Versuchsaufbau: die optischen Komponenten stehen auf einer 30 kg schweren Granitplatte, die auf einer Schaumstoffunterlage ruht; damit werden Erschütterungen verringert. Man erkennt die beiden Strahlteiler und die beiden Spiegel sowie eine Kugellinse (hinten rechts); betrachtet wird das Interferenzmuster (Interferenzstreifen) auf dem “oberen” Schirm (aus der Skizze oben).

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Bild oben: der Aufbau und die Justierung der Apparatur ist recht zeitaufwändig; zunächst muss der Laserstrahl parallel zur Oberfläche der Granitplatte eingestellt werden; dann müssen alle Spiegel und Strahlteiler um die Horizontalachse so geneigt werden, dass der einfallende Strahl und der ausfallende Strahl aufeinander liegen, also auch parallel zur Oberfläche der Granitplatte verlaufen: alle Lichtstrahlen müssen in derselben horizontalen Ebene liegen. Dann erfolgt die Aufstellung der optischen Komponenten und ihre Ausrichtung um die Vertikalachse. Wegen der Mehrfachreflexionen wird ein Strahl bei leichter Drehung eines Spiegels gleich sehr stark verdreht,

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Bild oben: hier sieht man die beiden Strahlteiler, einen der beiden Oberflächenspiegel (rechts vorn) und das Interferenzmuster am Schirm im Hintergrund.

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Bild oben: das Interferenzmuster ist ein Muster aus hellen und dunklen Streifen (Maxima und Minima); sie kommen durch destruktive und konstruktive Interferenz zustande: ist der Gangunterschied der beiden interferierenden Wellen eine halbe Wellenlänge oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon, erfolgt destruktive Interferenz, also Auslöschung; ist der Gangunterschied aber ein geradzahlig Vielfaches der Wellenlänge, ist die Interferenz konstruktiv: es ergibt sich ein heller Streifen.

Bringt man in den oberen und unteren Lichtweg Polarisationsfilter, so wird das Licht entsprechend der Stellung des Filters polarisiert. Stehen die Polarisationsrichtungen gleich, kann sich das Licht am Schirm wieder zu einem Interferenzmuster überlagern; bei gekreuzter Stellung der Polarisationsfilter (einer horizontal, der andere vertikal) kommt keine Interferenz zustande; es gibt kein Interferenzmuster. Bringt man zwischen die Kugellinse und den Schirm ein Polarisationsfilter, welches um 45 Grad gegenüber dem horizontalen bzw. vertikalen Filter gedreht ist, kommt wieder ein Intereferenzmuster zustande. (Das kann man verstehen, wenn man eine Vektorzerlegung der elektrischen Feldstärkevektoren des horizontal bzw. vertikal polarisierten Lichtes vornimmt und jeweils die auf die Richtung des dritten Polarisationsfilters projizierte Komponente betrachtet).

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Bild oben: die Apparatur mit den beiden Polarisationsfiltern in den beiden Lichtwegen.

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Bild oben: hier stehen beide Polarisationsfilter vertikal (gelber Hebel am Filter; damit kann dieses gedreht werden).

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Bild oben: die Interferenz kommt auch zustande, wenn zwei parallel stehende Polarisationsfilter in den beiden Lichtwegen stehen.

Quantenphysikalisch spannend wird das Experiment, wenn man die Intensität des Lichtes so weit verringert, dass sich jeweils zu einem Zeitpunkt nur noch ein Photon in der Apparatur befindet. Dann dauert es zwar länger, bis das Interferenzmuster am Schirm registriert werden kann (Aufsummation aller lokalisierten Photonen), das Ergebnis ist aber dasselbe wie bei einer kontinuierlichen Lichtquelle. Jetzt wird es philosophisch schwierig: denn wie soll man sich vorstellen, dass jeweils ein einzelnes Photon trotzdem zu einem Interferenzmuster führt?

Markiert man den Weg, den ein Photon in der Apparatur nimmt, indem man auf dem einen Lichtweg ein vertikal, auf dem anderen ein horizontal polarisierendes Filter aufstellt, so verschwindet das Interferenzmuster. Stehen die Filter dagegen parallel, kann man nicht entscheiden, welchen Weg das Photon genommen hat und das Interferenzmuster erscheint wieder. Physiker sagen dann: Interferenz und die “Welcher-Weg-Information” sind komplementär, schließen sich also aus.

Stehen die Filter gekreuzt und hätte man deshalb eine “Welcher-Weg-Information”, bringt man dann aber das dritte Polarisationsfilter unter einem Winkel von 45 Grad zu den beiden ersten an, so werden die Photonen umpolarisiert und haben die Polarisation aufgrund des dritten Filters; damit ist ihr Weg nicht mehr markiert und die Interferenz taucht wieder auf. Das dritte Filter hat die “Welcher-Weg-Information” also gelöscht oder “ausradiert”. Man spricht dann vom “Quantenradierer”.

Experimente mit Einzelphotonen können wir mit unserer Apparatur an der Schule allerdings nicht durchführen; die grundlegenden Erscheinungen und Aussagen erhält man aber auch mit einer kontinuierlichen Lichtquelle.

 

 

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Textmarke_rot_RBVeranstaltungen / Ereignisse

 

Textmarke_rot_RBPhysikpraktikum in der Kursstufe
Mai 2016

...von magnetischen und elektrischen Feldern

Neben den vielen außerunterrichtlichen Veranstaltungen, welche die Lehrer/innen unserer Schule mit ihren Schüler/innen durchführen, gibt es natürlich auch noch den “ganz normalen Unterricht” im Klassenzimmer oder im Fachraum. Aber auch hier wechselt die Methodik und die Organisationsform und alle erdenklichen Medien kommen zum Einsatz.

Im Physikunterricht der Kursstufe (4-stündiger Kurs) gibt es für die Teilnehmer/innen neben dem Theorie- und Experimentalunterricht auch immer wieder Praktikumsphasen. Hier beschäftigen sich die Schüler/innen in kleinen, meist Zweier-Teams mit physikalischen Phänomenen, die sie in der Regel quantitativ erfassen sollen. Im Klartext heißt das, dass zum Beispiel die Stärke des Magnetfeldes, welches ein Elektromagnet erzeugt, in Abhängigkeit von der Stromstärke ermittelt werden soll oder die Kapazität eines Kondensators aus seiner Entladekurve bestimmt werden muss.

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Bilder oben und unten: diese beiden Schülerinnen vermessen das elektrische Feld zwischen zwei linearen Elektroden; Dazu wird an die beiden Elektroden eine Spannung angelegt; diese befinden sich in einem Trog, der mit Wasser geringer Tiefe gefüllt ist; zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Wassers wurde es leicht mit Salzsäure angesäuert. Mit einer Messspitze messen die Schüler/innen Punkte im Feld aus, welche dasselbe elektrische Potential haben; verbindet man diese, erhält man so genannte Äquipotentiallinien, welche die “Form” des elektrischen Feldes widerspiegeln.

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Die Kursstufenpraktika finden als sogenannte Block-Praktika statt, d. h. es stehen 5 - 7 Experimente zu Auswahl und die Teams bearbeiten in jeder Doppelstunde eine der Experimentalaufgaben. In den Folgestunden wechseln sie dann zu Experimenten, die sie bisher noch nicht durchgeführt haben.

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Bilder oben und unten: mit einem so genannten Teslameter (Magnetfeldstärke-Messgerät) messen diese beiden Schüler die magnetische Flussdichte in einer Spule; die Messsonde ist ein Hall-Plättchen. Variiert wird beim ersten Versuchsteil die Stromstärke; beim zweiten Teil bleibt die Stromstärke konstant und mit der Messsonde wird untersucht, wie die Flussdichte (die Stärke des Magnetfeldes) von der Spulenmitte nach außen hin abnimmt.

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Die Experimente selbst lehnen sich an die im vorausgegangenen Unterricht gewonnenen Erkenntnisse an.

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Bild oben: dieses Team hat eine Schaltung aufgebaut, mit der ein Kondensator auf eine bestimmte Spannung auf- und anschließend wieder entladen werden kann. Mit Hilfe eines Messdatenerfassungssystems (CASSY) wird die Spannung beim Entladen im Abstand von wenigen Mikrosekunden aufgezeichnet. Die Messkurve selbst erscheint dann auf dem Bildschirm eines angeschlossenen Laptops. Aus der Halbwertszeit des Absinkens der Spannung kann man die Kapazität des benutzten Kondensators errechnen.

Beim Messen und Experimentieren sind die Physiker/innen normalerweise mit Eifer bei der Sache; weniger beliebt ist die anschließende Anfertigung eines so genannten Praktikums-Protokolls, in dem das durchgeführte Experiment ausgewertet werden muss. Hier wird auch eine so genannte Fehlerrechnung verlangt, d. h. die jungen Experimentatoren/innen, müssen angeben, wie genau ihre gewonnenen Ergebnisse aufgrund der verwendeten Messmethodik und der benutzten Messinstrumente überhaupt sind.

 

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Textmarke_rot_RBPhysikpraktikum in der Kursstufe
Frühjahr 2013 / Frühjahr 2014

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Schüler/innen der Kursstufe K1 haben in den letzten Wochen ein Physikpraktikum durchgeführt. Zur Auswahl standen acht verschiedene Experimente zu den Bereichen Elektrizitätslehre und Magnetismus.

In Teams zu zwei bis drei Schülern (und einer Schülerin) werden die Versuche anhand der Versuchsanleitung vorbereitet und in jeweils einer Schul-Doppelstunde durchgeführt.

Ph_Praktikum_2013_4Ein Schülerteam hat sich in einen völlig dunklen Abstellraum der Schule zurückgezogen, um dort ungestört von Fremdlicht die Bahn von Elektronen im Magnetfeld zu vermessen, ein anderes lötet einen Würfel aus elektrischen Widerständen zusammen, an dem anschließend Potentiale und Ströme gemessen und mit der Theorie verglichen werden, ein drittes Team justiert die so genannte Spannungswaage, ein viertes misst die Spannung an einer Potentiometerschaltung bei zunehmender Belastung, ein fünftes untersucht das Magnetfeld einer Spule mit Hilfe einer Hall-Sonde und einem digitalen Teslameter, ein anderes nimmt den Spannungsverlauf beim Entladen eines Kondensators über ein Analog -Digitalwandler-Interface mit Hilfe eines Notebook auf, um aus der Zeitkonstanten die Kondensatorkapazität zu ermitteln...

Bild oben rechts: hier werden zwei unterschiedliche Würfel aus lauter elektrischen Widerständen zusammengelötet. Dann wird diagonal eine elektrische Spannung angelegt und anschließend werden die Potentiale an verschiedenen Punkten gemessen und mit den zu erwartenden, berechneten Werten verglichen.

Ph_Praktikum_2013_6Das praktische Arbeiten macht den meisten Beteiligten Spaß; weniger beliebt ist die Erstellung des Versuchsprotokolls und die geforderte ausführliche Messfehlerbetrachtung...

Ziel des Praktikums ist neben dem Erlernen sozialer Kompetenzen bei der Arbeit im Team der Umgang mit Messgeräten und computergestützten Messwerterfassungssystemen, das Erlernen der naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen und -methoden und der praktische Umgang mit physikalischen Systemen und Phänomenen.

Bild rechts: dieses Schülerteam nimmt mit Hilfe des “CASSY” -Systems mit dem Notebook die Entladekurven von verschiedenen Kondensatoren auf.

 

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Bild oben: das Messwerterfassungssystem produziert mit Hilfe der zugehörigen Software auf dem Bildschirm des Notebook die Entladekurve; sie kann nun ausgedruckt und ausgewertet werden.

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Bild oben: das Magnetfeld in einer schlanken Spule hängt von mehreren Parametern ab; deren Einfluss wird beim vorliegenden Experiment mit Hilfe eines Digital-Teslameters untersucht.,

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Bild oben: In einer evakuierten Glaskugel, welche mit einigen Pascal Wasserstoffgas gefüllt ist, wird ein Elektronenstrahl erzeugt, der sich in einem äußeren Magnetfeld zum Kreis biegt. Kennt man die Ladung der Elektronen, kann man durch Ausmessung des Kreisbahnradius die Elektronnenmasse bestimmen. Eine Waage wäre dazu nicht geeignet, die Elektronen wiegen nur 9,11*10-31 kg.

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Bild oben: dieses Schülerteam untersucht, wie die Ausgangs-Spannung an einem Potentiometer mit zunehmender Belastung allmählich “in die Knie geht”.

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Bild oben: Schüler beim Kursstufenpraktikum Physik. Die Messwerte können am Notebook direkt in Excel-Tabellen eingegeben werden.

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Bild oben: Experiment zur Bestimmung von Äquipotential-Linien im elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden (im so genannten “Potentialtrog”).

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Bild oben: Schüler nehmen beim Physik-Praktikum die Entladekurve von Kondensatoren mit Hilfe des CASSY-Messwerterfassungssystems auf. Aus der Halbwertszeit der Entladekurve kann die Kapazität des benutzten Kondensators bestimmt werden.

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Bild oben: sobald die Messungen beendet sind, machen sich die Schüler/innen an die Auswertung mit Hilfe eine Tabellenkalkulationsprogramms (Excel).

 

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Fehlerrechnung_2019_neuTextmarke_rot_RBDownloads

Copyright-Hinweis:

Zum Teil wurden Bilder von  Versuchsaufbauten eingescannt. Der Verfasser der Website  besitzt davon nicht die Bildrechte. Die Dateien werden nur schulintern für Unterrichtszwecke verwendet. Bitte beim Download beachten: diese Bilder dürfen ebenfalls nur für schulinterne Zwecke benutzt werden.

 

Textmarke_rot_RBFehlerrechnung

Kurze Einführung in die Fehlerrechnung (Standardabweichung etc.) für die Praktika der Mittelstufe und für die Reformierte Oberstufe:

Fehlerrechnung

(siehe Bild rechts)

 

 

 

 

Textmarke_rot_RBNeufassung: Auswertung von Experimenten mit Hilfe von Microsoft Excel 2007

Nachfolgend kann eine kurze, exemplarische Einführung in Excel 2007 heruntergeladen werden. Am Beispiel der Auswertung von Experimenten zur Leistungsbestimmung an einer Windenergieanlage wird exemplarisch aufgezeigt, wie mit Hilfe des Tabellenkalkulationsprogrammes rasch eine Auswertung der Messergebnisse erreicht werden kann und wie sich Messwerte zu Diagrammen verarbeiten lassen.

Excelauswertung_1

Excelauswertung Teil 1 (Rechnungen)

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Excelauswertung Teil 2 (Diagramme)

 

Textmarke_rot_RBPhysikpraktikum in der Kursstufe:

Die Versuche werden am Robert-Bosch-Gymnasium im Kursstufen-Unterricht durchgeführt; gerätetechnisch beziehen sie sich auf die vorhandene Hardware.

 

Textmarke_rot_RBThemenbereiche:

Textmarke_blauVersuche zum Themenbereich elektrisches und magnetisches Feld, Bewegung elektrischer Teilchen im E- und B-Feld sowie Schwingungen und Wellen:

V_1_1_Kapazitätsmessung an Kondensatoren / PC-gestützte Messwerterfassung
V_1_2_Messung des elektrischen Potenzials am Potenzialtrog
V_1_3_Gesetzmäßigkeiten beim Magnetfeld einer schlanken Spule
V_1_4_Messung an der Kirchhoff’schen Spannungswaage
V_1_5_Bestimmung der spezifischen Elektronenladung mit einem Fadenstrahlrohr
V_1_6_Messungen am belasteten Potentiometer
V_1_7_Bestimmung der elektrischen Elementarladung nach Millikan
V_1_8_Messungen am Widerstandswürfel / elektrisches Potenzial
V 1 10 Wechselstromwiderstände, Effektivwert (Bestimmung der Kondensatorkapazität)
V_1_11_Magnetfeld von kurzen Spulen
V_1_12_Eingangs- und Ausgangskennlinienfeld eines Feldeffekttransistors
 

Prakt_Physik_2011_2

Bild oben: Praktikumsversuch zum Magnetfeld einer “schlanken” Spule (2011).

 

Textmarke_blauVersuche zum Themenbereich mechanische Schwingungen und Wellen:

V_2_1_Experimente zur Fourieranalyse
V_2_2_Stehende Schallwellen in Luftsäulen / Kundtsches Rohr
V_2_3_Bestimmung der Schwerebeschleunigung g aus einer Pendelschwingung
V_2_4_Gedämpfte Schwingung, erzwungene Schwingung und Resonanz am Drehpendel
V_2_5_Dopplereffekt mit Ultraschallwellen und digitalem Funktionsgenerator

Physik_Kundt

Bild oben: Versuch mit dem Kundt’schen Rohr; mit Hilfe von Korkmehl kann man die Schwingungsbäuche und -Knoten der stehenden Schallwelle sichtbar machen.

Orgel

Bild oben: Anwendung von stehenden Schallwellen: so kommt der Ton / Klang in den Orgelpfeifen unterschiedlicher Länge zustande... (Orgel im Dom zu Aschaffenburg)

Textmarke_blauVersuche zur Elektrotechnik / Elektronik / Elektromagnetismus:

V_3_4 Wirkungsweise und Anwendung von Operationsverstärkern
V_3_6 Gedämpfte elektromagnetische Schwingung
V_3_8_Elektromagnetischer Schwingkreis; Meißnersche Rückkopplungsschaltung
V_3_9_Messung von Effektivwerten; kapazitiver Widerstand eines Kondensators

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Bild oben: Versuchsanleitung zur Anwendung von Operationsverstärkern (bei der Erstellung mit dem pdf-Creator).

 

Textmarke_blauVersuche zur Optik

V_3_5_Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit über eine Laufzeitmessung von kurzen Impulsen

Bild unten: Teil der Versuchsanleitung zur Lichtgeschwindigkeitsmessung mit kurzen Lichtimpulsen; unterer Bildteil: das experimentelle Ergebnis der Messung.

Lichtgeschwindigkeit

 

Textmarke_blauVersuche zum Themenbereich Quantenphysik:

V_3_1 Bestimmung von h mit Hilfe der Elektroluminiszenz (LED)
 

 

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