Computer Im Praktikum: Moderne Physikalische Versuche

ISBN-13: 9783642641350 / Niemiecki / Miękka / 2011 / 312 str.

Uli Diemer; Bj Rn Baser; Hans-J Rg Jodl

Opis

"Computer im Praktikum" will ein Leitfaden fur das moderne Praktikum der Phsik sein, das durch geschickte Unterstutzung durch den Einsatz von Computern eine neue Lehrqualitat erhalten kann. Der erste Teil definiert Lernziele und hiterfragt den sinnvollen Einsatz von Computern in Praktika. Der zweite Teil stellt zwolf Experimente im Detail dar und regt zum Nachbauen oder zum Erstellen neuer Praktikumsversuche an. Der dritte Teil widmet sich dem eigens konzipierten Computerpraktikum. "Numerik und Interfacing," das richtungsweisend sein soll.
Professor Jodl war Leiter des von 1991 bis 1995 durchgefuhrten Modellversuchs "Entwicklung und Testeinsatz von Personalcomputern in Physikhochschulpraktika." Das Buch wendet sich an Dozenten, Praktikumsleiter und Assitenten.

Recenzje

------------------------------------------------------------ (D)as Buch (sollte) in keiner Physik-Bibliothek fehlen. Praktikumsleitern, Oberstufenlehrern und anderen an modernen Versuchen Interessierten kann es wegen seiner Ausgewogenheit und der vielen Anregungen sehr empfohlen werden. Christoph Schlier (Physikalische Blätter, 2000,56,4)

Spis treści

I. Das moderne Praktikum.- 1. Grundzüge eines modernen Praktikums.- 1.1 Derzeitiger Stand der Anfängerpraktika.- 1.1.1 Ziele eines Praktikums.- 1.1.2 PC-Einsatz im Praktikum.- 1.1.3 Praktikumsbücher.- 1.2 Warum eine Erneuerung nötig ist.- 1.2.1 Probleme bei der Erneuerung.- 1.3 Das moderne Praktikum.- 2. Lernziele im Praktikum.- 2.1 Der bisherige Stand.- 2.1.1 Exemplarische Darstellung der Lernzieltaxonomien….- 2.1.1 Bisherige Literatur zu Lernzielen.- 2.2 Neue Lernziele durch den PC-Einsatz.- 2.2.1 Befragung anderer Fachbereiche nach Lernzielen.- 2.2.2 Auswertung der Befragung.- 2.2.3 Lernzielkatalog.- 2.3 Zusammenfassung.- 3. Didaktische Überlegungen zum sinnvollen Computereinsatz in Praktika.- 3.1 Einsatzmöglichkeiten des Computers im Unterricht.- 3.1.1 Einsatz bei Experimenten.- 3.1.2 Sonstiger PC-Einsatz.- 3.2 Computereinsatz im Anfängerpraktikum.- 3.3 Kriterien für den sinnvollen PC-Einsatz.- 3.4 Probleme beim Computer-Einsatz.- 3.5 Programmbewertung im Versuch.- 3.6 Anmerkungen zur Praktikumsanleitung.- 3.7 Protokollheft.- 3.8 Zusammenfassung.- II. Computerunterstützte Experimente im Praktikum.- 4. Kräftemessung mit Dehnungsmeßstreifen und SURFTREC..- 4.1 Das Programm SURFTREC.- 4.1.1 Die Programmbedienung.- 4.2 Die notwendige Hardware.- 4.2.1 Die Dehnungsmeßstreifen.- 4.3 Experimente mit Dehnungsmeßstreifen.- 4.3.1 Messung der Oberflächenspannung und anderer kleiner Kräfte.- 4.3.2 Messung von Kraftstößen.- 4.3.3 Weitere Anwendungsbeispiele.- 4.3.4 Projektarbeiten.- 4.4 Zusammenfassung.- 5. SWING.- 5.1 Theorie der Drehschwingungen.- 5.1.1 Begriffe der nichtlinearen Dynamik.- 5.2. Beschreibung des Versuchsaufbaus.- 5.2.1 Positionsbestimmung.- 5.2.2 Erregermotor für erzwungene Schwingungen.- 5.2.3 Dämpfung.- 5.3 Bedienung des Programms SWING.- 5.3.1 Allgemeine Vorbemerkungen.- 5.3.2 s(t)-Diagramm.- 5.3.3 Sinfit.- 5.3.4 Amplituden..- 5.3.5 Nullposition.- 5.3.6 Inter facetest.- 5.4 Beispiele und Aufgabenstellungen.- 5.4.1 Die harmonische Schwingung.- 5.4.2 Dämpfungsphänomene.- 5.4.3 Theorie und Experiment: Anfitten von Werten.- 5.4.4 Erzwungene Schwingungen und Resonanzen.- 5.4.5 Phasenraumdarstellung.- 5.4.6 Nichtlineare Dynamik.- 5.4.7 Die Einschwingphase.- 5.5 Zusammenfassung.- 6. Radioaktiver Zerfall.- 6.1 ZurTheorie.- 6.1.1 Geiger-Müller-Zählrohr.- 6.1.2 Zählstatistik.- 6.1.3 Hintergrundstrahlung, Nullrate.- 6.2 Experimenteller Aufbau.- 6.3 Das Programm RAP.- 6.3.1 Messung.- 6.3.2 Graphische Darstellung der Werte.- 6.3.3 Auswertemöglichkeiten.- 6.3.4 Weitere Menüpunkt e.- 6.4 Beispiele für eine Versuchsreihe.- 6.4.1 Bestimmung der Zählrohrcharakteristik.- 6.4.2 Bestimmung des Strahlungshintergrundes.- 6.4.3 Bestimmung der Halbwertszeit eines Isotopes.- 6.5 Zusammenfassung.- 7. Kennlinien elektronischer Bauteile mit XLINES.- 7.1 Experimentsteuerung mit dem Programm XLINES.- 7.2 Beispiele für eine Versuchsreihe.- 7.2.1 Kennlinien von Widerständen und Dioden.- 7.2.2 Kondensatoren laden und entladen.- 7.2.3 Kennlinienfelder von Transistoren.- 7.3 Zusammenfassung.- 8. Messung und Berechnung elektrischer Feldlinien mit FLAP und EFELD.- 8.1 Die Meßwerterfassung mit FLAP.- 8.1.1 Die Meßmethode.- 8.1.2 Das Programm FLAP.- 8.2 Berechnung von Feldverteilungen.- 8.2.1 Das Programm EFELD.- 8.3 Beispiele zum Einsatz von Realexperiment und Simulation.- 8.3.1 Untersuchungen am Plattenkondensator.- 8.3.2 Spitze.- 8.4 Weitere Anordnungen.- 8.4.1 Reale Anordnungen.- 8.4.2 Beispiele zur weiteren Vertiefung des Verständnisses des Themas.- 8.5 Zusammenfassung.- 9. Experimente zur Wärmeleitung und das Programm WÄRME.- 9.1 Kurze Theorie der Wärmeleitung.- 9.1.1 Wärmeleitung beim isolierten Stab.- 9.1.2 Wärmeleitung beim nichtisolierten Stab.- 9.1.3 Die dynamische Methode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit.- 9.2 Die Datenerfassung mit dem Programm WÄRME.- 9.2.1 Die Hardware.- 9.2.2 Die Software.- 9.3 Das Experiment.- 9.3.1 Das Meßprogramm.- 9.3.2 Überprufüng der Linearität der Meßfühler.- 9.3.3 Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit im isolierten, stationären Fall.- 9.3.4 Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit mit der Modulationsmethode.- 9.3.5 Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit im verlustbehafteten Fall.- 9.3.6 Weitere optionale Aufgabenstellungen.- 9.4 Zusammenfassung.- 10. Experimente am Stirling-Motor.- 10.1 Theorie zu den Experimenten.- 10.1.1 Das pV-Diagramm.- 10.1.2 Wichtige Kreisprozesse.- 10.1.3 Der Wirkungsgrad von Kreisprozessen.- 10.2 Die Datenerfassung.- 10.2.1 Die „klassische“Version der Datenaufnahme.- 10.2.2 Die Hardware zur Datenerfassung mit Hilfe des Computers.- 10.2.3 Bedienung des Programms MOTOR.- 10.3 Die Messungen.- 10.3.1 Die Meßaufgaben.- 10.3.2 Die Durchführung der Messungen und Ergebnisse…..- 10.4 Zusammenfassung.- 11. Rotierender magnetischer Dipol und ROMA.- 11.1 Einige Grundlagen zum Experiment.- 11.1.1 Deterministisches Chaos.- 11.1.2 Attraktoren.- 11.1.3Poincaré-Schnitte.- 11.1.4 Kurze mathematische Beschreibung des bipolaren Motors.- 11.2 Der experimentelle Aufbau.- 11.3 Die Datenerfassung und -auswertung mit ROMA.- 11.3.1 Allgemeine Bemerkungen zum Programm.- 11.3.2 Dateioperationen.- 11.3.3 Das Arbeitsfeld.- 11.3.4 Die Datenerfassung.- 11.3.5 Eine alternative Möglichkeit zur Datenerfassung.- 11.4 Mögliche Aufgabenstellungen.- 11.4.1 Meßaufgaben zum klassischen Verhalten des Systems..- 11.4.2 Untersuchungen auf dem Weg zum chaotischen Verhalten.- 11.4.3 Das Chaotische Verhalten.- 11.5 Zusammenfassung.- 12. Der Chaosgenerator.- 12.1 Theoretische Hintergründe zum Chaosgenerator.- 12.1.1 Aufbau und mathematisches Modell.- 12.1.2 Numerische Betrachtungen.- 12.1.3 Aspekte von Simulation und Experiment.- 12.2 Das Programm CHAOSGEN.- 12.3 Aufgabenstellungen.- 12.3.1 Dimensionierung des Schaltkreises.- 12.3.2 Aufbau des Schaltkreises.- 12.3.3 Untersuchung des Generatorverhaltens bei hohen Rm..- 12.3.4 Bestimmung der Frequenz in Simulation und Experiment.- 12.3.5 Dynamik bei sinkendem Rm.- 12.3.6 Der Übergang zwischen harmonischer, quasiperiodi- scher und chaotischer Dynamik.- 12.3.7 Analyse des Bifurkationsverhaltens.- 12.3.8 Betrachtung von Hystereseeffekten.- 12.3.9 Frequenzanalyse.- 12.4 Zusammenfassung.- 13. Bildverarbeitung mit VIVIAN.- 13.1 Das Programm VIVIAN.- 13.1.1 Teehnische Details.- 13.1.2 Aufnahme eines Bildes.- 13.1.3 Bearbeitung der Bilder.- 13.2 Anwendungsbeispiele für das Programm.- 13.2.1 Bestimmung des Auflösungsvermogens.- 13.2.2 Modenprofil eines Laserstrahls.- 13.2.3 Versuche zur Beugung.- 13.2.4 Abbesche Mikroskoptheorie.- 13.2.5 Bestimmung des Randwinkels zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper.- 13.2.6 Vermessung mikroskopischer Strukturen.- 13.2.7 Weitere Anwendungsbeispiele für das Programm.- 13.3 Zusammenfassung.- 14. Verfolgung von Bewegungsabläufenmit CARMEN.- 14.1 Das Programm CARMEN.- 14.1.1 Hardwarevoraussetzungen.- 14.1.2 Funktionsweise.- 14.1.3 Programmbedienung.- 14.1.4 Weiterverarbeitung der Daten.- 14.2 Anwendungsbeispiele.- 14.2.1 Stoßversuche.- 14.2.2 Analogieexperimente auf dem Luftkissentisch.- 14.2.3 Mathematisches Doppelpendel.- 14.2.4 Faden-Federpendel.- 14.2.5 Untersuchung von Flugbahnen.- 14.2.6 Hüpfender Ball auf einer bewegten Membran.- 14.2.7 Pendelbewegungen bei großer Amplitude.- 14.2.8 Gegeneinander bewegte Koordinatensysteme.- 14.2.9 Projektarbeiten und fachübergreifende Themen.- 14.3 Zusammenfassung.- 15. Bemerkungen zu weiteren Einsatzmöglichkeiten des Computers in Praktika.- 15.1 Software zur Meßwerterfassung.- 15.1.1 Der Einsatz kommerzieller Software.- 15.1.2 Semikommerzielle Lösungen.- 15.1.3 Lokale Lösungen.- 15.1.4 Das Software Interface System SIS.- 15.2 Meßdatenauswertung mit dem Computer.- 15.2.1 Einsatz verschiedener Auswerteprogramme.- 15.2.2 Ausgleichsrechnungen.- 15.2.3 Beispiele zu Computerauswertungen.- 15.3 Programme zur Dokumentation der Ergebnisse.- 15.4 Die Simulation im Praktikum.- 15.4.1 Einsatzmöglichkeiten.- 15.4.2 Beispiele.- 15.5 Zusammenfassung.- III. Das Computerpraktikum Numerik und Interfacing.- 16. Das Computerpraktikum.- 16.1 Ziele des Praktikums.- 16.2 Ansätze anderer Universitäten.- 16.3 Das Konzept des Praktikums.- 16.3.1 Die Teile des Praktikums.- 16.4 Inhalte.- 16.4.1 Der Einführungsteil.- 16.4.2 Praktikumsteil „Numerik“.- 16.4.3 Praktikumsteil „interfacing“.- 16.4.4 Inhalte des „Interfacing-Teils“ des Praktikums.- 16.4.5 Das Projekt.- 16.5 Organisation des Praktikums.- 16.5.1 Rechnerarbeitsraum.- 16.5.2 Die Arbeitsgruppen.- 16.5.3 Finanzieller Rahmen.- 16.5.4 Betreuer.- 16.6 Erfahrungen und Aussichten.- Schlußwort.

Blurb

Im heutigen Berufsleben wird von einem Physiker oder Physiklehrer erwartet, daß er mit dem Computer umgehen kann. Dem muß die Ausbildung gerecht werden. Mit dem vorliegenden Buch beschreiben die Autoren sehr praxisorientiert, wie physikalische Experimente mit Hilfe des Computers verstärkt in Praktika ausgewertet werden können. Sie zeigen damit Möglichkeiten auf, Computer verstärkt in Praktika einzusetzen. Die ausführliche Beschreibung der einzelnen Experimente erlaubt es auch, einen Teil davon auf Schulniveau einzusetzen. Die Liste der vorgestellten PC-verknüpften Praktikumsversuche umfaßt klassische Versuche, die meßtechnisch modernisiert wurden (z.B. Dehnungsmeßstreifen); klassische Versuche, die effizienter auswertbar werden (Pohl'sches Drehpendel und nichtlineare Schwingung sowie Einschwingen); Versuche, die erst durch den Computer möglich werden, wie Rotierender Magnetischer Dipol. Darüberhinaus werden Programmwerkzeuge vorgestellt, die an mehreren Versuchen einsetzbar sind, wie CARMEN. Die didaktische Auseinandersetzung des Computereinsatzes in Praktika hat bewogen, die Lehr-/Lernziele neu zu überdenken. Außerdem wird ein Computerpraktikum im einzelnen vorgestellt, in dem angehende Physiker und Physiklehrer sowohl Numerik als auch Interfacing einüben sollen. Hans-Jörg Jodl war Leiter, Ulrich Diemer und Björn Baser Mitarbeiter des Modellversuchs "Entwicklung und Testeinsatz von Personalcomputern in Physikhochschulpraktika".