Experimente
Themenkreise
Themenkreise
Die Experimente, die Schülerinnen und Schüler im HaSP durchführen können, lassen sich grob drei Themenkreisen zuordnen: Nano - mikro - makro, Naturkonstanten und Photonik/Solartechnik.
Neben Versuchen aus diesen drei Themenkreisen können auch Experimente durchgeführt werden, welche sich nicht direkt in die oben genannten Kategorien einordnen lassen. Beispiele sind der Quantenradierer und der Knallertest, die grundlegende Fragen der Quantenphysik beleuchten
Versuche
Falls Sie Versuche im HaSP durchführen möchten, stöbern Sie bitte erstmal in den Versuchsbeschreibungen und in den Versuchsanleitungen (pdf).
Bei der Anmeldung nennen Sie uns bitte Ihre Wunschversuche oder Ihren Wunschthemenkreis.
Jedes Experiment steht einmal zur Verfügung.
Die Experimente lassen sich am besten in kleinen Teams durchführen, also zu zweit oder zu dritt. Vielleicht finden Sie MitstreiterInnen für Ihr Praktikum.
Rastertunnelmikroskop
V1 - Untersuchung von Oberflächen mit atomarer Auflösung mit dem Rastertunnelmikroskop
Mit dem Rastertunnelmikroskop lassen sich einzelne Atome von Festkörperoberflächen abbilden. Dabei wird der quantentheoretische Tunneleffekt genutzt. In diesem Versuch werden Graphen- und Goldoberflächen untersucht.
Themenkreis: Nano-mikro-makro.
Versuchsanleitung
Versuchsanleitung V1.pdf
(5,5 MB) vom 26.10.2018
Röntgenstrahlbeugung
V2 - Bestimmung von Kristallstrukturen mittels Röntgenstrahlbeugung
Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit sehr hoher Energie und kleiner Wellenlänge. Deshalb lässt sich mit ihnen der Aufbau von Kristallgittern (regelmäßigen Anordnungen von Atomen) genau untersuchen.
Themenkreis: Nano-mikro-makro.
Versuchsanleitung
v2-klein.pdf
(662,7 KB) vom 18.09.2017
Optische Pinzette
V5 - Mikroteilchen mit Licht einfangen - die Optische Pinzette
Mikroskopisch kleine Teilchen können bequem unter einem Mikroskop sichtbar gemacht werden. Diese Teilchen lassen sich außerdem mit einer Optischen Pinzette "einfangen". Eine Optische Pinzette ist ein fokussierter Laserstrahl, mit dem die mikrometergroßen Teilchen wechselwirken. Diese können somit gefangen und sogar bewegt werden.
Themenkreis: Nano-mikro-makro.
Video - Optische Pinzette. Ein Mikrokugel (durch den Kreis markiert) ist im Laserstrahl gefangen. Die Probe wird unter dem Laserstrahl bewegt (nicht gefangene Kügelchen bewegen sich), die gefangene Kugel bleibt jedoch am Ort des Laserstrahls.
HaSP - Optische Pinzette.mp4
(7,9 MB) vom 02.12.2019
Versuchsanleitung
V5_Optische_Pinzette.pdf
(706,7 KB) vom 15.06.2022
Quantenradierer
V6 - Einblicke in die mysteriöse Welt der Quanten - der Quantenradierer
In der Welt des sehr Kleinen, also in der Quantenwelt, verhalten sich physikalische Objekte anders, als wir es gewohnt sind. Manchmal agieren sie wie Teilchen, manchmal wie Wellen: mysteriös!
In ersten Teil dieses Versuchs bauen wir ein legendäres Quantenexperiment nach, nämlich das Doppelspaltexperiment mit Elektronen, welche ein Interferenzmuster (eine typische Welleneigenschaft) aufzeigen. Hier verwenden wir allerdings polarisierte Laserstrahlen in einem Mach-Zehnder-Interferometer und lernen, wie man Quanteninformationen löschen, also ausradieren, kann.
Im zweiten Teil dieses Versuchs (Quantenradierer selbst gemacht) bauen wir einen Quantenradierer mit Mitteln, wie sie im Haushalt vorhanden sind.
Themenkreis: Nano-mikro-makro.
Versuchsanleitung V6 Quantenradierer
V6_Quantenradierer___fertig__berarbeitet.pdf
(10,5 MB) vom 15.06.2022
Versuchsanleitung V6 Quantenradierer selbst gemacht
Versuchsanleitung.pdf
(10,1 MB) vom 04.02.2019
Fotoeffekt
V7- Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums mit dem Fotoeffekt
Der Fotoeffekt bildet eine Grundlage der Quantentheorie. Bestrahlt man eine geladene Metallplatte mit Licht, so können Elektronen herausgelöst werden. Die kinetische Energie dieser herausgelösten Elektronen hängt nicht von der Intensität, sondern lediglich von der Frequenz des Lichtes ab. Kennen wir die Energie der herausgelösten Elektronen und die Frequenz des Lichts, lässt sich mit Hilfe der Einstein-Formel (Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz des Lichts) das Planck'sche Wirkungsquantum bestimmen. Diese Größe ist für die Quantentheorie sehr wichtig.
Für die theoretische Erklärung des Fotoeffekts erhielt Albert Einstein im Jahr 1921 den Nobelpreis für Physik.
Themenkreis: Nano-nikro-makro, Naturkonstanten.
Versuchsanleitung
V7__Der_Fotoeffekt.pdf
(1,2 MB) vom 15.06.2022
Fadenstrahlrohr
V9 - Bestimmung von e/m mit dem Fadenstrahlrohr
Ein Elektronenstrahl wird in einem homogenen Magnetfeld, aufgrund der Lorentz-Kraft, auf eine Kreisbahn gelenkt. Je nach Stärke des Magnetfeldes variiert der Radius dieser Bahn.
Mit Fadenstrahlrohr bestimmen wir das fundamentale Verhältnis von Elektronenladung e zur Elektronenmasse m.
Themenkreis: Naturkonstanten.
Versuchsanleitung
V9__Fadenstrahlrohr.pdf
(3,9 MB) vom 15.06.2022
Millikan-Versuch
V10 - Bestimmung der Elektronenladung - der Millikan-Versuch
Mit einem Zerstäuber werden feinste Öltröpfchen in einen Plattenkondensator eingebracht. Aufgrund der Luftreibung sind diese bereits geladen. Mit Hilfe des elektrischen Feldes im Plattenkondensator versucht man, die Gravitationskraft und die elektrische Kraftwirkung auf das geladene Öltröpfchen auszugleichen und damit die Elementarladung e zu bestimmen.
Für dieses Experiment erhielt Robert Andrews Millikan im Jahr 1923 den Nobelpreis für Physik.
Themenkreis: Naturkonstanten.
Versuchsanleitung
v10-klein.pdf
(539,9 KB) vom 18.09.2017
Lichtgeschwindigkeit
V11 - Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit
Licht ist eine elektromagnetische Welle. Reflektiert man einen Laserstrahl an einem Spiegel, so entsteht eine Phasenverschiebung, aus der sich die Lichtgeschwindigkeit bestimmen lässt.
Alternativ könenn sich die Schüler überlegen, wie man mit Hilfe einem Mikrowellenofen und einer Tafel Schokolade ebenfalls einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit erhält.
Themenkreis: Naturkonstanten, Photonik.
Versuchsanleitung
v11-klein.pdf
(387,6 KB) vom 18.09.2017
Spektralfotometer
V16 - Bestimmung von Absorptionskurven mit den Spektralfotometer
Chlorophylle sind bekannt als grüner Pflanzenfarbstoff. Mit Hilfe eines Spektralfotometers wird die Absorptionskurve einer alkoholischen Chlorophyllprobe bestimmt. Aus dieser Absorptionskurve wird im Anschluss das Verhältnis von Chlorophyll a und Chlorophyl b ermittelt.
Themenkreis: Photonik.
Versuchsanleitung
V16__Spektralphotometer.pdf
(5,7 MB) vom 15.06.2022
Magnetisches Fallrohr
V17 - Bestimmung der Fallbeschleunigung mit dem magnetischen Fallrohr
Durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld wird in einer Spule eine elektrische Spannung induziert. Diese Induktion wird genutzt, um die Fallbeschleunigung g zu messen. Dazu lassen wir Dauermagneten frei durch eine Reihe von Spulen fallen. Aus der Analyse der Durchgänge wird die Fallbeschleunigung g ermittelt.
Mit diesem Versuch werden Gesetze der Mechanik sowie der Elektrodynamik gleichermaßen erlernt.
Themenkreis: Naturkonstanten.
Versuchsanleitung
v17-klein.pdf
(467,4 KB) vom 18.09.2017
Optische Grundgesetze
V18 - Optische Grundgesetze
Die geometrische Optik befasst sich mit den Phänomen der Lichtausbreitung in Medien; die Ausbreitung wird durch Lichtstrahlen beschrieben (im Gegensatz zur Beschreibung mittels Lichtwellen). In diesen Versuchen studieren wir Lichtreflexion, Lichtbrechung und Totalreflexion.
Themenkreis: Photonik.
Versuchsanleitung
v18-klein.pdf
(631,5 KB) vom 18.09.2017
Röntgendiffraktometer
V19 - Bestimmung von Koeffizienten der Röntgenabsorption
Röntgenstrahlung kann Materie durchdringen, wird jedoch dabei je nach Stoffart unterschiedlich stark geschwächt. Damit lassen sich Einblicke in das Innere des menschlichen Körpers gewinnen (Röntgenbild). Diese Eigenschaft wurde bereits wenige Wochen nach der Strahlung selbst entdeckt und führte zu wesentlichen Anwendungen in der medizinischen Diagnostik.
In diesem Versuch werden die Abschwächungen von Röntgenstrahlung (Absorptionskoeffizienten) in verschiedenen Stoffen bestimmt.
Themenkreis: Nano-mikro-makro.
Versuchsanleitung
v19-klein.pdf
(448,3 KB) vom 18.09.2017
Elektrokardiogramm
V20 - EKG und EMG
Die rhythmische Kontraktion des Herzmuskels wird durch eine elektrische Erregung der Herzzellen verursacht, die am Sinusknoten beginnt und sich in charakteristischer Weise über das gesamte Herz ausbreitet. Die Aktionspotentiale aller Zellen ergeben ein dreidimensionales elektrisches Dipolfeld des Herzens. Dieses Feld breitet sich auch im gesamten Organismus aus, wobei es durch den elektrischen Widerstand geschwächt wird. Auf der Hautoberfläche können deshalb die elektrischen Vorgänge bei der Reizausbreitung im Herzen gemessen werden.
In diesem Versuch werden Elektrokardiogramme (EKG) und Elektromyogramme (EMG) aufgenommen und ausgewertet.
Themenkreis: -.
Versuchsanleitung
V20_EKG_EMG.pdf
(3,5 MB) vom 15.06.2022
Reversionspendel
V21 - Bestimmung der Fallbeschleunigung mit dem Reversionspendel
Die Fallbeschleunigung wird oft anhand mathematischer Pendel diskutiert, jedoch mit physikalischen Pendeln (Beispiel: Fadenpendel) gemessen. Dadurch weichen notgedrungen Messergebnisse von realen Experimenten von den Modellresultaten ab. Das Reversionspendel eliminiert nun einige dieser Abweichungen und erlaubt somit eine genaue Bestimmung der Fallbeschleunigung g.
Themenkreis: Naturkonstanten.
Versuchsanleitung
v21-a5-klein.pdf
(110,3 KB) vom 25.09.2017
Aufbau des Versuchs Thermoelektrik
V22 - Thermoelektrik
Die Thermoelektrik widmet sich der Frage, wie man Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln kann. In diesem Versuch werden zwei grundlegende Effekte der Thermoelektrik untersucht: der Seebeck- und der Peltier-Effekt. Neben der Bestimmung des Seebeck- und des Peltier-Koeffizienten werden unter anderem die Güte der Peltier-Wärmepumpe sowie Einflüsse der Umgebung quantitativ ermittelt.
Themenkreis: -
Versuchsanleitung
Versuchsanleitung.pdf
(3,6 MB) vom 10.07.2018
Aufbau des Versuchs Bestimmung des Leitwertquantums
V24 - Bestimmung des Leitwertquantums
Der Quanten-Hall-Effekt zeigt, dass elektrische Widerstände ganzzahlige Teile einer Größe sind, die durch das Planck'sche Wirkungsquantum und die Elementarladung definiert ist (Nobelpreis für Klaus von Klitzing im Jahr 1985). Diese Quantisierung des Widerstands oder seines Kehrwerts - dem Leitwert - lässt sich mit einfachen Nanokontakten direkt nachweisen.
Im Versuch V24 Bestimmung des Leitwertquantums bilden Golddrähte kurzzeitig Kontakte mit Dicken im Bereich von Nanometern. Der quantisierte Leitwert dieser Kontakte lässt sich, etwas Geschick vorausgesetzt, mit einem Oszillographen "festhalten". Die Sprünge im Messsignal machen somit Quanteneffekte direkt sichtbar.
V24 - Leitwertsquantum.pdf
(260,1 KB) vom 04.02.2020
Aufbau des Versuchs V25 - Wärmetransport. Das Wärmebild (links) zeigt die
Temperaturverteilung in einem Wärmeleiter (rechts).
V25 - Wärmetransport
Habt ihr euch gefragt, wie ein Heizkörper die Raumtemperatur erhöht, warum ein Holzlöffel beim Umrühren von kochendem Nudelwasser nicht so heiß wird wie ein Metalllöffel, und warum eine gewisse Zeit vergeht, bis man sich an einem heißen Topf die Finger verbrennt?
Im Versuch V25 - Wärmetransport erlernt ihr die Grundlagen der Wärmeleitung und könnt somit Antworten auf die oben aufgeworfenen Fragen geben. Neben dem Experimentieren führt ihr Simulationen durch und schnuppert in die Programmierung mit Python hinein.
V25_W_rmetransport.pdf
(9,7 MB) vom 15.06.2022
Chaotische Lissajous-Figur
V26 - Von der Ordnung zum Chaos
In diesem Experiment werden verschiedene Wege von geordneter zu chaotischer Bewegung untersucht. Ihr wandelt auf den Spuren von Mitchell J. Feigenbaum und Edward N. Lorenz, lernt Periodenverdopplung kennen, die Geheimnisse magnetischer Pendel und chaotische Schwingkrreise erwarten euch. Dazu führt ihr Computerexperimente und physikalische Experimente durch.
V26 - Von der Ordnung zum Chaos
V26 Anleitung.pdf
(19,8 MB) vom 23.02.2022
V27 - Knallertest
Wie kann man feststellen, ob ein Knaller scharf oder ein Blindgänger ist, ohne mit ihm wechselzuwirken? Dieses Problem lässt sich mit klassischer Physik nicht lösen, sondern nur mit Quantenphysik. In diesem Experiment stellen wir ein Gedankenexperiment von Avshalom Elitzur und Lev Vaidman nach: eine wechselwirkungsfreie Messung. Mit anderen Worten: ihr lernt die verblüffende Welt der Quanten kennen, stößt an die Grenzen von (klassischen) Erklärungen und lernt nebenbei viel über Optik.
Ist der Knaller (B) scharf oder ein Blindgänger? Um diese Frage zu beantworten, benötigt man einen Laser, ein Interferometer, Photodetektoren und eine gehörige Portion Geschick.
V27 - Knallertest
V27_Knallertest.pdf
(9,3 MB) vom 15.06.2022
Der Leidenfrost-Effekt: ein Wassertropfen schwebt über einer heißen Herdplatte.
V28 - Videoanalyse des Leidenfrost-Effekts
Warum schweben Wassertropfen so erstaunlich lang über einer heißen Herdplatte? Dem "Geheimnis" dieses Effekts - des Leidenfrost-Effekts - geht ihr in diesem Experiment auf den Grund. Dazu wird die Wärmeleitfähigkeit des Dampfes zwischen Wassertropfen und Herdplatte mittels Videoanalyse bestimmt. So lernt ihr nebenbei das Handwerkszeug von Physiker:innen kennen: Auswertung mit dem Computer und Diskussion der Resultate.
V28 - Videoanalyse des Leidenfrost-Effekts
V28_Leidenfrost_Effekt_.pdf
(2,1 MB) vom 15.06.2022