Mechanik experimentell

22. Österreichische Physikolympiade Bernd Stremitzer
Seminar für Kursleiter
Mariazell, November 2002
MUSTERBEISPIEL 1
MECHANIK EXPERIMENTELL
1. Die Kartoffel-Kanone
Ziele: Anwenden der Bewegungsgesetze für beschleunigte Bewegungen.
Ein Plastikrohr wird im hinteren breiteren Teil mit etwas Haarspray gefüllt und wieder verschlossen. In der vorderen Öffnung wird eine passende Kartoffel eingeschoben. Sodann wird elektrisch gezündet.
Diskutiere alle Größen, die man bei diesem Vorgang bestimmen kann.
Führe die dazu nötigen Messungen durch und bestimme diese Größen.
Geräte:
Plastikkanone, Haarspray, Kartoffeln, Stoppuhr, Maßstab, Waage.
Hinweise:
Versuch nur im Freien durchführen!
Nicht auf Personen zielen.
Es wird empfohlen, die Kanone aus Sicherheitsgründen nur senkrecht abzuschießen.
Die Brennkammer sollte etwa zur Hälfte mit dem Haarspray gefüllt sein.
22. Österreichische Physikolympiade Bernd Stremitzer
Seminar für Kursleiter
Mariazell, November 2002
MUSTERBEISPIEL 2
ELEKTRIZITÄT EXPERIMENTELL 2. Die Thermospannung.
Ziele: Erkennen von grafischen Zusammenhängen, Eigenschaften des Elektronengases, Fehlerquellen beim Experimentieren, gleichzeitiger Bestimmung zweier Größen.
Es sollen verschiedene Thermospannungen von verschiedenen Thermoelementen untersucht werden. Dabei soll eine Kontaktstelle immer auf 0°C gehalten werden.
Beschreibe und begründe den verwendeten Aufbau.
2.2 Miss die Thermospannung für das Element Konstantan – Eisen – Konstantan mit einer Messreihe von 0°C bis 100°C . Zeichne die Grafik .
2.3 Bestimme qualitativ die Position der 3 Metalle Kupfer – Eisen – Konstantan in der thermoelektrischen Spannungsreihe.
2.4 Der Zusammenhang zwischen Thermospannung („integrale Thermokraft“) und Temperatur ist kompliziert und bei verschiedenen Metallkombinationen oft sehr abweichend. Aber für kleinere Temperaturintervalle findet man eines Zusammenhang in Form einer Reihenentwicklung:
Das letzte Glied kann meistens bereits weggelassen werden. Die Größen a und b sind für jede Metallkombination typisch.
Bestimme die Werte a und b für alle 3 Thermoelemente.
2.5 Bestimme die „differentielle Thermokraft“ . Die eine Messtemperatur wird dabei mit festgelegt.
Stelle dieses Thermoelement her:
Eisen(geglüht) – Eisen(normal) – Eisen(geglüht).
Untersuche, ob eine Thermospannung auftritt.
Untersuche, ob bei nur einer Kontaktstelle zwischen den zwei Metallen bereits eine Thermospannung auftritt.
Geräte: Gasbrenner, Wasser, Eiswürfel, 2 Bechergläser, 2 Thermometer, Stativmaterial, Rohrhalter, Multimeter, Styroporplatte, Asbestgitter, 3 Thermoelemente:
Konstantan – Eisen – Konstantan, Kupfer – Konstantan – Kupfer, Kupfer – Eisen – Kupfer.
Hinweise:
Fülle die Bechergläser mit etwa 150ml Wasser bzw. Eis
Das Becherglas auf dem Asbestnetz ist zu sichern.
Beachte die Sicherheitsbestimmungen beim Umgang mit Gas, Feuer, Hitze.
22. Österreichische Physikolympiade Bernd Stremitzer
Seminar für Kursleiter
Mariazell, November 2002
MUSTERBEISPIEL 3
ELEKTROMAGNETISMUS EXPERIMENTELL
3. DER HALL - EFFEKT.
Ziele: Anwenden der Lorentzkraft, Leitung in dotierten Halbleitern
E. H. Hall hat 1879 folgendes Phänomen entdeckt:
Schickt man Strom durch einen dünnen Leiter mit rechteckigem Querschnitt und legt man zu beiden Seiten dieses Leiters in gleichen Abständen von den Zuleitungen Kontakte, so existiert zwischen diesen Kontakten natürlich keine Spannung. Legt man den Leiter in ein Magnetfeld, das senkrecht zur Oberfläche des Leiters gerichtet ist, so misst man an den Kontaktpunkten die sogenannte Hall-Spannung. Wir verwenden zur Untersuchung dieser Spannung ein Silizium-Halbleiterplättchen, das durch kurzzeitiges Bedampfen mit Fremdatomen dotiert wurde. Dadurch wurde die Leitfähigkeit erhöht.
3.1 Gib den Schaltplan und die Lage des Magnetfeldes an.
3.2 Erkläre das etwaige Vorhandensein einer Querspannung auch ohne Magnetfeld.
3.3 Verbessere den prinzipiellen Aufbau von 4.1. , so dass die Querspannung
unterdrückt werden kann. Zeichne und verwende diesen verbesserten Schaltplan.
3.4 Untersuche, an welchen Stellen des U-Magneten besonders große Hall-
Spannungen auftreten. Gib die maximale Spannung UH an.
3.5 Stelle mit Hilfe der Hall-Spannung die Art der Dotierung des Halbleiters fest.
3.6 Bestimme den Dotierungsgrad n des Halbleiterplättchens. Darunter versteht man die Zahl der Ladungsträger pro cm3 . Die Dicke des Plättchens ist d=0,6mm . Die maximale Flussdichte des U-Magneten beträgt B=80mT±5%
3.7 Gib eine Abschätzung der systematischen Fehler.
Hinweise:
Verwende stabilisierten Gleichstrom.
Der sogenannte Steuerstrom durch das Halbleiterplättchen darf maximal 5mA betragen! Der Steuerstrom kann wegen der Erwärmung des Plättchens bei längeren Messungen ansteigen.
Vermeide die Berührung des Halbleiterplättchens mit den Fingern.
Achte auf gute Kontakte.
Es wird an der Unterseite des Unterlagsplättchens gemessen. Die Oberseite darf mit keinen Gegenständen in Berührung kommen.
Geräte:
Netzgerät Potentiometer Kabel U-Magnet
2 Multimeter Krokoklemmen Halbleiterplättchen mit 4 Kontakten
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