Physikpraktikum für Studierende der Biologie, (Bio-)Chemie und Lehramt Chemie

Ein Vergleich von Ergebnissen verschiedener Messungen oder die Beurteilung der Übereinstimmung von Theorie und Experiment sind ohne die Kenntnis der Messunsicherheit nicht möglich. In diesem Versuch lernen Sie daher das grundlegende Vorgehen bei der Fehleranalyse von Experimenten kennen und wenden die Konzepte der Fehlerrechnung auf einfache Experimente an. Dieser Versuch ist für Sie alle der erste und bildet die Grundlage für die Auswertung der folgenden Versuche.

Schwingungsfähige Systeme treten in sehr vielen physikalischen, technischen und natürlichen Systemen auf, beispielsweise bei der Schallübertragung in einem Medium, bei der Analyse chemischer Verbindungen anhand charakteristischer Schwingungen oder auch in den neuronalen Netzwerken des Gehirns.

Im Versuch gekoppelte Pendel betrachten Sie als einfaches mechanisches Modellsystem ein System aus zwei koppelbaren physikalischen Pendeln, um die Grundlagen gekoppelter schwingungsfähiger Systeme anschaulich nachvollziehen zu können.

Thermodynamische Prozesse spielen ebenfalls in sehr vielen synthetischen und natürlichen Systemen eine entscheidende Rolle, sei es bei temperaturabhängigen Phasenübergängen, chemischen Gleichgewichten oder diffusiven Prozessen. Bei der Entwicklung der klassischen Thermodynamik spielte insbesondere die Untersuchung von Gasen eine wichtige Rolle, die durch die so genannten Zustandsgrößen Volumen, Druck und Temperatur beschrieben werden können. Im Versuch Reales Gas untersuchen Sie beispielhaft das Verhalten des Gases Schwefelhexafluorid bei Kompression und Verflüssigung und lernen die Bedeutung der so genannten Dampfdruckkurve praktisch kennen

Die Moleküle in einer Flüssigkeit sind ungeordnet und können sich vergleichsweise leicht gegeneinander verschieben. Dabei treten Reibungskräfte auf, welche zur Geschwindigkeit der Verschiebung proportional sind. Die Reibung führt zur so genannten Zähigkeit oder Viskosität, eine für die jeweilige Flüssigkeit charakteristische Materialkonstante. Diese Viskosität spielt z.B. eine wichtige Rolle bei der Prozessierung von Lösungen synthetischer Polymere und Moleküle und natürlich bei der Strömung von Flüssigkeiten durch Röhrchen oder Kapillaren (oder auch beim Blutfluss in Adern). Im Versuch Viskosität verwenden Sie ein einfaches Viskosimeter nach Ostwald, um den Einfluss verschiedener Parameter, wie Kapillardurchmesser und Flüssigkeitstemperatur auf die Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu untersuchen.

Dieser Versuch thematisiert die Tatsache, dass es natürlich vorkommende radioaktive Elemente gibt und alle Organismen auf der Erde dadurch und aufgrund der kosmischen Hintergrundstrahlung stets einem gewissen Level radioaktiver Untergrundstrahlung ausgesetzt sind. Im Versuch Radioaktivität und Zählstatistik beschäftigen Sie sich daher schließlich grundlegend mit der Messung und Charakterisierung radioaktiver Strahlung und bestimmen selbst das Ausmaß der erwähnten Untergrundstrahlung.

Viele moderne Messmethoden basieren auf der Messung, Übertragung und Analyse elektrischer Größen wie Spannung, Stromstärke, Widerstand oder Leitfähigkeit und die entsprechenden Größen haben auch in natürlichen Systemen eine zentrale Bedeutung, beispielsweise bei der Signalübertragung in neuronalen Netzwerken oder bei der Messung von Redoxpotentialen chemischer Reaktionen

Im Versuch Messung elektrischer Größen lernen Sie daher zunächst die grundlegenden Konzepte zur Messung von Spannung, Stromstärke und Widerstand kennen und üben den richtigen Umgang mit den entsprechenden Messgeräten

Dieser Versuch baut zum Teil auf den im Versuch „Messung elektrischer Größen“ erlangten Kenntnissen auf. Im Versuch Strom-Spannungs-Kennlinien wenden Sie dann das erlangte Wissen exemplarisch zur Charakterisierung elektrischer Bauelemente wie Widerstände und Halbleiterdioden an. Liegt an einem dieser Bauteile nämlich eine Spannung an, so fließt abhängig von der angelegten Spannung ein bestimmter Strom durch das Bauteil. Dieser Zusammenhang wird als Strom-Spannungs-Kennlinie bezeichnet und ist charakteristisch für das jeweilige Bauteil. Ein wesentliches neues Element in diesem Versuch ist das Erlernen des Umgangs mit einem Oszilloskop, welches die Darstellung eines zeitlich veränderlichen Spannungsverlaufes ermöglicht und ein grundlegendes Messinstrument in jeder naturwissenschaftlichen Disziplin darstellt.

Im dritten und letzten Versuch zum Thema Elektrizitätslehre betrachten Sie schließlich wiederum mit dem Oszilloskop, wie sich die grundlegenden Bauelemente Widerstand, Spule und Kondensator beim Anlegen einer Wechselspannung verhalten. Spulen sind durch eine so genannte Induktivität gekennzeichnet, die ein Maß für die induzierte Gegenspannung bei zeitlicher Änderung des Stromflusses darstellt, und Kondensatoren durch eine gewisse Kapazität zum Speichern von elektrischer Ladung. Solche Induktivitäten und Kapazitäten spielen insbesondere bei der Übertragung elektrischer Signale eine entscheidende Rolle und viele physikalische oder natürliche Systeme zeigen beim Anlegen einer zeitlich veränderlichen Spannung ein mehr oder weniger komplexes Verhalten, welches sich durch einen so genannte komplexen Widerstand charakterisieren lässt.

Eine weitere wichtige Methode zur Analyse und Charakterisierung von chemischen oder biologischen Systemen ist insbesondere die Spektroskopie. Anhand von Absorption- oder Emissionsspektren lassen sich beispielsweise die optischen Eigenschaften und die elektronische Struktur eines synthetischen oder natürlichen Moleküls untersuchen. Mit anderen Formen der Spektroskopie wie NMR oder Massenspektroskopie lassen sich aber beispielsweise auch die Strukturen solcher Moleküle untersuchen. Im vorliegenden Praktikum beschränken wir uns aber auf die optische Spektroskopie.

Im Versuch Beugung an Spalt und Gitter lernen Sie die grundlegenden Prinzipien der spektralen Aufspaltung von Licht kennen, die so essentiell für die Anwendung spektroskopischer Methoden ist. Als häufigstes dispergierendes, also aufspaltendes optisches Element wird in Spektrometern ein so genanntes optisches Gitter verwendet. In diesem Versuch untersuchen sie die Funktionsweise und die Eigenschaften eines solchen optischen Gitters und setzen sich anschaulich mit den Begriffen Beugung und Interferenz auseinander.

Optische Gitter werden in Form von Strichgittern oder holographischen Gittern sehr häufig als dispergierendes Element in Spektrometern eingesetzt. Im Versuch Spektralphotometer lernen Sie die grundlegende Bedienung eines Spektrometers kennen und studieren die Grundlagen der Emissions- und Transmissionsspektroskopie anhand einfacher Beispiele.

Lichtstreuung ist eine häufig verwendete Methode zur Charakterisierung von Makromolekülen. Sie ermöglicht beispielsweise die Messung der Molekulargewichtsverteilung von Polymeren und kann auch Informationen über Form und Größe der Moleküle geben. Darüber hinaus gibt es in der Natur Wesen (bspw. Bienen oder Heuschrecken), die die Polarisationsrichtung des Sonnenlichtes wahrnehmen und sich daran orientieren können. Ursache der Polarisation des Sonnenlichtes ist dessen Streuung an den Molekülen der Luft. Darüber hinaus wird Licht bei der schrägen Reflexion an Grenzflächen je nach Einfallswinkel (teilweise) polarisiert.

Mit Hilfe der Fresnel´schen Formeln lassen sich die Anteile des reflektierten bzw. transmittierten Lichtes beim Durchgang durch eine Grenzfläche in Abhängigkeit vom Einfallswinkel und der Polarisation des Lichtes beschreiben. Damit lassen sich z.B. auch Reflexionsverluste in optischen Systemen berechnen.

In diesem Versuch untersuchen sie selbst anhand eines Modellsystems die Abhängigkeit der Intensität und Polarisation des gestreuten Lichtes vom Einstrahlwinkel auf eine Probe und von der Größe der untersuchten Partikel.

Optische Abbildungen haben zahlreiche technische und wissenschaftliche Anwendungen, die es uns beispielsweise ermöglichen, mittels Lithographie in der Chipherstellung kleinste Strukturen zu erzeugen, mit Teleskopen weit entfernte Objekte wie Planeten oder Sterne zu beobachten oder auch winzige Objekte mit Hilfe von Mikroskopen zu studieren. Im Allgemeinen wird dabei durch ein so genanntes optisches System – beispielsweise eine Kombination von Linsen und/oder Spiegeln – Licht, welches von einem Punkt eines Gegenstandes ausgeht in einem Bildpunkt vereinigt. Durch die Abbildung vieler Gegenstandspunkte entsteht so ein vergrößertes oder verkleinertes Bild des Gegenstandes, welches dann z.B. mit dem Auge oder einem Detektor betrachtet werden kann.

Im Versuch Optische Instrumente beschäftigen Sie sich zunächst mit den Grundlagen einer optischen Abbildung durch Linsen und einfache Linsensysteme und veranschaulichen sich einige der möglichen Abbildungsfehler wie die sphärische oder chromatische Aberration. Als Beispiel für die Anwendung optischer Abbildungen in einem optischen Instrument werden Sie sich schließlich mit dem Aufbau, der Vergrößerung und dem Auflösungsvermögen eines Mikroskops beschäftigen. Dieses stellt insbesondere im Fachbereich der Biologie ein unverzichtbares Instrument dar, um kleine Strukturen mit dem Auge betrachten und analysieren zu können.

Dieser Versuch thematisiert einen weiteren wichtigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der für das Leben auf der Erde z.B. im Rahmen des Treibhauseffekts eine wesentliche Rolle spielt, denjenigen des fernen IR und der Wärmestrahlung. In diesem Zusammenhang spielt natürlich auch der thermodynamische Aspekt der Wärmeleitung von Körpern eine wichtige Rolle. Bei vielen chemischen Prozessen im Labor, aber auch in der Natur spielt die Energiezufuhr oder Freisetzung in Form von Wärme eine wichtige Rolle, sei es bei der Synthese von Molekülen oder beim Stoffwechsel in Organismen (Thermogenese). Wärme wird dabei nicht nur bei direktem Kontakt zweier Körper übertragen, sondern bekanntermaßen eben auch durch elektromagnetische Strahlung. Im Versuch Wärmeleitung und Wärmestrahlung ermitteln Sie exemplarisch die Wärmeabstrahlung eines Körpers sowie die IR-Durchlässigkeit verschiedener Stoffe und charakterisieren schließlich die Strahlung eines so genannten Schwarzkörperstrahlers.