Uni Fakultäten Fk. V Physik Didaktik/Geschichte   

Praktikum Atomphysik und Thermodynamik für Studierende des Lehramtes Physik an Grund-, Haupt- und Realschulen

Versuchsthema: Einführung in die kinetische Wärmetheorie

Die kinetische Wärmetheorie wird hier nur mit Hilfe eines Modells und einiger Computersimulationen "experimentell" untersucht. Im Rahmen der Auswertung dieser "Versuche" soll vor allem diskutiert werden, welche Form der Präsentation der Thematik für den Schulunterricht geeignet scheint. Im Unterschied zu den sonstigen Versuchen ist in diesem Fall der Modellapparat zur kinetischen Theorie schon (teilweise) aufgebaut, vor allem ist der Laser schon justiert.

Versuchsbeschreibungen

1. Zur Statistik von Teilchenzahlen in einem Volumenelement

Grundlagen
Mit Hilfe einer oszillierenden Bodenplatte (Frequenz 3000 1/min, stroboskopisch unter Verwendung eines Oszilloskopes überprüfen) werden 400 Metallkugeln in den Behälter zur Simulation eines Gases gegeben.

In einem ersten Versuch wird mit Hilfe des Lasers (abgeschwächt durch einen Graufilter) und einer Fotodiode die Anzahl der Teilchen in einem ausgewählten Volumenelement untersucht. Am Fotoverschluss wird eine Belichtungszeit von 0,5s eingestellt und durch Auslösen die Anzahl n der Teilchen gemessen (mittels Impulszähler), die durch das Lichtbündel fliegen. Damit eine statistische Auswertung möglich wird, werden mindestens 15 bis 20 Messungen durchgeführt. Es sollen die relativen Häufigkeiten und der Mittelwert berechnet werden und mit der theoretischen Poisson- bzw. Gauß-Verteilung verglichen.
Da die Kugeln auch der Schwerkraft unterliegen, kann in einem weiteren Versuch, die Veränderung der Teilchenanzahl in einem Volumenelement mit der Höhe gemessen werden. Als Belichtungszeit wird hierfür 1s empfohlen. Es sind wiederum möglichst viele Messungen aufzu-nehmen, damit eine statistische Auswertung möglich wird. Das Ergebnis ist mit der barometrischen Höhenformel zu vergleichen (siehe z.B. Gerthsen S. 224).

Geräte
Modellapparat zur kinetischen Gastheorie mit Zubehör

Hinweise
- Den Stelltrafo an einem eigenen Netzschalter anschließen!
- Einen Graufilter zur Abschwächung des Lasers verwenden, um eine Überlastung der Fotodiode zu vermeiden.
- In der ersten Versuchsreihe ist der Deckel des Gerätes in ca. 6cm Höhe zu arretieren, bei der Messung der Höhenabhängigkeit auf maximaler Höhe.
- Die Angaben auf dem Fotoverschluß stimmen nicht, die genauen Zeiten werden durch die BetreuerIn angegeben.

2. Zur Maxwell'schen Geschwindigkeitsverteilung

Grundlagen
Es wird wieder der oben beschriebene Modellapparat verwendet. Es wird eine Auffang- sowie eine Registrierkammer angebracht, so dass Geschwindigkeit der Kugeln in x-Richtung anhand ihrer Flugweite bestimmt werden kann. 400 Glaskugeln werden in das Gerät eingefüllt. Da die Anzahl der Kugeln im Gefäß während der Versuchsdauer abnimmt, müssen weitere acht Reagenzgläser mit je 80 Kugeln zum Wiederauffüllen bereit gestellt werden. Eine Messung beginnt mit Öffnen des Sperrriegels und soll 2min andauern. Dabei sind möglichst gleichmäßig pro Minute 80 Kugeln nachzufüllen. Es sind insgesamt vier solcher Messreihen aufeinanderfolgend durchzuführen. Welche Konsequenz hat die Erhöhung der Oszillatorfrequenz?

Geräte
Siehe Versuch 1, Uhr

Hinweise
- Während des Versuches ist auf eine exakte Ausrichtung der Apparatur zu achten.
- Der Deckel des Gerätes ist in ca. 6cm Höhe zu arretieren.

3. Computersimulationen

Grundlagen
Um möglichst rasch auf Neu-Entwicklungen reagieren zu können, werden die zu analysierenden Computersimulationen/-modelle erst zu Beginn des Praktikumstermins bekannt gegeben. Themen werden sein: Kinetische Theorie für das Ideale Gas und Berechnung der Entropie als Maß der Wahrscheinlichkeit. Nachfolgend findet ihr zu diesen Themen bereits einige Java-Applets:

Die allgemeine Gasgleichung

Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung

Maxwellian Velocity Distribution