Das Praktikum — Teil 1
Wie im letzten Artikel erwähnt, soll es heute und im nächsten Artikel um das Anfängerpraktikum der Experimentalphysik gehen. Das A-Praktikum ist für den Bachelor-Abschluss Pflicht und besteht aus vier Versuchs-Blöcken, Mechanik und Wärme, Elektrizität und Magnetismus, Optik und Wellenlehre, Quantenphysik (Atom- und Molekülphysik), mit aktuell insgesamt 25 Versuchen. Bei Interesse an den Versuchen könnt Ihr Euch die beiden Handbücher zu den jeweils verschiedenen Blöcken anschauen (PDF-download).
Bevor im Labor experimentiert werden darf, wird in “Grundlagen des Experimentierens” (GDE) das grundsätzliche wissenschaftliche Arbeiten geübt. Die GDE ist sozusagen die Vorbereitung auf die Praktikums-Versuche der einzelnen Themenblöcke und ist deshalb jedes Semester inhaltlich unterschiedlich. Im ersten Semester habe ich hauptsächlich gelernt, mit LaTeX und Gnuplot umzugehen sowie grundsätzliches wissenschaftliches Arbeiten gelernt. Was ich richtig cool finde: im zweiten Semester habe ich im in GDE Löten und den Umgang mit Messgeräten wie dem Oszilloskop gelernt. Obwohl das Löten in keinem Versuch benötigt wird, ist es dennoch interessant, den Umgang mit dem Lötkolben zu lernen.
Nach der Einführung folgt die Experimentierphase. Das Experimentieren erfolgt in Gruppen, die von Studenten höherer Semester betreut werden und in die man sich vor Beginn via ecampus einwählen kann. In diesen Gruppen finden sich 2er oder 3er Gruppen zusammen, die für das gesamte Semester zusammen experimentieren.
Im ersten Semester habe ich alle zwei Wochen einen Versuch durchgeführt. Innerhalb der Folgewoche musste ich dann mit meiner Praktikumspartnerin ein Protokoll anfertigen und unserem Betreuer zur Korrektur geben. Da nur eine begrenzte Anzahl der einzelnen Versuche zur Verfügung stehen, können nicht alle Studierenden der Physik die Versuche gleichzeitig in chronologischer Reihenfolge bearbeiten. Vor dem Semester werden die Versuchsgruppen eingeteilt und so kommt es, dass ich z.B. Versuch 8 “Dampfdruck von Wasser” vor Versuch 1 “Der pohl’sche Resonator” bearbeitet habe. Ich finde es ein bisschen schade, da ich dann im Praktikum Versuche zu einer Thematik durchführe, die noch nicht in der Vorlesung besprochen worden ist und die Theorie noch nicht so richtig zu dem passt, was ich bereits gelernt habe. Allerdings lässt sich das nicht verhindern, weshalb es nicht so schlimm ist. Um besser zu verstehen, was ich meine, schaut Euch dieses Bild zur Aufteilung der Gruppen im 2. Semester zu den Versuchen 6–11 an.
Eine Versuch gliedert sich generell in drei Hauptpunkte: Die Versuchsdurchführung, die Versuchsauswertung und das Versuchsprotokoll.
Eigentlich fange ich immer damit an, mich auf den Versuch vorzubereiten. Das passiert meistens so, dass ich das Kapitel zum Versuch im Praktikums-Handbuch nachlese. Es kommt aber auch vor, dass ich mich, wie ich zu meiner eigenen Schande gestehen muss, gar nicht vorbereite und darauf hoffe, dass ich im Theorievortrag alles Wichtige mitbekomme. Denn wenn alle Praktikanten im Praktikumsraum versammelt sind, hält eine 2er-Gruppe einen ca. zehn minütigen Theorievortrag, der grundlegend die wichtigsten Formeln, Hintergründe und die Durchführung des Versuches erläutert. Nachdem alle Unklarheiten beseitigt sind, gibt der Betreuer meistens noch einige wichtige Tipps und dann wird der Versuch aufgebaut.
Der Versuchsaufbau unterschiedet sich von Versuch zu Versuch. Es gibt Versuche bei denen ich Schaltpläne aufbauen muss, was eher aufwendig ist, und Versuche, bei denen der Versuchsaufbau schon fertig steht und ich nur noch auf einen Knopf drücken und warten muss. Mir machen die Versuche mehr Spaß, bei denen ich etwas rumspielen und ausprobieren kann.
So sieht ein typischer Versuchsaufbau aus:
Sobald der Versuch gemäß Anleitung aufgebaut ist, nehmen meine Praktikumspartner und ich die Durchführung in Angriff. Wenn wir uns gut vorbereitet haben, ist die Durchführung unproblematisch. Selbst falls eine Messung nicht richtig klappt, steht der Betreuer bereit, um Fragen zu beantworten. Es geht dennoch manchmal etwas chaotisch zu. Grundsätzlich empfinde ich es als keine besonders gute Idee, sich nicht auf den Versuch vorzubereiten, da das Praktikumshandbuch manchmal für mich etwas verwirrend formuliert ist und ich nicht so viel vom Versuch verstehe.
Während der Durchführung fertigen wir ein handschriftliches Messprotokoll an. Meistens mache ich ausschließlich die Durchführung und einer meiner Praktikumspartner macht das Messprotokoll, was ich mir am Ende des Versuches kopiere.
Nach der Versuchsdurchführung habe ich meistens einen ganzen Batzen an Messdaten, mit denen ich auf den ersten Blick nicht viel anfangen kann. Der nächste Schritt besteht dann darin, die aufgenommenen Messdaten auszuwerten beziehungsweise das Versuchsprotokoll anzufertigen. Im Praktikumshandbuch sind die entsprechenden Hinweise vermerkt, wie genau der Versuch ausgewertet werden soll.
Im Vergleich zur Durchführung ist das Protokoll verbunden mit der Auswertung wesentlich mehr Arbeit. Auswertung und Protokoll laufen bei mir eigentlich immer nebeneinander ab. Für die Auswertung wird die Software Gnuplot benötigt. Eine Typische Aufgabe aus dem Praktikums-Handbuch lautet z.B. “Tragen sie die Kraft F auf den Probekörper als Funktion der Stromstärke auf. Berechnen Sie unter Ausnutzung der Ergebnisse aus 6 den Zusammenhang zwischen I und F (F=f(I)). Lässt sich dies verifizieren?” (Quelle:Aus Dia- Paramagnetimus)
“Trage auf” ist ein häufiger Auswertungsoperator, wobei sich der Software Gnuplot bedient wird. Gnuplot ist ein Programm zum Erstellen von Graphen im wissenschaftlichen Bereich. Es erlaubt sowohl das Zeichnen (“Plotten”) von Funktionen als auch von Messdaten. Ganz einfach gesagt schreibe ich in die Rahmendatei Befehle, die Gnuplot versteht, und fertige eine Messwertedatei an. In der Rahmendatei gebe ich dann z.B. den Befehl “plot ‘Messwerte.01’ using 1:2 with xyerrorbars title ‘Messwerte’, f(x) title ‘Lineare Regression’ “ein. Mit diesem Befehl plottet Gnuplot eine Graphik, wo die erste Spalte der Messwertedatei die x-Achse ist und die zweite Spalte der Datei die y-Achse. Die erhaltene Graphik sieht mit einer linearen fit-Funktion der Form f(I)=mI + b so aus:
Natürlich ist dieser kurze Befehl nicht alles, was ich in die Rahmendatei geschrieben habe, das sollte nur zur Veranschaulichung dienen. Es hat wirklich lange gedauert, bis ich mich an die Benutzung von Gnuplot gewöhnt habe. Sogar solch ein linearer Fit hat mir schnell Probleme bereitet. Jetzt im zweiten Semester nach dem bewerteten Protokoll kann ich einen linearen Plot innerhalb von 5 Minuten erstellen. Bei meinem ersten Versuch “Dampfdruck von Wasser” habe ich dafür ca. drei Stunden gebraucht und bin schließlich um halb vier Uhr morgens bei Mc Donalds gelandet. Gnuplot und ich haben uns am Anfang wirklich nicht besonders gut verstanden, was vielleicht auch daran lag, dass ich das Programm immer wieder lautstark beleidigt habe. Nach einiger Zeit hat mir das Plotten aber Spaß gemacht, insbesondere, wenn ich einen sehr schönen Plot erstellt habe.
Die Auswertung dient also dazu, die erwarteten theoretischen Vorhersagen mit den eigenen gefundenen Zusammenhängen zu vergleichen und ein prinzipielles Verständnis für die Vorgänge im Versuch zu entwickeln.
Wenn Ihr noch mehr Interesse habt am Praktikum, lest auf jeden Fall noch meinen nächsten Artikel über das Protokoll.
Bis Bald, Aaron
