Schülerinnen- und Schülerpraktikum Physik

1. Versuche zu Teilchendetektoren

Um kernphysikalische Prozesse zu erfassen, sind Teilchendetektoren unerlässlich. Die grundlegenden Prozesse, die beim Durchgang von Teilchen durch Materie stattfinden und die zum Nachweis von ionisierender Strahlung verwendet werden können, werden an Beispielen vorgestellt. Im Versuch werden mehrere Anordnungen von Szintillationszählern und Gaszählern aufgebaut, die zur Rekonstruktion von Ort, Richtung und Zeitpunkt des Durchtritts eines Teilchens geeignet sind. Die dazu notwendigen elektronischen Systeme können aus Komponenten aufgebaut werden. Datenaufnahme und Analyse mit Rechnern sind selbstverständlicher Bestandteil der Versuchsanordnungen. Die Anwendungen können mit den Messapparaturen am Elektronenbeschleuniger MAMI (MAinzer MIkrotron) verglichen werden.

Kontakt:
Institut für Kernphysik
HD Dr. rer. nat. Reinhard Beck
Becherweg 45
55128 Mainz
Raum: 2-020
Fax: +49 6131 39-22964
E-Mail: rbeck@kph.uni-mainz.de

2. Versuche zur Physik von Aerosolen, Niederschlägen und Luftströmungen

Die Qualität der Atemluft ist wesentlich durch die Anzahl und Größe von Aerosolpartikeln bestimmt. Viele wichtige chemische und physikalische Prozesse in der Atmosphäre werden durch Aerosole beinflusst. Es sollen Methoden angewandt werden, die Größe und Zahl der Partikel in einer Luftprobe bestimmen können. Dynamische Prozesse, die zum Verschwinden von Partikeln in einem Reaktor wie zum Beispiel der Lunge führen, werden als Funktion der Partikelgröße bestimmt. Zigarettenrauch dient dabei als Beispielaerosol.

Bei Wetter und Wolken spielen Regentropfen eine wichtige Rolle. An einzelnen Tropfen kann in einem vertikalen Windkanal die Verdunstung unter verschiedenen Bedingungen der umströmenden Luft quantitativ bestimmt werden. Anhand der Ergebnisse können die meteorologischen Bedingungen für den Regenfall studiert werden.

 

Aktueller Hinweis: Das MPI für Chemie zieht um. Daher können diese Versuche erst wieder ab 2013 angeboten werden!

 

Kontakt:
Institut für Physik der Atmosphäre
Prof. Dr. Stephan Borrmann
Becherweg 21
55128 Mainz
Raum: 05 513
Telefon: +49 6131 39-22861
Fax: +49 6131 39-23532
E-Mail: borrmann@uni-mainz.de

 

Versuch 2.1: Luftgetragene Aerosolpartikel und deren Inhalation

Ziel des Versuchs ist es, die Anzahl und die Größe der luftgetragenen Aerosolpartikel zu messen und zu bestimmen, welche davon nach Inhalation in der Lunge festgehalten werden.

Methode: Mit Hilfe eines Kondensationskernzählers und eines optischen Partikeldetektionsgerätes wird die Konzentration der in der Luft vorhandenen Partikel (in Partikelanzahl pro Kubikzentimeter Luft) gemessen für Aerosolteilchen, die zwischen 3 Nanometer und 20 Mikrometer groß sind. Dies wird für Raumluft, Außenluft und Zigarettenrauch durchgeführt. Danach werden dieselben Messungen am Eingang und am Ausgang eines kleinen Strömungsreaktors wiederholt. Dabei kann dann in Abhängigkeit von der Partikelgröße berechnet werden, wieviele Teilchen im Reaktor "verschwinden", in Analogie zur sogenannten Alveolargängigkeit der Lunge. Beim Aufbau des Strömungsreaktors können die Schüler eigenständig Schlauchleitungen, Ventile, Druck- und Durchflussmessgeräte u.a. Elemente kombinieren und zusammenbauen.

Ergebnis: Es soll ein Gefühl dafür vermittelt werden, wie hoch Partikelkonzentrationen sein können und dass diese sich über mehrere Größenordnungen erstrecken. Weiterhin soll recht deutlich demonstriert werden, dass die Partikel des Zigarettenrauchs ihre maximale Konzentration bei der Größe haben, die am effizientesten von der Lunge resorbiert wird. Von der Methode her wird ermittelt, dass sehr verschiedene physikalische Messprinzipen erforderlich sind, um das ganze Größenspektrum der atmosphärischen Partikel zu erfassen.

 

Versuch 2.2: Das Verdunsten von Regentropfen

Ziel des Versuchs ist die Messung der Verdunstung von Regentropfen mit zwei verschiedenen Methoden. Dabei wird bestimmt, wieviel schneller die Verdampfung bei fallenden Tropfen im Vergleich zu ruhenden Tropfen passiert.
Hintergrund: Die meisten Wolken der Erdatmosphäre verdampfen wieder, ohne je einen Tropfen Regen hervorgebracht zu haben. Im Durchschnitt muss eine Luftmasse 7 bis 12 mal eine Wolke bilden, bevor Regen produziert wird. Selbst bei einem großen Anteil der Wolken, die Regen erzeugen, verdampfen die Tropfen wieder, bevor sie den Boden erreichen.

Versuch: Durch Ausschweben von Nieseltröpfchen mit Größen zwischen 100 und 400 Mikrometern im Vertikalwindkanal soll bestimmt werden, wie schnell Tropfen verdampfen können. Die Veränderung der Fallgeschwindigkeit mit der Zeit wird gemessen, um daraus zu berechnen, wie sich Tropfendurchmesser und -masse aufgrund der Verdunstung verkleinern. Die Umgebungsbedingungen der strömenden Luft (z.B. Druck, Temperatur, Feuchte) spielen natürlich eine wesentliche Rolle und müssen mitgemessen werden. Danach soll das Experiment unter den gleichen Umgebungsbedingungen wiederholt werden an einem Tropfen, der auf einem Faden hängt. Auf diese Weise kann bestimmt werden, wieviel schneller ein Tropfen im freien Fall durch die An- und Umströmung verdunstet, verglichen mit einem ruhenden Tropfen gleicher Größe. Der dahinterstehende Effekt wird als Ventilation bezeichnet. Die Experimente können mit Tropfen aus verschiedenen Flüssigkeiten wiederholt werden.
Schließlich kann man anhand der Ergebnisse abschätzen, wie hoch regnende Wolken sein müssen, damit am Boden noch Tropfen ankommen können.

3. Versuche zur Supraleitung und der Physik dünner Schichten

Durch die mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Arbeiten von Bednorz und Müller ist die Hochtemperatursupraleitung ein wichtiges Forschungsgebiet mit weitreichenden Folgen für die Grundlagenforschung und die technischen Anwendungen geworden. Im Praktikum sollen solche Hochtemperatursupraleiter aus den pulverförmigen Ausgangsmaterialien "gebacken'' und anschließend auf ihre grundlegenden Eigenschaften hin untersucht werden. Dazu gehört nicht nur der spektakuläre "Schwebeversuch'', sondern auch die Messung des Verlaufs des elektrischen Widerstands als Funktion der Temperatur und die Analyse der Kristallstruktur durch die Röntgendiffraktometrie. Dünne Supraleiterschichten sollen mit photolithographischen Verfahren strukturiert und durch Ultraschall verschweißte mikroskopische Golddrähte in eine Mikro-Temperatursonde verwandelt werden.

Kontakt:
Institut für Physik
PD Dr. Gerhard Jakob
Staudingerweg 7
55128 Mainz
Raum: 01-430
Telefon: +49 6131 39-24133
Fax: +49 6131 39-24076
E-Mail: jakob@uni-mainz.de

4. Versuche im Lehramtspraktikum

Ziel des Lehramtspraktikums ist es, dass Studierende, die Physik-Lehrer(in) werden möchten, erlernen, Versuche aufzubauen und sie zu erklären. Dafür steht eine Sammlung von Geräten bereit, mit denen man Versuche aufbauen kann, die üblicherweise im Physikunterricht durchgeführt werden. Zusätzlich gibt es Geräte für spezielle Versuche, die an vielen Schulen nicht vorhanden sind.

Für einzelne Schülerinnen und Schüler, die am Physiklehrerberuf interessiert sind, gibt es nach Absprache mit dem Praktikumsleiter an einzelnen Tagen im Semester die Möglichkeit, im Praktikum zeitgleich mit den Studierenden Experimente durchzuführen. Dies bietet gleichzeitig die Chance, sich mit den Studierenden auszutauschen und sich z. B. darüber klarzuwerden, ob ein Physik-(Lehramts-)Studium das richtige ist.

Beispiele von Experimenten: Messung der Lichtgeschwindigkeit mit der Drehspiegelmethode Aufbau des Michelson-Morley-Experiments Nachweis der kosmischen Höhenstrahlung

 

Kontakt:
Institut für Physik
PD Dr. Frank Fiedler
E-Mail

5. Versuche zur modernen elektronischen Datenaufnahme

Halbleiter eignen sich zum Nachweis ionisierender Strahlung. Für eine PIN-Diode, die von einem -Präparat bestrahlt wird, werden Schaltkreise zur Messung der Teilchenenergie und des Zeitpunkts des Teilcheneintritts aufgebaut, die zur Verstärkung und Formung des Signals eingesetzt werden. Bei der Entwicklung der selbstgebauten Schaltungen werden Simulationstechniken (SPICE) verwendet. Anschließend werden die Eigenschaften der Schaltung mit modernen Messmethoden wie Fourieranalyse und digitaler Filterung analysiert. Hierbei werden viele Methoden aus dem Rechnerbereich mit Audio- und Videosignalen verwendet und erklärt. Grundlegende Zusammenhänge der Signalverarbeitung wie Rauschen und Bandbreite können an dem Beispiel quantitativ untersucht werden.

Kontakt:
N.N.

Kontakt Weitere Schülerpraktika am Institut für Physik
Institut für Physik
Experimentelle Teilchen- und Astroteilchen Physik (ETAP)
Dr. Friedrich Kayser
Staudingerweg 7
55128 Mainz
Tel +49 6131 39-24245
Fax +49 6131 39-22884

Kontakt Weitere Schülerpraktika am Institut für Kernphysik
Institut für Kernphysik
Prof. Dr. Michael Ostrick
Johann-Joachim-Becher Weg 45, 55128 Mainz
Tel +49 6131 39-24085
Fax +49 6131-39-22964

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