Forum: Offtopic Physikprojekte


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Nachweis der Corioliskraft mit einem Foucaultschen Pendel:

Hier mal ein räumlich bewegliches Pendel mit einer Eisenkugel an einem 
80cm langen Bindfaden. Die Pendelbewegung wird dadurch am "Leben" 
erhalten, dass der Bindfaden beim Durchpendeln der Ruheposition mit dem 
Hubmagneten ein Stück angehoben wird und vor erreichen eines der beiden 
möglichen Scheitelpunkte wieder abgelassen wird. Dadurch wird dem Pendel 
die Pendelenergie zugeführt.

Beim Versuchsaufbau aus Fischertechnikbausteinen wird die Zufuhr der 
Pendelenergie im richtigen Moment noch mit einem Taster bewerkstelligt. 
Der Corioliskraftnachweis kann aber ein paar Stunden dauern, deshalb ist 
eine Automatisierung durch anbringen eines Induktivsensors mit 
nachgeschaltetem Monoflop an der Ruheposition erforderlich (noch nicht 
gebaut).

Wahrscheinlich ist ein nur 80cm langes räumliches Pendel von zu vielen 
Fehlerquellen umgeben und der Standort in Deutschland ist auch nicht 
ganz so optimal. Die besten Bahnkurvenergebnisse erzielt man direkt am 
Nord- oder Südpol.

Aber zumindest macht es Spass, zu versuchen das Pendel nur mit dem 
Taster am Leben zu erhalten. Für die Konstruktion ist statt eines 
Hubmagneten auch ein Schrittmotor mit Seilwinde oder Zahnstange 
vorstellbar.

von Christoph M. (mchris)


Lesenswert?

Mechanisch könnte es besser gehen, wenn der Magnet unten ist:
https://www.youtube.com/watch?v=1tXmuFA3F6I

von Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)


Lesenswert?

Christoph M. schrieb:
> Mechanisch könnte es besser gehen, wenn der Magnet unten ist

Ja, rein mechanisch gesehen ist das zwar besser, aber für den Nachweis 
der Corioliskraft ist ein unten angebrachter E-Magnet eine zusätzliche 
Fehlerquelle. Je nachdem wie schräg der Permanentmagnet am Bindfaden in 
den E-Magneten reinpendelt, wird er um so schräger wieder raus gedrückt 
(räumliches Pendel). Am Ende entsteht keine gleichmäßige typische 
Bahnkurve, die von der Corioliskraft herrührt, sondern ein chaotisches 
Muster!

von Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Christoph M. schrieb:
> https://www.youtube.com/watch?v=1tXmuFA3F6I

So ein Pendel mit Gegengewicht, um die Pendelfrequenz elegant zu 
verringern, habe ich auch mal entwickelt. Durch die Achsaufhängung wird 
das Pendel auf eine geradlinige Pendelbahn gezwungen. Hier ist der 
E-Magnet auch unten und hat auch nur zwei Anschlüsse, so wie im Video.

Die Arbeitsspule wirkt hier aber gleichzeitig auch als Sensor und 
erkennt die Annäherung des am Pendel montierten Permanentmagneten. 
Dadurch entfällt der Reed-Kontakt!

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Über ein Foucaultsches Pendel habe ich auch schon nachgedacht. Dieses 
aber mit Elektromagneten anzutreiben halte ich für gewagt. Denn da 
bekommt man wohl nur allzu leicht Bewegungen rein, welche die 
Schwingungsebene verändern und somit das Ergebnis verfälschen. Die 
Fadenaufhängung des Foucaultschen Pendel stelle ich mir auch nicht ganz 
simpel vor...

Habe mir auf willhaben.at eine alte Zündspule gekauft und mit einer sehr 
einfachen Schaltung angesteuert. Ergbenis bei 19V Eingangsspannung: rund 
1-1.5 cm lange Funken. Den Spannungsverlauf habe ich mir dann mittels 
1000:1 Spannungsteiler am Oszilloskop angeschaut. Die Spitzen haben 
beachtliche 35 kV.

Mehr Informationen: https://stoppi-homemade-physics.de/hv-netzteile/

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Das Experiment zur Simulation der Sonnengranulation bzw. 
Rayleigh-Benard-Konvektion habe ich auch durchführen können. Es 
hinterlässt zwar eine mittelgroße Sauerei in der Küche aber zum Glück 
wohne ich alleine und keine bessere Hälfte rügt mich deshalb ;-)

Nachdem das kochende Wasser in den Messbecher gegeben wird und die 
Petrischale mit dem Öl-Graphit-Gemisch oben draufgelegt wird, zeigen 
sich nach kurzer Zeit erste Konvektionsmuster. Diese werden noch feiner, 
wenn man die Petrischale vom Messbecher nimmt und auf den Küchenboden 
stellt. Die Ähnlichkeit mit der Sonnengranulation ist verblüffend...

mehr Informationen inkl. Video: 
https://stoppi-homemade-physics.de/sonne/

von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


Lesenswert?

Das wäre vielleicht auch eine Idee für ein Physikexperiment:
https://de.wikipedia.org/wiki/Flettner-Rotor

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Vielen lieben Dank Dieter für den guten Vorschlag. Leider habe ich ein 
Experiment mit dem Flettnerrotor bereits durchgeführt.

Link: https://stoppi-homemade-physics.de/flettner-rotor/

Es gibt wirklich nicht mehr viele Experimente, die ich noch mit 
vertretbaren Aufwand durchführen könnte. So Experimente wie den 
Stern-Gerlach-Versuch fange ich aber gleich gar nicht an umzusetzen ;-)

Von der Firma Scionix (https://scionix.nl/) habe ich dankenswerterweise 
einige Teile (Kopplungsgel für meinen Plasmonenversuch und einige 
CsI(Tl)- und BGO-Szintillatoren) zur Verfügung gestellt bekommen. Freue 
mich riesig darüber. Mit den Szintillatoren und einem SiPM 
(Siliziumphotomultiplier) könnte ich ein kompaktes Gammaspektroskop noch 
bauen...

Meine Amazon-Bestellung für ein Monochord ist auch bereits angekommen. 
Da möchte ich die Frequenz einer Metallsaite in Abhängigkeit von der 
Saitenspannung (f sollte proportional zu Wurzel(F) sein) untersuchen.

Und für meine Wellenwanne besorge ich mir diese Woche einen 
Vibrationsmotor, denn mit dem Lego-Vibrator habe ich keine guten 
Ergebnisse erzielt. Fad wird mir also noch nicht...

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Auf der Seite von Burkhard Kainka bin ich auf ein sehr einfaches 
Fluxgate-Magnetometer gestoßen. Dieses musste ich natürlich 
ausprobieren. Benötigt werden zwei Drosseln mit je 3.9 mH, einen 1000 pF 
Kondensator, 0.2 mm Kupferlackdraht, einen Funktionsgenerator mit etwas 
Leistung und ein Oszilloskop.

Link: https://www.elektronik-labor.de/Notizen/Fluxgate.html

Treibt man die beiden Drosseln in Sättigung, so zeigt sich bei einem 
externen Magnetfeld ein Signal mit der doppelten Frequenz (also bei mir 
40 kHz).

Auf der Seite von B. Kainka wird auch noch auf eine andere Variante 
eines Fluxgate-Magnetometers verwiesen. Auch dieses habe ich umgesetzt. 
Benötigt werden hier eine 100 mH Drossel und eine Ferritperle. Auch 
dieses Fluxmeter reagiert sehr gut auf einen externen Magneten...

Link: https://www.youtube.com/watch?v=pm_8xkX6a7g

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Die CO2-Pumpe für den Joule-Thomson-Effekt ist diese Woche angekommen 
und so konnte ich den Versuch zur Bestimmung des 
Joule-Thomson-Koeffizienten µ_JT = dT/dp durchführen.

µ_JT hängt mit den Van der Waals-Parametern a und b zusammen. b 
entspricht dem Volumen von einem Mol Molekülen. Dividiert man also b 
durch die Avogadrokonstante N_A = 6.023 * 10^23, so erhält man das 
Volumen eines Moleküls. Genau dies habe ich gemacht und komme auf einen 
Radius des CO2-Moleküls von 0.22 nm.

Ich muss aber zugeben, dass die experimentelle Bestimmung der Werte sehr 
schwierig ist, da sich die CO2-Patrone während des Versuchs natürlich 
stark abkühlt und dies die Berechnung des Joule-Thomson-Koeffizienten 
dT/dp stark beeinflusst. Auch die Druckabnahme delta_p ist natürlich 
während des Experiments nicht konstant. Weiters muss in die Formel für 
die Van der Waalsparameter die Temperatur T eingesetzt werden. Welche 
nimmt man da genau, wenn die Temperatur so stark sinkt? Also alles nicht 
so einfach. Genauer wäre es natürlich, den Joule-Thomson-Effekt bei nur 
geringem Druckabfall und daher auch nur geringem Temperaturrückgang zu 
messen. Dann wüsste man besser, welche Werte man in die Formeln 
einsetzt. Ich bin daher von "mittleren" Werten ausgegangen ;-)

Mehr Informationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Joule-Thomson-Effekt

https://www.unternehmensberatung-babel.de/industriegase-lexikon/industriegase-lexikon-a-bis-m/joule-thomson-effekt/van-der-waal.html

https://www.chemie.de/lexikon/Liste_der_spezifischen_W%C3%A4rmekapazit%C3%A4ten.html

https://stoppi-homemade-physics.de/joule-thomson-effekt/

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Das bestellte Messingrohr für das Gyrocar ist am Freitag angekommen und 
so konnte ich dieses finalisieren. Das Ergebnis ist aber ein wenig 
ernüchternd. Das Gyrocar besitzt leider einen viel zu hohen Schwerpunkt 
und ist daher extrem instabil bzw. balanciert nicht auf der Monorail. 
Wenn ich den Batterieblock abnehme, geht es aber. Das ist aber auch 
nicht ganz zufriedenstellend. Deshalb werde ich zwei einzelne 
Batteriehalter besorgen und diese dann auf der Unterseite des Gyrocars 
montieren. Dann kann es hoffentlich völlig alleine balancieren...

Link mit Video: https://stoppi-homemade-physics.de/gyrocar-kreisel/

Zum Thema Kreisel habe ich aber noch zwei schöne Versuche und zwar eine 
Balancier-CD von der Firma Winkler-Schulbedarf 
(https://www.winklerschulbedarf.com/de/i/anti-schwerkraftscheibe-per-stk-102242). 
Diese ist in 15 Minuten gebastelt und funktioniert sehr gut. Damit kann 
man denke ich Schüler schon beeindrucken. Die Physik hinter dem Kreisel 
ist aber alles andere als einfach ;-)

Und dann noch den sog. Kollergang. Für diesen werde ich die zusätzliche 
Anpresskraft aufgrund des Kreiselmoments in Abhängigkeit von der 
Drehzahl bestimmen. Es sollte eine F = f² Abhängigkeit vorliegen. 
Gebastelt habe ich den Kollergang aus LEGO-Techniksteinen...

Ich habe ja auch mehrere Spektroskope. Aber für die Aufnahme der 
Planckschen Strahlungskurve sind eigentlich (fast) alle nicht geeignet. 
Schuld sind u.a. die Bayerfilter der einzelnen Farben, welche die 
Intensitäten mehr oder weniger abschwächen, und auch der eingeschränkte 
Spektralbereich meiner Spektroskope von nur ca. 400 nm bis 700 nm.

Daher habe ich mir eine monochrome Webcam auf Amazon gekauft. Diese 
spricht dann ohne Filter auf die einzelnen Intensitäten an und auch den 
erfassten Spektralbereich werde ich durch das Weitwinkelobjektiv auf 
hoffentlich fast 1000 nm ausweiten können. Empfindlich ist der Sensor 
zumindest schon einmal auf 940 nm LEDs...

Amazon-Link: https://www.amazon.de/dp/B0B1DMPZNF

von Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Christoph E. schrieb:
> Zwei einfache Elektromotoren habe ich inzwischen umgesetzt. Einmal den
> Reed-Kontakt-Motor und dann einen, bei dem ich als Kommutator den
> Kupferlackdraht an den Enden nur an einer Seite abisoliert habe. Einen
> solchen basteln auch die Schüler im Physiklabor...

...und dann gibt's da noch so eine Art BLDC-Variante, in dem man das 
Pendel von meiner Pendelkonstruktion weiter oben durch einen Rotor mit 
aufgeklebten Permanentmagneten ersetzt (provisorisch mit Tesafilm 
aufgeklebt).

Die Steuerung vom Pendel kann für den Motor, ohne Umbauarbeiten direkt 
eingesetzt werden. Durch die Gegen-EMK arbeitet auch hier die Spule 
sowohl als Positionssensor als auch als Antriebsspule für den Rotor.

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Die magnetische Feldkonstante µo habe ich ja vor kurzer Zeit mittels 
Faradayschen Induktionsgesetz und einer Helmholtzspule experimentell 
bestimmt. Hier soll es nun um die elektrische Feldkonstante epsilon_0 
gehen. Basis zu deren Bestimmung bilden die verschiedenen Formeln rund 
um den Kondensator.

1.) Bestimmung über die Kapazität eines Plattenkondensators

Für die Kapazität C eines Plattenkondensators in Luft gilt ja C = 
epsilon_0 * A / d. Kennt man also die Fläche A, den Plattenabstand d und 
die Kapazität C, so kann man die elektrische Feldkonstante berechnen. 
Mein Kondensator besteht aus 2 ALuminiumplatten mit den Abmessungen 12 
cm x 12 cm. Mit einem billigen Komponententester habe ich dann dessen 
Kapazität in Abhängigkeit von d bestimmt. Trägt man C gegen 1/d auf, so 
erhält man eine ansteigende Gerade mit k = epsilon_0 * A.

Mein Ergebnis für die elektrische Feldkonstante liegt nur 1.4% vom 
Sollwert 8.854 * 10^-12 A*s/V*m entfernt, Heureka...

2.) Bestimmung über die Ladung eines Kondensators

Für die Ladung Q eines Kondensators gilt ja Q = C * U mit C = epsilon_0 
* A / d. Bestimmt man also die Ladung Q in Abhängigkeit von U, so erhält 
man wieder eine Gerade mit dem Anstieg k = epsilon_0 * A / d. Für die 
Bestimmung von Q verwende ich mein Coulombmeter. Den Kondensator lade 
ich mit meinem CCFL-HV-Netzteil auf, welches Spannungen zwischen 30 und 
1000 V liefert.

Hier liegt mein experimentelles Ergebnis für epsilon_0 etwas weiter vom 
Sollwert entfernt. Berücksichtige ich allerdings nur Ladespannungen bis 
200 V, so komme ich aber deutlich näher an den Sollwert. Meine 
Q(U)-Kurve flacht nämlich für höhere Spannungen deutlich ab, eventuell 
wegen Sprühverlusten...

3.) Bestimmung über die Kraft zwischen zwei Kondensatorplatten

Für die Kraft zwischen zwei Kondensatorplatten gilt die Beziehung F = 
1/2  epsilon_0  U² * A / d². Diese messe ich mit meiner 
100g-Wägezelle, indem ich eine Platte auf dieser befestige und die 
zweite Platte im fixen Abstand d oberhalb postiere. Dann schließe ich an 
den Kondensator unterschiedliche Spannungen U und messe jeweils die 
(anziehende) Kraft F. Dieser Versuch ist noch ausständig...

4.) Bestimmung über das Coulombgesetz

Für die Kraft zwischen zwei Ladungen gilt das berühmte Coulombgesetz F = 
1/ 4*Pi*epsilon_0  Q1  Q2 / r². Zwei Konduktorkugeln werden auf eine 
Spannung U aufgeladen und dann die Kraft zwischen ihnen im Abstand r 
bestimmt. Für die Ladung Q einer Kugel gilt: Q = 4  Pi  epsilon_0 * r 
* U. Mein so erhaltenen Ergebnis für die elektrische Feldkonstante 
epsilon_0
liegt bei 4.85 * 10^-12 A*s/V*m, also ca. bei der Hälfte des Sollwerts.

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Nachtrag zur Bestimmung der elektrischen Feldkonstante: Ich habe nun die 
Kraft F zwischen den beiden Kondensatorplatten in Abhängigkeit von der 
Spannung U bestimmt und erhalte eine U²-Abhängigkeit so wie es sein 
soll. Der daraus ermittelte Wert für epsilon_0 liegt bei 1.02 * 10^-11 
As/Vm und somit die Abweichung vom Sollwert bei 15%...

Man darf aber nicht vergessen, dass in die Berechnung von epsilon_0 das 
Quadrat des Plattenabstands eingeht und dieser auch bei sorgfältiger 
Ausrichtung der Kondensatorplatten nicht überall gleich ist. Meinen 
Abstand von d = 3.76 mm habe ich per Photoanalyse ermittelt.

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Ein nettes Experiment zum Thema Hausdämmung bzw. Wärmeleitfähigkeit von 
Holz. Dazu habe ich mir ein simples Holzhaus gebastelt und dann eine 
50W-Halogenlampe im Inneren montiert. Wird diese mit Strom versorgt 
(Leistung P = U*I), so steigt die Innentemperatur zunächst schnell an um 
sich dann einem Endwert T_innen zu nähern.

Aus der anfänglichen Temperaturerhöhung, so dachte ich es mir zumindest, 
kann man die spezifische Wärmekapazität von Luft (Sollwert ca. 1000 
J/kg*°C) bestimmen.

Aus der Endtempertur sollte sich die Wärmeleitfähigkeit des Holzhauses 
errechnen lassen. Ich komme auf eine Wärmeleitfähigkeit von 0.042 
W/m*°C. Laut dieser Internetseite 
(https://www.energie-lexikon.info/waermeleitfaehigkeit.html) soll lambda 
für Holzfaserplatten bei 0.04 - 0.05 W/m*°C liegen. Das passt also sehr 
gut.

Was nicht passt, ist mein ermittelter Wert für die spezifische 
Wärmekapazität von Luft. Ich erhalte einen Wert von c_Luft = ca. 49 
kJ/kg*°C. Der Sollwert liegt wie schon erwähnt bei nur 1 kJ/kg*°C.

Warum mein experimenteller Wert dermaßen weit vom Sollwert entfernt 
liegt ist mir ehrlich gesagt nicht ganz klar. In den ersten 20 Sekunden 
erwärme ich ja primär die Luft im Inneren meines Holzhauses... Gut, die 
Wärmestrahlung der Halogenlampe wird zu einem Teil vom Holz und nicht 
von der Luft absorbiert und die Wärmeabgabe an die Luft erfolgt primär 
durch das erhitzte Lampenglas, aber eine Abweichung um den Faktor 50?

von Christoph M. (mchris)


Lesenswert?

>Ein nettes Experiment zum Thema Hausdämmung bzw. Wärmeleitfähigkeit von
Holz.

Genau dieses Experiment wollte ich auch schon seit ewigen Zeiten mal 
machen. Aber wie heißt es so schön: Machen ist wie wollen, nur krasser.

Eine andere Frage, die mich schon lagen beschäftigt: Baut man über ein 
Dach eine Abschattung ( wie z.B. hinterlüftete Solarzellen ), dann 
müsste die Oberflächentemperatur des Daches eigentlich stark gesenkt 
werden und das Klima im Haus angenehmer.

von Christoph M. (mchris)


Lesenswert?

> Warum mein experimenteller Wert dermaßen weit vom Sollwert entfernt
liegt ist mir ehrlich gesagt nicht ganz klar.

Könnte es an der freien Konvektion der Luft und der dadurch entstehenden 
Abkühlung liegen?
Die Energieabfuhr gegen Massenstrom geht mit Wurzel vier. Schon geringe 
Wärmeunterschiede erzeugen einen leichten Luftstrom und der hat im 
langsamen Strömungsbereich schon eine große Kühlwirkung.

von Henrik V. (henrik_v)


Lesenswert?

Dazu musste ich spontan an
https://what-if.xkcd.com/35/
denken :)

Einen kleinen 12V Lüfter in die Box?
Die Leistung des Lüfters wird ja auch Wärme und er wird mitgemessen.

von Joe G. (feinmechaniker) Benutzerseite


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Ich befürchte, dass du mit dieser Messung nicht die spezifische 
Wärmekapazität der Luft bestimmen kannst. Ich habe mal deinen Versuch in 
LTSpice nachgebaut. Mit den 22W Wärmestrom und dem thermischen 
Widerstand von Holz komme ich auf deine Messwerte. Wie du allerdings 
siehst, bestimmt die Wärmekapazität vom Holz die Zeitkonstante. Die 
geringe Masse der Luft spielt quasi keine Rolle. Oder anders 
ausgedrückt, die gespeicherte Wärmeenergie steckt nicht in der Luft, 
sondern im Holz.

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Vielen Dank für eure Kommentare, vor allem Joe für die tolle Simulation. 
Wenn der Hauptteil der Energie/Leistung in der Holzwand steckt, erklärt 
dies natürlich meine viel zu große spezifische Wärmekapazität.

Spielerei für zwischendurch, der magische Doppeltrichter, der sogar 
bergauf rollen kann ;-)

von Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Christoph E. schrieb:
> Spielerei für zwischendurch

Mit einer vorgehaltenen Facettenlinse vor der Digitalkamera, kann man 
sich seine eigenen Bildkunstwerke erstellen.

Das erinnert ein bisschen an das Kaleidoskop. Ein damaliges 
Kinderspielzeug.

von Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)



Lesenswert?

Der Stehauf- Wendekreisel (Umkehrkreisel) versucht durch seine eigene 
"Willenskraft", aus der rotierenden Gesamtenergiemenge die nötige 
Portion Energie abzugreifen, um seinen niedrigen Anfangsschwerpunkt, 
durch Umkehrung der Pole, freiwillig auf ein höheres Niveau zu bringen.

Wer den Kreisel aus Holz an einer Drehbank nachbauen möchte, sollte 
darauf achten, dass das Zapfensenkungsmaß von 11mm nicht überschritten 
wird, damit der Kreisel sich auch wirklich aufrichten kann! Die 
Zapfensenkung kann mit einem flachgeschliffenen Forstnerbohrer im 
Reitstock hergestellt werden.

Auf YouTube gibt es auch einige Videos zum Umkehrkreisel.

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Kann man mit einer Leuchtstoffröhre die Schallgeschwindigkeit bestimmen?

Ja, man kann. Man muss dazu aber die Leuchtstoffröhre öffnen und die 
Enden abschneiden. Dies soll wenn möglich im Freien geschehen, denn in 
der Leuchtstoffröhre befindet sich eine kleine Menge Quecksilber. Danach 
gibt man ein kleines Stück eines Metallsiebs ins Innere der Röhre und 
hält diese über einen Bunsenbrenner o.ä. Dadurch entsteht ein schöner 
Ton (Grundton + Obertöne), mit dessen gemessener Frequenz und der Länge 
L der Röhre die Schallgeschwindigkeit c = lambda * f = 2  L  f 
bestimmt werden kann. Ich komme bei meinen beiden Röhren auf eine 
Schallgeschwindigkeit um die 360 m/s...

Mehr Informationen: 
https://stoppi-homemade-physics.de/schallgeschwindigkeit/

Dann habe ich noch einen analogen Beschleunigungsmesser gebastelt. Dazu 
braucht man nur ein Gurkenglas, einen Korken, ein Stück Schnur und eine 
Heißklebepistole. Den Korken fixiert man an der Schnur, welche wiederum 
an den Deckel des Gurkenglases geklebt wird. Danach füllt man das Ganze 
vollständig mit Wasser, verschließt es und dreht das Gurkenglas um.

Bewegt bzw. beschleunigt man nun das Glas, so bewegt sich der Korken 
immer in Richtung der Beschleunigung a. Eigentlich würde man ja aufgrund 
seiner Trägheit das Gegenteil erwarten. Damit kann man Schüler zunächst 
ganz schön aufs Glatteis führen. Grund ist die Trägheit des Wassers. 
Dieses erfährt eine Trägheitskraft entgegen der Beschleunigung. Dadurch 
kommt es zu einem Druckanstieg im Wasser entgegen der 
Beschleunigungsrichtung und in weiterer Folge zu einer Auftriebskraft 
auf den Korken in Richtung der Beschleunigung...

Bei einer Kreisbewegung zeigt also der Korken immer nach innen!

Link: https://stoppi-homemade-physics.de/freihandversuche/

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Interferenzen spielen in der Physik eine wichtige Rolle und mit 
Begriffen wie konstruktiver und destruktiver Interferenz sollte 
eigentlich ein jeder Schüler etwas anfangen können. Hier ein schöner 
Versuch zu diesem Thema.

Benötigt werden zwei Ultraschallsender (am besten schlachtet man HC-SR04 
Module), ein US-Empfänger, ein L298N-Motortreiber, einen Arduino und ein 
Oszilloskop.

Die beiden US-Sender steuert man mit einem 40 kHz-Signal an und postiert 
sie in einem Abstand d (bei mir waren es 3.5 cm) voneinander. Dann 
wandert man mit dem US-Empfänger um die beiden Sender herum und erfasst 
so schön die Stellen/Richtungen konstruktiver bzw. destruktiver 
Interferenz. Am Oszilloskop sieht man dann schön die 40 kHz-Schwingung 
mit unterschiedlicher Amplitude (nahe 0 bei destruktiver Interferenz 
bzw. maximal bei konstruktiver Interferenz).

Mehr Informationen: https://stoppi-homemade-physics.de/interferenz/

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Kleine Spielerei mit einer Slinky-Feder. Hängt diese frei, so wird sie 
bereits durch ihr eigenen Gewicht gedehnt. Die Dehnungen nehmen von 
unten nach oben linear zu, da ja weiter oben auch mehr Windungen 
unterhalb sich befinden, welche die Einzelwindung dehnen. Man erhält 
eine arithmetische Folge.

Möchte man die Gesamteigendehnung bestimmen, muss man die Folgeglieder 
aufsummieren. Man erhält eine (n-1)*n = ca.n² Abhängigkeit der 
Gesamtdehnung bei n Einzelwindungen. Die theoretisch ermittelte 
Gesamtdehnung deckt sich bei mir gut mit dem Experiment (rund 85 cm 
Gesamtdehnung).

Dann habe ich die Slinkyfeder noch zusätzlich mit einer Stahlmutter 
belastet und so aus der Dehnung die Gesamtfederkonstante k_ges 
ermittelt. Diese sollte ja bei n Windungen gleich k_Windung/n sein. Hier 
erhalte ich eine rund 10%ige Abweichung zwischen Theorie und Experiment.

Mehr Informationen: https://stoppi-homemade-physics.de/hooksches-gesetz/

von Christoph M. (mchris)


Lesenswert?

>Interferenzen spielen in der Physik eine wichtige Rolle und mit
>Begriffen wie konstruktiver und destruktiver Interferenz sollte
>eigentlich ein jeder Schüler etwas anfangen können. Hier ein schöner
>Versuch zu diesem Thema.

Ein sehr schöner Versuch. Ich habe vor kurzem mit meinem Bruder einen 
Versuch zur Interferenz mit noch einfacheren Mitteln gemacht.

Man nimmt einfach einen Online-Funtkionsgenerator z.B. über das Handy 
und gibt diesen Ton auf einer Stereoanlage aus.
Dann läuft man langsam im Abstand von z.B. 3 Metern an den Boxen von 
links nach rechts vorbei. Die Amplitudenunterschiede der Wellen und 
Täler der Interferenz sind deutlich zu hören.
Ich meine, dass diese Experiment den Schülern auch gut hilft, die 
Akustik von Stereo-Hifi-Systemem besser zu verstehen.

Online-Funktionsgenerator:
https://onlinetonegenerator.com/

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Hier noch zwei weitere spannende Freihandversuche: Einmal ein Versuch 
zur Optik/Wahrscheinlichkeitsrechnung und dann noch ein Experiment mit 
einer Nicht-Newtonschen Flüssigkeit.

Schwärzer als Schwarz: Für diesen Versuch benötigt man lediglich eine 
Kaffeetasse und ein Stück schwarzes Papier mit einem kleinen Loch. Legt 
man das Papier auf die Tasse, welche auch eine weiße Innenseite besitzen 
kann, so erscheint das Loch deutlich dunkler als das schwarze Papier.

Zur Erklärung zeichnet man einen Wahrscheinlichkeitsbaum auf und 
berechnet die mittlere wieder aus dem Loch tretende Lichtintensität. 
Dabei kommt man auf einen "Reflexionsgrad" von nur 0.2%. Zum Vergleich: 
Das schwarze Papier reflektiert das Licht etwa mit 5%. Deshalb erscheint 
das Loch schwärzer als schwarz...

Nicht-Newtonsche Flüssigkeit: Dafür benötigt man Maizena Maisstärke und 
Wasser. Ich habe 170 g Maizena mit 130 g Wasser vermischt. Stößt man nun 
mit dem Finger langsam in die Mischung, so versinkt dieser und sie 
verhält sich wie eine gewöhnliche Flüssigkeit. Stößt man hingegen 
schnell in die Mischung, verhält sie sich komplett anders, eher wie ein 
Festkörper und blockiert die Bewegung. Diesen Versuch haben Schüler 
besonders gerne und jeder möchte einmal seinen Finger in die 
Maizena-Wasser-Mischung stecken ;-)

Mehr Informationen: https://stoppi-homemade-physics.de/freihandversuche/

von Joe G. (feinmechaniker) Benutzerseite


Lesenswert?

Prima Idee mit der Nicht-Newton Flüssigkeit!

Da fällt mir spontan gleich ein Versuch dazu ein.

Man lässt über einen Behälter (Eimer) am unteren Ende eine Newtonsche 
Flüssigkeit (Wasser) über ein Rohr auslaufen. Der Behälter (Kapazität) 
und das Rohr (linearer Widerstand) bilden ein RC-Glied, dessen 
Zeitkonstante man sehr einfach mit einer Stoppuhr bestimmen kann. Jetzt 
ersetzt man das Wasser durch die Nicht-Newton Flüssigkeit. Bei gleichem 
Füllstand (gleiche Kapazität) kann jetzt über den Versuch der 
nichtlineare Widerstand der Nicht-Newton Flüssigkeit bestimmt werden.

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Eine kostengünstige Variante des Franck-Hertz-Versuch mit einer 
Thyratron-Röhre habe ich bereits umgesetzt. Jetzt bin ich in einem Buch 
auf eine noch etwas simplere Umsetzung gestoßen. Sie verwendet ebenfalls 
eine Thyratronröhre und zwar die 2D21. Diese ist, was wichtig ist, mit 
Xenon gefüllt. Genau dessen Anregung mit Elektronen wird bei diesem 
Versuch beobachtet.

Man braucht neben der Röhre nur noch einen kleinen 6V-Trafo für die 
Heizung, ein 24V-Netzteil, einen Widerstand und ein Potentiometer und 
dann noch ein µA-Meter.

Die I(U)-Kennlinie sollte im Bereich der Anregungsenergie von Xenon ein 
Maximum, gefolgt von einer Abnahme besitzen. Mal schauen, ob ich das 
auch beobachten kann.

Und dann habe ich noch einen Schwung Cerberus GR17 Röhren bei mir im 
Keller wiederentdeckt. Diese enthalten Radium-226. Mein Geigerzähler 
spricht ganz schön auf diese an (ca. 300 cpm bei 30 cpm Hintergrund). 
Gebe einige von diesen für 18 Euro/Stück her. Wer eine möchte, kann sich 
gerne bei mir melden...

von Henrik V. (henrik_v)


Lesenswert?

Zur Nicht-Newtonsche Flüssigkeit (NNF):
Lautsprecher lackieren (oder mit Frischhaltefolie auskleiden?), mit der 
NNF füllen und mit Sinus beaufschlagen.

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Ganz ohne Vakuumpumpe habe ich die Luftdichte bestimmt. Dazu benötigte 
ich nur eine Flasche mit Ventil, eine Fahrradpumpe und meine 
Arduino-Waage mit einer Auflösung von 0.01 g.

Ich pumpe die Flasche auf und bestimme sodann die Masse m in 
Abhängigkeit vom Druck p. Aus der Steigung des linearen Graphen m(p) 
erhalte ich die Luftmasse m pro bar bei einem Flaschenvolumen V. Um zur 
Dichte zu gelangen, muss ich dann nur noch den Anstieg durch V 
dividieren.

Ich erhalten auf diesem Weg eine Luftdichte von ro = 1.242 kg/m³*bar. 
Der Sollwert für 20°C liegt bei 1.204 kg/m³. Damit bin ich mehr als 
zufrieden...

Mehr Informationen: 
https://stoppi-homemade-physics.de/luftdichte-arduino/

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Gestern konnte ich den Aufbau zum Franck-Hertz-Versuch vollenden und 
eine Messung durchführen.
Der Anodenstrom steigt zunächst mit zunehmender Gitter-/Anodenspannung 
an, um dann durch inelastische Stöße der Elektronen mit den Xenon-Atomen 
wieder abzunehmen. Erst bei höherer Spannung steigt der Strom dann 
wieder an.

Hier findet man mehr Informationen: 
https://stoppi-homemade-physics.de/franck-hertz-versuch/

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Zwei weitere schöne Freihandversuche hätte ich da und zwar zuerst die 
Spritzenpresse und dann die gekoppelten Kluppen.

Für die Spritzenpresse benötigt man nur zwei unterschiedliche Spritzen, 
einen Schlauch und Wasser. Man fixiert den Schlauch an beiden Spritzen 
und befüllt dann alles komplett mit Wasser. Nun bittet man ein 
schwächlich erscheinendes Mädchen und einen selbstbewussten Burschen, 
seine Spritze reinzudrücken. Das Mädchen bekommt rein zufällig die 
kleine Spritze zugeteilt. Zur Verwunderung aller kann sie ihre Spritze 
hineindrücken, während der starke Bursche scheitert.

Durch den gleichen Druck p = F/A im Wasser wird bei der kleinen Spritze 
mit kleinerer Fläche A eine kleinere Kraft F benötigt bzw. können mit 
der kleinen Spritze trotz etwas geringerer Kraft durch die deutlich 
kleinere Fläche höhere Drücke erzielt werden...

Für den Versuch mit den gekoppelten Kluppen werden nur zwei Kluppen, ein 
breiteres Gummiband und ein Stativ benötigt. Fixiert man beide Kluppen 
nebeneinander auf dem gespannten Gummiband und stößt eine Kluppe an, so 
fängt diese zu schwingen an. Nach einiger Zeit nimmt aber deren 
Schwingung ab und zeitgleich beginnt die zweite Kluppe zu schwingen. 
Wenn diese dann maximal schwingt, hat die erste Kluppe aufgehört zu 
schwingen. Danach schwingt die zweite Kluppe wieder weniger, dafür die 
erste. Man hat es mit einer schönen gekoppelten Schwingung zu tun. 
Betrachtet man die beiden Einzelschwingungen, so liegt eine Schwebung 
vor...

Mehr Informationen: https://stoppi-homemade-physics.de/freihandversuche/

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Aufnahme der Hysteresekurve B(H) mit einem 115V-Printtrafo, einem Variac 
und einem Oszilloskop im xy-Modus.

Beim Anschluss des Oszilloskops an den Variac ist unbedingt darauf zu 
achten, dass GND vom Oszi mit dem Nullleiter N verbunden ist. 
Gegebenenfalls muss man den Netzstecker in der Steckdose umdrehen! Dies 
aber ohne dem angeschlossenen Oszi vorher mit einem Voltmeter 
überprüfen, indem man die Spannung zwischen "unterem" Variac-Ausgang und 
Schutzleiter misst. Diese sollte 0V betragen!

Die x-Achse zeichnet die Stromstärke I primärseitig und damit die Stärke 
des Magnetfelds H auf. Die y-Achse zeichnet über den Kondensator + 
Potentiometer die integrierte Sekundärspannung auf, also das Integral 
U_ind dt. Dieses ist nach dem Faradayschen Induktionsgesetz proportional 
zur magnetischen Flussdichte B. Wir erhalten am Oszilloskop also eine 
B(H)-Darstellung...

Warum meine Hysteresekurve über zwei eigenartige "Beulen" verfügt, kann 
ich nicht beantworten. Vielleicht weiß ja jemand von euch Bescheid.

Mehr Informationen: 
https://stoppi-homemade-physics.de/barkhausen-effekt/

: Bearbeitet durch User
von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Ein sehr schöner Versuch zum Thema Kreisel, der sog. Kollergang. Damit 
weist man das Kreiselmoment T = omega x L nach. Das rotierende Gestell 
habe ich aus LEGO gebastelt. Die beiden auf der Waage befindlichen Räder 
werden um die Vertikale rotiert. Durch das Kreiselmoment zeigt die Waage 
dann in Abhängigkeit von der Rotationsfrequenz f mehr an. Es müsste sich 
eine m = k * f² Abhängigkeit ergeben. Dies konnte ich experimentell 
bestätigen, Heureka...

Die Drehzahl bestimme ich mit meinem Arduino-Drehzahlmesser auf Basis 
eines IR-Näherungsschalters. Funktionierte besser als der 
Laser-Drehzahlmesser von Amazon.

Mehr Informationen: https://stoppi-homemade-physics.de/kreisel/

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Ich bin ja eigentlich ein sehr sparsamer Mensch und wenn ich etwas 
ausgebe, dann zu 90% für meine Physikprojekte. Jetzt habe ich mir eine 
Cavendish-Drehwaage zur Bestimmung der Gravitationskonstante G gegönnt. 
Diese war auf Kleinanzeigen inseriert und ich bin zufällig auf sie 
gestoßen. Der Verkäufer machte mir ein unwiderstehliches Angebot, nur 
100 Euro inkl. Versand.

Den Cavendish-Versuch zur Bestimmung von G habe ich ja bereits 
durchgeführt mit nur bedingten Erfolg. Meine ermittelte 
Gravitationskonstante lag doch sehr deutlich von Sollwert entfernt. Mein 
Torsionspendel war auch kaum zur Ruhe zu bringen und schwingte sehr 
stark vor sich hin und her.

Link: 
https://stoppi-homemade-physics.de/gravitationskonstante-cavendish/

Im Schulbedarfshandel bei Phywe, Leybold & Co kosten diese 
Cavendish-Drehwaagen 2000 Euro und mehr. Es fehlen lediglich die beiden 
schweren Bleikugeln. Dafür besorge ich mir wohl 1.5 - 2kg schwere 
Kugelstoßkugeln von Amazon...

Und dann habe ich mir noch einen Rahmen für eine sog. Kugelschwebe 
3d-drucken lassen. Die dafür benötigten Plexiglasscheiben habe ich 
bereits bestellt. In den Innenraum kommen dann zwei Kugeln 
unterschiedlicher Masse und dann wird der Körper in Rotation versetzt. 
Der sich einstellende Winkel alpha hängt dann von der Drehfrequenz f ab. 
Für sehr große f strebt alpha gegen 90°. Es gibt sogar eine kritische 
Untergrenze für die Frequenz f, unterhalb derer es eigentlich keinen 
stabilen Zustand gibt...

Diese Kugelschwebe werde ich auch für ein Zentrifugenparaboloid 
verwenden, indem ich den Innenraum teilweise mit Wasser fülle. Es 
stellen sich abhängig von der Drehfrequenz f Wasserparaboloide ein der 
Form y = (2*Pi²*f²/g)*x². Dies werde ich experimentell überprüfen.

von Michael B. (laberkopp)


Lesenswert?

Christoph M. schrieb:
> Eine andere Frage, die mich schon lagen beschäftigt: Baut man über ein
> Dach eine Abschattung ( wie z.B. hinterlüftete Solarzellen ), dann
> müsste die Oberflächentemperatur des Daches eigentlich stark gesenkt
> werden und das Klima im Haus angenehmer.

Uff, du hast das Kaltdach erfunden.

War früher üblich als man noch nicht blöderweise die Dämmung direkt 
unters Dach (Flachdach oder Spitzdach) geklebt hat, sondern zumindest 
10cm Luftschicht liess oder gleich den leeren Dachboden, und rundrum 
Traufe und oben (Firststeine, Giebelfentser des Dachbodens) 
Lüftungsöffnungen.

Da muss man maximal Schattentemperatur zu Raumtemperatur dämmen, also 
hier 30 GradC zu 25 GradC, mithin 5K.

Während beim Warmdach die in der Sonne aufgeheizte Oberfläche leicht mal 
60 GradC hat, macht 35K, die Dämmung müsste 7 mal dicker sein, ist sie 
aber nicht.

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Mein Versuch zur Braggreflexion mit Gammastrahlen am LiF-Einkristall 
lieferte ja aufgrund der viel zu geringen Aktivität meines radioaktiven 
Strahlers keine brauchbaren Ergebnisse.

Hier (https://www.forphys.de/Website/qm/braggdual1.html) bin ich aber 
auf ein Experiment zur Braggreflexion mit Ultraschall gestoßen. Dies 
möchte ich nun auch umsetzen.

Zum Einsatz kommen meine Ultraschallkapseln auf den Arduino-Modulen 
HC-SR04 und eine Ansteuerung über den L298N-Motortreiber. Dies 
funktionierte schon bei einigen meiner US-Versuche sehr gut. Zur 
Kollimierung habe ich mir auf Amazon zwei 
Solar-Zigarettenanzünderspiegel besorgt. Die US-Kapseln kommen dann 
genau in den Brennpunkt.

Das Atomgitter besteht aus Schaschlikspießen und Holzkugeln. Deren Loch 
muss ich aber per Hand auf 3 mm aufbohren, damit sie über die Spieße 
geschoben werden können. Insgesamt sind es 8^3 = 512 Kugeln, die ich 
aufspießen und festkleben muss. Eine ziemliche Strafarbeit ;-)

von Henrik V. (henrik_v)


Lesenswert?

Warum nicht nach passenden Stäben oder Fäden suchen?
Endlos Dichtschnur ist im Durchmesser variabel....
Kugelpositionierschablone (Nut mit Senke pro Kugel) (Edit: oder der 
Deckel des Würfels) , dünnerer Stab und (Heiß)kleber/Leim?

: Bearbeitet durch User
von Christoph M. (mchris)


Lesenswert?

Interessant wäre vielleicht auch, das Gitter mit einem 3D-Drucker am 
Stück drucken zu lassen.

von Henrik V. (henrik_v)


Lesenswert?

Da die Reflektion in einer Ebene gemessen wird, sollten auch Stäbe ohne 
Kugeln funktionieren....   sieht aber nicht so schön aus.

Wenn man ein Wassserbecken mit Wellengenerator und Sumpf am anderen Ende 
nimmt, müsste mit US auch eine reflektive Braggzelle simulierbar sein...
ob man da je nach Abstrahlordnung den Dopplershift mit einem einfachen 
Frequenzzähler noch messen kann?
(Per Soundkarte mit Sinusfit machbar)

von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Danke für eure Kommentare ;-)

Die Holzstangen mit den Kugeln für das Atomgitter sind fertig. Insgesamt 
sind es 64 Stäbe mit je 8 Kugeln. Habe jetzt dafür Blasen an den 
Händen...

Die Kugelschwebe bzw. Zentrifugalküvette ist auch bereits fertig 
geklebt. Jetzt warte ich nur noch auf die bei Amazon bestellte 
Bohrmaschinenhalterung, dann kann ich die beiden Experimente mit zwei 
Kugeln bzw. Wasser durchführen.

Und zuguterletzt habe ich noch einen Freihandversuch zu Wirbelströmen 
durchgeführt. Da lasse ich einmal eine normale Stahlkugel und dann eine 
Magnetkugel durch ein Aluminiumrohr fallen. Die Magnetkugel benötigt für 
die 50 cm etliche Sekunden aufgrund des bremsenden, induzierten 
Magnetfelds (Lenz'sche Regel). Das Alurohr hat einen Außendurchmesser 
von 16 mm (1 mm Wandstärke) und die Magnetkugel von www.supermagnete.de 
einen Durchmesser von 12.7 mm. Das passt perfekt...

: Bearbeitet durch User
von Christoph E. (stoppi)



Lesenswert?

Nach dem Bau der Atomstäbe dachte ich schon, das schlimmste sei vorbei. 
Dem war aber nicht so, denn der Zusammenbau des Gitters erwies sich als 
viel herausfordernder als gedacht. Denn wenn man einen Stab in sein Loch 
geführt hatte, ging ein anderer Stab aus seinem Loch wieder heraus.

Damit das Einfädeln überhaupt gelingt, habe ich die Schaschlikspieße 
stufenförmig abgelängt. So fing ich mit dem Einfädeln der ersten Reihe 
mit den längsten Spießen an und ging dann zur nächsten Reihe mit den ein 
wenig kürzeren Spießen. Nach 20 Minuten mehr als angestrengter Arbeit 
war dann das gesamte Gitter fertig zum Verkleben mit Holzleim. Noch 
einmal mache ich diese Arbeit aber bestimmt nicht. Ich habe mich bewusst 
für Holzperlen und Schaschlikspieße entschieden, weil diese sehr günstig 
zu haben sind. Die Spieße kosten 4 Euro und die 1500 Holzkugeln rund 10 
Euro.

Bei Conrad gibt es 1m Metallstäbe mit 2.5 mm Durchmesser. Aber alleine 
die 11 benötigten Stäbe würden mich 35 Euro kosten. Ich achte bei all 
meinen Projekten auch darauf, sie möglichst günstig umzusetzen...

Die Halterungen für den Parabolspiegel und die Ultraschallkapseln lasse 
ich gerade auch 3d-drucken.

Und die beiden 1.5 kg Eisenkugeln für die Cavendish-Gravitationswaage 
sind auch angekommen. Eine einzelne Kugel kostete nur 8 Euro, der 
Versand nach Österreich 15 Euro. Wie diese kompakte 
Cavendish-Gravitationswaage aber funktioniert, ist mir nach wie vor ein 
Rätsel. Denn die beiden kleineren Massen dürfen eigentlich nicht am 
begrenzenden Glas anstoßen. Damit sie aber nur eine derart geringe 
Pendelbewegung vollführen, muss das Richtmoment R des Torsionsfadens 
recht groß sein. Ein großes R bewirkt aber eine viel kleinere 
Auslenkung, wenn ich die großen Massen zu den kleinen bewege. Also mein 
Drehpendel pendelte fröhlich über fast Stunden vor sich hin und das mit 
größerer Amplitude. Aber ich lasse mich gerne angenehm überraschen...

von J. S. (engineer) Benutzerseite


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Christoph E. schrieb:
> Für die low budget Astrofotografie habe ich mir auf Amazon einen
> 90mm/500mm Achromaten gegönnt. Kann mit Sicherheit durch die starke
> chromatische Aberration nicht ansatzweise mit Apochromaten mithalten,
> dafür hat dieser nur sensationelle 107 Euro inkl. Versand gekostet
In der Tat sensationell, mein Setup tendiert inzwischen zum 20-fachen 
Kamera inklusive.

> Meine gebrauchte Canon EOS 1100D hänge ich dann mittels Adapter an den
> 1.25" Okularauszug.
Bei mir Canon 600D, mit AstroMod (IR), bei visueller Beobachtung über 
einen Baader-Spiegel, der sperrt IR und UV weg.

> wobei ich erst einmal schauen muss, ob meine motorisierte Montierung
> überhaupt schön nachführt.
Und, wie weit bist du damit gekommen?

Bitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.