Betreff:

Zentrale Experimente Physik GOSt

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An dieser Stelle kann als Exkurs die Aufladekurve eines Kondensators experimentell ermittelt werden, wie sie sich im vorliegenden Fall u. a. bei der Aufladung des Kondensators infolge der Beleuchtung der Photozelle mit den Spektralfarben des Quecksilbers ergibt.

Es soll im Folgenden die zeitliche Zunahme der Spannung am Elektroskop quantitativ untersucht werden. Es handelt sich dabei um die Aufladung eines Kondensators der Kapazität C, wenn dieser über einen Widerstand R mit Hilfe einer konstanten Spannungsquelle U₀ geladen wird. Man kann zeigen, dass sich hierfür der zeitliche Spannungsverlauf U(t) am Kondensator gemäß der Gleichung $U(t)=U_0\cdot (1- e^{-\frac{1}{RC} \cdot t})
$ berechnet. Es handelt sich folglich um eine Kurve, die zum Zeitnullpunkt bei U(0)=0 beginnt, zunächst mehr oder weniger stark ansteigt und letztlich, immer flacher werdend, gegen U₀ konvergiert.

In die voran stehenden Gleichungszeilen "y = " ist bereits die Gleichung $U(t)=U_0\cdot (1- e^{-\frac{1}{RC} \cdot t})
))$ in der vereinfachten Form "y = U*(1-exp(-c*x))" mit den beiden Parametern U und c eingetragen. Prüfen Sie durch Variation dieser beiden Parameter, ob und inwieweit der Kurvenverlauf annähernd exponentiell verläuft.

Wählen Sie, wenn nicht bereits geschehen, den schmalen Abbildungsspalt und anschließend zunächst die grüne (546nm) und danach die blaue Spektrallinie (436nm) aus.
Messen Sie in beiden Fällten den zeitlichen Verlauf der vom Elektrometer registrierten Spannung, wenn Sie das Gerät mit ZERO CHECK-Lock einschalten, und tragen Sie die Messwerte in die unten stehende Tabelle ein.

Sie können sich eine Stoppuhr einblenden lassen; überlegen Sie aber zuvor, wie Sie sie sinnvoll nutzen, da Sie, anders als beim Originalexperiment, Stoppuhr und Elektrometer im IBE ja nicht gleichzeitig starten können.

Es folgt jetzt ein direkter Vergleich des Einflusses der beiden einstellbaren Intensitäten (Abbildungsspaltbreiten 2mm und 8mm) auf das zeitliche Verhalten der vom Elektrometer angezeigten Spannung.
Wählen Sie dazu die sehr schwache grünblaue Spektrallinie (492nm) aus und messen den zeitlichen Spannungsverlauf für den schmalen und den breiten Spalt bis zu einer von jeweils 4,5 V.
Hinweis: Wenn Ihnen die Echtzeitanzeige zu langatmig wird, können Sie auch mit "Warp 5x" eine Zeitrafferaufnahme ablaufen lassen.

Ermitteln Sie die sich für die grünblaue Linie (492nm) einstellende maximale Spannung, stellen Sie diese mit dem zugehörigen Schieberegler ein und passen Sie die Kurve durch geeignete Variation von c für beide Spaltbreiten bestmöglich an. Bestimmen Sie beiden Halbwertszeiten der experimentell gewonnenen Kurven.

Exkurs: Aufladekurve eines Kondensators

Im folgenden IBE kann man (durch Anklicken des grüngelben Hebels) zwischen einem 0,2 mm und einem 0,8 mm breiten Abbildungsspalt wählen, wodurch in derselben Zeit unterschiedlich viel Licht auf die Photozelle gelangt.

Stoppuhr im IBE
ein- oder ausblenden

Praktische Tipps
für die Messung
(unter dem IBE eingeblendet)

_{Schmaler Spalt, grüne Spektrallinie}

y=

a=

y=

a=

y=

a=

_{Schmaler Spalt, blaue Spektrallinie}

_{Schmaler und breiter Spalt, grünblaue Spektrallinie}

S

Hinweis zur Bedienung

Ein Klick auf das Elektrometer zeigt eine Vergrößerung des Bedienpanels. Anschließend sollte der Drehschalter "METER" in Stellung "+" gebracht werden. Durch das Anklicken des Schalters "ZERO CHECK" kann eine Messung gestartet werden. Vor jeder neuen Messung ist das Elektrometer mit "ZERO CHECK" (in Stellung "LOCK") zu entladen.

Anzeige des Elektrometers durch Anklicken vergrößern, dann gemäß Anleitung (siehe "Hinweis zur Bedienung") bedienen.

Blende, durch Anklicken veränderbar

Photozelle, schwenkbar

Tipp 3

Tipp 4

Tipp 1

Tipp 2

Da ZERO CHECK und Startknopf der Stoppuhr nicht gleichzeitig betätigt werden können, kann man der Stoppuhr einen "Vorsprung" geben, bis Sie mit ZERO CHECK das Elektrometer einschalten. Denken Sie beim Notieren der Messwerte daran, den gewährten Vorsprung wieder zu stornieren.

Geben Sie bei der Messung gut abzulesende Spannungswerte vor, zu denen Sie die bis dahin benötigte Zeit mit der Stoppuhr messen - nicht umgekehrt.

Sie können auch die Zwischenzeit-Stoppfunktion der Stoppuhr nutzen - wenn Sie genügend schnell und sicher mit der Maus umgehen können.

Wählen Sie anfangs ggf. eine intensitätsärmere Spektrallinie, damit Sie die zeitliche Veränderung der Elektrometerspannung gut verfolgen können, bis Sie in den Messabläufen hinreichend sicher sind.