Experimentieren

Experimentieren ist eine sehr komplexe Tätigkeit, die viele Einzeltätigkeiten umfasst und die vor allem mit dem Erkennen und Anwenden von Gesetzen verbunden ist. Beim Experimentieren wird eine Erscheinung der Natur unter ausgewählten, kontrollierten, wiederholbaren und veränderbaren Bedingungen beobachtet und ausgewertet.

Das Ziel eines Experimentes besteht darin, eine Frage an die Natur zu beantworten.

Mit Experimenten werden z. B. Zusammenhänge zwischen Größen untersucht oder Natur- und Stoffkonstanten bestimmt.
Experimentieren bedeutet planvolles Arbeiten. Deshalb ist es zweckmäßig, beim Experimentieren in bestimmten Schritten vorzugehen. Zweckmäßig sind die nachfolgend genannten Schritte, die auch an einem Beispiel dargestellt sind.

Ablauf eines Experiments

Ein Beispiel aus der Physik

1. Vorbereiten des Experiments

Zunächst ist zu überlegen,

welche Größen zu messen sind,
welche Größen verändert und welche konstant gehalten werden,
welche Gesetze angewendet werden können.

Dann ist eine Experimentieranordnung zu entwerfen und zu skizzieren, mit der die gewünschten Größen gemessen und Beobachtungen gemacht werden können. Dabei sind auch die zu nutzenden Geräte und Hilfsmittel festzulegen.
In der Planungsphase ist auch zu überlegen, wie das Experiment ausgewertet werden soll, da dies mitunter Einfluss auf die Experimentieranordnung und die Messgeräte hat. Mögliche Fehlerquellen sollten schon in der Planungsphase bedacht werden, weil dies Einfluss auf die Durchführung und Auswer-tung hat.

Untersuche experimentell Unter-schiede zwischen der Leerlaufspannung und der Klemmenspannung von elektrischen Quellen!

Zu messende Größen:

Leerlaufspannung $U_{L}$
Klemmenspannung $U_{K}$

Es werden Leerlaufspannung und Klemmenspannung für verschiedene elektrische Quellen gemessen und miteinander verglichen. Als Bauelement wird ein elektrischer Widerstand
verwendet.

Bild

2. Durchführen des Experiments

Die Experimentieranordnung ist nach der Planung aufzubauen.
Die gewünschten Messwerte und Beobachtungen werden registriert und protokolliert. Dazu werden häufig Messwertetabellen angefertigt.

3. Auswerten des Experiments

Die protokollierten Messwerte und Beobachtungen werden ausgewertet. Dazu werden z.B. Diagramme angefertigt und Berechnungen durchgeführt.
In Bezug auf die experimentelle Frage wird ein Ergebnis formuliert.
Häufig werden Fehlerbetrach-tungen zur Genauigkeit der Messungen und Beobachtungen durchgeführt.
Das experimentelle Ergebnis wird unter Berücksichtigung der Fehlerbetrachtungen bewertet.

Elektrische Quelle	$U_{L}$ in V	$U_{K}$ in V
Monozelle	1,5	1,3
Flachbatterie	4,5	4,0
Stromversor-gungsgerät	8,0	7,5

Bei allen im Experiment untersuchten elektrischen Quellen ist die Klemmenspannung immer kleiner als die Leerlaufspannung:

$U_{K}$ < $U_{L}$

Ein Experiment wird meist protokolliert. Nachfolgend ist ein „Musterprotokoll“ ausgewiesen, an dem Sie sich orientieren können.

Name: Tobias Musterschüler

Klasse: 11a

Datum: 17.12.2003

Aufgabe:
Untersuchen Sie experimentell den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Zeit beim Entladen eines Kondensators über einen ohmschen Widerstrand! Ermitteln Sie die ursprünglcihe Ladung des Kondensators!

Vorbereitung:
Zwischen Ladung, Spannung und Kapazität eines Kondensators besteht die Beziegung:
$Q = C \cdot U (1)$
Die Stromstärke beim Entladen eines Kondensators ist eine Funktion der Zeit, wobei folgende Beziehung gilt:
$I (t) = \frac{U}{R} \cdot e^{- \frac{t}{R \cdot C}} (2)$

Die Schnelligkeit der Entladung hängt somit von der Ladespannung U, dem Entladewiderstand R und der Kapazität Cdes Kondensators ab. Die ursprüngliche Ladung des Kondensators kann zum einen mithilfe der oben genannten Gleichung (1) ermittelt werden, wenn man die Kapazität des Kondensators kennt.
Zum anderen ist die Ladung zahlenmäßig gleich der Fläche unter dem Graphen im I-t-Diagramm und kann durch Auszählen dieser Fläche ermittelt werden.

zu messende Größen:
Spannung U
Stromstärke I
Zeit t
Geräte/Bauelemente:
Gleichspannungsquelle 10 V
Spannungsmesser
Strommesser
Kondensator (1000 pF)
Widerstand $(\approx 10 k Ω)$
Uhr
Umschalter

Experimentieranordnung Bild

Durchführung und Auswertung:
Bei einem Widerstand von $10 k Ω$ und einer Ladespannung von 10 V beträgt die anfängliche Entladestromstärke:
$I_{0} = \frac{U}{R} = \frac{10 V}{10 kΩ} = 1 mA$

Messwertetabelle:

t in s

1,8

3,4

5,0

7,2

9,9

13,2

18,1

21,5

26,5

32,5

53,7

I in mA

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,15

0,1

0,06

0,01

I-t-Diagramm:

Ergebnis:
Das I-t-Diagramm zeigt: Die Entladung eines Kondensators über einen ohmschen Widerstand erfolgt nicht linear, sondern exponenziell. Der Abfall der Stromstärke ist anfangs groß, wird aber mit zunehmender Zeit immer geringer.

Durch Auszählen der Fläche unter dem Graphen erhält man eine Ladung von etwa Q = 10 mC. Das ist die ursprüngliche Ladung.

Das Experimentieren ist eine typische Tätigkeit in der Physik.

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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