Das "Praktikum Klassische Physik P1 und P2" erstreckt sich, mit wechselnden Versuchen, über zwei Semester. Die Versuche des P1 finden im Wintersemester statt, die Versuche des P2 im Sommersemester. In dieser Zeit absolvieren die Teilnehmer:innen jeweils 10 Versuche.

Zielgruppen

Das "Praktikum Klassische Physik P1 und P2" betrifft die folgenden Studiengänge:

• Physik (B.Sc.), Physik (B.Ed., Lehramt),
• Geophysik (B.Sc.),
• Meteorologie (B.Sc.), Meteorologie und Klimaphysik (B.Sc.),
• Ingenieurspädagogik (B.Ed.),
• Chemie (M.Sc.)
• Informatik (M.Sc.), Informatik(M.Ed., Lehramt).

Zulassung und Anmeldung

Die Zulassung zum Praktikum ist an keine Voraussetzungen gebunden. Die Teilnahme an den Vorlesungen

• Klassische Experimentalphysik I
• Klassische Experimentalphysik II
• Computergestützte Datenauswertungen

wird jedoch empfohlen.

Kontakt

Sie erreichen die Organisation des Praktikums unter der E-Mail Adresse apraktikum∂physik.kit.edu. Eine Tabelle der mit der Organisation des Praktikums betrauten Personen finden Sie im Folgenden:

Die Versuche des Praktikums finden Sie im Flachbau der Physik: 

Geb. 30.22
Engesserstrasse 7
D-76131 Karlsruhe

Die Praktikumsversuche befinden sich im ersten und zweiten Stockwerk des Gebäudes, wie in den folgenden Lageplänen dargestellt. Das Praktikum hat eine Kapazität von 168 Plätzen.

Das P1/P2-Praktikum bietet Ihnen die Möglichkeit:

• Experimente unter Laborbedingungen durchzuführen;
• Daten mit naturwissenschaftlichem Anspruch zu erheben und weiter zu verarbeiten;
• Physikalische Gesetzmäßigkeiten experimentell zu überprüfen.

Sie werden feststellen, dass die durchzuführenden Versuche und die zu untersuchenden Gesetzmäßigkeiten noch nicht in allen Fällen aus den Vorlesungen bekannt sein werden. Dies lässt sich aufgrund der Organisation des Praktikums (im Rotationsverfahren) nicht vermeiden. Bei einem so breiten Anwendungsgebiet, wie der Physik, können Sie darüber hinaus grundsätzlich nicht davon ausgehen, immer auf bekannten Stoff zu stoßen. Es ist daher auch ein wichtiger Lehrinhalt der P1/P2-Praktika, sich neue Themen und Versuche der Physik eigenständig zu erschließen.

Was uns wichtig ist

Bei der Durchführung eines Versuchs

Zur Durchführung eines Versuchs gehört es, zielgerichtet zu experimentieren und Messungen und Teilergebnisse in den Kontext des Experiments einzuordnen. Sie sollten also mit einer klaren Vorstellung darüber was Sie im anstehenden Versuch erwartet eintreffen und die physikalische Aufgabenstellung in vollem Umfang verstanden haben. Sicherzustellen, dass dies der Fall ist, ist Aufgabe der Vorbesprechung zum Versuch.

Bei der Erhebung der Daten

Zur Erhebung der Daten gehört die systematische, reproduzierbare Aufnahme von Messwerten einschließlich der Einschätzung der damit verbundenen wichtigsten Unsicherheiten. Grundsätzlich gilt in der Physik: "Keine Messung ohne Einschätzung der damit verbundenen wichtigsten Unsicherheiten!". Beachten Sie hierzu auch die Leitlinien zur guten wissenschaftlichen Praxis, die Sie auf den Webseiten zum P1/P2-Praktikum finden.

Bei Protokoll und Auswertung

Ein zentraler Bestandteil der Datenerhebung ist das gewissenhaft, vollständig und sachlich geführte Protokoll der Versuchsdurchführung, das in die Auswertung des Experiments mündet.

Das wissenschaftlich geführte Protokoll setzt voraus, dass sich der Durchführende der einzelnen Schritte des Experiments bewusst ist und diese für sich und Außenstehende klar, verständlich und reproduzierbar dokumentiert. Das Protokoll erklärt, wie Sie zu einem Messergebnis gekommen sind. Sollte Ihnen beim Experimentieren ein Fehler unterlaufen sein, sollte dies aus dem Protokoll nachträglich nachvollziehbar sein und ggf. in der Einschätzung der Ergebnisse durch Sie und/oder Außenstehende berücksichtigt werden können.

Die gewissenhafte Erhebung und Dokumentation Ihrer Daten begründet Ihren guten Ruf als Wissenschaftler:in. Ein Fehler in der Durchführung eines Experiments kann zur Entwertung Ihrer Ergebnisse und/oder zur Neuauflage eines –dann verbesserten– Experiments führen. So etwas kann passieren und ist Bestandteil des wissenschaftlichen Erkenntnisgewinns. Die mangelhafte Dokumentation, und daher von außen nicht mehr nachvollziehbare Ergebnisse, machen Ihr Experiment von vornherein und unwiederbringlich unbrauchbar und beschädigen Ihren Ruf. Dies sollte Ihnen auf keinen Fall passieren.

Vor der Digitalisierung wurden Protokolle in Form von Laborbüchern geführt. Für die P1/P2-Praktika wird das Laborbuch durch das Jupyter-notebook ersetzt, das Sie auf dem Jupyter-Server des SCC anlegen können. Sie sollten darin zielgerichtet und für sich und Außenstehende nachvollziehbar die folgenden Informationen dokumentieren:

• Die Ziele des Experiments.
• Die Bedingungen der Durchführung.
• Alle Messwerte, einschließlich der Einschätzung ihrer Unsicherheiten.
• Die Weiterverarbeitung der Daten und daraus resultierende Teilergebnisse.

Am Ende des Praktikumstags mündet das Protokoll in die Auswertung des Versuchs. Praktische Hinweise zur Erstellung eines guten Protokolls finden Sie im Abschnitt Protokoll und Auswertung auf den Webseiten zum P1/P2-Praktikum.

Beachten Sie, dass es nicht Ihre Aufgabe ist theoretische Herleitungen, die Sie zum Verständnis des Versuchs studiert haben im Protokoll zu reproduzieren. Dass Sie die zugrunde liegende Physik zum Versuch gut genug verstehen, um den Versuch durchführen zu können ist eine Grundvoraussetzung, ohne die Sie den Versuch nicht antreten sollten. Fassen Sie daher in Ihrem Protokoll zusammen worum es geht, verzichten Sie auf Herleitungen, die ohnehin in den Hinweisen zu den Versuchen stehen, verweisen Sie gegebenenfalls und beschränken Sie sich auf die Zusammenhänge und Information (z.B. Formeln), die (für Außenstehende) absolut notwendig sind, um Ihre Versuchsdurchführung zu verstehen und einzuordnen.

Begriffsklärungen und Abgrenzungen

Versuchsausgang

Niemand erwartet von Ihnen, dass Sie die von Ihnen durchgeführten Versuche bereits am ersten Tag des P1-Praktikums perfekt dokumentieren können. Vielmehr sollen Sie das Experimentieren und die wissenschaftlich-sachliche Einschätzung Ihres Experiments anhand gut verstandener physikalischer Prozesse im Verlauf der P1- und P2-Praktika erlernen.

Wir erwarten nicht, dass ein von Ihnen durchgeführtes Experiment im P1-Praktium zu Ergebnissen mit "Veröffentlichungsreife" führt oder nach den Standards physikalischer Veröffentlichungen formatiert ist. Insbesondere erwarten wir nicht, dass Sie mit Ihrem Ergebnis einen existierenden Literaturwert so exakt wie möglich reproduzieren. Eine Aussage wie: "Meine Messung stimmt innerhalb von 10% mit dem Literaturwert überein" ist für uns im Allgemeinen irrelevant. Die Frage, die Sie mit Ihrem Versuch zu beantworten haben ist: "Stimmt meine Messung innerhalb der von mir abgeschätzten Unsicherheiten mit meiner Erwartung überein?". Ihre Erwartung kann dabei (muss aber nicht) durch einen Literaturwert gespeist sein.

Bei der Beantwortung der obigen Frage ist die adäquate numerische Einschätzung der Unsicherheiten der Messung im Allgemeinen wichtiger, als der ermittelte Zentralwert.

Einschätzung des eigenen Experiments

Auf dem Jupyter-Server des SCC stehen Ihnen alle nötigen Werkzeuge zur Anwendung von Methoden zur statistischen Parameterschätzung, wie sie von der Fakultät empfohlen werden, zur Verfügung. Dadurch sollte sich in vielen Fällen eine, oft nicht auf ihre Anwendbarkeit hin überprüfte "händische" Fehlerabschätzung durch Gaußsche Fehlerfortpflanzung erübrigen.

Selbst, wenn Sie sich für die Anwendung Gaußscher Fehlerfortpflanzung entscheiden sollten, müssen Sie dies nicht "händisch" mit Hilfe eines Taschenrechners oder einer Excel-Tabelle tun; Sie können eine einfache Funktion in einer Code-Zelle des Jupyter-notebooks direkt in Ihr Versuchsprotokoll integrieren. Falls Ihnen dabei ein Fehler unterlaufen sollte, ist dies mit der Funktion, als Bestandteil des Protokolls transparent, nachvollziehbar dokumentiert und zu jeder Zeit nachträglich korrigierbar. Der Versuch Datenverarbeitung des P1-Praktikums bietet Ihnen die Möglichkeit Ihr Wissen und Ihre Erfahrung auf dem Gebiet der Datenverarbeitung in Vorbereitung auf das P1-Praktikum aufzufrischen und/oder zu vertiefen. Sie werden diesen Vorversuch gemeinsam mit Ihren Tutor:innen am ersten Tag des P1-Praktikums, als vollwertigen Praktikumsversuch, durchführen.

Als Physiker:in müssen Sie in die Situation hineinwachsen, dass Sie selbstverständlich und bewusst die Unsicherheiten der von Ihnen weiterverarbeiteten Daten einschätzen. Sie sollten nach Möglichkeit keinen Messwert oder Parameter ohne entsprechende quantitative Abschätzung seiner Unsicherheiten weiterverarbeiten. Die Einschätzung von Unsicherheiten gehört zu Ihrem Handwerk als Wissenschaftler:in. In einer numerischen Parameterschätzung erhalten Sie verlässliche Konfidenzintervalle für die von Ihnen bestimmten Messgrößen aus der angewandten Anpassung, ohne notwendige eigene Fehlerfortpflanzung. Hierzu müssen Sie allerdings auch Werkzeuge benutzen, die darauf eingerichtet sind, solche verlässlichen Angaben zu machen. Bei der einfachen Verwendung von Excel, scipy oder Origin, als Werkzeug, ist dies im allgemeinen nicht der Fall. Nutzen Sie daher, wo immer möglich, die von der Fakultät angebotenen Möglichkeiten (kafe2 und PhyPraKit) zur Parameterschätzung, um von den von Ihnen aufgenommenen primären Daten, bestenfalls, direkt zum Messergebnis zu gelangen. Sowohl kafe2, als auch PhyPraKit sind auf dem Jupyter-Server des SCC vorinstalliert und können out-of-the-box verwendet werden.

Das P1- und P2-Praktikum entsprechen in der Bewertung des damit verbundenen Arbeitsaufwands jeweils 6 ECTS-Punkten. Es handelt sich dabei um rund 1/5 Ihrer Arbeit für das Physikstudium im Studienplan des jeweils laufenden Semesters! Diese Leistung erbringen Sie konzentriert auf 10 Wochen des Semesters. Sie sollten diese Zeit für die Praktika, bei der Gestaltung Ihres Semester-Stundenplans nicht unterschätzen und dringend einplanen.

Die Praktika der Physik bieten Ihnen die Möglichkeit

• zu Experimentieren;
• physikalische Gesetzmäßigkeiten experimentell zu überprüfen;
• physikalische Sachverhalte, die aus einer Vorlesung nicht immer intuitiv und klar zu verstehen sind, am Experiment nachzuvollziehen; und
• sich in der Aufzeichnung, Dokumentation und Weiterverarbeitung von Messdaten mit wissenschaftlichem Anspruch auszubilden.

Dies ist ein wesentlicher Bestandteil jedes Physikstudiums und damit Ihrer Ausbildung zum wissenschaftlichen Arbeiten. Im Gegensatz zu einer Vorlesung geht es nicht um die Reproduktion teilweise Jahrhunderte alten Wissens. Jedes Experiment ist immer eine Konfrontation Ihrer Erwartung mit der Realität und somit eine neue Herausforderung!

Bei der Berechnung der ECTS-Punkte für die Praktika legen wir das folgende Modell zugrunde:

• 4-6 Stunden Versuchsvorbereitung, in denen Sie sicherstellen, dass Sie nach Ihrer eigenen Einschätzung optimal auf den kommenden Versuch vorbereitet sind.
• 6 Stunden Versuchsbesprechung und -durchführung.
• 2-4 Stunden Versuchsnachbereitung (einschließlich potentieller Beanstandungen durch Ihre:n Tutor:in).

Damit ergeben sich bis zu 160 Stunden Arbeitsaufwand im laufenden Semester.

Beachten Sie bei der Beurteilung des Arbeitsaufwands, dass die Praktika aus organisatorischen Gründen, bereits nach 10 Wochen und somit deutlich vor dem offiziellen Ende der Vorlesungszeit des Semesters enden. Dies räumt Ihnen die Möglichkeit ein sich gegen Ende der Vorlesungszeit angemessen auf anstehende Abschlussprüfungen vorzubereiten. Der Preis hierfür ist, dass sich der Arbeitsaufwand während des laufenden Praktikums entsprechend erhöht.

Im P1 und P2 Praktikum verlangen wir grundsätzlich für jeden von Ihnen ermittelten Wert zusätzlich zur Angabe eines Messwerts die Angabe einer Messunsicherheit, die als statistisches Konfidenzintervall interpretiert werden kann. Zur Angabe einer solchen Unsicherheit können Sie auf verschiedene Weise gelangt sein:

• Die beste Art und Weise zu einer Messunsicherheit zu gelangen ist es, sie aus der Varianz eines statistischen Ensembletest zu ermitteln.
• Wenn Ihnen dies nicht möglich ist liegt es an Ihnen die Unsicherheit nach Ihrem besten Wissen und Gewissen abzuschätzen. Hierbei dürfen Sie nicht zu aggressiv aber auch nicht zu konservativ abschätzen.
• Soweit es sich um Rückgabewerte einer Messapparatur handelt können Sie sich u.U. auf die Angaben des Herstellers als Autorität zurückziehen. Überprüfen Sie hierzu die Datenblätter der entsprechenden Apparaturen. Wann immer Sie die Autorität dritter bemühen, müssen Sie diese in Ihrer Auswertung ordnungsgemäß zitieren und referenzieren.
• Eine Unsicherheit kann durch Fehlerfortpflanzung aus einer Funktion von mit Unsicherheiten behafteten Zufallsgrößen abgeleitet werden.
• Eine Unsicherheit kann die Ausgabe einer statistischen Parameterschätzung sein.

Wir geben im Folgenden einige nützliche Links zu Dokumenten und Lehrmaterialien an, mit denen Sie sich mit den Methoden der statistischen Parameterschätzung vertraut machen können:

• kafe2 User Guide, kafe2 API Documentation.
• Die Folien der Vorlesung Datenverarbeitung im P1-Praktikum finden Sie hier.
• Eine Vorlesung zu den Grundlagen der statistischen Parameterschätzung finden Sie hier.
• Eine Sammlung dokumentierter Jupyter-notebook Anleitungen für ein learning while doing finden Sie hier.
• Diese Sammlung verweist auch auf das Dokument Datenauswertung in den Grundlagenpraktika zur Physik, sowie auf das Skript Funktionsanpassung mit der chi-Quadrat Methode, aus denen Sie die Grundlagen der statistischen Datenverarbeitung entnehmen können.
• Hinweise zum Messprozess und zur Parameterschätzung statistischer Modelle finden Sie in der Dokumentation zum Versuch Datenverarbeitung.
• Eine Verknüpfung zum Skript der Vorlesung CgDA aus dem Sommersemester 2024 finden Sie hier (Zugang: Students, Passwort: only).

Im Laufe des Studiums mit Hauptfach Physik bieten wir Ihnen die folgenden Vorlesungen an, in denen Sie alles wichtige zum Thema Datenverarbeitung erlernen können:

• Computergestützte Datenauswertung (CgDA);
• Rechnernutzung (RN);
• Moderne Methoden der Datenanalyse (MMDA).