Die heutige Forschung in der Physik kommt nicht mehr ohne digitale Datenaufnahme aus. Vielleicht ist Ihnen selbst bei vergangenen Versuchen schon aufgefallen, dass das Aufnehmen der Messwerte von Hand recht aufwändig ist. Deswegen versucht man in der Praxis häufig, diesen Vorgang zu automatisieren. Das bietet gleich mehrere Vorteile:

• Der Computer kann schneller Daten aufnehmen als der Mensch.
• Die Daten liegen sofort in einem maschinenlesbaren Format vor, was die Auswertung einfacher macht.
• Bei vielen Experimenten ist die Menge an gewünschten Messwerten zu groß, um sie realistisch von Hand aufzunehmen.
• Bei guter Umsetzung reduziert man die Fehlerquellen: Ein Mensch macht Ablese- und Schreibfehler, der Computer (bei guter Programmierung) nicht.

Das klingt zuerst sehr überzeugend, und ist es im Wesentlichen auch. Allerdings ist eine digitale Datenaufnahme oft schwieriger, als man auf den ersten Blick erwartet. Ein Experiment misst nämlich üblicherweise keine Bits und Bytes, sondern abstrakte physikalische Messgrößen. Um die in ein maschinenlesbares Format zu überführen, braucht man typischerweise:

• Geeignete Sensoren.
• Analoge Elektronik, die die Signale der Sensoren vorverarbeitet (z.B. verstärkt, entrauscht, u.ä.).
• Eine Übersetzung von analogen in digitale Signale, sowie digitale Elektronik, die die Daten aufzeichnet.
• Geeignete Steuerungssoftware.

Es ist Aufwand, das zu finden, zu bauen oder zu entwickeln. Außerdem führt jeder dieser Schritte seine eigenen Fehlerquellen ein, die man berücksichtigen muss.

Das Ziel vom M-Pool ist es, Sie mit diesem Prozess der digitalen Datenaufnahme vertraut zu machen. Anhand von einem Beispielprojekt lernen Sie, wie Sie geeignete Sensoren auswählen, deren Daten Sie über einen passenden Aufbau für den Arduino zugänglich machen. Für diesen schreiben Sie ein kleines Programm, was die Daten aufzeichnet und Ihnen zur Verfügung stellt. Anschließend schreiben Sie wie gewohnt einen Bericht inklusive Fehleranalyse.

Noch mehr als bei anderen Versuchen ist hier hervorzuheben, dass es nicht notwendig ist, am Ende aussagekräftige Messwerte zu erhalten. Es geht darum, Ihnen den Prozess und die Schwierigkeiten der digitalen Datenaufnahme erleben zu lassen. Wenn Sie die gesamte Versuchszeit damit verbringen, Fehler und Probleme in Ihrem Versuchsaufbau zu finden und zu korrigieren, ist das ein voller Erfolg, weil Sie dabei (im Idealfall) viel gelernt haben. Das dokumentieren Sie dann entsprechend in Ihrem Bericht (mehr dazu weiter unten), und haben damit alle Anforderungen dieses Versuchs erfüllt.

Anders als bei den meisten anderen Versuchen gibt es beim M-Pool keinen festen Versuchsablauf, dem Sie folgen sollen. Stattdessen suchen Sie sich ein eigenes Projekt, an dem Sie dann zwei Versuchstermine lang arbeiten. Ihre Ergebnisse dokumentieren Sie im Anschluss wie gewohnt in einem Versuchsbericht, der beide Termine zusammen abdeckt.

Zentrale Anforderung ist, dass Sie den Arduino nutzen, um Messwerte aufzunehmen, und diesen Prozess so sehr automatisieren wie möglich. Wir machen Ihnen hier ein paar Vorschläge, was Sie tun können, es gibt aber auch immer die Möglichkeit eines „Jokers“, bei dem Sie ihre eigene Idee umsetzen können.

Bitte wählen Sie genau eine der folgenden Optionen:

Wählen Sie aus dem Katalog der Komponenten eine Komponente und dazu eine Eigenschaft, die Sie am Versuchsnachmittag bestimmen möchten. Dabei gilt die Randbedingung, dass jedes Paar von Messobjekt und Eigenschaft von maximal einer Gruppe bearbeitet wird. Ihre Wahl tragen Sie in die zu Ihrem Versuchstermin passende der hier vorbereiteten Tabellen ein.

Wählen Sie einen Praktikumsversuch aus, den Sie in einem der vergangenen Semester durchgeführt haben. Suchen Sie sich eine Messung aus, die Sie jetzt mit dem Arduino automatisieren.

Wenn sie nicht alles automatisieren können, ist das nicht schlimm, solange der Arduino eine wesentliche Rolle spielt und ihre Messerfahrung verbessert. Falls möglich: Nutzen Sie die Möglichkeiten des Arduino, um deutlich mehr Werte aufzunehmen, als es von Hand möglich wäre.

Vergleichen Sie in Ihrer Auswertung mit den Werten, die Sie in der Vergangenheit per Hand aufgenommen haben. Was lief besser, was lief schlechter? Hat die Nutzung des Arduinos einen Mehrwert gebracht?

Neben der Eintragung in der Tabelle ist es hier sehr wichtig, dass Sie ihr Vorhaben bis Montag, 20:00 per Mail an Kai-Martin Knaak (knaak@iqo.uni-hannover.de) schicken und kurz schildern, was Sie tun möchten und vor allem, welches Material Sie brauchen. Wir können nicht garantieren, dass ihr Vorhaben umsetzbar ist, vor allem weil das Material eventuell für andere Versuche gebraucht wird oder nicht transportabel ist. Es kann also passieren, dass Sie doch noch auf eine andere Option umschwenken müssen.

Wir versuchen aber, vieles möglich zu machen. Denken Sie gerne schon im Voraus darüber nach, ob ihr Vorhaben realistisch umsetzbar ist. Eine Münze fallen lassen können Sie immer, ein Fadenpendel bekommen wir mit hoher Wahrscheinlichkeit auch aufgetrieben. Einen Laser ziemlich sicher nicht.

Werden Sie kreativ! Nutzen Sie den Arduino, um eine Messung Ihrer Wahl durchzuführen (die mit den verfügbaren Materialien umsetzbar ist). Lassen Sie sich gerne von den obenstehenden Ideen und den vorhandenen Komponenten inspirieren – oder seien Sie ganz originell. Seien Sie ambitioniert! Wenn ihre Idee nicht funktioniert, ist das erstmal nicht schlimm, solange Sie dabei etwas lernen.

Auch hier ist es neben der Eintragung in der Tabelle wichtig, dass Sie ihr Vorhaben bis Montag, 20:00 per Mail an Kai-Martin Knaak (knaak@iqo.uni-hannover.de) schicken und kurz Ihren Plan schildern.

Nachdem Sie sich eine der obigen Optionen ausgesucht haben, bereiten Sie Ihren Versuch vor. Die Versuche im M-Pool sind recht frei und es gibt keine feste Anleitung. Deswegen ist dieser Schritt sehr wichtig, und spart Ihnen am Versuchstag viel Zeit. Nehmen Sie die Vorbereitung also ernst!

Skizzieren Sie einen Aufbau, mit dem Sie ihre Messung durchführen möchten. Da der Arduino letztlich elektrische Spannungen misst, sollte ihre Skizze die Form eines Schaltplans haben.

Denken Sie darüber nach, was für analoge Elektronik Sie vor dem Eingang des Arduinos nutzen möchten. Ist das Signal sehr schwach und muss verstärkt werden? Ist das Signal verrauscht und kann im Voraus gefiltert werden?

Prüfen Sie im Katalog der Komponenten, ob alle Komponenten, die Sie benutzen wollen, auch vorhanden sind (die gängigsten Elektronikbauteile sollten aber auf jeden Fall da sein).

Entwerfen Sie ein Programm für den Arduino, mit dem Sie Ihre Messung durchführen werden. Verwenden Sie gerne Pseudocode, um den Ablauf ohne Bindung an eine konkrete Programmiersprache deutlich zu machen.

Wenn Sie möchten, nutzen Sie gerne Ihren Arduino Nano, um Dinge auszuprobieren.

Welche Fehlerquellen erwarten Sie für ihre Messung? Schätzen Sie ab, in welcher Größenordnung die Unsicherheit ihrer Messergebnisse liegen wird. Berücksichtigen Sie dabei die Auflösung des A/D-Wandlers des Arduinos.

Am Praktikumsnachmittag, ab 14:00 Uhr stellen Sie Ihren Kommilitonen Ihr Messvorhaben in einer kurzen Präsentation vor. Für Skizzen und Stichworte steht Ihnen ein Smartboard oder ein Flip-Chart zur Verfügung.

• Notieren Sie auf der Tafel ihre Gruppennummer und ihre Themenwahl.
• Erklären Sie, wie der von Ihnen geplante Messaufbau funktioniert (z.B. mithilfe mit einer Skizze des Schaltplans).
• Geben Sie an, welche physikalische Größe Sie messen werden.
• Geben Sie an, welche Einheit die physikalische Größe hat.
• Geben Sie einen Wertebereich an, in dem Sie das Ergebnis ihrer Messung erwarten.

Die Präsentation sollte nicht länger als etwa 4 Minuten sein – also wirklich kurz.

Anders als bei anderen Versuchen haben Sie für den M-Pool zwei Termine, an denen Sie ihren Versuch durchführen. Der erste Termin dient dazu, den grundlegenden Versuchsaufbau zum Laufen zu bringen und ggf. schon erste Messwerte zu sammeln. Am zweiten Termin setzen Sie das fort, beheben noch vorhandene Fehler und sammeln weitere Messwerte. Wenn es gut läuft, erweitern und verbessern Sie Ihren Aufbau, um weiterführenden Fragen und Ideen nachzugehen.

An den Versuchstagen haben Sie jeweils einen Arbeitsplatz mit Leihlaptop oder wahlweise Ihrem eigenen Laptop zur Verfügung. Auf den Computern ist die Arduino-Entwicklungsumgebung installiert. Außerdem können Sie alle vor Ort vorhandenen Bauteile nutzen (Katalog der Komponenten).

Die Versuchszeit ist jeweils von 14 - 18 Uhr. Weil im M-Pool die praktische Erfahrung im Vordergrund stehen soll, wünschen wir uns, dass Sie diese Zeit gut ausnutzen. Wenn Sie genug Messungen für Ihre ursprüngliche Messfrage gesammelt haben, überlegen Sie sich gerne, wie Sie ihren Versuch ausbauen können. Seien Sie auch gerne kreativ und haben Spaß damit, mit dem vorhandenen Material zu experimentieren!

Bevor Sie mit ihrem eigentlichen Aufbau beginnen, überzeugen Sie sich davon, dass die digitale Seite Ihres Aufbaus funktioniert, indem Sie die LED des Arduinos blinken lassen. Überspringen Sie diesen Schritt nicht! Es kommt häufiger zu Verbindungsproblemen, als man denken würde, und dieser erste Test erleichtert die weitere Fehlersuche.

Bauen Sie Ihren Versuchsaufbau auf. Erstellen Sie das von Ihnen skizzierte Messprogramm. Nehmen Sie einen oder mehr Datensätze auf. Speichern Sie die Messergebnisse auf einem USB-Stick.

Es kann passieren, dass Sie aufgrund von Problemen nicht die Art Daten aufnehmen konnten, die sie sich erhofft haben. Das ist nicht schlimm. Versuchen Sie, im Verlauf des Versuchs ihr Vorgehen zu dokumentieren. Wenn Sie zwischendurch Daten erhalten, die Ihnen aber „nicht richtig“ vorkommen, speichern Sie diese trotzdem ab. Wenn Sie ein Oszilloskop zur Fehlersuche verwenden, machen Sie Fotos (oder speichern Sie die Daten aus dem Oszilloskop ab).

Nachdem Sie den ersten Versuchstag abgeschlossen haben, ziehen Sie ein Zwischenfazit. Wie weit sind Sie gekommen? Was ist noch zu tun, welche Daten möchten Sie noch sammeln? Beginnen Sie gerne schon damit, den Bericht zu schreiben. Brauchen Sie dafür noch Fotos, Informationen, etc.?

Wenn unerwartete Fehler aufgetreten sind: Nutzen Sie die Zeit, um mögliche Lösungen zu recherchieren. Wenn Sie schon sehr weit gekommen sind: Überlegen Sie sich, wie Sie Ihren Versuch erweitern können. Werden Sie kreativ!

Sie geben wie bei den anderen Praktikumsversuchen auch einen Bericht ab. Beim M-Pool ist besonders, dass der Bericht über beide Termine gemeinsam geschrieben wird. Das heißt explizit nicht, dass er doppelt so lang sein soll! Schreiben Sie nur so viel wie nötig, idealerweise nicht mehr als 10 Seiten.

Die Abgabefrist ist die gleiche wie bei den anderen Versuchen auch, nämlich 2 Wochen, nachdem Sie den Versuch beendet haben (gerechnet ab dem 2. Versuchstermin). Der Bericht wird mit 7 bis 10 Punkten bewertet, wobei 8 Punkte der reguläre Fall sind (entsprechend zwei Versuchen mit je 4 Punkten). Bei Mängeln gibt es also ggf. einen Punkt weniger, und für einen besonders guten Versuch und Bericht können Sie bis zu zwei zusätzliche Punkte bekommen.

Grundsätzlich ist die Struktur des Berichtes recht ähnlich zu allen anderen Versuchen. Weil Sie ihr Experiment selbst geplant haben und es keine Anleitung gibt, ist es sehr wichtig, dass der Text für sich stehend verständlich ist. Orientieren Sie sich gerne an Ihren Erfahrungen aus vergangenen Versuchen, und an der untenstehenden Struktur.

Beschreiben Sie kurz Ihr Vorhaben.

Beschreiben Sie Ihren Versuchsaufbau. Nutzen Sie hier gerne Skizzen, Schaltpläne und Fotos.

Beschreiben Sie das Vorgehen beim Versuch. Welche Schritte führen Sie selbst durch, was automatisiert der Arduino?

Präsentieren Sie wie gewohnt Ihre Messdaten. In den meisten Fällen haben Sie sehr viele Messwerte in einer Datei. Diese müssen Sie nicht dem Bericht anhängen (niemand profitiert von einer 50-seitigen Tabelle mit Messwerten). Nutzen Sie stattdessen Plots o.ä., die die Struktur der Daten deutlich machen. Entscheiden Sie selbst, welche Aufbereitung der Daten Ihnen sinnvoll erscheint, und nutzen Sie, was Sie in den vergangenen Semestern im Praktikum gelernt haben.

Machen Sie eine Fehleranalyse. Beziehen Sie dabei auch die durch die Elektronik eingeführten Fehler mit ein.

Falls Sie nicht die Art Daten erhalten haben, die Sie sich erhofft haben, arbeiten Sie mit dem, was Sie haben. Werten Sie ihre Zwischenergebnisse soweit es geht aus. Wenn Ihre Fehler sehr groß sind, geben Sie sie genauso an, das ist das Ergebnis Ihrer Messung. Schildern Sie, was nicht nach Plan gelaufen ist, und überlegen Sie in der Reflektion, an welchen Stellen Sie sich verbessern könnten.

Diskutieren Sie ihre Ergebnisse. Entsprechen Sie dem, was Sie erwartet haben? Wenn es Vergleichswerte gibt (Literatur, Messung durch vorherige Gruppe, Daten eines Ihrer früheren Versuche) vergleichen Sie. Sind ihre Daten konsistent?

Da Sie den Versuch selbst geplant haben: Seien Sie selbstkritisch. Was lief gut? Was sollte man das nächste Mal anders machen? War der Einsatz des Arduino sinnvoll? Hätten Sie ihn mehr/weniger/anders einsetzen sollen?

Was ist Ihnen sonst noch aufgefallen, was bietet Verbesserungspotential?

• Sie können für ihre Messung alle Geräte und Komponenten verwenden, die vor Ort zur Verfügung stehen. Das gilt insbesondere für Funktionsgeneratoren, Labornetzteile und Steckbretter.
• Unsere Komponenten-Bar enthält von fast allem mehr, als typischerweise an einem Experimentier-Nachmittag gleichzeitig benutzt wird. Das gilt insbesondere auch für die Arduinos. Wenn es Ihre Messung beschleunigt oder erleichtert, können Sie also durchaus zwei oder mehr dieser Mikrocontroller einsetzen.
• Elektrische Schaltungen brauchen üblicherweise eine gemeinsame Masse, auf das sich Signale beziehen. Ein Bereich, der ausdrücklich für die Masse reserviert ist, macht Ihren Aufbau übersichtlich (“Masseschiene”).
• Messgeräte messen Spannungen in Bezug auf ein Referenzpotential. Das trifft auch auf den Arduino zu. Er braucht also immer zwei Anschlüsse, um eine Spannung zu messen.
• Unter https://www.arduino.cc/reference/en/ finden Sie eine Übersicht über häufig genutzte Funktionen für die Arduino-Programmierung.
• Unter Windows 11 müssen Sie möglicherweise einen anderen Arduino-Treiber installieren, das wird auf dieser Seite erklärt.
• Es gibt Leih-USB-Sticks. Die Rückgabe erfolgt mit der Abgabe des Versuchsberichts.
• Die neue Version der IDE unterstützt kopieren aus dem seriellen Monitor nur eingeschränkt. Alternativen sind (neben der Nutzung einer SD-Karte) die alte Version der IDE, oder diverse andere Tools zum Auslesen einer seriellen Schnittstelle. Online gibt es z.B. https://web-serial-plotter.atomic14.com/ (nur Chrome, Edge).