Der M-Pool ist ähnlich aufgebaut wie der E-Pool, den Sie im Wintersemester kennengelernt haben. Beim M-Pool steht speziell das Messen mit digitalen Messmitteln im Vordergrund. Der Arduino Nano dient dabei als digitale Basis.

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 TODO LINK), und haben damit alle Anforderungen dieses Versuchs erfüllt.

Wie beim E-Pool gibt es für Sie auch hier eine große Freiheit, womit sie sich beschäftigen wollen.

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.

Suchen Sie sich im Katalog der Komponenten eine bereits vermessene Eigenschaft aus. ¹⁾ Überprüfen Sie die dort angegebenen Werte mit einer eigenen Messung.

Alle anderen Regelungen sind so wie für 1.1.

Ihnen haben die Aufgaben im E-Pool gefallen und Sie bedauern, dass Sie nicht mehr E-Pool-Versuche hatten? Bearbeiten Sie eine der E-Pool-Aufgaben so, dass der Arduino eine wesentliche Rolle spielt.

Neben der Eintragung in die Tabelle schicken Sie bitte eine kurze Email mit Ihrem Vorhaben an Kai-Martin Knaak (knaak@iqo.uni-hannover.de). Frist dafür ist wie bei der Eintragung der Freitag vor dem Versuchstermin, 14:00 Uhr.

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 Freitag, 14:00 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 Freitag, 14:00 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.
• Schreiben Sie das Messvorhaben ausformuliert an die Tafel.
• 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.

Zwischen etwa 14:45 Uhr und 18:00 Uhr haben Sie Gelegenheit, ihren Messaufbau zu erstellen, den Arduino zu programmieren und Messungen durchzuführen. Dabei haben Sie jeweils einen Arbeitsplatz mit Desktop-Computer und Bildschirm zur Verfügung. Auf den Computern ist die Arduino-Entwicklungsumgebung installiert.

Überzeugen Sie sich davon, dass die digitale Seite Ihres Aufbaus funktioniert, indem Sie die LED des Arduinos blinken lassen.

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.

TODO nicht mehr aktuell Eine Woche nach dem Versuchsnachmittag geben Sie in ILIAS einen Versuchsbericht ab. Dabei ist es noch wichtiger als bei Berichten zu “normalen” Versuchen, dass der Text für sich stehend verständlich ist. Denn beim M-Pool sorgen die Randedingeungen dafür, dass sich die Messungen von Gruppe zu Gruppe deutlich unterscheiden.

• Sie können für ihre Messung alle Geräte und Komponenten verwenden, die Sie bereits im E-Pool kennengelernt haben. 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, könnenen Sie also durchaus zwei oder mehr dieser Mikroprozessoren 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.

TODO ist das noch aktuell? Es gibt Leih-USB-Sticks. Die Rückgabe erfolgt mit der Abgabe des Versuchsberichts.