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 Physik für Schülerinnen und Schüler

Didaktogene Lernschwierigkeiten im Physik-UR

Anschauliche Mechanik  

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Physik Lernen mit dem Computer

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Kommentare und Wünsche

© Horst Hübel Würzburg 2005-2014

Bisherige Physik-Versuche des Monats

Einige dieser Versuche und viele andere finden Sie im Buch:

Physikalische Schülerversuche mit PC und Mikroprozessor, 2. Auflage,

erhältlich im Buchhandel

Juni 2011: Ein Mittelwellen-Radio im Schülerversuch
Ziel:
  • Die Schülerinnen und Schüler sollen die Bedeutung eines elektromagnetischen Schwingkreises erkennen und internalisieren.
  • Sie sollen Resonanz erkennen als die Erscheinung, die für Senderauswahl und maximale Energieaufnahme sorgt.
  • Sie sollen Einsicht gewinnen in das Prinzip von (Amplituden-)Modulation und Demodulation.
  • Sie sollen das Prinzip eines einfachen Mittelwellen-Radios erkennen und ein einfaches Radiogerät selbst aufbauen.
  • Sie sollen durch die Veränderung von Induktivität und Kapazität zu Spekulationen und ihren Tests herausgefordert werden.
  • Sie sollen Freude an ihren Fähigkeiten und dem damit erzielbaren Erfolg erleben.

Juli /August 2011: Ein- und Ausschaltvorgänge beim Kondensator
Ziel:
    • Die Schülerinnen und Schüler sollen sich im Experiment wichtige Kenntnisse über Ein- und Ausschaltvorgänge beim Kondensator erwerben, insbesondere über
      • (1) Spannungsbilanz
      • (2) Stetigkeitsbedingung für die Spannung
      • (3) "Grundgesetz des Kondensators"
      • Zeitkonstante
    • Sie sollen diese Experimente weitgehend im Schülerversuch (SV) durchführen, angeleitet durch Phasen des interaktiven Unterrichtsgesprächs im Plenum (PL)
    • Sie sollen mit den oben angeführten Erkenntnissen einfache quantitative Aussagen über Spannungen und Ströme machen können.
    • Sie sollen durch ihren Erfolg bei Messungen und Analysen Freude erleben und ihr Selbstvertrauen steigern.

September 2011: Meißner'sche Rückkopplungsschaltung mit einem Operationsverstärker
Ziele:
  • Die Schülerinnen und Schüler sollen mit einfachsten Mitteln eine ungedämpfte elektromagnetische Schwingung erzeugen.
  • Elementare Kenntnisse über den Schwingkreis und die verwendete Schaltung sollen ausreichen zum Verständnis der Schwingungserzeugung.
  • Die Resonanzbedingung soll den Schülern drastisch nahegebracht werden.
  • Sie sollen Spaß haben an den Tönen, die sie ihrer Schaltung entlocken können.

Oktober 2011: Von der zufälligen Zeitfolge zur Poisson-Verteilung bei radioaktiven Zerfällen und bei abgeschwächtem Laserlicht
Ziele:
  • Die Schülerinnen und Schüler sollen das zufällige Verhalten des radioaktiven Zerfalls, ... erleben.
  • Sie sollen erkennen, dass dieser Zufall nicht gesetzlos ist.
  • Sie sollen einsehen, dass ein Weg von dieser zufälligen zeitlichen Folge zur Gesetzmäßigkeit der Poisson-Verteilung führt.
  • Sie sollen ein Gefühl dafür entwickeln, dass dies auch bei einer Laser-Mode so ist, nicht aber bei gewöhnlichem (thermischen, chaotischem) Licht.
  • Sie sollen akzeptieren, dass bei einer Laser-Mode, die sich durch eine klassische elektromagnetische Welle beschreiben lässt, die Photonenzahl un-be-stimmt ist.

November 2011: Messung der Wellenlänge von unsichtbarem Licht: Infrarot-Licht und UV-Licht
Ziele:
  • Die Schülerinnen und Schüler sollen das Prinzip einer IR-Fernbedienung kennenlernen
  • Sie sollen mit unsichtbarem IR-Licht wie mit sichtbarem Licht experimentieren
  • Sie sollen die Wellenlänge des IR-Lichts einer IR-LED messen
  • Sie sollen die Wellenlänge des UV-Lichts einer LED messen

Dezember 2011: Wir ergänzen einen käuflichen Mikroprozessor-Baustein zum Messinterface
Ziele:
  • geringfügige Ergänzung eines käuflichen Mikroprozessor-Bausteins zu einem Messinterface für physikalische Messgrößen
  • Erprobung des Mikroprozessor-Boards wie geliefert
  • Erprobung an Hand einiger Beispiele aus dem Physik-Unterricht:
    • Kennlinie einer LED
    • Entladen eines Kondensators: Strom- und Spannungsmessung
    • Gleichrichter
    • IR-Wandler zur Registrierung von Bewegungen
    • Hall-Sonde

Januar 2012: Ein- und Ausschaltvorgänge bei der Spule
Ziele:
    • Die Schüler sollen sich im Experiment wichtige Kenntnisse über Ein- und Ausschaltvorgänge bei der Spule erwerben, insbesondere über
      • (1) Spannungsbilanz
      • (2) Stetigkeitsbedingung für die Stromstärke
      • (3) "Grundgesetz der Spule"
      • Zeitkonstante t = L/R
    • Sie sollen diese Experimente weitgehend im Schülerversuch (SV) durchführen, angeleitet durch Phasen des interaktiven Unterrichtsgesprächs im Plenum (PL)
    • Sie sollen mit den oben angeführten Erkenntnissen einfache quantitative Aussagen über Spannungen und Ströme machen können.
    • Sie sollen durch ihren Erfolg bei Messungen und Analysen Freude erleben und ihr Selbstvertrauen steigern.

Februar 2012: Ein neuer Weg zu Selbstinduktion und Induktivität mittels einer spannungsgesteuerten Stromquelle
Ziele:
  • Die Sch sollen den Kernpunkt, die Proportionalität zwischen Selbstinduktionsspannung und Steigung des t-I-Graphen ( ΔI/Δt), experimentell erarbeiten.
  • Sie sollen die entstandene Spannung als Folge der Induktion erkennen.
  • Sie sollen Selbstinduktion als einen Sonderfall der gewöhnlichen Induktion erkennen.
  • Sie sollen ein Messverfahren für die Induktivität erproben.
  • Sie sollen einsehen, wie L die  Bennenung Vs/A erhält.
  • Sie sollen motiviert werden, mit den bisherigen Kenntnissen für eine lange Zylinderspule die Induktivität theoretisch herzuleiten.

März 2012: Lernstationen zur Schallgeschwindigkeit
Ziele:
  • Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Einblick in einige Situationen erhalten, bei denen die Schallgeschwindigkeit eine Rolle spielt.
  • Sie sollen mit relativ einfachen Mitteln die Schallgeschwindigkeit selbst messen.
  • Sie sollen einen ersten Einblick in stehende Schallwellen bzw. Eigenschwingungen von Gassäulen erhalten.

April 2012: Experimentierstationen zum Freien Fall
Ziele:
  • Die Schülerinnen und Schüler (Sch) sollen eine Fallbewegung untersuchen.
  • Sie sollen vom t-v-Diagramm die Art der Bewegung (gleichmäßig beschleunigte Bewegung) ablesen und auf eine konstante Kraft schließen.
  • Sie sollen die Beschleunigung als Steigung des t-v-Diagramms ermitteln.
  • Sie sollen untersuchen und verstehen, weshalb unterschiedliche Starthöhe (Anfangsgeschwindigkeit) und unterschiedliche Masse keinen Einfluss auf die Fallbeschleunigung haben.
  • Sie sollen dies damit deuten, dass zunehmende Trägheit (Masse) und zunehmende Gewichtskraft sich sozusagen in ihrer Wirkung aufheben.
  • Sie sollen das t-x-Diagramm des Freien Falls kennen lernen und die quadratische Abhängigkeit nachweisen.
  • Sie sollen einem Fallversuch mit zunehmender Luftreibung entnehmen, dass die wirkende Kraft im Laufe der Zeit kleiner wird, und dies deuten mit einer zunehmenden Kompensation der Gewichtskraft durch die anwachsende Luftreibungskraft.

Juni/Juli 2012: Ausmessen des Interferenzfelds bei Ultraschall mit der Maus
Ziel:
  • Die Schüler sollen das Phänomen der Interferenz (von Schall) erleben, ohne durch große Lautstärke belästigt zu werden.
  • Sie sollen sich im Experiment eine Vorstellung von der Bedeutung und vom Zustandekommen einer Interferenzfigur erarbeiten.
  • Sie sollen beeindruckt sein durch die dramatischen Amplitudenänderungen von den Minima zu den Maxima, obwohl sie nichts hören können.
  • Sie sollen am Beispiel der Zweistrahlinterferenz mit Ultraschall aus der Intensitätsverteilung auf dem Bildschirm auf die Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls schließen.

Juli/August 2012: Ausmessen von Magnetfeldern mit der Maus
Ziel:
    • Die Schüler sollen mit Hilfe der PC-Maus Magnetfelder im Raum erleben, ohne zur Assoziation "Magnetfeld = Feldlinienbild" verführt zu werden.
    • Sie sollen sich im Experiment eine Vorstellung vom Magnetfeld einer kurzen und einer langen Spule erarbeiten und sich der Besonderheit der langen Spule bewusst werden, die zu beträchtlichen Vereinfachungen führt und elementare Näherungen bei der Berechnung des Magnetfelds ermöglicht. Die Physik lebt ja von Näherungen.
    • Sie sollen qualitativ die Abstandsabhängigkeit des Magnetfelds vor einem Permanentmagneten mit der Maus untersuchen.

Januar/Februar 2013: Ein neuer Weg zur Einführung in die Wechselstromlehre mittels einer spannungsgesteuerten Stromquelle (Strompumpe)
Ziel:
    • Die Sch sollen einsehen, wie es möglich ist, dass ein Wechselstrom in einem durch einen Kondensator unterbrochenen Stromkreis fließen kann
    • Sie sollen ein Gefühl dafür bekommen, weshalb die Stromstärke der Spannung vorauseilt.
    • Sie sollen ein Gefühl dafür bekommen, weshalb ein kapazitiver Widerstand mit zunehmender Frequenz kleiner wird.
    • Sie sollen einsehen, dass hinter allem die "Grundgleichung des Kondensators": Q = C·U steht.

    • Die Sch sollen einsehen, weshalb eine Spule im Stromkreis einem Wechselstrom einen zusätzlichen Widerstand entgegensetzt.
    • Sie sollen ein Gefühl dafür bekommen, weshalb die Spannung der Stromstärke vorauseilt.
    • Sie sollen ein Gefühl dafür bekommen, weshalb ein induktiver Widerstand mit zunehmender Frequenz größer wird.
    • Sie sollen einsehen, dass hinter allem die "Grundgleichung der Spule": Uind = - L·dI/dt  steht.

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März/April 2013: Abstandsabhängigkeit der elektrischen Kraft beim Coulombfeld einer "Punktladung"
Ziel:
  • Kraftmessung mit einer empfindlichen Waage; hier bietet sich an der Einsatz
    • einer Digitalwaage (Auflösung 0,1 mg) oder
    • der "Auslenkungsmethode"
  • Messung des elektrischen Potenzials (mit der Flammensonde)
  • indirekte Messung: Messung der Verschiebungsdichte D durch die Influenzladungsdichte auf einen die Ladung ganz umgebenden Konduktor 

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April /Mai 2013: Physikalische Einsichten mit trägheitslosen Zeigermessgeräten

Video: Kondensator im Wechselstromkreis

Ziel:
  • Den Schülern soll der Zeitverlauf von langsamen bzw. niederfrequenten elektrischen Vorgängen bis einigen Hundert Hz "ins Auge springen"
  • Trägheitslose Zeigerdarstellung bewährt sich bei sehr einfachen Zeitverläufen (rechtecks- bzw. dreiecksförmig)
  • Beispiele:
    • (a) Induktionsgesetz im Demonstrationsversuch
    • (b) Induktionsgesetz im Schülerversuch
    • (c) Einführung des "Grundgesetzes der Spule" bzw. der Induktivität
    • (d) dynamische Einführung des "Grundgesetzes des Kondensators" - Wechselstrom durch einen Kondensator
    • (e) Stromstärkenvergleich im elektromagnetischen Schwingkreis innerhalb und außerhalb des Resonanzfalls

.September/Oktober 2013: Wärme, innere Energie und Temperatur

Ziel:
  • Die Schülerinnen und Schüler sollen bei einem Erwärmungsversuch eindringlich die begriffliche Verschiedenheit von zugeführter Energie/Wärme, innerer Energie und Temperatur erleben.

  • Ihnen soll bewusst werden, dass die beteiligten Energien einen Mengencharakter besitzen (extensive Größen), nicht aber die Temperatur als Zustandsgröße (intensive Größe).

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