Innovative Lehrmittel aus Bremen

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1 Innovative Lehrmittel aus Bremen I. Rückmann, P. Kruse, C. Windzio PHYSIKA Physikalische Praktika der Universität Bremen Berlin Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

2 Physikalische Praktika in Bremen ein Überblick Grundpraktika für 7 Studiengänge (ca. 500 Studenten/Semester) Fortgeschrittenenpraktikum Projektpraktikum Schulgerätepraktikum Demonstrationsexperimente Schülerlabor Sonderveranstaltungen Versuchsentwicklungen BSc- und MSc-Arbeiten Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

3 Das Bremer Konzept: Oenes Praktikum Keine fest installierten Versuche (groÿe Sammlung) inhaltliche Abstimmung mit Vorlesung/Übung (Vorlesungsbegleitend) Versuche können modiziert werden Mehrfacheinsatz von Geräten Neu- und Weiterentwicklung von Versuchen möglich Auswahl verschiedener Messmöglichkeiten Nutzung der Geräte für: Projektpraktika, Schülerlabor, Schulgerätepraktikum, Hörsaalexperimente, Sonderveranstaltungen... jeweils 5 identische Versuchsaufbauten und 6 Themen parallel breites Angebot: Über 70 Themen Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

4 Schülerlabor am physikalischen Praktikum Schulklassen experimentieren Projekte mit Netzwerkpartnern Sonderveranstaltungen (Kinderuni, Schülersommerakademie, Lehrerweiterbildung... ) Netzwerkpartner (BMBF-Projekt): Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

5 Schülerlabor Ergänzung des Physikunterrichts durch quantitatives Experimentieren an Versuchen, die in der Schule nicht verfügbar sind. Schüler lernen, dass die Durchführung eines Experiments intensive Vorbereitung, Planung, Ausdauer, Kreativität und Fleiÿ erfordert. Oberstufen-Prolkurs Nachhaltige Technologien führen im Praktikum experimentellen Unterricht durch Möglichkeit der naturwissenschaftlichen Prolierung von Schulen Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

6 Innovative Experimente aus Bremen entwicklung-von-innovativen-experimenten/ Auistung von 20 Experimenten Workshop 2014: Taupunkttemperatur, Lorentzkraftgetriebene schwingende Saite, Masse-Feder-System... Heute hier ausgestellt: diraktive Optik mit CD Musikübertragung mittels magnetfeldinduzierter Doppelbrechung Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

7 Faraday-Rotation / Verdet Konstante transparentes Medium (dielektrisch, nicht magnetisch) linear polarisiertes Licht (Wechselwirkung mit Elektronen) magnetfeldinduzierte Doppelbrechung (Lorentzkraft) Drehung der Polarisationsebene (Faraday-Rotation) θ = V B L Anwendungen: Faraday Isolator Bestimmung der eektiven Masse in Halbleitern Polarisationsmodulation Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

8 Polarisationsmodulation θ = V B L Modulation der Flussdichte B im Axialfeld Modulation des Drehwinkels der Polarisationsebene im Medium Detektion mit Analysator und Si-Fotodetektor, Amplitudenmodulation Beweis, dass die (Dispersions-)Elektronen für die optischen Eigenschaften verantwortlich sind. Wie viele sind es pro Atom? Experiment: Messung der Verdet-Konstante mit Modulationsverfahren Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

9 Glas Zeeman-Aufspaltung im Axialfeld Alle hochenergetischen Übergänge Modellresonanz Brechungsindex n Wellenlänge (nm) Brechungsindex n n r 0 n l Wellenlänge (nm) l = 2 l = 1 σ σ + m Ẽ = 2 W Zeeman = e m B e λ = λ2 e B hc m e Brechungsunterschied n l und n r im transparenten Bereich m = ±1 Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

10 Linearpolarisation: Überlagerung von σ - und σ + -Wellen E = E r + E l = E 0 2 exp i (ωt k rz) + E 0 2 exp i (ωt k lz) ω ) ( E z=l = E 0 exp i( 2c (n l n r )L cos ωt k ) l + k r L 2 Drehwinkel der Polarisationsebene: θ = ω 2c (n l n r ) L = 2πf 2c (n l n r ) L = π λ (n l n r ) L = π λ λdn dλ L Bequerel 1897: θ = 1 e 2 m ec λdn B L dλ }{{} Verdet Konstante m e Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

11 Eektive Oszillatormasse und Dispersion Dispersionselektronen im Glas: m e #» x + D #» x = e ( #»E + #» v B #» e z ) n 2 l,r = ε l,r = 1 + Ne2 m eε 0 1 ω 2 0 ω2 ω eb m e... V = ω2 Ne 3 2cnm 2 e ε 0 1 (ω 2 0 ω2 ) 2 N Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

12 Axiales Magnetfeld in einer endlichen Spule Magnetische Flussdichte B (mt) I eff=1,8 A I eff=1,45 A I eff=1,02 A Position in der Spule x (cm) B = 1 L ˆ L 0 Bdl Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

13 Modulation des Magnetfelds Malus I = I 0 cos 2 ϕ (Analysatorwinkel ϕ) gröÿter Anstieg bei ϕ = 45 I = I 0 cos 2 (45 o ± θ) = 1 2 I 0 (1 ( 2 cos θ sin θ) I θ ) B Modulationsfrequenz Ω I(t) = I 0 ( θ B sin Ωt ) = I DC + I AC θ B = I SS 4I DC spektrale Funktionen heben sich auf Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

14 Versuchsaufbau V = f (B, λ) Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

15 Drehwinkel θ(b) Polarisationsdrehung θ (rad) 0,008 0,006 0,004 rote LED grüne LED blaue LED gelbe LED 0, Mittlere Magnetische Flussdichte B (mt) Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

16 Verdet-Konstante V (λ) 12 rad T m Verdetkonstante nm 750 Wellenlänge Ergebnis: m e = 1,2 m e Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

17 Bestimmung von: m e, λ 0, N Eektive Oszillatormasse m e aus V und Kenntnis dn/dλ (refractiveindex.info) m e 1,2 m e Lage der Modellresonanz λ 0 aus Auftragung Zahl der Dispersionselektronen N Kenntnis m e ( ) 1 n 2 1 = 4π2 c 2 m e ε Ne 2 λ 2 λ 0 2 und n(λ) erforderlich N = 1, cm 3 (0, cm 3 Atome im SiO 2 ) Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

18 Inhalte axiales Magnetfeld in einer Spule malussches Gesetz, B = 0 Kontraste, Polarisationsverhältnisse Spannungsdoppelbrechung in Glas Spektren von Leuchtdioden Modulationsverfahren zur Messung kleiner Gröÿen Messung mit Oszilloskop, Tiefpasslter Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

19 Inhalte Zeeman-Eekt im Axialfeld, Faraday-Rotation Verdetkonstante V (λ) Modellresonanz, Oszillatormodell, dielektrische Funktion Dispersion n(λ), dn/dλ, Sellmeier-Gleichung eektive Oszillatormasse Bestimmung der Zahl der Dispersionselektronen/Atom Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20

20 Danksagung An das Praktikumsteam: Waltraud Homann, Silke Glüge, Peter Kruse, Christoph Windzio Und an die mechanische Werkstatt Fotos, Graken und Präsentationslayout: Christoph Windzio Rückmann, Kruse, Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 20