Innovative Lehrmittel aus Bremen

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1 Innovative Lehrmittel aus Bremen I. Rückmann und C. Windzio PHYSIKA Physikalische Praktika der Universität Bremen Berlin I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

2 Gliederung 1 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Universität Bremen 2 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen 3 Taupunkt 4 Masse-Feder System 5 Faraday-Rotation I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

3 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Uni-Bremen Gliederung 1 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Universität Bremen 2 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen 3 Taupunkt 4 Masse-Feder System 5 Faraday-Rotation I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

4 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Uni-Bremen Physikalische Praktika in Bremen ein Überblick Grundpraktika für 7 Studiengänge (ca. 500 Studenten/Semester) Fortgeschrittenenpraktikum Projektpraktikum Schulgerätepraktikum Demonstrationsexperimente Schülerlabor Sonderveranstaltungen Versuchsentwicklungen I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

5 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Uni-Bremen Schülerlabor am physikalischen Praktikum Schulklassen experimentieren Projekte mit Netzwerkpartnern Sonderveranstaltungen (Kinderuni, Schülersommerakademie, Lehrerweiterbildung... ) Netzwerkpartner (BMBF-Projekt): I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

6 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Uni-Bremen 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 I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

7 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Uni-Bremen 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 I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

8 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Gliederung 1 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Universität Bremen 2 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen 3 Taupunkt 4 Masse-Feder System 5 Faraday-Rotation I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

9 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Motivation Resonante stehende Wellen - ein wichtiges physikalisches Konzept Anwendungen Akustik und Optik Elektrizitätslehre (Antennen) Quantenmechanik (Energiezustände des Elektrons im Atom) Klassisches Monochord: nur kurze Beobachtungszeit nach Anzupfen möglich Stroboskop notwendig nur 1. und evtl. 2. Harmonische beobachtbar I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

10 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Idee: Lorentzkraftgetriebenes Monochord berührungslose und kontinuierliche Anregung der Saite Beobachtung von: Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten mit dem Auge (ohne Stroboskop!) bis 6. Harm. durch Verschieben des Magneten bis 32. Harm. Einstellung der Resonanzen (Sehen, Hören, Lissajousguren) erzwungene Schwingungen, Resonanz, Phasenverschiebung Frequenzanalyse I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

11 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Eigenfrequnzen 4f 3f f 2f Schwingungszustände bis zur 4. Harmonischen dargestellt zum Zeitpunkt t und t + T n/2 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Länge (willkürliche Einheiten) f n = v PH λ n = 1 Fx λ n ρa = n Fx 2L ρa I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

12 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen ExperimentellerAufbau Laptop zur Frequenzanalyse Kanal 2 Oszilloskop Kanal 1 Tonfrequenzgenerator Auto-Audio- Verstärker 2 x 125 W A Federkraftmesser Spannschraube Steg Saite Magnet Steg Strombegrenzung durch Glühlampe (12 V / 18 W) auf 1,5 A Saite: Messingdraht! (0,45 mm) F L (0,2 A) = 1,5 mn bis F L (1,5 A) = 11,5 mn (B = 0,5 T) I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

13 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Grundfrequenz vs. Zugkraft 60 f 1 = 1 Fx 2L ρa Frequenz in Hz Zugkraft F in N Rollensteg verhindert Haftreibungseinuss I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

14 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen 5. Harmonische Saitenlänge: 90 cm Knotenabstand: 18 cm Bis zur 6. Harmonischen können die Eigenschwingungen gut mit dem Auge beobachtet werden I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

15 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Resonanzeinstellung mit Lissajous-Figuren CH1Generatorsignal (blau) CH2Mikrofonsignal (gelb) Im Resonanzfall beträgt die Phasenverschiebung ± π 2 I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

16 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Anregung höherer Harmonischer Anregung f 8 = 425 Hz (f 1 = 53,2 Hz, F = 10 N, I = 0,6 A, F L = 6 mn) Resonanzeinstellung: Hören, Sehen, Mikrofonsignal, Lissajousgur Ausmessen der Bäuche und Knoten durch Verschieben des Magneten Magnet am benachbarten Bauch verschiebt Mikrofonsignal um cm / 11,3 cm = 7,96 (8. Harmonische) I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

17 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen 36. Harmonische Anregung mit f 36 = 1916 Hz nur zwischen den Knoten ndet eine Anregung statt nur die Breite des Magneten begrenzt die Auösung I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

18 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Frequenzanalyse und Variation der Lorentzkraft Resonante Anregung der 8.Harmonischen mit f 8 = 425 Hz (f 1 = 53,2 Hz, F = 10 N) F L = 2,25 mn (I = 0,3 A) F L = 11,3 mn (I = 1,5 A) Bei starker Anregung entstehen viele Obertöne der direkt angeregten 8. Harmonischen beobachtbar: 8., bis zur 192.(= 24 8) Harmonischen I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

19 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Zusammenfassung komplexer Versuch mit vielen Lerninhalten stehende Wellen an der schwingende Saite berührungslose, kontinuierliche Anregung mittels Lorentzkraft Beobachtung der Eigenzustände mit dem Auge und durch das Verschieben des Magneten entlang der Saite Resonanzeinstellung durch Sehen, Hören, Lissajousguren erzwungene Schwingungen, Resonanz, Phase Frequenzanalyse: harmonische und anharmonische Anregung I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

20 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen Umsetzung durch die Fa. PI micos I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

21 Taupunkt Gliederung 1 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Universität Bremen 2 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen 3 Taupunkt 4 Masse-Feder System 5 Faraday-Rotation I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

22 Taupunkt Optische Taupunktmessung Bestimmung der absoluten und relativen Luftfeuchtigkeit f und ϕ f = m D /V = ρ D ϕ = f/f m (T ) Abkühlung eines Spiegels bis zum Taupunkt τ f f max (τ) p SD (τ)v = f max (τ)v Rτ Sättigungsdampfdruck als Funktion der Temperatur ist tabelliert I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

23 Taupunkt Geräte und Teile I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

24 Taupunkt Optischer Aufbau Lampe, Lochblende, Spiegel, Linse, groÿächiger Detektor (Solarzelle) Keine Zeichnung, aber Hinweise: Spiegel groÿächig ausleuchten Einfallswinkel Spiegel 30 bis 45 Wendel auf Spiegel und Lochblende scharf auf Detektor abbilden Detektorspannung unterhalb der Sättigungsspannung Deutliche Signaländerung beim Anhauchen I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

25 Taupunkt Anschluss Temperatursensor Dünnschicht-Platinwiderstand PT1000 (1000 Ω bei 273 K, linearer Koezient 3,85 Ω/K) Betrieb nur mit kleiner Spannung (Erwärmung!) Anschluss an CASSY, Schaltung vorgegeben: I PT = U B1 R 1 U PT + U 1 = U Poti I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

26 Taupunkt Anschluss Peltierelement Schaltung gegeben Kennenlernen der Konstantstromfunktion des Netzgeräts Kurzfristige Einschaltung über Morsetaster I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

27 Taupunkt Der zusammengebaute Versuch I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

28 Taupunkt Messung und Auswertung Temperatur des Spiegels Detektorsignal Grasche Extrapolation zur genauen Taupunktbestimmung Vergleich des Wertes mit denen anderer Gruppen zur Gröÿtfehlerabschätzung I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

29 Masse-Feder System Gliederung 1 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Universität Bremen 2 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen 3 Taupunkt 4 Masse-Feder System 5 Faraday-Rotation I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

30 Masse-Feder System Erzwungene Schwingung mit Masse-Feder System Masse-Feder System als physikalisches Konzept Resonanz (mechanische Systeme, Antennen, Absorption und Emission von Licht, Resonatoren, lineare Kette, Molekülschwingungen... ) Masse-Feder System anschaulicher als Drehschwingung (Exzenter) x(t) = freie Schwingung (ω 0 ) gedämpfte Schwingung (ω 1 ) erzwungene Schwingung (ω) F 0 m 2 ( ω 2 0 ω2) 2 + Bω 2 ( cos (ωt ϕ) + exp B ) 2m t cos ω 1 t I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

31 Masse-Feder System Versuchsaufbau Resonanzfrequenz um 1,7 Hz Einstellgenauigkeit 0,001 Hz Wirbelstrombremse I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

32 Masse-Feder System Resonanzkurve m 12 Amplitude ,2 1,4 1,6 1,8 Hz 2,2 f Anfertigen der Grak während des Versuches wo muss genauer gemessen werden I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

33 Faraday-Rotation Gliederung 1 Physikalische Praktika und Schülerlabor der Universität Bremen 2 Lorentzkraftgetriebene resonante stehende Wellen 3 Taupunkt 4 Masse-Feder System 5 Faraday-Rotation I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

34 Faraday-Rotation Faraday-Rotation bei verschiedenen Wellenlängen in Glas magnetfeldinduzierte Doppelbrechung transparentes Medium (dielektrisch, nicht magnetisch) Drehung der Polarisationsebene beim Durchgang θ = V B L Anwendung: Faraday Isolator Bestimmung der eektiven Masse in Halbleitern I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

35 Faraday-Rotation Versuchsaufbau I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

36 Faraday-Rotation Modulationsverfahren Malus I = I 0 cos 2 ϕ gröÿter Anstieg bei ϕ = 45 I = I 0 cos ( 2 (45 o ± θ) = 0,5I 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 I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

37 Faraday-Rotation Verdet-Konstante V (λ) 12 rad T m gemessen berechnet Verdetkonstante nm 750 Wellenlänge Berechnung mit m e = m e m e = 1,2 m e I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

38 Faraday-Rotation Inhalte axiales Magnetfeld in einer Spule malussches Gesetz, B = 0 ohne Glas mit Glas Kontrast, Polarisationsverhältnisse Spannungsdoppelbrechung in Glas Spektren von Leuchtdioden Modulationsverfahren zur Messung kleiner Gröÿen Messung mit Oszilloskop, Tiefpasslter I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

39 Faraday-Rotation 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 I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

40 Faraday-Rotation Versuchsanleitungen Publikationen und Vorträge über innovative Experimente Anleitungen I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41

41 Faraday-Rotation Danksagung An das Praktikumsteam: Waltraud Homann, Silke Glüge, Peter Kruse, Christoph Windzio und an die Kooperationspartner PI micos GmbH und AUCOOP e. V. Fotos, Graken und Präsentationslayout: Christoph Windzio I. Rückmann und C. Windzio (PHYSIKA) Innovative Lehrmittel Berlin / 41