Mit einer verhältnismäßig kleinen Ausstattung kann man einen Querschnitt an Experimenten in der Physik demonstrieren.

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1 Wrkshp WII-B In diesem Wrkshp werden Experimente beschrieben, die in jedem Physikbuch in dieser Weise als Standardversuche aufgeführt sind. Wesentlich in diesem Wrkshp ist die Auffrderung, an diesen Standardversuche verschiedene Messerfassungssysteme im experimentellen Vergleich zu testen. Wenn möglich sllten Sie die Wahl zwischen flgenden Systemen - in alphabetische Reihenflge) - haben: CONATEX Pasc XplrerGLX (Gerät kann mit und hne Cmputer eingesetzt werden) Pasc SPARK (Gerät kann mit und hne Cmputer eingesetzt werden) Pasc USB-LINK (Gerät kann nur in Verbindung mit einem Ntebk eingesetzt werden) Pasc Airlink2 (Gerät kann nur in Verbindung mit einem Ntebk der mit dem iphne benutzt werden) LD Didactic Mbile-Cassy (Gerät kann mit und hne Cmputer eingesetzt werden) Sensr-CASSY 2 (Gerät kann mit dem Cassy-Display der mit einem Ntebk eingesetzt werden) Pcket-CASSY (Gerät kann nur in Verbindung mit einem Ntebk eingesetzt werden) LPE - Vernier LabPr (Gerät kann nur in Verbindung mit einem Ntebk eingesetzt werden) LabQuest (Gerät kann mit und hne Cmputer eingesetzt werden) G!Link (Gerät kann nur in Verbindung mit einem Ntebk eingesetzt werden) Phywe Cbra4 Wireless-Link Cbra4 Mbile-Link Cbra4 USB-Link Mit einer verhältnismäßig kleinen Ausstattung kann man einen Querschnitt an Experimenten in der Physik demnstrieren. WII-B.01 E-Lehre... 2 WII-B.02 Wärmelehre... 4 WII-B.03 Optik... 5 WII-B.04 Mechanik... 5 WII-B.05 Magnetismus... 7 Die flgenden Arbeitsblätter sind weitgehend aus dem Unterricht der Kursstufe entnmmen

2 Didaktischer Hinweis Ganz wesentlich s die Hinweise in den Bildungsstandards ist die Organisatin des Einsatzes der Datenlgger... die Schülerinnen und Schüler lernen, im Team zunehmend selbstständig und selbstverantwrtlich zu experimentieren. Aus diesem Grunde gehen die Schülerteams flgenden Weg: Auseinandersetzung mit der ffenen Prblemstellung Ganz wesentlich: Vrhersage, welche Werte bei der geplanten Messung erwartet werden! Vrschlag für einen Schaltungsentwurf, der vn der Lehrkraft kntrlliert wird. Aufbau der Schaltung... evtl. Kntrlle durch die Lehrkraft Aufnahme der Messwerte Auswertung der Messung... Fehlerdiskussin Dkumentatin evtl. Präsentatin Eine kleinschrittige Anweisungsflge wie man das Experiment aufbaut und die Messwerte gewinnt, ist hierbei kntraprduktiv. Eine früher übliche Praktikumsmethde, in der die Schülerinnen und Schüler mit schlechteren Messgeräten die Experimente nachvllziehen, die die Physiklehrkraft im Frntalunterricht zuvr schn vrgeführt hat, ist sicher auch nicht besnders mtivierend. WII-B.01 E-Lehre Didaktische Bemerkung Ein wesentliches Lernziel bei dieser Prblemstellung ist die Untersuchung vn technischen Widerständen, Glühlampen, Diden, Leuchtdiden, LDR, NTC-, PTC-Widerstände und andere elektrische bzw. elektrnische Bauteile. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei, dass man nur die technischen Widerstände durch eine Geräteknstante beschreiben kann. Die meisten elektrischen der elektrnischen Bauteile sind nur über ihre Kennlinie zu beschreiben. Ein zweites Lernziel ist der Versuch, mit der Vrstellung aufzuräumen, dass Gerg Simn Ohm das s genannte Ohmsche Gesetz über die Vermessung eines Knstantandrahtes gewnnen hat. Die Schülerinnen und Schüler lernen, dass der elektrische Widerstand eines Kupferdrahtes nur dann knstant ist, wenn man die Temperatur dieses Kupferdrahtes z.b. in einem Wasserbad knstant hält. Im Regelfall ist der elektrische Widerstand eines elektrischen Leiters eine Funktin der Temperatur dieses Leiters und damit indirekt eine Funktin des elektrischen Strmes, der in diesem Leiter fließt. Bei diesem histrischen Hintergrund ist es nicht zielführend, den Weg vn Gerg Simn Ohm durch die Vermessung eines technischen Widerstandes der eines Knstantan-Drahtes nachzuzeichnen. WII-B.01a Kennlinie einer Glühlampe - statinär Prblemstellung Das U-I-Diagramm einer Glühlampe wird aufgenmmen. Hierbei werden die Spannung und die Strmstärke extrem langsam verändert, s dass sich zwischen zwei Messungen ein statinärer Zustand bzgl. der Temperatur des Glühfadens einstellt. Glühlampe mit Fassung 3x Labrkabel Ntebk Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. U-I-Sensr... evtl. hher Strmstärke... der 1Ω-Messwiderstand

3 Vrgehen Bekannte Schritte J... U-I-Diagramm Erzeugen Sie eine Ausgleichskurve... Berechnen Sie die Energiestrmstärke P aus den U- und I-Messdaten. Stellen Sie die Energiestrmstärke als Funktin der Strmstärke bzw. der Spannung in einem Diagramm der Datalgger-Sftware dar. WII-B.01b Kennlinie einer Glühlampe dynamisch Prblemstellung Im Gegensatz zur Messung W02.1a wird die Spannung an der Glühlampe s schnell verändert, dass der Glühfaden bzgl. seiner Temperatur keinen statinären Zustand erreichen kann. Vrgehen Glühlampe mit Fassung 3x Labrkabel Ntebk Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. U-I-Sensr... evtl. hher Strmstärke... der 1Ω-Messwiderstand Bekannte Schritte J... U-I-Diagramm Recherchieren Sie im Internet eine Frmel, nach der man den Widerstand einer Glühlampe als Funktin des Widerstandes bei Nrmaltemperatur, dem Temperaturkeffizienten und der Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Glühfadentemperatur bestimmen kann. 1 Bestimmen Sie aus Ihren Messdaten die Temperatur des Glühfadens. WII-B.01c Kennlinie elektrischer Bauteile Prblemstellung Es werden verschiedene Bauteile bzgl. ihrer Kennlinie untersucht. Dide PTC- bzw. NTC-Widerstand LDR bei knstanter Beleuchtung Technischer Widerstand Vrgehen Dide, PTC- bzw. NTC-Widerstand, LDR bei knstanter Beleuchtung, Technischer Widerstand 3x Labrkabel, Krkdilklemmen Ntebk Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. U-I-Sensr... evtl. hher Strmstärke... der 1Ω-Messwiderstand Bekannte Schritte J... U-I-Diagramm Erzeugen Sie eine Ausgleichskurve... Bestimmen Sie die Steigung des Diagramms an verschiedenen Stellen... Unterscheiden Sie zwischen dem differenziellen Widerstandswert und dem üblichen Durchschnittswert. Vergleichen Sie bei den technischen Widerständen die Aufdrucke mit den hier bestimmten Geräteknstanten R. Ziehen Sie Flgerungen, wenn Sie eine Abweichung entdecken! 1... R Glühen = R Umgebungstemp ( 1 + α ΔT) mit α Wlfram = /K

4 WII-B.01d Ladungsbestimmung Prblemstellung - ffen Diskutieren Sie mit Ihrem Team, wie man aus dem U-t-Diagramm bei einem elektrischen Bauteil auf die geflssene elektrische Ladung schließen kann. Prblemstellung - enger Zeigen Sie, dass man aus der Fläche unter dem U-t-Diagramm auf die geflssene elektrische Ladung schließen kann à ΔQ = (1/R) Δϕ Δt der ΔQ = L eitwert Δϕ Δt Vrgehen Dide, PTC- bzw. NTC-Widerstand, LDR bei knstanter Beleuchtung, Technischer Widerstand 3x Labrkabel, Krkdilklemmen Ntebk Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. U-I-Sensr... evtl. hher Strmstärke... der 1Ω-Messwiderstand Bekannte Schritte J... U-t-Diagramm Bestimmen Sie gesuchte Ladung! WII-B.02 Wärmelehre Didaktische Bemerkung Ein wesentliches Lernziel bei dieser Prblemstellung ist die Diskussin des Entrpiestrmes bzw. die Frage, welche physikalische Größen man mit einem Peltier-Element bestimmen kann. Peltier-Elemente kann man für wenig Geld bei verschiedenen Versandfirmen erwerben. WII-B.02a Peltier-Element - U-T-Diagramm Prblemstellung - ffen Recherchieren Sie (siehe bekannte Quellen) den Aufbau und die Funktinsweise eines Peltier- Elements. Diskutieren Sie mit Ihrem Team, welcher Zusammenhang zwischen der Spannung an den Anschlusskabeln des Peltierelements und der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Elements zu erwarten ist. Vrgehen Peltier-Element Labrkabel, Krkdilklemmen Ntebk Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. U-I-Sensr (bzw. falls U-Messung im Datenlgger integriert ist, Messkabel) 2 Temperatursensren Legen Sie das Peltierelement auf eine kalte Unterlage (Tischberfläche, Metallkltz, Styrprplatte und legen Sie ben auf das Peltierelement einen heißen Gegenstand der legen Sie Ihre Hand auf das Peltierelement). Bekannte Schritte J... U-t-Diagramm Interpretatin der aufgenmmenen Diagramme!

5 WII-B.02a Peltier-Element als Entrpiestrmmessgerät Prblemstellung - ffen Zur Verwendung kmmt der Selbstbau eines Entrpiestrmmessgerätes. Wir gehen hierbei vn flgender Frmel aus: IS = k U/T; der Prprtinalitätsfaktr (nur näherungsweise!) liegt bei dem vrliegenden Peltier-Element bei k = 9 Ct K / V Peltierelement mit angeklebten Temperatursensr Labrkabel, Krkdilklemmen Ntebk Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. U-I-Sensr (bzw. falls U-Messung im Datenlgger integriert ist, Messkabel) Vrgehen Bekannte Schritte J... U-t-Diagramm Interpretatin der aufgenmmenen Diagramme! WII-B.03 Optik WII-B.03a Beleuchtungsstärke Prblemstellung - ffen Diskutieren Sie mit Ihrem Team flgende Frage: Wie hängt die Beleuchtungsstärke vn der angelegten Spannung bzw. Strmstärke ab. Glühlampe, Halgenlampe 3x Labrkabel, Krkdilklemmen, 1Ω-Messwiderstand Ntebk Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. Lichtsensr Vrgehen Diskutieren Sie das Messergebnis... reflektieren Sie Ihre Vrhersagen. WII-B.04 Mechanik WII-B.04a Feder-Schwere-Pendel Prblemstellung Bei einem Feder-Schwer-Pendel sll die Kraft, die Beschleunigung und die Elngatin gleichzeitig aufgenmmen werden. Mit dieser Ausstattung kann man u.a. auch Bewegungsdiagramme aufnehmen s z.b. ein a-t-, ein v-t- der ein s-t-diagramm, in unterschiedlichen Experimentieranrdnungen. Stativstange 1,5m, Tischklemme, Muffe, Stativstange 30cm, Muffe, Aufhängung Feder, Masse, Perlnschnur, kleine Zusatzmasse Ntebk, Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw.

6 Beschleunigungssensr, Ultraschallbewegungssensr, Kraftsensr, Drehbewegungssensr Vrgehen Diskutieren Sie das Messergebnis... reflektieren Sie Ihre Vrhersagen WII-B.04b Gummiband Prblemstellung Bei einem Gummiband sll das Kraft-Dehnungsdiagramm aufgenmmen werden. Stativstange 1,5m, Tischklemme, Muffe, Stativstange 30cm, Muffe, Aufhängung Gummiband, Masse, Perlnschnur, kleine Zusatzmasse Ntebk, Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. Kraftsensr, Drehbewegungssensr Vrgehen Diskutieren Sie das Messergebnis... reflektieren Sie Ihre Vrhersagen. WII-B.04c Stimmgabel Prblemstellung Wie hängt die Beschleunigung bei einer harmnischen Bewegung in der Therie vn der Amplitude und der Frequenz f ab? Im Experiment wird die Beschleunigung über den passenden Sensr direkt bestimmt. Vrgehen Stimmgabel Gummi zur Befestigung Ntebk, Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. Beschleunigungssensr und Zusatzmaterial Diskutieren Sie das Messergebnis... reflektieren Sie Ihre Vrhersagen. WII-B.04b Kraftplattfrm Prblemstellung Mit einer Kraftplattfrm werden flgende Versuche durchgeführt: Die Versuchspersn steht auf der Kraftplattfrm und führt dann flgende Bewegung aus: (a) Die Versuchspersn geht in die Knie, (b) springt dann senkrecht nach ben und (c) landet dann wieder auf der Kraftplattfrm. Die Versuchspersn hält einen schweren Gegenstand in der Hand, wirft ihn senkrecht nach ben und fängt ihn wieder auf. Diskutieren Sie, welche Kraft-Zeit-Diagramme sich bei diesen Experimenten ergeben! Kraftplattfrm Ntebk Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw.

7 Vrgehen Diskutieren Sie das Messergebnis... reflektieren Sie Ihre Vrhersagen. WII-B.05 Magnetismus WII-B.05a Erdfeldbestimmung Prblemstellung Mit einem Magnetfeldsensr sll über einen Datenlgger im Schulhf vr dem Schulgebäude die Magnetische Flussdichte des Magnetfeldes der Erde in Abhängigkeit vn den GPS-Daten bestimmt werden. Interessant ist zudem die Aufnahme anderer physikalischer Daten s z.b. die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Höhe usw. bei einem Spaziergang rund um das Haus. Vrgehen Ntebk, Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. Magnetfeldsensr, GPS-Sensr Werten Sie die Messergebnisse aus. Diskutieren Sie das Messergebnis... reflektieren Sie Ihre Vrhersagen. WII-B.05b Flussdichte einer Spule Prblemstellung Die magnetische Flussdichte der Spule sll in Abhängigkeit vn der Strmstärke bestimmt werden. Interessant ist auch die Flussdicht am Rand der Spule im Vergleich zur Mitte. Vrgehen Ntebk, Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. Magnetfeldsensr, Strmsensr 10A... der 1Ω-Messwiderstand Spule, elektrische Energiequelle (Gleichspannung), Labrkabel Diskutieren Sie das Messergebnis... reflektieren Sie Ihre Vrhersagen. WII-B.05c Kraft-Strmdiagramm - Elektrmagnet Die Kraft auf ein unmagnetisches Stück Eisen (z.b. Stativstange 5cm) vr einem Elektrmagneten sll in Abhängigkeit vn der Strmstärke aufgenmmen werden. Mit dieser Anrdnung kann u.a. auch die Flussdichte einer Spule in Abhängigkeit vn der Strmstärke bestimmen. Ntebk, Sftware, Datenlgger, Netzteil, Verbindungskabel, usw. Magnetfeldsensr, Kraftsensr, Strmsensr 10A... der 1Ω-Messwiderstand Spule, elektrische Energiequelle (Gleichspannung), Schnüre, Klebeband, dppelseitiges Klebeband, Experimentierwagen, Eisenkern, Labrkabel Vrgehen Diskutieren Sie das Messergebnis... reflektieren Sie Ihre Vrhersagen.

8 WII-B.06 iphn als Messgerät Eine interessante Variante des Einsatzes vn Messgeräten dieser Generatin ist flgende Variante: Die Physiklehrkraft baut auf dem Labrtisch ein Experiment auf, bei dem die Daten durch einen Datenlgger bzw. entsprechende Sensren aufgenmmen und über einen Bluetth-Adapter an die iphnes der Schülerinnen und Schüler in der Klasse übertragen werden. Die Schülerteams werten diese Daten individuell aus, diskutieren und dkumentieren ihre Flgerungen und Ergebnisse. Diese Variante schränkt den Handlungsbereich der Schülerinnen und Schüler ein und sllte daher nur an den Stellen realisiert werden, an den das didaktisch vertretbar ist.