Inhalt. Workshop Exp. - Messerfassung

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1 Wrkshp Exp. - Messerfassung Inhalt [01] KRAFTPLATTFORM [02] FADENPENDEL [03] FEDERPENDEL [04] GUMMIBAND [05] BALLISTISCHE PENDEL [06] STIMMGABEL [07] DYNAMISCHE KENNLINIE [08] MAGNETISIERUNG [09] ENTROPIESTROM [10] SPIROMETER [11] MENSCHLICHE SIGNALE [12] KAPAZITIVE SENSOREN [13] KOMPRESSOR [14] P-V- DIAGRAMM... P-T-DIAGRAMM [15] ANEMOMETER [16] GPS [17] SOFTWARE ZUR FOURIER-ANALYSE [18]... DER SOKRATISCHE HUBSCHRAUBER [19] FLUGZEUGE... FRAGEN ÜBER FRAGEN [20] EASYFLY 3 [21]... INFRAROTKAMERA [22]... ELEKTROSMOG 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 fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

2 Wrkshp Exp. - Messerfassung [01] Kraftplattfrm Bezug zu den Bildungsstandards In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Mit der Kraftplattfrm besteht eine geradezu ideale Möglichkeit, die beiden Fächer Physik und Sprt gewinnbringend für beide Seiten zu verzahnen. Im Kursfach Sprt werden Kraft-Zeitdiagramme bei verschiedenen Sprungarten analysiert und diskutiert. Das besndere an dieser Diskussin ist das Anspruchsniveau der physikalischen Erklärung. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware Kraftplattfrm Datenlgger, Netzteil, USB-Verbindungskabel Beschleunigungssensr, Sensr-Verlängerungskabel, Manschette zur Befestigung Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Welches Kraft-Zeit-Diagramm erwarten Sie, wenn Sie auf der Plattfrm stehen, dann in die Hcke gehen und aus der Hcke heraus senkrecht nach ben springen und wieder auf der Plattfrm landen. [V.02] Welches Kraft-Zeit-Diagramm erwarten Sie, wenn Sie aufrecht auf der Plattfrm stehen, einen schweren Gegenstand in die Höhe werfen. Der Gegenstand sll etwas seitlich gewrfen werden und vm Experimentier-Partner gefangen werden. [V.03] Welches Kraft-Zeit-Diagramm erwarten Sie, wenn Sie aufrecht auf der Plattfrm stehen, einen schweren Gegenstand in die Höhe werfen und anschließend wieder auffangen. Vrhersage Experiment Reflexin Installieren Sie die Kraftplattfrm, das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware- Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen in einem passenden Experiment An welcher Stelle im Kraft-Zeit-Diagramm [V.01] befindet man sich, wenn man gerade im tiefsten Punkt der Hcke angekmmen ist? Diskutieren Sie die markanten Punkte im Kraft-Zeit-Diagramm [V.01]! Welche Aussagen kann man aus den Flächen unter dem Kraft-Zeit-Diagramm ableiten? Erläutern Sie das Kraft-Zeit-Diagramm bei den Experiment zu [V.02] und [V.03] Literatur Ulrich Göhner, Angewandte Bewegungslehre und Bimechanik des Sprts, Tübingen 2008 fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

3 Wrkshp Exp. - Messerfassung [02] Fadenpendel In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Kmpetenz Nr. 8: Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen... können die Schülerinnen und Schüler mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Inhalte: Kraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Entrpie (Entrpieerzeugung), qualitativ: Zentripetalkraft Kmpetenz Nr. 9: Strukturen und Analgien Die Schülerinnen und Schüler können... ihre Vrstellungen und Ausdrucksweisen über Schwingungen in eine angemessene Fachsprache und mathematische Beschreibung überführen. Grundkenntnisse werden bei flgenden Themen erwartet Inhalte: Schwingung, harmnische mechanische... Schwingung, Differenzialgleichung Das Fadenpendel ist whl ein Standardversuch... Zerlegung der Rückstellkraft... Deduktin, dass bei kleinen Auslenkungen eine harmnische Schwingung angenmmen werden kann. Auf der Basis dieser Lernvraussetzungen kann man flgende Arbeitsaufträge frmulieren. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware Faden, Pendelkörper, Stativstange, Muffe, Querstange usw. Datenlgger, Netzteil, USB-Verbindungskabel Drehbewegungssensr, Kraftsensr Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Welches Kraft-Auslenkungs-Diagramm erwarten Sie intuitiv, bei der Fadenpendelschwingung. [V.02] Leiten Sie das Kraft-Auslenkungs-Diagramm deduktiv ab! [V.03] Welche Rlle spielt die Entrpie bei diesem Experiment? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Fadenpendel, das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware; der Kraftsensr wird auf die Achse des Drehbewegungssensrs mntiert. Eventuell verwendet man Klebeband zur Achsenerweiterung, damit man den Kraftsensr stabil mntieren kann. Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen in einem passenden Experiment Reflexin Diskutieren Sie Abweichungen zwischen Ihren Vrhersagen und den Messergebnissen! fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

4 Wrkshp Exp. - Messerfassung [03] Federpendel In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Kmpetenz Nr. 8: Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen... können die Schülerinnen und Schüler mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Inhalte: Kraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Entrpie (Entrpieerzeugung) Kmpetenz Nr. 9: Strukturen und Analgien Die Schülerinnen und Schüler können... ihre Vrstellungen und Ausdrucksweisen über Schwingungen in eine angemessene Fachsprache und mathematische Beschreibung überführen. Grundkenntnisse werden bei flgenden Themen erwartet Inhalte: Schwingung, harmnische mechanische... Schwingung, Differenzialgleichung Die Lösung der Differenzialgleichung bei einem Federpendel führt zu s(t), v(t) und a(t)-diagrammen, die man deduktiv ableiten kann. Interessant sind u.a. auch die Phasenbeziehungen. Mit den passenden Sensren kann man Vrhersagen zu diesen Diagrammen im Experiment direkt überprüfen. Die Vrhersage vn s(t)-a(t)- Diagrammen der anderen Kmbinatinen sind interessante Lernzielkntrllen auf dem Weg zum Kmpetenzerwerb. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware Federpendel (Stativstange, Muffe, Querstange, Feder, Masse) Datenlgger, Netzteil, USB-Verbindungskabel Drehbewegungssensr, Kraftsensr, Ultraschallbewegungssensr, Beschleunigungssensr mit Verlängerungskabel Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Welche Diagramme erwarten Sie bei einem Feder-Schwere-Pendel? [V.02] Welche Phasenbeziehungen muss man erwarten? [V.03] Welches F(t)-a(t)-Diagramm bzw. s(t)-a(t)-diagramm kann man deduktiv ableiten? [V.04] Welche Rlle spielt die Entrpie bei diesem Experiment? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Federpendel, das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware. Achten Sie darauf, dass die Masse des Federpendels den Ultraschall-Bewegungssensr nicht beschädigt. Diskutieren Sie experimentelle Möglichkeiten, die relevanten physikalischen Größen bei einem Federpendel aufzuzeichnen. Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen in einem passenden Experiment fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

5 Wrkshp Exp. - Messerfassung [04] Gummiband In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Kmpetenz Nr. 9: Strukturen und Analgien Die Schülerinnen und Schüler können... ihre Vrstellungen und Ausdrucksweisen über Schwingungen in eine angemessene Fachsprache und mathematische Beschreibung überführen. Grundkenntnisse werden bei flgenden Themen erwartet Inhalte: Schwingung, harmnische mechanische... Schwingung, Differenzialgleichung Die Behandlung des Federpendels und der harmnischen Schwingung ist ein wesentlicher Schwerpunkt des Physikunterrichts in der Kursstufe. Die Analyse vn elastischen Körpern, bei denen die Kraft nicht direkt prprtinal zur Auslenkung ist, festigt die bis zu diesem Zeitpunkt erwrbenen Kmpetenzen. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware Gummiband, Stativstange, Muffe, Querstange, Feder, Masse Datenlgger, Netzteil, USB-Verbindungskabel Drehbewegungssensr, Kraftsensr Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Welches Kraft-Auslenkungs-Diagramm erwarten Sie intuitiv, bei der Dehnung des Gummibandes? [V.02] Welche Rlle spielt die Entrpie bei diesem Experiment? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Experiment entsprechend Ihrer Planung, das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware. Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen im Experiment. Reflexin Interpretieren Sie das Diagramm... in welcher Phase ist das Gummi steif, in welchem Teil ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Kraft und Dehnung... und wie unterscheidet sich F-s-Diagramm im beren Teil vn der Anfangsphase? Wie unterscheidet sich das F-s- Diagramm beim Ausziehen vn dem F-s-Diagramm beim Zurückgehen. Wie ändert sich das F-s- Diagramm, wenn das Gummi häufig gedehnt wird. WENN Ihr Team Zeit und Lust hat, können Sie das Gummi durch eine Schraubenfeder ersetzen... der durch andere Materialien: z.b. durch einen Tesafilm... z.b. durch einen Streifen einer Plastiktüte z.b. durch eine Schraubenfeder mit Vrspannung... fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

6 Wrkshp Exp. - Messerfassung [05] Ballistische Pendel In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Kmpetenz Nr. 8: Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen... können die Schülerinnen und Schüler mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Inhalte: Kraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Energie, Impuls, Entrpie (Entrpieerzeugung) Am Ballistischen Pendel sind Energie- und Impulsbetrachtungen ntwendig. Kritisch ist dieses Experiment mit dem Blick auf die Waffenprblematik. Eventuell ein Anknüpfungspunkt über ethische Fragen ins Gespräch zu kmmen. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil, USB-Verbindungskabel Stativstange 1m, Tischklemme, 2 Muffen, 2x 20cm Stativstange Drehbewegungssensr, Drahtanrdnung ballistisches Pendel Luftpistle Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Diskutieren Sie den physikalischen Hintergrund bei diesem Versuch! [V.02] Welche Rlle spielt der Impulserhaltungssatz bzw. der Energieerhaltungssatz? [V.03] Welche Aussagen über die Entrpie kann man machen? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Experiment entsprechend Ihrer Planung, das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware. Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen im Experiment. Reflexin Welche Alternativen gibt es zum Ballistischen Pendel? Diskutieren Sie in Ihrem Team die ethische Dimensin dieser Thematik. Reflektieren Sie die Arbeitsweise der Plizeilabrs, in denen derartige Versuche mit Waffen durchgeführt werden. fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

7 Wrkshp Exp. - Messerfassung [06] Stimmgabel In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Kmpetenz Nr. 8: Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen... können die Schülerinnen und Schüler mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Inhalte: Kraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Entrpie (Entrpieerzeugung), qualitativ: Zentripetalkraft Kmpetenz Nr. 9: Strukturen und Analgien Die Schülerinnen und Schüler können... ihre Vrstellungen und Ausdrucksweisen über Schwingungen in eine angemessene Fachsprache und mathematische Beschreibung überführen. Grundkenntnisse werden bei flgenden Themen erwartet Inhalte: Schwingung, harmnische mechanische... Schwingung, Differenzialgleichung Die Behandlung des Federpendels und der harmnischen Schwingung ist ein wesentlicher Schwerpunkt des Physikunterrichts in der Kursstufe. Der Transfer der Ergebnisse aus der harmnischen Schwingung auf kmplexer Schwinger festigen das physikalische Hintergrundwissen. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware Stimmgabel niederer Frequenz Datenlgger, Netzteil, USB-Verbindungskabel Beschleunigungssensr, Analgadapter, Gummiband zur Befestigung Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Frmulieren das Elngatins-Zeit-Diagramm für eine harmnische Schwingung. Leiten Sie deduktiv die maximale Beschleunigung als Funktin der Frequenz ab. Vn welchen weiteren Größen hängt diese maximale Beschleunigung ab? [V.02] Übertragen Sie dies Erkenntnisse auf die Schwingung der Zinken der Stimmgabel. Welche Vrhersagen können Sie daraus ableiten welche Schätzungen wagen Sie? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware. Befestigen Sie den Vernier-Beschleunigungssensr mit einem Gummiband an einem der Zinken der Stimmgabel. Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen im Experiment Reflexin Diskutieren Sie mögliche Fehler bei diesem Transfer. Diskutieren Sie den Begriff der Schwebung. Welche Wirkung hat eine Massenauflage auf einem Zinken einer Stimmgabel. Erzeugen Sie eine Schwebung mit zwei Stimmgabeln, Resnanzkörper und Massenauflagen. fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

8 Wrkshp Exp. - Messerfassung [07] Dynamische Kennlinie In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Kmpetenz Nr. 8: Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen können die Schülerinnen und Schüler... mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen... Inhalte: Energie (Energieerhaltung), elektrische Strmstärke, elektrisches Ptenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung), Entrpie (Entrpieerzeugung. Die Schülerinnen und Schüler erweitern selbstverantwrtlich und selbstständig ihr Wissen auf der Basis der Grundlagen, die in der Sekundarstufe I gelegt wurden. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware Glühlampe (6V, 5W), Fassung, Kabel, 25V-regelbares Netzteil Datenlgger, Netzteil, USB-Verbindungskabel, USB-Link, Analgverstärker, UI-Sensr... Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Welche Glühlampenkennlinie erwarten Sie, wenn man die anliegende Spannung an der Glühlampe ganz langsam erhöht bzw. wenn man sie sehr schnell verändert. [V.02] Welche Variatin erwarten Sie, wenn man die Spannung vn 0V anwachsen lässt... bzw. vn der maximal möglichen Spannung herunterregelt. Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware. Bauen Sie die Schaltung zur Aufnahme der dynamischen Glühlampenkennlinie auf. Der Amplifier gestattet die dynamische Veränderung der Versrgungsspannung der Glühlampe. 1 Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen im Experiment Reflexin In Schulbüchern findet man die Aussage, dass die Frmel U = I R das Ohmsche Gesetz sei. Erläutern Sie, warum diese Aussage im besten Falle als Altlast, wenn nicht sgar als Unsinn zu bezeichnen ist. Was hat Gerg Simn Ohm entdeckt? In Schulbüchern findet man die Aussage, dass man aus den Daten der Glühlampe z.b. 6V, 5W auf den Widerstand der Glühlampe schließen kann. Erläutern Sie, welche Bedeutung der Lampenaufschrieb hat. Begründen Sie, warum man Glühlampen nur ausschließlich über ihre Kennlinie beschreiben kann. 1 Auf dem Datenlgger, der den Amplifier ansteuert, werden flgende Daten eingestellt: Amplitude: 1,5V / Offset: 1,5V / Frequenz: 2 Hz / Repeat Mde: One Sht fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

9 Wrkshp Exp. - Messerfassung [08] Magnetisierung In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Experimente selbstständig planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und einfache Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungsund Auswertungssysteme Kmpetenz Nr. 8: Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen... können die Schülerinnen und Schüler mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Inhalte: magnetische Flussdichte, Kmpetenz Nr. 9: Strukturen und Analgien Die Schülerinnen und Schüler können das magnetische und elektrische Feld als physikalisches System beschreiben und die Grundlagen der Maxwelltherie verstehen, in der die Elektrdynamik auf vier Aussagen zurückgeführt wird. Grundkenntnisse werden bei flgenden Themen erwartet Inhalte Feld... elektrisches und magnetisches Feld, Lrentzkraft, Wechselwirkung mit Materie Aus dem Unterricht ist die Flussdichte als Funktin der Strmstärke und den Spulendaten bekannt. In gleicher Weise kann man davn ausgehen, dass die Kraft auf einen strmdurchflssenen Leiter in einem Magnetfeld der Flussdichte B bekannt ist. In der flgenden Teamarbeit wird ein Elektrmagnet als eine Spule mit Eisenkern untersucht. Über dem Elektrmagneten hängt ein Eisenstück an einem Kraftsensr, das vn dem Elektrmagneten angezgen wird. Die Kraft wird in Anhängigkeit vn der Strmstärke durch den Elektrmagneten untersucht. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil, 1-Ω-Messwiderstand USB-Verbindungskabel, Kraftsensr, U-I-Sensr, Magnetfeldsensr Gleichspannungsnetzgerät, Spule mit Eisenkern, Eisenstück, Stativmaterial, Rllwagen, Schnur Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Welchen Zusammenhang zwischen der Flussdichte am Eisenkern und der Strmstärke durch die Spule erwarten Sie? [V.02] Welches F-I-Diagramm erwarten Sie bei einem Elektrmagneten. F ist hierbei die Kraft auf ein Eisenstück im Magnetfeld des Elektrmagneten? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten- Lgger-Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen im Experiment Reflexin Welchen Bezug hat dieses Experiment zu den Kränen, die man auf einem Schrttplatz findet? fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

10 Wrkshp Exp. - Messerfassung [09] Entrpiestrm In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Kmpetenz Nr. 8: Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen... können die Schülerinnen und Schüler mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Inhalte: Entrpie Kmpetenz Nr. 9: Strukturen und Analgien...Verständnis und Umgang mit Strm, Antrieb (Ursache) und Widerstand Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil USB-Verbindungskabel, Temperatursensr, Spannungssensr, Metallklötze... Peltier-Element 2 Hypthese Therie Vrhersage Vr der Diskussin und Frmulierung vn Vrhersagen müssen wir uns ein Stück weit mit der Funktinweise eines Peltier-Element auseinander setzen siehe Entrpiestrmstaerke.pdf... und PeltierElement.pdf [V.01] Welcher Zusammenhang wird zwischen der Temperaturdifferenz und der Ptenzialdifferenz an einem Peltier-Element erwartet? [V.02] Welcher Zusammenhang wird zwischen der Temperaturdifferenz und dem thermischen Energiestrm durch das Peltier-Element hindurch erwartet? [V.03] Welcher Zusammenhang wird zwischen der Temperaturdifferenz und dem Entrpiestrm durch das Peltier-Element hindurch erwartet? [V.04] Welchen Entrpiestrm erwartet man, wenn man dieses Entrpiestrmmessgerät zwischen zwei Metallklötze unterschiedlicher Temperatur legt? [V.05] Was erwartet man, wenn das Entrpiestrmmessgerät auf einen Styrprkltz legt und die Hand auflegt? Welchen Unterschied erwartet man, wenn die Styrprunterlage durch einen Alukltz ersetzt wird? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten- Lgger-Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen im Experiment Reflexin Wie müsste man vrgehen, wenn man die Peltier-Temperatur- Messanrdnung als Entrpiestrmmessgerät bei einem variablen Temperaturbereich verwenden will? 2... dieses Peltierelement stammt aus einer Jugend-Frscht-Arbeit. In dieser aktuell laufenden Arbeit sind die Schülerinnen und Schülern im Verein MiNe-MINT e.v. in Stuttgart auf dem Weg, ein handhabbares Entrpiestrmmessgerät zu bauen. fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

11 Wrkshp Exp. - Messerfassung [10] Spirmeter In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Kmpetenz Nr. 9: Strukturen und Analgien...Verständnis und Umgang mit Strm, Antrieb (Ursache) und Widerstand Gasströme messen Ärzte mit s genannten Spirmetern. Im Rahmen der Kmpetenz Nr. 9 sllen die Schülerinnen und Schüler lernen, mit dem Knzept Strm-Antrieb-Widerstand suverän umzugehen; hierbei kann diese Teamarbeit einen guten Beitrag liefern. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil USB-Verbindungskabel, Spirmeter-Sensr Mdellversuch: Y-Rhr, Gummistpfen, Röhrchen mit Anschluss an Drucksensr. Hypthese Therie Vrhersage Vr der Diskussin und Frmulierung vn Vrhersagen in diesem Themenkmplex steht die Auseinandersetzung mit den Analgien zwischen elektrischen Strömen und Gas- bzw. Wasserströmen. In einer Tabelle werden die analgen Größen einander gegenübergestellt. siehe Analgien Spir.ppt siehe G-Puzzle Strm Antrieb Widerstand.pdf [V.01] Eine elektrische Energiequelle liefert eine Ptenzialdifferenz ϕ. Welche Ladung fließt durch einen Widerstand R, der an diese elektrische Energiequelle angeschlssen wird. [V.02] Wie kann man aus einem ϕ-t-diagramm auf die geflssene Ladung schließen? [V.03] Welche Analgie zwischen dem Spirmeter und einer passenden elektrischen Analgie kann man ziehen? [V.04] Untersuchen Sie das Spirmeter auf seine Funktinsweise! Vrsicht: Unter keinen Umständen mit den Fingern in das Blasröhrchen (Mundstück) fassen. Drt befindet sich etwa in der Mitte ein kaum sichtbares dünnes Drahtnetz! Wenn man es berührt, wird es aus der Halterung gedrückt und das Mündstück ist unbrauchbar. [V.05] Bauen Sie aus dem bereit liegendem Material einen Mdellversuch, der die Funktinsweise des Spirmeters verdeutlicht. Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten- Lgger-Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen im Experiment Reflexin Welche Aussagen kann ein Arzt aus diesen Spirmeterdaten ziehen? Welche Änderung der Spirmeterdaten kann man bei sprtlichen Aktivitäten erwarten? fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

12 Wrkshp Exp. - Messerfassung [11] Menschliche Signale In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Die Schülerinnen und Schüler können Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen untersuchen, Experimente selbstständig planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und einfache Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme im Praktikum selbstständig einsetzen. Kmpetenz Nr. 10: Naturerscheinungen und technische Anwendungen Die Schülerinnen und Schüler können weitere Erscheinungen in der Natur und wichtige Geräte funktinal beschreiben. Inhalte: Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte grün schwarz rt Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil USB-Verbindungskabel, EKG-Sensr, Elektrden, Klebeband Hypthese Therie Vrhersage Bei der Aufnahme vn Herzströmen (eigentlich Ptenzialdifferenzen auf Grund vn Herzaktivitäten) der Muskelptenzial-Differenzen sind hhe Verstärkungsfaktren und die Ausblendung vn Störfaktren (Netzbrumm usw.) ein wesentlicher Schwerpunkt, der bei fast allen medizinischen Geräten eine Rlle spielt. Die Abläufe im menschlichen Körper können hierbei z.b. in einer GFS - zu einer Begegnung Physik-Bilgie führen. [V.01] Welche Signale kann man am Brustkrb abnehmen, wenn man die Aktivität des menschlichen Herzens aufzeichnen will? [V.02] Recherchieren Sie, in welcher Größenrdnung diese Signale liegen? [V.03] Welchen Signalverlauf erwarten Sie bei einem EKG? [V.04] Was erwarten Sie, wenn Sie die Elektrden rechts und links der Schläfen am Kpf der Versuchspersn anbringen und die Versuchspersn die Augen bewegt? Welche Psitin ist für die dritte Elektrde am besten geeignet?. Vrhersage Experiment r-welle Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten- Lgger-Sftware und die Sensren. Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen im Experiment p-welle q-welle t-welle u-welle Reflexin Welche Aussagen kann ein Arzt aus dem EKG ablesen? Was versteht man unter einem EEG? s-welle fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

13 Wrkshp Exp. - Messerfassung [12] Kapazitive Sensren In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Die E-Lehrer in der Kursstufe behandelt u.a. den Kndensatr und Materie im elektrischen Feld. Das heißt, die Dielektrizitätsknstante spielt hierbei ein wesentliche Rlle. Will man den Anwendungsbezug der Physik, der in den Bildungsstandards sinnvller Weise gefrdert wird, in diesem Themenkmplex einführen, könnte die flgende Teamarbeit, in der s genannte Kapazitive Sensren der Firma FESTO eingesetzt werden, eine Rlle spielen.... tlles Dielektrikum Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil, Ladungssensr; USB-Verbindungskabel, U-I- Sensr, Spannungssensr Kapazitätssensr, Induktinssensr, Magnetsensr... und andere Sensren. Experimente A Schließen Sie den Ladungssensr an den Datenlgger an... verbinden Sie den Datenlgger mit dem Ntebk. Stellen Sie in der Daten-Lgger-Sftware die elektrische Ladung über der Zeitachse in einem Diagramm dar. Nehmen Sie den Ladungssensr (hne Berührung der Masseleitung) zwischen die Finger und heben Sie einen Schuh vm Bden ab. Was stellen Sie fest, wenn Sie den Abstand des Schuhs zum Bden verändern? Welche Elektrstatik-Experimente könnte man mit dieser Anlage nch aufbauen... Diskutieren Sie mit Ihrem Team Experimentiervrschläge... frmulieren Sie vrher Vermutungen über den experimentellen Ausgang... verifizieren der falsifizieren Sie dann Ihre Vrhersagen im Experiment... dkumentieren Sie eine Fehlerdiskussin. Vrhersage... Experimente B [V.01] Wie könnte man sich den Aufbau eines Kapazitätssensrs vrstellen? [V.02] Welche Reichweite Ansprechempfindlichkeit erwarten Sie bei slch einem Sensr? [V.03] Welche Materialien kann man mit slch einem Sensr unterscheiden was erwarten Sie? [V.04] Wie könnte ein Mdellexperiment zu dieser Thematik aussehen? Schließen Sie den FESTO-Sensr an die Betriebsspannung vn 9V an. Messen Sie die Sensrspannung zwischen dem Sensrkabel und der Masse mit dem U-Sensr des Datenlgger. Stellen Sie in der Daten-Lgger- Sftware die Spannung über der Zeit in einem Diagramm dar. Beantwrten Sie flgende Fragen vr dem Experiment! Therie Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen, Vermutungen im Experiment. Reflexin Untersuchen Sie die anderen Sensren auf ihre Funktinsweise. Welche Einsatzmöglichkeiten könnte man mit slchen Sensren in Industrieanlagen finden? fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

14 Wrkshp Exp. - Messerfassung [13] Kmpressr In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme In den Bildungsstandards steht der Druckbegriff schn in einer ersten didaktischen Reduktin in den Naturphänmenen. In den weiteren Klassenstufen wird diese erste Annäherung mehr der weniger ausgebaut. Diese Teamarbeit ist eine Gelegenheit, sich dieser Thematik mit Alltagsbezug zu nähern. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil USB-Verbindungskabel, Drucksensr Kmpressr, T-Stück, Schlauchstücke, Adapter für Drucksensr Luftballn Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Welches Druck-Zeit-Diagramm erwarten Sie, wenn der Windkessel des Kmpressrs leer ist und der Kmpressr angeschaltet wird. [V.02] Welche Druck-Zeit-Diagramm erwarten Sie, wenn Sie einen Luftballn aufblasen. In welcher Größenrdnung wird nach Ihrer Vermutung der Druck im Inneren des Luftballns liegen? [V.03] Wrin unterscheiden sich alte und neue Luftballne? Wie könnte man das untersuchen? [V.04] Warum zerreißt ein Luftballn, wenn er mit einer Nadel angestchen wird in tausend Fetzen? Kann man das verhindern? [V.05] Was erwarten Sie, wenn Sie den Luftballn mit einer Wärmebildkamera aufnehmen? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten- Lgger-Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen, Vermutungen im Experiment. Reflexin Blasen Sie einen Luftballn auf und nehmen Sie hierbei das Druck-Zeit-Diagramm auf. Was stellen Sie fest, wenn Sie den Kmpressr bei gut gefülltem Luftballn ausschalten? fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

15 Wrkshp Exp. - Messerfassung [14] p-v- Diagramm... p-t-diagramm In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme In den Bildungsstandards steht der Druckbegriff schn in einer ersten didaktischen Reduktin in den Naturphänmenen. In den weiteren Klassenstufen wird diese erste Annäherung mehr der weniger ausgebaut. Diese Teamarbeit ist eine Gelegenheit, sich dieser Thematik mit Alltagsbezug zu nähern. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil USB-Verbindungskabel, Drucksensr p-t-anrdnung p-v-anrdnung Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Welches p-t-diagramm erwarten Sie, wenn Sie die Metallkugel in heißes Wasser tauchen? [V.02] Welches p-v-diagramm erwarten Sie, wenn Sie die Luftmenge im Klben kmprimieren? [V.03] Eine Pressluftflasche wird mit einem Kmpressr gefüllt. Der Kmpressr presst ein grßes Luft- Vlumen in eine kleine Stahl-Flasche. Diskutieren Sie Temperatur, Vlumen, Energie, Druck, Entrpie während der Kmpressin der Luft. [V.04] Nun steht diese Pressluftflasche verschlssen, lange genug im Schrank, s dass die ganze Flasche im thermdynamischen Gleichgewicht mit der Umgebung ist. Was bedeutet das? [V.05] Diskutieren Sie nun in dieser Phase erneut Temperatur, Vlumen, Energie, Druck, Entrpie! [V.06] Nun wird die Flasche geöffnet und ein Presslufthammer damit betrieben. Wher kmmt die Mechanische Energie, die der Presslufthammer aufbringt? Diskutieren Sie erneut Temperatur, Vlumen, Energie, Druck, Entrpie bei diesem Vrgang. Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen, Vermutungen im Experiment. Reflexin Finden Sie andere Prblemstellungen, in denen die Diskussin der Entrpie eine entscheidende Rlle spielt. fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

16 Wrkshp Exp. - Messerfassung [15] Anemmeter In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Die Schülerinnen und Schüler können Zusammenhänge zwischen physikalischen Größenuntersuchen, Experimente selbstständig planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und einfache Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Wind ist ein faszinierendes Phänmen spielt bei Aerdynamischen Fragestellungen u.a. eine grße Rlle. Die Windmessung kann nicht nur bei den Bundesjugendspielen eine schönen Alltagsbezug haben. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil Bluetth-Adapter, iphne, Anemmeter Drehbewegungssensr, Tischtennisbälle, Kupferdraht, Schrauben, Sammlungsmaterial... Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Wie funktiniert ein Anemmeter? [V.02] Welche Windgeschwindigkeitsmessgeräte könnte man erfinden? Wie funktiniert ein Halbschalen-Anemmeter, das man aus einem Drehbewegungssensr und Tennisbällen selbst baut? [V.03] Wie kann man slch ein selbst gebaute Windgeschwindigkeitsmessgeräte eichen [V.04] Welche Windgeschwindigkeiten erwarten Sie in verschiedenen Stckwerken an der Schule? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten- Lgger-Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen, Vermutungen im Experiment. Reflexin Man kann die Datenlgger-Sensren an einen Bluetth-Adapter anschließen und die Daten damit zum Cmputer übertragen. Es gibt auch die Möglichkeit, die Messdaten vm Bluetth-Adapter auf einem ipd der iphn zu empfangen und auf diesen Geräten in passenden Diagrammen, Analg- der Digitalanzeigen auszugeben. fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

17 Wrkshp Exp. - Messerfassung [16] GPS In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Die Verbindung vn Sensrdaten mit den s genannten GPS-Daten sind ein ideales Betätigungsfeld wenn man mit den Schülerinnen und Schülern Diagrammarbeit trainieren will. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Datenlgger, Netzteil GPS-Sensr... weitere Sensren nach Wahl Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Wie funktiniert das GPS-System [V.02] Welche Daten im Umfeld der Schule könnte man mit dem GPS-Sensr kmbiniert aufnehmen und auswerten? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen, Vermutungen im Experiment. Reflexin Bei Vermessungsarbeiten wird das GPS-System auch eingesetzt. Allerdings genügt für diese Anwendung eine Genauigkeit vn 10 m in keinem Fall. Wie kann man die Genauigkeit des GPS- Systems wesentlich steigern? Vn welchen Randbedingungen hängt die Genauigkeit des GPS-Systems im Wesentlichen ab. Experimentieren Sie... Diskutiere Vr- und Nachteile dieses GPS- Systems. cmmns/3/3e/navstar-2.jpg ( 3) 3 Diese Datei ist ein Werk eines Angestellten der U.S. Air Frce, das im Verlauf seiner ffiziellen Arbeit erstellt wurde. Als ein Werk der Regierung der Vereinigten Staaten ist diese Datei gemeinfrei. fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

18 Wrkshp Exp. - Messerfassung [17] Sftware zur Furier-Analyse In den Physikbildungsstandards stehen flgende Kmpetenzen: Kmpetenz Nr. 3: Frmalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktinalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren und sie können funktinale Zusammenhänge Kmpetenz Nr. 4: Spezifische Methdenrepertire der Physik Fehlerbetrachtungen vrnehmen. Sie können cmputerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme Die Untersuchung vn Schwingungen in der Akustik ist ein mtivierendes Themenfeld nicht nur für Schülerinnen. Mit der Sftware Waveprt, die bei Daten-Lgger-Sftware mitgeliefert wird, kann man mit ganz einfachen Mitteln eine Furieranalyse realisieren und damit Experimente gestalten. Ntebk, Daten-Lgger-Sftware, Sftware zur Furier-Analyse Weinglas mit dünnem Stihl zwei 440Hz-Stimmgabeln mit Klangkörper und Klötze zur Verstimmung Hypthese Therie Vrhersage [V.01] Welche Kurvenfrm erwarten Sie beim Sprechen... welche Kurvenfrm beim Pfeifen? [V.02] Wie funktiniert die Resnanz bei den Stimmgabeln? Wie erzeugt man eine Schwebung... wie kmmt sie zustande? [V.03] Wie ändert sich die Frequenz einer Stimmgabel, wenn man die Masse eines Zinkens durch einen Zusatzkörper beschwert? [V.04] Wie funktiniert ein Quincksches Rhr? Was passiert, wenn man in einem Quinckschen Rhr den Luftraum kleiner macht? [V.05] Aus welchen Teilen besteht die s genannte Glasharfe? [V.06] Was passiert, wenn man in ein Glas (Weinglas mit dünnem Stiel) der Glasharfe Wasser eingießt? Vrhersage Experiment Installieren Sie das Ntebk, den Datenlgger und die Daten-Lgger-Sftware Überprüfen Sie Ihre Vrhersagen, Vermutungen im Experiment. Reflexin Wie kann man sich die Zusammenhänge, die man in diesen Experimenten entdeckt hat, zusammenfassend klären? fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

19 Wrkshp Exp. - Messerfassung [18]... der skratische Hubschrauber Führen Sie in Ihrem Team flgendes Rllen spiel auf: Persnen/Rllen: der Frager der Befragte Requisiten Hubschrauber Fernbedienung Feinwaage, USB-Kabel Schuhkartn Dialg: Frager Befragter Frager Befragter Frager Befragter Frager Befragter Frager Befragter Frager Ich lasse jetzt den Hubschrauber fallen. Welche Aussage über den Impuls des Hubschraubers beim Fallen kann man machen? Der Impuls des Hubschraubers nimmt dabei unweigerlich zu. Er wird mit einer Endgeschwindigkeit auf dem Bden auftreffen... und vermutlich kaputt gehen. Impuls ist eine mengenhafte Göße, die weder vernichtet nch erzeugt werden kann. Wenn als in einem Körper der Impuls zunimmt, dann muss dieser Impuls vn einem anderen Körper kmmen. Willst du mir da zustimmen? Ja, selbstverständlich! Vn welchem anderen Körper kmmt der Impuls des Hubschraubers, der diesem Hubschrauber beim Fallen unweigerlich zuströmt? Da die Erde für das Fallen verantwrtlich ist, muss der Impuls, den der Hubschrauber s unweigerlich beim Fallen aufnimmt, vn der Erde kmmen. Wir haben schn mehrfach deutlich betnt, dass wir ausschließlich Nahwirkungstherien verkünden wllen. Wenn der Impuls des Hubschraubers aus der Erde kmmt, dann muss es einen Vermittler geben, der diesen Impuls aus der Erde dem Hubschrauber vermittelt. Wie nennen die Physiker diesen Vermittler? Dieser Vermittler wird Gravitatinsfeld genannt. Jede Masse ist vn einem Gravitatinsfeld umgeben. Der Impuls des Hubschraubers fließt als aus dem Gravitatinsfeld der Erde in den Hubschrauber. Nun lasse ich den Hubschrauber nicht fallen das würde ihn, wenn ich es mehrfach mache, eventuell zerstören -, sndern ich versetze ihn in einen Schwebeflug. W bleibt nun der Impuls aus dem Gravitatinsfeld der Erde, der in den Hubschrauber hinein fließt? Im Schwebeflug überträgt der Hubschrauber genau sviel Impuls auf die Luft nach unten, wie ihm durch das Gravitatinsfeld zufließt. Wenn die Rtrblätter genau s schnell drehen, dass der Impuls- Zufluss und der Impuls-Abfluss sich genau ausgleichen, genau dann bleibt der Impuls des Hubschraubers knstant und er schwebt an der gleichen Stelle. Nun machen wir die Sache nch einfacher, wir stellen den Hubschrauber einfach auf den Tisch und schalten die Rtrblätter ab. W bleibt nun der Impuls, der durch das Gravitatinsfeld dem Hubschrauber immer nch zufließt? Experiment Wie müsste man vrgehen, wenn man den Impulsübertrag auf die Luft im Schwebeflug des Hubschraubers abschätzen wllte? Sie haben ein Messerfassungssystem zur Verfügung... welche Sensren benötigen Sie? Diskussin Auf dem Tisch Hubschrauber ganz unterschiedlicher Bauart: (a) Hubschrauber mit Dppelrtr hne Heckrtr, (b) Hubschrauber mit Dppelrtr und Heckrtr, (c) Hubschrauber mit Einfachrtr und Heckrtr Diskutieren Sie in Ihrem Team die Funktinsweise dieser unterschiedlichen Typen fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

20 Wrkshp Exp. - Messerfassung [19] Flugzeuge... Fragen über Fragen Zur Verfügung steht ein virtueller Windkanal, ein realer Windkanal, ein Gebläse, Tragflächenwaage und weitere experimentelle Ausstattung zur Aerdynamik. Grundlegende Experimente kann man zur dieser Thematik aber mit ganz einfachen Mitteln realisieren, die in jeder Physiksammlung zur Verfügung stehen. X-Fragen zur Wiederhlung... Recherche... Vrhersagen vr den Experimenten! X.1 Was versteht man unter dem Bernulli-Gesetz? Leiten Sie das Bernulli-Gesetz aus dem Energieerhaltungssatz ab. X.2 Welchen Unsinn verbreitet man mit flgender Aussage: Die Luftpakete teilen sich vr dem Flügel. Weil das Luftpaket beim Weg über den Flügel einen weiteren Weg zurück legen muss als das Luftpaket, das unten strömt, deshalb entsteht ben ein Unterdruck. Wie kann man den dynamischen Auftritt im Bernulli-Bild krrekt erklären X.3 Wie kann man das Fliegen vn Flugzeugen im Impulsbild erklären? X.4 Welche Aktinen führen bei einem Flugzeug zu einem Steigflug? Was passiert, wenn ein Flugzeug zur Landung ansetzt... welche Funktinen haben hierbei Landeklappen? X.5 Wie fliegt ein Flugzeug ein Kurve welche Kräfte wirken hierbei? Kann ein Flugzeug nur mit dem Seitenruder eine Kurve fliegen? Geht der Kurvenflug auch nur mit dem Querruder? X.6 Diskutieren Sie die Funktinsweise des Mdellvgels? X.7b Vrhersage A Welche Gemeinsamkeiten sehen Sie zwischen einem Flugzeug, der Luftschraube eines Prpellerflugzeuges, den Schaufeln in einem Düsentriebwerk, einem Hubschrauber, einer Windkraftanlage, einem Drachen und einem Ventilatr? Wie müsste man ein Experiment planen, in dem man die Bernulli-Erklärung des Fliegens nachprüfen wllte. Welche Vrhersage kann man in diesem Zusammenhang frmulieren... wie könnte man diese Vrhersage im Experiment überprüfen? Wie müsste man ein Experiment planen, in dem man die Impuls-Erklärung des Fliegens nachprüfen wllte. Welche Vrhersage kann man in diesem Zusammenhang frmulieren... wie könnte man diese Vrhersage im Experiment überprüfen? Vrhersage B Welche Vrhersage würden Sie machen, wenn Sie die Auftriebskraft und die Luftwiderstandskraft an einer Tragfläche abschätzen wllen? Welches Diagramm erwarten Sie, wenn Sie die Auftriebskraft über der Luftwiderstandskraft bei knstantem Anstellwinkel gegeneinander auftragen? Welches Diagramm würde man erwarten, wenn man die Auftriebsbeiwerte und die Luftwiderstandsbeiwerte bei unterschiedlichen Anstellwinkeln gegeneinander aufträgt? Dieses Diagramm heißt Prfilplare. Experimente Planen Sie passende Experimente, um Ihre Vrhersagen zu überprüfen fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc

21 Wrkshp Exp. - Messerfassung [20] EasyFly 3 der andere Flugsimulatr-Sftware Zur Verfügung steht ein Flugsimulatr mit Spieleregler (Kstenumfang 35 ). An diesem Flugsimulatr kann man den physikalischen Hintergrund des dynamischen Auftriebes und die Eigenschaften einer Maschine durch eigene Flugexperimente herausfinden. Die Steuerung eines Mdellflugzeuges ist wesentlich schwieriger als man sich das beim Spielen mit dem bigen Flugsimulatr vrstellt. Die Mdellmaschinen sind im Regelfall im Vergleich zur Masse des Mdells stark mtrisiert, sehr wendig und schnell, s dass an die Reaktinszeit des Pilten hhe Anfrderungen gestellt werden. Mit der Sftware hat man die Möglichkeit über die mitgelieferte Fernbedienung, die einer Original-RC-Fernbedienung nach gebaut ist, ein Mdellflugzeug auf dem Bildschirm zu steuern. Der grße Vrteil besteht whl darin, dass man die Simulatinsgeschwindigkeit reduzieren kann. Damit kann ein Anfänger im RC-Mdellflug-Hbby seine Reaktinszeit trainieren und die Gefahr, sein Mdell schn beim ersten Start zu verschrtten, erheblich reduzieren. Einstellung des Simulatrs [01.] Auswahl der Scenerie im Hauptmenue Hawai [02.] Auswahl des Mdells im Hauptmenue PT-4.0 Dieses Mdell hat ein Gewicht vn 2,3kg, eine Spannweite vn 1,5m und ein Länge vn 1,2m. Es ist ein gutes Einstiegsmdell für Mdellflugzeuge. [03.] Einstellung des Senders im Hauptmenue Zur Auswahl steht ein Spieleregler mit zwei Steuerknüppeln als genau die gleiche Steuereinheit, mit der man dann das Mdellflugzeug fliegen muss. Dieser Spieleregler hat zwei unterschiedliche Steuerknüppel man kann das bei einer leichten Bewegung der Regler sfrt merken. Die Steuerknüppel stellen sich, wenn man sie lslässt, autmatisch in eine Neutralstellung ein (die Neutralstellung ist bei diesen Reglern die Mittelstellung). Nur ein Regler verhält sich in einer Richtung anders das ist der Gashebel. Wenn man ihn bewegt spürt man eine Rasterung und der Gashebel bleibt in der Stellung, in die man in aktuell bringt. Er geht nicht zurück in eine Neutralstellung. Im Regelfall ist auf der Fernbedienung der Gashebel links angerdnet. Wir haben aber leider eine Fernbedienung, bei der sich der Gashebel auf der rechten Seite befindet. Die flgende Beschreibung gilt für den Nrmalregler. Im Regelfall stellt man am linken Steuerknüppel bei der Bewegung in Längsrichtung das Gas (als die Mtrleistung) ein und mit der Bewegung in Querrichtung steuert man die Seitenruder am Seitenleitwerk. Am rechten Steuerknüppel stellt man in Längsrichtung das Höhenruder am Höhenleitwerk und in Querrichtung das Querruder an den Tragflächen ein. An jedem Steuerknüppel befindet sich für alle vier Richtungen jeweils auch nch ein Trimmregler, den man vr der Kalibrierung (siehe unten) in die Mittelstellung bringen sllte. Als Alternative kann man auch den Flugsimulatr-Spieleregler anschließen, in dem alle Bedienelemente in einem Steuerknüppel vereinigt sind. Bei diesem Steuerrgan bedeutet eine Bewegung des Steuerknüppels in Längsrichtung die Steuerung des Höhenruders, eine Bewegung in Querrichtung steuert das Querruder, eine Drehung des Steuerknüppels steuert das Seitenruder und der Gashebel hinter dem Steuerknüppel steuert die Mtrleistung. [04.] Kalibrierung des Senders als des Spielereglers. Im Hauptmenue wählt man die Optin Sender - Nun wählt man links unten die Taste Kalibrieren... und flgt den Anweisungen des Prgramms. Zunächst muss man die Regler alle in Neutralstellung bringen. Im nächsten Schritt wird man aufgefrdert, die Regler in die Maximalstellung zu bringen... es empfiehlt sich, der Regelbereich aller Steuerrgane maximal auszufahren. Nach der Kalibrierung kann man durch die Bewegung der Steuerrgane feststellen, welche der Kanäle (Channel 1 bis Channel 8) auf welche Steuerbewegung reagiert. In der Matrix kann man durch Wahl der Aktivierungspunkte das Gas z.b. dem Channel 1 zurdnen, falls der Spieleregler die Gassteuerung auf diesem Kanal liefert. In gleicher Weise wählt man in der Matrix den Aktivierungspunkt für das Höhenruder, das Querruder und das Seitenruder. Nun betätigt man die Regler nacheinander. Sllte der Regler in die falsche Richtung regeln, dann kann man seine Aktin durch einen Haken bei der Spalte Invers die Aktin invertieren. Betätigt man z.b. das Höhenruder nach vrne und geht der rte Leuchtbalken bei dem betreffenden Kanal nach unten statt nach ben, dann muss man diesen Kanal invertieren. Betätigt man das Querruder nach links, muss der Balken nach unten gehen; Betätigt man das Seitenruder nach links, muss der rte Balken ebenfalls nach unten gehen. Bei der Gassteuerung empfiehlt sich flgendes Vrgehen: Beim Flugsimulatr-Spieleregler entspricht der Gashebel nach vrne der Stellung Mtr aus ; wenn man als hier Gas geben will, muss man den Regler nach hinten umlegen. Bei der Mdellflugsteuerung entspricht eine Bewegung des Gas-Steuerknüppels nach vrne nrmalerweise mehr Mtrleistung. [05.] Man bringt alle Regler in die Neutralstellung, schaltet das Gas auf Aus und startet zum Erstflug im Hauptmenue mit Start. [06.] Das Flugfeld Startbahn A und das Flugzeug erscheinen. Nun kmmt der Funktins-TEST der Maschine. Man testet man das Höhenruder, das Querruder und das Seitenruder. Sllte das Ruder in die falsche Richtung ausschlagen, muss man zurück zum Punkt [04] und die Regler in der Spalte Invertierung krrekt einstellen. Sllte das Flugzeug in dieser Situatin anrllen, dann ist die Gassteuerung falsch eingestellt. Auch in diesem Fall kann man (siehe Punkt [04] Invertierung) diese Einstellung krrigieren. Wenn man nun Gas gibt, bewegt sich das Flugzeug und die flgenden Flugübungen können beginnen. fkranzinger FK WrkShp Mdul II-C.dc