Unterrichtsmaterialien zum Thema "Wellenlehre"

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Einführung in die Holografie

Unterrichtseinheit

Die Schülerinnen und Schüler erstellen ein einfaches Verlaufsgitter, eine holografische Linse und ein „echtes“ Hologramm. Entsprechende Aufgaben regen sie dazu an, die Experimente zu verstehen und ihre Ergebnisse vorherzusagen. Auch ein Simulationsprogramm zur Überlagerung von Elementarwellen kommt zum Einsatz.Holografie hat den Ruf, schwer verständlich und experimentell sehr aufwändig, also in der Schule nicht realisierbar zu sein. Beides ist falsch, solange man sich mit wenig spektakulären Ergebnissen zufrieden gibt. Der hier aufgezeigte Weg zur experimentellen Einführung in die Holografie ist leicht zu gehen und auch leicht zu verstehen. Zur Herstellung der Beugungsobjekte wird ein einfacher und in allen drei Schritten fast identischer experimenteller Aufbau benutzt, den Schülerinnen und Schüler nach entsprechender Einweisung leicht beherrschen. Die vorgeschlagenen Aufgaben sollten möglichst vor den Experimenten bearbeitet werden, denn sie dienen dazu, deren Ergebnisse vorherzusagen. Schließlich kommt ein Simulationsprogramm (Turbo Pascal) zum Einsatz, mit dessen Hilfe Zusammenhänge und Fertigkeiten, die die Schülerinnen und Schüler bereits gelernt haben, vertieft werden können: es demonstriert den Übergang vom gewohnten Strichgitter zum Hologramm.Das "Kleine Holografie-Praktikum" entstand im Rahmen der Mitarbeit des Autors am BLK-Programm SINUS in Schleswig-Holstein und ist Bestandteil der daraus hervorgegangenen Aufgabensammlung der Website sinus.lernnetz.de . Es versucht, Anliegen des SINUS-Programms - hier: Modul 1 "Weiterentwicklung der Aufgabenkultur" (ausführliche Infos auf der SINUS-Transfer-Homepage ) - mit einem experimentell orientierten Unterrichtsgang zu verbinden. Materialien und Aufnahmetechnik Technische Voraussetzungen und allgemeine Hinweise zur Aufnahmetechnik 1. Experiment: Verlaufsgitter Eigenschaften und Herstellung eines Verlaufsgitters, Aufgaben zum Verlaufsgitter 2. Experiment: Holografische Linse Eigenschaften und Herstellung einer holografischen Linse, Aufgabenstellungen 3. Experiment: Ein "richtiges" Hologramm Herstellung einfacher Hologramme mit SW-Kleinbild- und Spezialfilmen Ein Programm zur Funktion von Verlaufsgittern Berechnung von Zeigerdiagrammen, Amplituden und Helligkeiten Die Schülerinnen und Schüler sollen einfache Hologramme selber herstellen. verstehen, dass Hologramme spezielle Beugungsgitter sind. Thema Einführung in die Holografie Autor Bernd Huhn Fach Physik Zielgruppe Physikkurse mit dem Thema Wellenoptik; auch Gruppen besonders leistungsfähiger Schülerinnen und Schüler, die eigenständig arbeiten können Zeitraum etwa 6 Unterrichtsstunden, dazu Arbeitszeit für Filmentwicklung Technische Voraussetzung Schwarzweiß-Kleinbildfilm und Entwickler, Spiegelreflexkameragehäuse, schulübliche He-Ne-Laser mit und ohne Aufweitungsoptik, Polarisationsfilter, Glasprismen, optische Bank mit Reitern, Stativmaterial, Mikroskop, eine blanke Stahlkugel, eine nicht allzu blanke Münze (oder ein ähnlicher Gegenstand), Turbo Pascal (Infos dazu bei Wikipedia ); PowerPoint oder PowerPoint-Viewer (kostenloser Download bei microsoft.com) Verlaufsgitter, holografische Linsen und einfache Hologramme lassen sich mit Schwarzweiß-Kleinbildfilmen herstellen. Die in diesem Beitrag dokumentierten Ergebnisse wurden mit dem Film Agfaortho 25 (Empfindlichkeit 25 ASA, Auflösungsvermögen 100 Striche pro Millimeter) erzielt, der nicht mehr hergestellt wird. Eine Alternative bietet der Film ISO 40/17 der Gigabitfilm-GmbH (Auflösungsvermögen laut Hersteller 700 Striche pro Millimeter), der vom Autor allerdings noch nicht getestet wurde. Benötigt wird außerdem ein Spiegelreflexkameragehäuse einfachster Bauart mit der Möglichkeit langer Belichtungszeiten (B-Einstellung, feststellbarer Drahtauslöser), ein schulüblicher He-Ne-Laser mit Aufweitungsoptik (Mikroskopobjektiv, möglichst gut gesäubert, und eine Linse mit f = 10 cm), zwei Glasprismen, eine blanke Stahlkugel, eine nicht allzu blanke Münze (oder ein ähnlicher Gegenstand) und etwas Stativmaterial. Als Unterlage reicht ein fester Tisch. Zur Untersuchung der fertigen Aufnahmen sollten möglichst ein zweiter Laser mit und ohne Aufweitungsoptik und ein Mikroskop bereitstehen. Zum Belichten der Aufnahmen wird generell zunächst der Strahlengang unterbrochen, zum Beispiel mit einer freihändig vor den Laser gehaltenen dunklen Pappscheibe, dann der Kameraverschluss geöffnet und einige Sekunden gewartet, um eventuell entstandene Schwingungen abklingen zu lassen. Dann erst wird der Strahlengang freigegeben. Die Belichtungszeiten muss man ausprobieren. Entwickelt wird mit üblichem Schwarzweiß-Entwickler. Ein Rechteckgitter mit Gitterlinienabstand g lässt an seinen Öffnungen das Licht entweder ganz durch oder gar nicht. Es liefert viele Beugungsmaxima mit Ordnungen k (k ganzzahlig) bei Winkeln alpha k gegen die ursprüngliche Strahlrichtung, für die sin(alpha k ) = k lambda/g gilt; lambda ist die Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Ein Verlaufsgitter (Abb. 1b), bei dem die Durchlässigkeit sich nicht sprunghaft, sondern verlaufend ändert, liefert bei hinreichend geringem Kontrast neben dem Maximum der Ordnung k = 0 nur die beiden Maxima mit k = 1 und k = -1. Diese Eigenschaft eines Verlaufsgitters ist leicht zu beobachten und mit dem Huygensschen Modell der Elementarwellen zu erklären: Das Verlaufsgitter sendet Elementarwellen unterschiedlicher Amplituden aus, und zwar auch dort, wo das Rechteckgitter keine Elementarwellen entstehen lässt. Ein geeignetes Computerprogramm, das die Überlagerung vieler Elementarwellen auf einem Schirm simuliert, zeigt nur noch die Maxima mit k = -1, 0, +1, wenn die Durchlässigkeit des Gitters sinusförmig variiert (siehe Ein Programm zur Funktion von Verlaufsgittern mit variablem Kontrast ). Streng genommen ist ein solches Verlaufsgitter bereits ein Hologramm, nämlich das eines unendlich fernen Punktes. Ein Verlaufsgitter mit konstantem Gitterlinienabstand kann man herstellen, indem man zwei ebene kohärente Lichtwellen nach Reflexion an einem Winkelspiegel geringfügig gegeneinander geneigt auf den Schwarzweiß-Kleinbildfilm treffen lässt. Als Winkelspiegel benutzt man einfach die ebenen Vorderseiten von zwei nebeneinander stehenden Glasprismen. Diese werden so justiert, dass die reflektierten Teilbündel sich auf dem Film einige Millimeter weit überlagern. Abb. 3 zeigt den Versuchsaufbau zur Aufnahme eines Verlaufsgitters in einer schematischen Darstellung (a) und als Fotografie (b). Mit einem Mikroskop an Stelle des Kameragehäuses (zum Beispiel aus der Anordnung zum Millikan-Versuch) kann man die Interferenzstreifen direkt beobachten und auch die Wackelempfindlichkeit des Aufbaus einschätzen. Das Laserlicht sollte man dazu vorsichtshalber mit einem Polarisationsfilter abschwächen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden mit dem Film Agfaortho 25 erzielt, der heute nicht mehr hergestellt wird. Eine Alternative bietet der Film ISO 40/17 der Firma Gigabitfilm GmbH . Der Hersteller verspricht eine Auflösung von 700 Linien pro Millimeter. Der Autor hat diesen Film jedoch nicht in der Praxis getestet. Der Film bleibt unbelichtet, wo die Wellen um pi phasenverschoben eintreffen. Wo die Phasenverschiebung Null beträgt, wird er dagegen maximal geschwärzt. Dazwischen gibt es die gewünschten fließenden Übergänge der Schwärzung. Unter dem Mikroskop lässt sich dies gut erkennen. Anhand der sichtbaren Körnigkeit lässt sich auch einschätzen, ob der Film noch engere Gitterlinien auflösen könnte. Wenn beide Teilbündel gleich intensiv sind, wird das Gitter leicht zu kontrastreich und zeigt auch Beugungsmaxima höherer Ordnung. Um hohen Kontrast und damit Beugungsmaxima höherer Ordnung zu verhindern, beleuchtet man entweder eines der Prismen stärker und das andere schwächer, oder man lässt während eines Teils der Belichtungszeit kein Licht auf eines der beiden Prismen fallen, indem man es mit einer Pappscheibe abschattet. Man kann auch auf einer Aufnahme variierenden Kontrast erhalten, indem man das eine Teilbündel während der Belichtung zunehmend abdeckt (Aufbau nicht berühren!). Mit dieser Aufnahme lässt sich schön demonstrieren, dass zunehmender Kontrast im Schwärzungsverlauf immer höhere Beugungsordnungen entstehen lässt. Ein enges Verlaufsgitter (kleiner Gitterlinienabstand g) liefert Maxima unter großen Winkeln alpha und umgekehrt. Wenn man ein Gitter herstellt, bei dem die Gitterlinien konzentrische Kreise sind und der Gitterlinienabstand von innen nach außen in geeigneter Weise abnimmt, wird das Licht eines einlaufenden parallelen Lichtbündels so in die beiden Ordnungen k = 1 und k = -1 gebeugt, dass es hinter dem Gitter in einem Punkt P2 zusammenläuft beziehungsweise so auseinander läuft, als käme es von einem Punkt P1 vor dem Gitter. Dieses Gitterringsystem - eine Fresnelsche Zonenplatte mit verlaufender Schwärzung - ist also gleichzeitig eine Sammellinse und eine Zerstreuungslinse (Interferenzmaxima der Ordnung k = 0 sind nicht eingezeichnet). Wenn man gegen die Lichtrichtung darauf blickt, scheint dahinter der leuchtende Punkt P1 zu schweben. Dies ist also das Hologramm des Punktes P1. Diesmal überlagert man auf der Fotoschicht eine ebene Welle mit einer Kugelwelle. Dazu benutzt man nur ein Prisma, stellt aus Sicht des Kameragehäuses mittig dahinter eine polierte Kugel und beleuchtet beide mit dem parallelen Laserlichtbündel. Der Reflex der Kugel bildet eine Kugelwelle, der Reflex der ebenen Prismenfläche ist eine ebene Welle. Beide überlagern sich auf dem Film und schwärzen ihn entsprechend. Wenn man die entstandene holografische Linse mit dem parallelen Laserbündel durchstrahlt, kann man auf einem Schirm den Brennpunkt finden und die Brennweite bestimmen. Sie sollte gleich dem Abstand der Kugel vom Film bei der Aufnahme sein. Überlagert man auf einer Aufnahme mehrere holografische Linsen gegeneinander verschoben, so bildet jede bei Beleuchtung mit einem parallelen Lichtbündel einen eigenen Doppelkegel (entsprechend Abb. 5). Schaut man wieder gegen die Lichtrichtung darauf, scheinen mehrere Objektpunkte dahinter zu schweben und zu leuchten. Zur Herstellung setzt man hinter das Prisma im Aufbau einfach weitere Stahlkugeln. Das Hologramm eines Gegenstandes kann man sich als die Überlagerung vieler holografischer Linsen vorstellen. Die Lage eines jeden leuchtenden Objektpunktes im Raum ist durch eine zugehörige holografische Linse mit der speziellen Lage ihres Zentrums und der speziellen Abfolge ihrer Kreisradien (siehe 2. Experiment ) auf dem Hologramm repräsentiert. Zu einem Punkt nahe am Hologramm gehört ein Ringsystem mit nach außen schnell abnehmendem Gitterlinienabstand und umgekehrt. Raumwirkung mit Beschränkungen Das Auflösungsvermögen der Schwarzweiß-Kleinbildfilme erlaubt nur die Aufnahme sehr einfacher Hologramme, bei denen (wie bei den bisherigen Aufnahmen) die Richtung des parallelen Lichtbündels, des so genannten Referenzstrahls, nur wenig von der Richtung des Objektstrahls abweicht. Je größer der Winkel zwischen beiden Richtungen ist, desto feiner wird das Interferenzmuster. Daraus folgt, dass beim Betrachten des Hologramms das rekonstruierte Objekt nahe beim beleuchtenden Laser erscheint, so dass Vorsicht zum Schutz der Augen angebracht ist! Das Interferenzmuster wird umso feiner, je mehr wirksame Objektpunkte mitspielen. Daher sollten die Objektoberflächen möglichst aus kleinen glänzenden Flächen bestehen. Geeignet sind zum Beispiel nicht allzu blanke Münzen oder kleine Figuren, die mit Silberbronze bemalt wurden. Das Kleinbildformat 24 Millimeter mal 36 Millimeter erlaubt keine Hologramme, durch die man mit beiden Augen gleichzeitig hindurch sehen kann. Daher kann man eine Raumwirkung nur dann wahrnehmen, wenn man mit einem Auge abwechselnd durch verschiedene Bereiche des Hologramms schaut. In jedem Fall bleibt aber das typische Phänomen beobachtbar - nämlich durch das Hologramm wie durch ein Fenster Objekte sehen zu können, die nicht als erkennbares Muster auf dem Hologramm vorhanden sind. Experimenteller Aufbau Zur Aufnahme stellt man das ausgewählte Objekt in dem schon mehrfach verwendeten Aufbau einfach dicht neben das Prisma, so dass es ebenfalls beleuchtet wird und möglichst viel Licht diffus auf den Film wirft. Das Verhältnis der Intensitäten des parallelen Referenzbündels und des vom Objekt reflektierten Lichtes muss erprobt werden. Man stellt dazu das Objekt mehr oder weniger genau in den zentralen hellsten Teil des aufgeweiteten Laserbündels. Zum Betrachten des fertigen Hologramms fixiert man es mit Stativmaterial und beleuchtet es mit dem parallelen Referenzbündel. Dann variiert man nur noch die Position des Auges, bis man das Objekt optimal erkennt. Sollen danach weitere Personen das Objekt sehen, empfiehlt es sich, eine Lochblende an die Stelle der optimalen Augenposition zu stellen. Benutzt man Filme mit hohem Auflösungsvermögen (einige tausend Striche pro Millimeter, siehe Links und Literatur ), die speziell für holografische Anwendungen hergestellt werden, so entfallen die bei der Nutzung des Schwarzweiß-Kleinbildfilms genannten Beschränkungen. Wichtiger wird nun allerdings, dass keine der Komponenten des Aufbaus sich während der Belichtungszeit um einen nennenswerten Bruchteil der Wellenlänge gegen irgendeine andere verschiebt. Das divergente Laserlichtbündel beleuchtet gleichzeitig den Film und das Objekt. Der Sand, in dem die Teile stehen, dämpft wirkungsvoll alle Schwingungen und erlaubt ein einfaches Justieren. Mit diesem Aufbau gelingen erfahrungsgemäß Hologramme während normaler Unterrichtsstunden. Der Film (fotografische Platten sind wesentlich teurer) wird mit einer Glasplatte und Gummibändern an einen festen Träger gepresst. Sollte er sich während der Aufnahme stellenweise verformen, so hat das Hologramm dort - unerwünscht, aber lehrreich - "blinde Flecken" ohne Information über das Objekt. Das fertige Hologramm beleuchtet man zum Betrachten mit dem divergenten Laserlichtbündel, das für die Aufnahme verwendet wurde. Das hier vorgestellte Simulationsprogramm (in Turbo Pascal) nutzt nur Zusammenhänge und Fertigkeiten, die die Schülerinnen und Schüler bereits gelernt haben: das Huygenssche Prinzip und die Auswertung von Zeigerdiagrammen interferierender Wellen. Es simuliert die Überlagerung von 400 Elementarwellen aus 400 Punkten eines Gitters mit 20 "Stellen" höherer Durchlässigkeit (das Wort "Spalte" passt nicht). Den Verlauf der Durchlässigkeit kann man mit einem Kontrastwert einstellen. Bei einem hohen Kontrastwert von 40 besteht das Gitter aus diskreten schmalen Spalten. Bei dem Kontrastwert 1 ist ein sinusförmiger Verlauf der Durchlässigkeit erreicht. Ein Kontrastwert von Null bedeutet, dass keinerlei Gitterstruktur mehr vorhanden ist. Der Durchlässigkeitsverlauf des Gitters wird im oberen Teil des Bildschirms weiß dargestellt (Abb. 10). Die Mitte und den unteren Teil des Bildschirms muss man sich als Teil eines Auffangschirms für das Interferenzbild dieses Verlaufsgitters bei Bestrahlung mit kohärentem Licht vorstellen. Das Maximum nullter Ordnung befindet sich am linken Bildschirmrand. An 600 horizontal nebeneinander liegenden Bildschirmpunkten werden die Phasen der 400 Elementarwellen und die Projektionen der zu ihnen gehörenden Zeiger berechnet. Dann werden die zugehörigen Zeiger hintereinander gehängt. In der Mitte des Bildschirms wird diese Vektorkette in gelber Farbe dargestellt und jeweils gleich wieder gelöscht. Durch die Wahl der Phase der zweihundertsten Elementarwelle aus der Mitte des Gitters zu pi/2 ist sichergestellt, dass der Summenvektor immer vertikal verläuft. Dieser wird dauerhaft in roter Farbe dargestellt. Um den Helligkeitsverlauf der Interferenzfigur zu erhalten, wird nun noch die Länge des Summenvektors quadriert und passend skaliert im unteren Teil des Bildschirms in blauer Farbe aufgetragen. Dort ist auch die Lage der Interferenzmaxima markiert. Einen optischen Eindruck von den Möglichkeiten des Programms verschaffen Ihnen Abb. 10 und 11 (Platzhalter bitte anklicken). Variiert wurde die Durchlässigkeit des Gitters. Abb. 10 zeigt ein Strichgitter (oben im Bild, weiß, Kontrastfaktor = 40). Alle Maxima von k = 0 bis k = 5 (unten im Bild) sind etwa gleich intensiv. In Abb. 11 ist die Durchlässigkeit schon etwas verlaufend (Kontrastfaktor = 5). Die Maxima werden schwächer, je größer ihre Ordnung k ist. Im Fall eines Sinus-Verlaufsgitters (Kontrastfaktor = 1, nicht dargestellt) ist dann nur noch das Maximum der Ordnung k = 1 vorhanden. Die Screenshots zeigen nicht, wie während des Bildaufbaus von links nach rechts die Wellenzeiger vektoriell addiert werden (im laufenden Programm gelb dargestellt). Damit man das verfolgen kann, ist im Programm die Möglichkeit eingebaut, den Bildaufbau schön langsam laufen zu lassen. Das Programm wird von Turbo Pascal aus gestartet (file ... open ... run ...), es handelt sich nicht um eine EXE-Datei. Möglicherweise muss es an die lokalen Gegebenheiten angepasst werden. Das Programm bietet keinerlei Bedienungskomfort, damit die Schülerinnen und Schüler möglichst dicht am Quelltext arbeiten, ihn verstehen und bei Bedarf auch ändern können. Der Durchlässigkeitsverlauf des Gitters wird am Ende der Prozedur "Graphschirm" (z[k]:= ... ) berechnet. Hier können leicht auch andere periodische Funktionen gewählt werden, solange die Werte z[k] zwischen 0 und 1 variieren und der Wert der Periodenlänge 20 beträgt. Aus mehreren Screenshots lässt sich mit Powerpoint leicht eine Bildreihe zusammenstellen, die zeigt, wie die Interferenzfigur auf Veränderungen des Kontrastes reagiert. Themenheft Holografie Praxis der Naturwissenschaften Physik, 1/35, Jahrgang, 1986: Umfassende und schulnahe Information über Grundlagen und Spezialitäten der Holografie

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II

Wellen am Doppelspalt

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit werden die Wahrscheinlichkeitswellen von Quantenobjekten hinter einem Doppelspalt per Handzeichnung visualisiert und mit dem gewohnten Interferenzbild klassischer Wellen verglichen.Die eingesetzten Materialien entstanden im Rahmen der Mitarbeit des Autors am BLK-Programm SINUS in Schleswig-Holstein und sind Bestandteil der aus dem Programm hervorgegangenen Aufgabensammlung der Website sinus.lernnetz.de . Die Unterrichtseinheit zeigt, wie Ziele des Programms (hier speziell zum SINUS-Modul 1: Weiterentwicklung der Aufgabenkultur) durch die Nutzung digitaler Werkzeuge unterstützt werden können. Die in den "klassischen" Arbeitsblättern der Unterrichtseinheit verwendeten Visualisierungen von Interferenzfiguren wurden mit kleinen Pascal-Programmen des Autors erzeugt. Ein erweitertes Programm zeichnet auch die Lage der Wellenzeiger. Mehrere Bilder für aufeinander folgende Zustände der sich ausbreitenden Welle lassen sich mithilfe von Präsentationsprogrammen, wie zum Beispiel PowerPoint, zu einer kleinen Animation kombinieren, in der man die Bewegung der Welle und besonders der Wellenzeiger verfolgen kann. Unterrichtskontext und Arbeitsmaterialien Fachliche Voraussetzungen, Kompetenzdefizite vor der Unterrichtseinheit sowie Ergebnisse Bezug der Unterrichtseinheit zu SINUS-Transfer Aufgaben spielen im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht eine zentrale Rolle und sollten nicht allein der Routinebildung dienen. Die Schülerinnen und Schüler sollen eine visuelle Vorstellung von der Verteilung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Quantenobjekts hinter einem Doppelspalt gewinnen. die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Quantenobjekts hinter dem Doppelspalt von der Elongation der entsprechenden klassischen Welle unterscheiden lernen. die Wahrscheinlichkeitsdeutung der quantenmechanischen Wellenfunktion wiederholen. die Interpretation des Doppelspaltversuches vertiefen. Die Interferenz als Vektoraddition der umlaufenden Wellenzeiger muss unbedingt beschrieben und verstanden worden sein. Nur bei der klassischen Welle interessiert uns die Elongation. Um die Elongation der Interferenz zweier klassischer Wellen zu erhalten, ist es gleichgültig, ob man zuerst die Zeiger projiziert und die so entstehenden Elongationen skalar addiert, oder ob man erst die Zeiger vektoriell addiert und den Summenzeiger projiziert. Bei der Wahrscheinlichkeitswelle brauchen wir dagegen zur Angabe der Aufenthaltswahrscheinlichkeit nur die Amplitude, keine Elongation. Maßgeblich für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit hinter dem Doppelspalt ist also nur die Länge des Summenvektors der beiden Wellenzeiger, nicht seine Projektion. Schülerinnen und Schülern fällt es sehr schwer zu verstehen, dass die Elongation (in der Zeigerdarstellung also die Projektion des Wellenzeigers auf die y-Achse) für die Wahrscheinlichkeitswelle keine Bedeutung hat. Häufig herrscht die Fehlvorstellung, dass im fortschreitenden Wellenzug ständig Bereiche hoher Aufenthaltswahrscheinlichkeit (Wellenberge) und Bereiche kleiner Aufenthaltswahrscheinlichkeit (Wellentäler) abwechseln. Das ist kein Wunder, nachdem im Mittelpunkt der Betrachtung klassischer Wellen die Elongation gestanden hat und in den Büchern Wellenpakete meist per Elongation dargestellt werden. Einsatz Arbeitsblätter Die Unterrichtsstunde dient der Vertiefung der Interpretation des Doppelspaltversuches für Quantenobjekte. Sie enthält als Wiederholung die Interferenzfigur einer klassischen Welle hinter dem Doppelspalt mit der Darstellung der Elongationsverteilung. Davon abgegrenzt werden soll die Verteilung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Quantenobjekts. Diese Funktion soll die Bearbeitung von Arbeitsblatt 1 (doppelspalt_ab1.pdf) erfüllen. Je nach individuellem Wissensstand der Schülerinnen und Schüler ist eine Wiederholung der Begriffe Elongation und Amplitude nötig. Bei Bedarf kann dazu das Arbeitsblatt 2 (doppelspalt_ab2.pdf) eingesetzt werden, das zum Nachdenken über Elongation und Amplitude einer kontinuierlichen Kreiswelle und eines Kreiswellenpakets zwingt. Es bereitet auch die in Arbeitsblatt 1 geforderte Visualisierung vor. Arbeitsblatt 3 (doppelspalt_ab2.pdf) stellt eine mögliche Ergänzung auf deutlich höherem Niveau dar. In der gegebenen Abbildung werden die Wellenzeiger, ihre Summen und Projektionen in einem Schnitt durch das Wellenfeld dargestellt. Die Aufgabe besteht darin, auch in dieser Darstellung den oben genannten Unterschied in der Betrachtung der Wellen zu finden. Arbeitsblatt 1 In der oberen Hälfte einer Grafik ist das Interferenzbild einer "klassischen" Welle dargestellt, unten ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Quantenobjektes zu ergänzen. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich mit der Aufgabe zunächst in Einzelarbeit auseinander, damit eine möglichst große Lösungsvielfalt entsteht. Als Bearbeitungszeit sind etwa 15 Minuten zu veranschlagen. Arbeitsblatt 2 Das zweite Arbeitsblatt sollte eingesetzt werden, wenn erhebliche Schwierigkeiten bei der Bearbeitung von Arbeitsblatt 1 zu erwarten sind oder auftreten. Es bietet Lösungszwischenschritte an, in denen an einfacheren Fällen Elongationen und Amplituden angegeben beziehungsweise visualisiert werden sollen. Bearbeitungszeit durch die Schülerinnen und Schüler: etwa 15 Minuten. Arbeitsblatt 3 Eine Grafik zeigt einen Ausschnitt aus der Momentaufnahme einer Doppelspalt-Interferenzfigur. Am Bildrand, der einen Schnitt durch das Wellenfeld darstellt, sind die dort aktuellen Zeigerstellungen dargestellt. Die Bedeutungen der Zeiger für die beiden Hälften des Interferenzbildes sollen erkannt und ihre zeitliche Entwicklung beschrieben werden. Die für den Physikunterricht ungewohnte zeichnerische Arbeit hat auf die Lernenden eine motivierende Wirkung. Auch die nachfolgende Diskussion an Hand der fertigen Zeichnungen ist sehr fruchtbar, weil die Schülerinnen und Schüler ihre Bilder gegenseitig interpretieren, nach den dahinter stehenden (Fehl-)Vorstellungen suchen und diese mit ihren eigenen Vorstellungen vergleichen. Für diesen Prozess sollte man sich reichlich Zeit nehmen. Anschließend sollte jeder seine Zeichnung korrigieren oder - im Idealfall - noch eine neue Zeichnung anfertigen. Keinesfalls sollte nur die in Arbeitsblatt 1 (doppelspalt_ab1_lsg.pdf) zu findende Lösung gegeben und darauf verzichtet werden, dass die Schülerinnen und Schüler selbst die richtige Lösung zeichnen. Abb.1 zeigt Beispiele für Bearbeitungsergebnisse der Schülerinnen und Schüler zu Arbeitsblatt 1. Es sind folgende Merkmale festzustellen: Aufenthaltswahrscheinlichkeit ungleich Null nur im Interferenzbereich, noch an der Elongation orientiert (a) Aufenthaltswahrscheinlichkeit ungleich Null nur im Interferenzbereich, keine Elongation, abnehmende Aufenthaltswahrscheinlichkeit zum Rand (nach unten) (b) Aufenthaltswahrscheinlichkeit ungleich Null auch außerhalb des Interferenzbereichs, dort noch an der Elongation orientiert (c) keine Interferenz erkennbar (d) Das SINUS-Transfer-Modul 1 regt dazu an, Aufgaben außer in den klassischen Funktionen wie "Üben" und "Leistung messen" auch für vielfältige andere Ziele einzusetzen, zum Beispiel zum Erarbeiten neuer oder zum Vertiefen bekannter Inhalte in variierenden Kontexten oder auch zum Vernetzen neuer mit bereits früher erlangten Erkenntnissen. Empfohlen werden auch Aufgabentypen, die mehrere Vorgehensweisen und unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten zulassen. Der Satz "Besonders im Vergleich qualitativ unterschiedlicher Lösungswege, ihrer Begründungen und Probleme kann sich Verständnis vertiefen" gibt einen Hinweis darauf, wie Arbeitsergebnisse der Schülerinnen und Schüler Gewinn bringend ausgewertet werden können. Weiterentwicklung der Aufgabenkultur Weitere Informationen zu Modul 1 auf der SINUS-Transfer-Website

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II

Verbot von Solarien?

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit setzen sich die Lernenden mit den schädlichen Folgen von UV-Strahlen auseinander. Sie diskutieren den Zusammenhang zwischen häufigem Sonnenbaden im Solarium und der Entstehung von Hautkrebs.Als Vorbereitung auf ihre Sommerferien legen sich viele Leute auf die Sonnenbank, um ihre Bräune zu verstärken. Um gesundheitliche Risiken machen sich nur wenige Gedanken. Könnte diese Unbedarftheit ihr Leben bedrohen? In dieser Unterrichtseinheit recherchieren die Schülerinnen und Schüler für eine Fernseh-Show, in der ein Bericht über die Behauptung, Solarien würden Hautkrebs verursachen, geplant ist. Die Lernenden suchen nach wissenschaftlichen Beweisen, die den unmittelbaren Zusammenhang zwischen UV-Strahlen und Hautkrebs untermauern. Bezug zum Lehrplan Wissenschaftliches Arbeiten: Interpretation von Beobachtungen und Daten, einschließlich Identifizierung von Mustern und Anwendung von Beobachtungen, Messungen und Daten, um Rückschlüsse ziehen zu können. Physik: Licht und elektromagnetische Wellen: Angabe von Beispielen praktischer Nutzungsmöglichkeiten von elektromagnetischen Wellen im ultravioletten Bereich und Beschreibung gefährlicher Auswirkungen ultravioletter Wellen, insbesondere auf menschliches Gewebe. Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Solarien" Der Ablauf der Unterrichtssequenz "Verbot von Solarien?" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler wenden Kenntnisse über UV-Strahlung an, um die Verbindung zwischen Sonnenbänken und Hautkrebs herstellen zu können. entwickeln ein Verständnis dafür, wie wissenschaftliche Beweise Behauptungen unterstützen können. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben. Verbot von Solarien? Die Lehrkraft zeigt Folie 3 der PowerPoint-Präsentation. Dort wird eine Nachrichtenstory im Online-Tageszeitungsformat präsentiert. Die Schülerinnen und Schüler diskutieren paarweise darüber, ob Solarien verboten werden sollten und falls ja, warum. Anschließend teilen die Schülerinnen und Schüler ihre Gedanken der Klasse mit. Rollenspiel Die Lernenden übernehmen die Rolle einer Rechercheurin oder eines Rechercheurs bei der TV-Show "Health Watch" (Folie 4 der PowerPoint-Präsentation). Der Produzent der Sendung stellt ihnen die Aufgabe, eine Grafik (Folie 5 der PowerPoint-Präsentation) zu interpretieren und zu erarbeiten, was diese aussagt. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Grafik paarweise besprechen und hinterher der Klasse ihre Gedanken mitteilen. Faktor "Hautkrebs" Die Grafik bestätigt eine Verbindung zwischen dem Anstieg von Sonnenstudios und der Zahl der an Hautkrebs erkrankten Menschen, aber sie impliziert nicht, dass Solarien Hautkrebs verursachen: Hier könnten weitere Faktoren beteiligt sein! Wissenschaftliche Belege Der Produzent benötigt weitere wissenschaftliche Belege für die These "Solarien verursachen Hautkrebs" (Folie 6 der Präsentation). Die Schülerinnen und Schüler recherchieren unter Verwendung von Informationsblatt 2 (SI2) Fakten zum UV-Licht und beantworten die Fragen auf Folie 6 der Präsentation. Anschließend schreiben die Schülerinnen und Schüler die Einführung für den TV-Bericht und nehmen dazu das Informationsblatt 3 (SI3) zu Hilfe. Einige der Schülerinnen und Schüler stellen ihre Texte vor. Im Plenum sollen die wissenschaftlichen Gründe dafür, weshalb Solarien Hautkrebs verursachen könnten, resümiert und diskutiert werden (UV-Licht, DNA-Beschädigung ...). Grafiken analysieren Um die Behauptung noch glaubwürdiger darstellen zu können, braucht der Produzent weitere Belege (Folie 7 der PPT). In Gruppen analysieren die Schülerinnen und Schüler vier Beweisaussagen in Form von Grafiken (SI4). Sie sollen diskutieren, was jede Aussage beweist und anschließend die auswählen, die ihrer Meinung nach die Behauptung, Solarien würden Hautkrebs verursachen, am ehesten stützt. Aussage 1: Stützt die Behauptung nicht. Die Grafik zeigt auf, dass die Anzahl der an Hautkrebs erkrankten Menschen ansteigt. Aussage 2: Stützt die Behauptung. Die Grafik zeigt auf, dass Solarien stärkeres UVA-Licht abgeben als die Sonne. UVA-Licht verursacht Hautkrebs. Aussage 3: Stützt die Behauptung nicht. Die Grafik zeigt auf, dass die natürlichen UV-Levels der Sonne in den meisten europäischen Ländern ansteigen. Dies könnte die Ursache für den Anstieg an Hautkrebserkrankungen sein. Aussage 4: Stützt die Behauptung. Die Grafik zeigt auf, dass ein höherer Prozentsatz der Hautkrebspatienten im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe Solarien genutzt hat. Was sagen die Belege aus? Anschließend erarbeiten die Schülerinnen und Schüler selbstständig, was diese Beweise aussagen und inwiefern sie die Behauptung stützen, in dem sie das Informationsblatt 3 (SI3) vervollständigen. Im Klassenverband wird diskutiert, ob ausreichend Nachweise vorhanden sind, um die Behauptung "Solarien verursachen Hautkrebs" als korrekt zu belegen. Falls nicht, soll überlegt werden, welche weiteren wissenschaftlichen Nachweise notwendig wären. Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe I

Java-Applets zu Interferenz und Beugung

Unterrichtseinheit

Unterrichtsgespräch und Selbststudium am heimischen Rechner werden durch Java-Applets zur Beugung am Einzelspalt, am Doppelspalt und am Gitter unterstützt.Vor über 300 Jahren legte Christiaan Huygens (1629-1695) mit dem nach ihm benannten Prinzip die Grundlagen zur Wellenoptik. Der Computer kann aus dem Huygens'schen Prinzip ohne weitere Oberstufenmathematik die Intensitätsverteilung beim Einzel- und Doppelspalt und beim Gitter berechnen und visualisieren. Hierzu werden vier interaktive Java-Applets vorgestellt, die auch zum Selbststudium gut geeignet sind. Eine Anpassung an den konkreten Unterrichtszusammenhang ist Lehrpersonen durch die Editierung der HTML-Texte relativ einfach möglich.Der HTML-Text der hier angebotenen Materialien kann von jeder Lehrkraft recht einfach an die Gegebenheiten und Anforderungen des eigenen Unterrichts angepasst werden. Nach dem Herunterladen und Entpacken der Materialien (siehe Internetadressen) können die HTML-Seiten zum Beispiel mit dem SeaMonkey-Composer von Mozilla (siehe Zusatzinformationen) bearbeitet und dann dem Kurs zur Verfügung gestellt werden. Dadurch kann den Schülerinnen und Schülern die gewünschte Menge an Erläuterung gegeben und die Themen im Verlauf einer Unterrichtsstunde behandelt werden. Alternativ können die Lernenden die Java-Applets auch als Hausaufgabe oder im Rahmen des Selbststudiums bearbeiten. Hinweise zum Einsatz der Java-Applets Die Einsatzmöglichkeiten der interaktiven Materialien werden skizziert und per Screenshot veranschaulicht. Die Schülerinnen und Schüler sollen das Huygens'sche Prinzip als Grundlage für die Intensitätsverteilung bei der Beugung am Einzelspalt angeben und die Grundlagen zur Berechnung beschreiben können. die Formel für Minima und Maxima beim Einzelspalt durch die Einteilung in Streifen gleichen Gangunterschieds begründen können. die Interferenz beim Doppelspalt beschreiben, eine Formel für Minima und Maxima begründen sowie den Einfluss der Spaltbreite auf die Intensitätsverteilung wiedergeben und erklären können. die Formel für die Intensitätsmaxima beim Gitter begründen und das Auftreten scharfer Maxima erklären können. Thema Java-Applets zu Interferenz und Beugung Autor Gerhard Jenders Fach Physik Zielgruppe Jahrgangsstufe 12 Zeitraum 6-8 Stunden Technische Voraussetzung Rechner mit Internet-Browser, Java-Runtime-Enviroment (kostenfreier Download) Beugung und Interferenz von Wellen gehören zu den grundlegenden Themen der Oberstufenphysik. Sie finden Anwendung in der Wellenoptik, aber auch bei der Akustik, bei Mikrowellen und in der Quantenphysik. Nachdem die Lage der Stellen minimaler und maximaler Intensität bei der Interferenz von Kreiswellen über geometrische Überlegungen zum Gangunterschied begründet worden ist, kann mithilfe der hier vorgestellten Applets, die sich im physikalischen Bereich einzig auf die im 17. Jahrhundert von Huygens formulierten Grundlagen stützen, die genaue Intensitätsverteilung für verschiedene Versuche berechnet werden. Der Text zum ersten Applet (Beugung am Einzelspalt) nimmt mit den Worten "Ja, wenn der Herr Huygens einen Computer gehabt hätte ... " direkt Bezug zu diesen Grundlagen. Der Weg von einzelnen Ozillatoren bis zur Annäherung an "unendlich viele" kann über die Parameter in den Applets nachvollzogen werden. Es wird deutlich, ab welcher Anzahl von Oszillatoren man dicht genug an "unendlich" ist. Wie nicht anders zu erwarten, stimmen die auf dieser Grundlage berechneten Intensitätsverteilungen mit den Ergebnissen der Formeln aus wellengeometrischen Überlegungen nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ überein. Dasselbe gilt für die Übereinstimmung mit dem Experiment, die sich anschaulich demonstrieren lässt: Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt den Vergleich eines realen Doppelspalt-Interferenzmusters mit der errechneten und mit einem Beamer projizierten Intensitätsverteilung. Verwendet wurde ein Doppelspalt mit 0,1 Millimeter Spaltbreite und 0,25 Millimeter Spaltabstand (Leybold 46984). Im Applet wurde als Abstand der Beobachtungslinie der Abstand zwischen Doppelspalt und Leinwand, als Breite der Beobachtungslinie die Breite des errechneten Diagramms auf der Leinwand eingegeben. Weil die Farbe des Diagramms sich nach der verwendeten Wellenlänge richtet, wurden zur besseren Sichtbarkeit die Farben des Fotos verfälscht, denn "rot auf rot" ergibt einen geringen Kontrast. Abb. 2 zeigt einen Screenshot des Einzelspalt-Java-Applets. Im Text zu dem Applet wird das Verfahren zur Berechnung der Intensität über das Huygens'sche Prinzip ausführlich erklärt. So ist es möglich, den Einzelspalt vor dem Doppelspalt zu behandeln. Das hat den Vorteil, dass die realen Helligkeitsverteilungen beim Doppelspalt (mit der "aufgeprägten" Intensitätsverteilung der Einzelspalte) bei der Beobachtung dann auch sofort erklärt werden können. Zur Untersuchung der Intensitätsverteilung können zunächst einmal die Parameter Wellenlänge und Spaltbreite verändert werden. Je nach Wellenlänge wird die Intensität in der (etwa) passenden Farbe angezeigt. Je nachdem, ob man die Mitte der Verteilung oder auch die Außenbereiche untersuchen möchte, kann über die "Breite der Beobachtungslinie" hinein oder hinaus gezoomt werden. Interessant ist es, die Anzahl der angenommenen Oszillatoren im Spalt zu variieren. Es lässt sich gut erkennen, dass ab einer gewissen Anzahl Oszillatoren die Intensitätsverteilung sich nicht mehr ändert, wenn noch mehr Oszillatoren angenommen werden. Die von Huygens geforderten "unendlich vielen" Erreger von Elementarwellen sind schnell erreicht. Weil die Schülerinnen und Schüler immer wieder Schwierigkeiten hatten, die Einteilung des vom Spalt ausgehenden Lichtes in Streifen mit dem Gangunterschied ?/2 zu verstehen ("Warum ist das Stück denn jetzt plötzlich 3 ?/2, eben war es doch ??") soll mit dem zweiten Applet (Abb. 3) die Möglichkeit geschaffen werden, in der Zeichnung den Winkel des untersuchten Lichtbündels interaktiv zu verändern. So spart man sich mehrere Zeichnungen an der Tafel, die dann oft doch nicht so genau werden, wie man es sich gewünscht hätte. Die im oberen Teil gefundenen Winkel für minimale (oder maximale) Intensität können anschließend im unteren Teil eingegeben und so das Ergebnis der Überlegung überprüft werden. Das Applet eignet sich zum Selbststudium, aber auch zur Erklärung an der Tafel im Unterrichtsgespräch. Wenn es mit dem Beamer auf ein Whiteboard (oder auch eine gewöhnliche Tafel) projiziert wird, können die Linien nachgezeichnet und ergänzt werden, um Zwischenüberlegungen deutlich zu machen. Der Doppelspalt ist oft das klassische Einstiegsexperiment in die Wellenoptik. Bei der Untersuchung wird dann aber die endliche Breite der Einzelspalte vernachlässigt. Abb. 4 zeigt, wie die Intensität des Doppelspalt-Interferenzmusters durch die endliche Breite der Spalte variiert. Zur Veranschaulichung der gewählten Parameter werden Spaltabstand und -breite im Applet geometrisch dargestellt. Für Spaltbreiten, die klein im Vergleich zum Abstand sind, erhält man die klassische Interferenz von Kreiswellen. Bei anderen Verhältnissen wird dann das Beugungsbild des Einzelspaltes darüber gelegt. Mit dem vierten Applet (Abb. 5) kann das Auftreten scharfer Linien maximaler Intensität beim Übergang vom Mehrfachspalt zum Gitter untersucht werden. Um das Auftreten reiner Spektralfarben zu zeigen, empfiehlt es sich, das Applet mit dem Beamer auf die Tafel zu projizieren. Man kann dann leicht die Lage der Maxima für die einzelnen Farben markieren und zeigen, dass bei einer kleinen Anzahl von Spalten die Maxima 1. und 2. Ordnung überlappen, während dies bei einer genügend großen Anzahl nicht mehr auftritt.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II

Elektron als Welle - RCL „Elektronenbeugung“

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler entdecken die Welleneigenschaft des Elektrons beim Experimentieren mit einem Remotely Controlled Laboratory (RCL).Beschießt man ein Plättchen aus Graphit mit beschleunigten Elektronen, dann beobachtet man auf einem Fluoreszenzschirm ein Muster aus konzentrischen Ringen. Das Erstaunliche dabei ist, dass mit dem ?Materieteilchen? Elektron von der Struktur her die gleichen Beugungsmuster erzeugt werden wie mit elektromagnetischen Wellen (Röntgenstrahlung). Mit dem RCL ?Elektronenbeugung? können Schülerinnen und Schüler dieses Phänomen im Vergleich zum traditionellen Unterricht in einem ersten Schritt eigenständiger und ohne den lenkenden Einfluss der Lehrkraft entdecken und beginnen, es zu verstehen.Wie die Mehrzahl der Oberstufenversuche muss auch der Versuch zur Elektronenbeugung als Lehrerdemonstrationsexperiment mit eingeschränkten Beteiligungsmöglichkeiten der Schülerinnen und Schüler durchgeführt werden. Bei der Elektronenbeugung kommt hinzu, dass das Phänomen den Lernenden nicht bekannt ist und es ihnen schwer fällt, bisher klassisch betrachtete Materieteilchen als Welle zu beschreiben. Zwischen der Lehrkraft und den Schülern entsteht so häufig eine einseitige 1:n-Kommunikation, in der einseitig Informationen an andere verteilt werden. Diese Unterrichtseinheit soll durch zwei methodische Maßnahmen eine lernförderlichere Umgebung schaffen: Das Debye-Scherrer-Verfahren wird vor der Elektronenbeugung am Beispiel des polykristallinen Graphits behandelt (siehe Lernvoraussetzungen). Dadurch liegt der Fokus des Versuchs zur Elektronenbeugung auf dem Erkennen und Verstehen der Welleneigenschaft des Elektrons. Weiterhin kann das Debye-Scherrer-Verfahren von den Schülerinnen und Schülern vertiefend angewendet werden. Die Lernenden beobachten die Elektronenbeugung zum ersten Mal nicht gemeinsam im Kurs, sondern individuell (gegebenenfalls in Kleingruppen mit Mitschülerinnen und Mitschülern) mit dem RCL am heimischen Rechner. Dadurch haben sie Gelegenheit sich eigenständig, im eigenen Lerntempo und ohne den direkt-lenkenden Einfluss der Lehrperson mit dem Phänomen auseinanderzusetzen. Hinweise zum Unterrichtsverlauf und Materialien Lernvoraussetzungen, Unterrichtsverlauf, Steckbrief des RCLs "Elektronenbeugung" und Materialien zur Unterrichtseinheit Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse zur Röntgenbeugung an polykristallinen Kristallen im Versuch zur Elektronenbeugung anwenden. erkennen, dass Elektronen Welleneigenschaften zugeordnet werden können. ihre Arbeitsergebnisse an der Tafel oder mit einer PowerPoint-Präsentation vorstellen. Thema Elektronenbeugung - das Elektron als Welle Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-3 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser Software Bei der Messung der Ringradien kommen ein Zeichenprogramm (zum Beispiel Paint) und ein Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) zum Einsatz. Für die Durchführung der Unterrichtseinheit sind folgende Lernvoraussetzungen notwendig: Röntgenbeugung an polykristallinem Graphit nach dem Debye-Scherrer-Verfahren Zusammenhang zwischen Beschleunigungsspannung und Geschwindigkeit/Impuls geladener Teilchen Elektronenbeugung als Phänomen Theorie zum Versuch Universeller Wellencharakter der Materie Aufgaben und Test zur Vertiefung Versuchsaufbau Abb. 1 (zur Vergrößerung anklicken) zeigt den beschrifteten Versuchsaufbau des RCLs "Elektronenbeugung". Abb. 2 zeigt die Laborseite mit Webcambild und Bedienfeld. Qualitative und quantitative Messung des Zusammenhangs zwischen Beschleunigungsspannung und Radius der Beugungsringe Bestimmung der Netzebenenabstände von Graphit oder der Elektronenwellenlänge Quantitative Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Impuls und Wellenlänge der Elektronen, Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums Ein zentrales Phänomen/Experiment der Quantenphysik kann von Schülerinnen und Schülern selbstständig durchgeführt und beobachtet werden. Ringradien des Beugungsmusters lassen sich im Webcambild genauer bestimmen als am Experiment. Aufgabensammlung zur Elektronenbeugung Die Datei "aufgaben_elektronenbeugung.pdf" enthält neun Aufgaben mit Lösungen zur Theorie, zum Versuchsaufbau sowie zur Versuchsdurchführung und -auswertung. Die Aufgaben können im Rahmen der Unterrichtseinheit als Übungen im Unterricht oder als Hausaufgaben eingesetzt werden. Darüber hinaus können sie Grundlage für die Konzeption von Unterrichtsstunden sein oder als Anregung für Abituraufgaben dienen. Auswertung des Beugungsmusterbildes und der Messdaten Die Datei "bestimmung_ringdurchmesser.pdf" enthält eine Anleitung für Schülerinnen und Schüler zum Messen der Ringdurchmesser im Beugungsmuster mit dem Zeichenprogramm "Paint". Das Programm ist in den Betriebssystemen von Microsoft enthalten. Mit der Datei "bestimmung_ringdurchmesser.xls" können die Messungen automatisiert ausgewertet werden. Claus Jönsson, Amand Fässler (Herausgeber) Die Top Ten der schönsten physikalischen Experimente, Rowohlt Taschenbuch, Hamburg 2005, ISBN 3-499-61628-9

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II

Beugung am Gitter - RCL “Beugung und Interferenz II”

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler untersuchen eigenständig mit den vielfältigen Experimentiermöglichkeiten eines Remotely Controlled Laboratory (RCL) die Beugung am Gitter.Beugung und Interferenz ist ein zentrales Standardthema in der gymnasialen Oberstufe, bei dem ein experimenteller Zugang erforderlich und besonders lohnend ist: Die Beugung von Licht ist kein Alltagsphänomen, da sich Beugungserscheinungen nur mit hinreichend kohärentem Licht und an Objektstrukturen mit Abmessung in der Größenordnung der Lichtwellenlänge beobachten lassen. Beobachtbare Beugungserscheinungen wie zum Beispiel Farberscheinungen an einer CD/DVD werden von Schülerinnen und Schülern häufig nicht als erklärungsbedürftig angesehen, da ihnen Anknüpfungsmöglichkeiten an physikalisches Alltagswissen fehlen. Die Unterrichtseinheit nutzt die vielfältigen Experimentiermöglichkeiten des RCLs "Beugung und Interferenz" und dass Schülerinnen und Schüler mit dem RCL auch zuhause Realexperimente durchführen können.Als Extremfall lässt sich die Wellenoptik in der gymnasialen Oberstufe auf die Thematisierung von Maxima/Minima des idealen Doppelspalts und Gitters mit verschwindend kleinen Spaltbreiten reduzieren. Annäherungen an diesen Extremfall sind in Grundkursen, aufgrund von Zeitmangel oder von zu wenigen Beugungsobjekten, zu beobachten. Gerade aber bei der Beugung am Gitter beziehungsweise am N-fach-Spalt (N größer/gleich 1) bietet sich bei kleinen Beugungswinkeln wegen der näherungsweise einfachen Abhängigkeiten des Beugungsmusters von mehreren anschaulichen geometrischen Größen (Wellenlänge, Spaltanzahl, Spaltbreite, Spaltabstand) ein breiterer experimenteller Zugang mit der Vielzahl an Beugungsobjekten des RCLs an. Hinweise zum Unterrichtsverlauf und Materialien Lernvoraussetzungen, Unterrichtsverlauf, Steckbrief des RCLs "Beugung und Interferenz" und Materialien zur Unterrichtseinheit Die Schülerinnen und Schüler sollen qualitative und quantitative Zusammenhänge zwischen Wellenlänge/Beugungsobjektgeometrie und der Intensitätsverteilung des Beugungsmusters untersuchen. durch eigenständiges hypothesengeleitetes Experimentieren Interesse an der Erklärung und mathematischen Beschreibung der Beugung entwickeln. die mathematische Beschreibung der Beugung am Gitter mithilfe des Zeigermodells verstehen. die Modulation des Beugungsmusters mit der Intensitätsverteilung des Einzelspalts erkennen. mit einem Computeralgebrasystem oder Tabellenkalkulationsprogramm experimentelle und theoretische Daten miteinander vergleichen. Thema Beugung am Gitter Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 6-8 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser Software Zur Darstellung und Auswertung von Messdaten: Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel), Computeralgebrasystem (zum Beispiel Maple ) oder ein spezielles Datenanalyseprogramm (zum Beispiel Origin ) für die Hochschule Die Unterrichtseinheit stellt für eine flexiblere Verwendbarkeit in Kursen der Oberstufe (Einsatz in Grundkursen sowie in großen, leistungsschwächeren oder stark heterogenen Leistungskursen) einen Kompromiss zwischen lehrergelenkterem und freierem Experimentieren der Schülerinnen und Schüler dar: Lehrergelenkteres Experimentieren In klassischer Weise wird zuerst der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge/Beugungsobjektgeometrie und den Maxima/Minima des Beugungsmusters durch Beobachten und Vermessen des Beugungsmusters mit einer Zentimeterskala behandelt. Anschließend wird die Abhängigkeit der Intensitätsverteilung des Beugungsmusters quantitativ durch Messungen mit einem Lichtsensor behandelt. Es wird jeweils vom Qualitativen zum Quantitativen und nach dem Schema Experiment - Theorie - Vergleich Experiment/Theorie vorgegangen. Freieres Experimentieren Bei leistungsstärkeren Kursen, inhaltlich guter Vorbereitung des Themas (siehe Lernvoraussetzungen) und fachmethodisch geschulter Lerngruppe können einzelne Schülerinnen und Schüler oder Schülergruppen im RCL ohne inhaltliche, fachmethodische oder messtechnische Vorgaben Zusammenhänge erkennen und diese untersuchen, dokumentieren, präsentieren und diskutieren. Wünschenswert sind folgende Lernvoraussetzungen: Beschreibung der Überlagerung von Schwingungen im Zeigermodell Interferenz mechanischer Wellen (Interferenz zweier Kreiswellen in der Wellenwanne, Gangunterschied und Phasendifferenz zwischen Wellen, Bedingungen für Maxima und Minima) Intensität mechanischer Wellen (Intensität proportional zum Amplitudenquadrat) Eingeführtes Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) oder Computeralgebrasystem (zum Beispiel MuPAD oder Maple) zum Vergleich experimenteller und theoretischer Daten Analogie/Vergleich zwischen Doppelspaltexperiment mit Licht und Interferenz zweier kreisförmiger Wasserwellen Qualitative und quantitative Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Wellenlänge/Beugungsobjektgeometrie und Maxima/Minima des Beugungsmusters Qualitative und quantitative Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Wellenlänge/Beugungsobjektgeometrie und Intensitätsverteilung des Beugungsmusters Test zur Bestimmung der Geometrie unbekannter Beugungsobjekte und klassische Rechenaufgaben Versuchsaufbau Abb. 1 und Abb. 2 zeigen den beschrifteten Versuchsaufbau des RCLs "Beugung und Interferenz". Abb. 3 zeigt die Laborseite mit Webcambildern und dem Bedienfeld. Qualitative und quantitative Messungen zum Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Spaltanzahl, Spaltbreite, Spaltabstand und Intensitätsverteilung des Beugungsmusters Quantitative Untersuchung des Auflösungsvermögens eines Gitters Bestimmung der Geometrie unbekannter Beugungsobjekte Anzahl der Beugungsobjekte Etwa 150 Beugungsobjekte ermöglichen vielfältige experimentelle Möglichkeiten zur Untersuchung der Beugung und ein eigenständigeres Experimentieren der Schülerinnen und Schüler. Qualität der Beugungsmuster Elektronenlithographisch hergestellte Beugungsobjekte erzeugen hochwertige und ästhetische Beugungsmuster. Ferngesteuerter Beugungsobjektwechsel Ein schneller und direkter Vergleich von Beugungsmustern ist durch den ferngesteuerten Beugungsobjektwechsel und die Speicherung von Bildern der Beugungsmuster möglich. Mehrere Messmethoden Je nach Lernstand der Gruppe kann unter drei Messmethoden "Qualitatives Beobachten und Vergleichen von Beugungsmustern", "Vermessung des Beugungsmusters mit Zentimeterskala" und "Intensitätsmessung mit Lichtsensor" gewählt werden. Seltene Schulexperimente Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Wellenlänge (fünf Laser) und Beugungswinkel und des Zusammenhangs zwischen Anzahl der Spalte und Höhe/Breite der Intensitätsmaxima; quantitative Untersuchung des Auflösungsvermögens eines Gitters. Modulation des Beugungsmusters Die Geometrie der Beugungsobjekte wurde so gewählt, dass das mit der Intensitätsverteilung des Spalts modulierte Beugungsmuster gut beobachtet werden kann. Intensitätsverlauf des Beugungsmusters - Experiment und Theorie Simulationen erlauben keinen direkten Vergleich zwischen experimentellen und theoretischen Daten des Intensitätsverlaufs von Beugungsmustern (kein Datenimport, keine anpassbare x- und y-Achse). Besser geeignet sind in zunehmendem Maße an Schulen in Mathematik und Physik eingesetzte Computeralgebrasysteme (CAS) wie zum Beispiel MuPAD. Im RCL als TXT-Datei abgespeicherte Messdaten einer Intensitätsmessung lassen sich mit entsprechenden Befehlen importieren und gemeinsam mit dem theoretischen Intensitätsverlauf in einem Diagramm darstellen und vergleichen. Die MuPAD-Datei "vergleich_experiment_theorie.mn" (Abb. 4) erlaubt den Vergleich experimenteller und theoretischer Daten des Intensitätsverlauf des Beugungsmusters eines Gitters. Die Datei "animation_intensitaetsverteilung.mn" erlaubt die Animation des theoretischen Intensitätsverlaufs anhand jeweils eines Parameters (Wellenlänge, Spaltanzahl, Spaltbreite, Spaltabstand oder Abstand Beugungsobjekt-Schirm). Die Wellenoptik lässt sich in der gymnasialen Oberstufe durchaus auf die Thematisierung von Maxima/Minima des idealen Doppelspalts und Gitters mit verschwindend kleinen Spaltbreiten reduzieren - allerdings mit negativen Folgen für die Anschlussfähigkeit des erworbenen Wissens. Annäherungen an diesen Extremfall sind in Grundkursen, aufgrund von Zeitmangel oder von zu wenigen verfügbaren Beugungsobjekten, zu beobachten. Ein auf experimentellen Erfahrungen basierendes gefestigtes Grundlagenwissen zur Beugung und Interferenz ist Voraussetzung für ein Verständnis weiterführender Themen in Schule und Hochschule: Physikorientierte Themen zum Beispiel Auflösungsvermögen optischer Instrumente, Fourieroptik, Röntgenbeugung, Kristallographie Naturbezogene Themen zum Beispiel farbige Flügel von Schmetterlingen, Kränze um Sonne oder Mond, Farberscheinung am Spinnennetz, Interferenzerscheinungen beim Regenbogen Anwendungsorientierte Themen zum Beispiel Holographie, Gitterspektrometer Sebastian Gröber et al.: Beugung und Interferenz als RCL Artikel in "Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule" (PdN-PhiS) 1/58 (2008), Seite 43-47, Aulis Verlag Deubner Sebastian Gröber et al.: Beugung und Interferenz als RCL Konferenzbeitrag auf der DPG-Frühjahrstagung 2007 (Download per "rcl_beugung_und_interferenz.zip" auf der Startseite der Unterrichtseinheit)

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II

Mobile Kommunikation – Technik, die fasziniert

Unterrichtseinheit

Die Unterrichtsmaterialien des Informationszentrums Mobilfunk vermitteln technische und physikalische Zusammenhänge, die grundlegend für das Verständnis der Mobilfunktechnologie sind. Alle Inhalte wurden gemeinsam mit der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe entwickelt.Eine Welt ohne mobile Kommunikation? Heute kaum noch vorstellbar. Auch wenn die ständige Erreichbarkeit manchmal lästig sein kann, so ist doch das Handy für viele unentbehrlich geworden. In wohl kaum einem anderen Bereich ist der technische Fortschritt so rasant und für alle spürbar. Warum sollte »Mobile Kommunikation« in der Schule behandelt werden? Zum einen wegen der großen gesellschaftlichen Relevanz, aber aus naturwissenschaftlicher Sicht auch deshalb, weil dabei grundlegende physikalische und technische Aspekte thematisiert werden können. Dies betrifft die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen ebenso wie die Struktur des Mobilfunknetzes. Mit Handy und Smartphone stehen Geräte zur Verfügung, mit denen sich eine Vielzahl von anschaulichen Experimenten kostengünstig durchführen lässt.Die Materialien dienen der Förderung der Medienkompetenz durch die Auseinandersetzung mit den technischen und physikalischen Bedingungen mobiler Kommunikation. Sie sind für die Sekundarstufen I und II geeignet und knüpfen an die Lehr- und Bildungspläne für den Physikunterricht und für technische Unterrichtsfächer an. Sie bestehen aus vier Einzelthemen, für die neben praktischen Unterrichtsanregungen präzise erläutert wird, welche Kompetenzen bei den Lernenden durch die Behandlung der Themen gestärkt werden sollen. Die Anregungen und Aufgaben decken unterschiedliche Schwierigkeitsgrade ab. Sie sind sowohl für einen Einstieg in das Themenfeld als auch für eine tiefergehende Behandlung geeignet. Grundlagen mobiler Kommunikation Zum Einstieg befassen sich die Schülerinnen und Schüler sowohl mit der Vergangenheit als auch der Zukunft der Mobilfunktechnik. Elektromagnetische Wellen Die Schülerinnen und Schüler beschäftigen sich mit der Betrachtung von Funkwellen, Frequenzen und Übertragungsverfahren. Mobilfunknetze und -antennen Die Schülerinnen und Schüler erfahren Wissenswertes über Standorte und Aussehen von Mobilfunkantennen. Wechselwirkungen mit Körper und Materie Die Schülerinnen und Schüler setzen sich sowohl mit Einflüssen auf die Mobilfunkübertragung als auch mit der Wirkung des Mobilfunks auf den Körper auseinander. Die Schülerinnen und Schüler lernen Techniken zur Übertragung von Informationen kennen. nehmen technische Geräte in Gebrauch und bedienen sie sachgemäß. führen Versuche durch und werten sie aus. lernen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen kennen. verwenden physikalische Begriffe, Größen und Einheiten angemessen. nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien. stellen Messwerte grafisch dar. Der Erklärfilm "Geschichte des Mobilfunks" des Informationszentrums Mobilfunk e. V. kann einleitend angesehen oder zur Bearbeitung des Arbeitsblattes "Vom ersten Funken bis zur neusten Welle" herangezogen werden. Um sich einen Überblick über wichtige Begriffe und Standards der Mobilfunktechnik zu verschaffen, halten die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen Kurzreferate. Als Referatsthemen eignen sich unter anderem: Die ersten Mobilfunknetze A-, B- und C-Netz; das D- und E-Netz; GSM; UMTS; LTE und WLAN. Die Schülerinnen und Schüler sammeln Mobilfunkanwendungen, die sie sich in Zukunft vorstellen können. Ob realistisch oder futuristisch - der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt. Werden wir zum Beispiel bald per Handy unsere Wohnungstür aufschließen oder es als smarte Uhr ständig am Körper tragen? Zur Ideenfindung und gegenseitigen Inspiration können die Jugendlichen in Kleingruppen zusammenkommen und jeder schreibt in drei Minuten drei Ideen auf ein Blatt. Die Blätter werden innerhalb der Gruppe herumgegeben und der Nächste hat drei Minuten Zeit, die Ideen weiterzuentwickeln oder neue hinzuzufügen. Dies wird weitergeführt, bis jeder sein Blatt wieder vor sich hat. Nun einigt sich jede Gruppe auf die besten drei Ideen und stellt sie der Klasse vor. Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet, welche Anwendungen tatsächlich in der Entwicklung sind und an welchen Möglichkeiten derzeit geforscht wird. Hilfreiche Stichwörter für die Eingabe in Suchmaschinen sind: digitale Anwendungen, E-Government, E-Health, E-Learning, Forschung, Kommunikation, Machine-to-Machine (M2M), M-Commerce, Mobilfunk, Navigation, Telematik. Die Lernenden vergleichen die Funde mit ihren eigenen Ideen: Gibt es Übereinstimmungen? Was halten sie von den Entwicklungen? Verbindungszeit zwischen zwei Handys messen Um zu verdeutlichen, welche verschiedenen Prozesse ablaufen, um ein Telefonat einzuleiten, legen die Schülerinnen und Schüler zwei Handys, die das gleiche Mobilfunknetz verwenden, nebeneinander und rufen eines der Handys mit dem anderen an. Die Zeit vom ersten Freizeichen bei Handy 2 bis zum ersten Klingelton bei Handy 1 wird gestoppt. In einem weiteren Versuch werden die beiden Handys möglichst weit auseinander positioniert und der Vorgang wird wiederholt. Auch die Verbindungszeit zwischen zwei Handys, die unterschiedliche Netze verwenden, wird in einem weiteren Versuch gestoppt. Aufgrund des relativ geringen Zeitunterschiedes empfiehlt es sich, die Versuche mehrfach durchzuführen. Vergleich der gemessenen Zeiten Schülerinnen und Schüler der höheren Jahrgangsstufen können auch eine Statistik anlegen, mit deren Hilfe sie die gemessenen Zeiten vergleichen. Dabei werden sie feststellen, dass die räumliche Entfernung zwischen Sender und Empfänger unbedeutend ist (denn die Funkwellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus; die Handys kommunizieren zudem nicht direkt), der Verbindungsaufbau in ein anderes Netz jedoch länger dauert (der Anruf muss vom einen Netz in das andere übermittelt werden). Lassen Sie Ihre Schülerinnen und Schüler zunächst selbst überlegen, woran dies liegen könnte. Was glauben sie, passiert in der Zeit zwischen Freizeichen und Klingelton? Welcher Weg ist bis zum Empfänger zurückzulegen? Zur Nachbesprechung können Sie die Grafik "Der Weg vom Sender zum Empfänger" an die Schülerinnen und Schüler ausgeben und besprechen. Betriebsarten GSM und UMTS Legen Sie ein GSM-Handy oder ein auf die Betriebsart GSM umgestelltes Handy neben eine Stereoanlage, ein Radio oder einen Computer-Lautsprecher. Die Schülerinnen und Schüler beobachten, was passiert, wenn sie das Handy aus- und wieder einschalten, wenn sie es anrufen oder ihm eine SMS schicken. Zu hören sind jeweils "Knackgeräusche". Überlegen Sie gemeinsam, was die Geräusche verursacht: Die Funkwellen des Handys werden vom Lautsprecher aufgefangen. Die Geräusche sind also immer dann zu hören, wenn das Handy Funkwellen sendet. Beim Ein- und Ausschalten meldet sich das Handy beim Mobilfunknetz an und ab. Beim Empfang einer SMS ist das Geräusch bereits zu hören, bevor man den SMS-Ton hört. Die Basisstation nimmt als Erstes Kontakt zu dem Handy auf, um sich den Standort "bestätigen" zu lassen. Erst dann werden die Informationen an das Handy weitergeleitet. Auch wenn man ein Handy für mehrere Stunden neben einen Lautsprecher legt, können Knackgeräusche ertönen, denn auch ein unbenutztes Handy meldet sich in regelmäßigen Abständen bei der Basisstation an, um zu zeigen, dass es empfangsbereit ist. Ist das Handy auf die Betriebsart UMTS gestellt, ist kein "Knacken" zu hören, da bei UMTS mit einem kontinuierlichen Signal gearbeitet wird. Die Geräusche aber entstehen durch das Versenden der Informationen in Paketen. Song "Knackgeräusche" als Einleitung In einigen Songs elektronischer Musik werden die "Knackgeräusche" auch absichtlich verwendet und sind deutlich hörbar. Um die Aufmerksamkeit Ihrer Schülerinnen und Schüler zu wecken, können Sie den Versuch mit einem solchen Song einleiten und die Lernenden fragen, was ihnen an dem Lied auffällt. Erkennen sie die Geräusche? Die Schülerinnen und Schüler klemmen ein elastisches Kunststofflineal auf ihre Tischplatte und lassen es dabei einige Zentimeter über die Tischkante hinausragen. Den in der Luft hängenden Teil des Lineals versetzen sie in Schwingung, indem sie ihn nach unten drücken und dann loslassen. Das Lineal schwingt auf und ab, wodurch einige Luftzonen verdichtet, andere verdünnt werden: Es entstehen fortschreitende Schallwellen. Die Lernenden können das schwingende Ende nun im Wechsel verkürzen und verlängern und beobachten, wie sich die Tonhöhe dabei verändert. Erläutern Sie gemeinsam anhand der Beobachtungen den Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz: Je kürzer das schwingende Ende, desto höher die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde und damit auch die Tonhöhe (Frequenz). Andersherum gilt: Je länger das überstehende Ende ist, desto länger sind auch die erzeugten Wellen. Gleichzeitig ist der zu hörende Ton aber tiefer, die Frequenz also niedriger. Um den Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz für sich zu veranschaulichen, zeichnen die Schülerinnen und Schüler auf einer Zeitachse von mindestens zwei Sekunden eine Schwingung mit sechs Hertz ein. Die verschiedenen Vielfachzugriffsverfahren In einem Funknetz telefonieren viele Menschen gleichzeitig, ihre Telefonate müssen auseinandergehalten werden. Damit nicht alle Signale durcheinandergeraten, nutzt der Mobilfunk verschiedene Vielfachzugriffsverfahren: Der GSM-Standard nutzt das Zeitmultiplexverfahren (TDMA), bei dem Gespräche über Zeitschlitze zugeordnet werden, und das Frequenzmultiplexverfahren (FDMA), bei dem über Frequenzen zugeordnet wird. Die Standards UMTS und LTE nutzen das Codemultiplexverfahren (CDMA). Bei diesem Verfahren gelingt der Vielfachzugriff über Codes. Sehen Sie sich zur Erklärung die Grafik "Unterscheidung FDMA, TDMA und CDMA" mit Ihren Schülerinnen und Schülern an. Zur Veranschaulichung dienen zudem die folgenden beiden Anregungen. Stimmengewirr und Signalsalat Um den Schülerinnen und Schülern den Unterschied zwischen der Zuordnung nach Zeit und nach Code verständlich zu machen, simulieren Sie mit der Klasse ein Schulfest. Zunächst sprechen alle laut durcheinander bis zu einem vorher abgesprochenen Zeichen - die Schülerinnen und Schüler werden merken, dass sie sich kaum verständigen können. Eine Verständigung wie bei TDMA sähe im übertragenen Sinne so aus: Alle Schülerinnen und Schüler sprechen nur nacheinander, also in »Zeitschlitzen«. So können sie sich zwar gut verstehen, der Nachteil ist allerdings, dass sie ihr Gespräch ständig unterbrechen müssten. Bei CDMA dagegen können alle gleichzeitig reden. Dabei ist es so geregelt, dass jedes Gesprächspaar einen eigenen Code zur Verständigung nutzt - dies kann zur Verdeutlichung ein bestimmtes Geräusch oder eine bestimmte Sprache (Deutsch, Englisch et cetera) sein. Auf diese Weise hört jeder Jugendliche seinen Gesprächspartner aus dem Stimmengewirr heraus, obwohl sich alle gleichzeitig unterhalten. Viele Wege führen von A nach B Um zu veranschaulichen, wie Daten beim Zeit- und beim Frequenzmultiplexverfahren übertragen werden, stellen Sie in einigen Metern Abstand voneinander zwei Tische auf. Auf beiden Tischen werden acht Spalten (sinnbildlich für verschiedene Handys) markiert. Auf Tisch A werden in jede Spalte acht kleine Gegenstände (zum Beispiel Bausteine) gelegt. Für die Verdeutlichung von FDMA führen auf dem Boden acht Kreidelinien (sinnbildlich für die Frequenzen) jeweils von einer Spalte auf Tisch A zu der dazugehörigen Spalte auf Tisch B. Vor jede Spalte auf Tisch A stellt sich ein Jugendlicher und nimmt einen Gegenstand aus seiner Spalte. Sie laufen gleichzeitig auf ihrer jeweiligen Kreidelinie von Tisch A nach Tisch B und legen dort die Gegenstände in der jeweiligen Spalte ab. Um alle Gegenstände von Tisch A nach Tisch B zu transportieren, müssen die Schülerinnen und Schüler den Weg achtmal zurücklegen. Für die Veranschaulichung von TDMA gibt es anstelle der acht Kreidewege nur einen einzigen. Eine Schülerin oder ein Schüler legt acht Gegenstände einer Spalte von Tisch A auf ein Tablett und transportiert sie in die dazugehörige Spalte auf Tisch B. Der Vorgang wird achtmal wiederholt. Vergleichen Sie gemeinsam die beiden Verfahren: Die gleiche Datenmenge wurde übertragen. Beim Zeitmultiplexverfahren musste dafür aber weniger gelaufen bzw. gesendet werden, da mehr Daten auf einmal übertragen werden können. Das kurze Video »Wie funktioniert Mobilfunk?« zeigt die technischen Hintergründe eines Handygesprächs und den Weg der Signale vom Sender- zum Empfängerhandy. In Kleingruppen erzählen sich die Schülerinnen und Schüler von ihren Erfahrungen mit dem Telefonieren oder dem Verschicken einer SMS in der Silvesternacht oder bei einem großen Festival. Was ist passiert und woran könnte das liegen? Anschließend wird gemeinsam diskutiert. In der Standortdatenbank für Funkanlagen der Bundesnetzagentur können Ihre Schülerinnen und Schüler herausfinden, an welchen Stellen in der Umgebung ihrer Schule Basisstationen positioniert sind. Die Standorte tragen sie in eine Karte der Umgebung ein. Begeben Sie sich gemeinsam auf die Suche nach den in der Datenbank gefundenen Mobilfunkantennen und fotografieren Sie diese ab. Die Fotos können der Karte hinzugefügt werden. An schwer einsehbaren Stellen (zum Beispiel auf Hausdächern) positionierte Antennen können gegebenenfalls über die Satellitenansicht von Online-Kartenprogrammen ausfindig gemacht werden. Diskutieren Sie, warum die Mobilfunkantennen an den jeweiligen Standorten aufgestellt wurden: Welche Bereiche versorgen sie vermutlich? Um den Lernenden zu verdeutlichen, dass Funkwellen in gebündelter Form am besten genutzt werden, bietet sich der Vergleich zu gebündeltem Licht an. Hängen Sie dazu in einem abgedunkelten Raum ein Bild an die Wand und beleuchten Sie es aus gleichem Abstand einmal mit einer Halogenlampe mit Reflektor und einmal mit einer Halogenlampe gleicher Leistung ohne Reflektor. Die Schülerinnen und Schüler werden feststellen, dass gezielt ausgerichtetes Licht das Bild besser ausleuchtet. Ebenso verhält es sich mit Funkwellen. Gebündelte Energie ist also effizienter. Die Jugendlichen suchen auf den Seiten von Antennenanbietern Bilder von Mobilfunkantennen. Sie können außerdem auf die in der Umgebung geschossenen Fotos (Anregung »Antennen der Umgebung«) zurückgreifen und die Bildersuche von Suchmaschinen verwenden. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die gefundenen Antennen so detailliert wie möglich und unterscheiden dabei verschiedene Typen. Das Erklärvideo »Wie wird der SAR-Wert eines Handys gemessen?« zeigt, wie Wissenschaftler prüfen, ob ein Handy den gesetzlichen Vorgaben zur Spezifischen Absorptionsrate entspricht. Feldstärke abhängig vom Aufenthaltsort Um zu verdeutlichen, dass die Feldstärke vom Aufenthaltsort abhängt, teilen Sie den Klassenraum mit Kreidelinien in Felder von etwa einem Quadratmeter Größe ein. Zeichnen Sie den Raum mit den Feldern an der Tafel nach. Für den Versuch sollte der Empfang im Raum nicht zu gut sein. Die Schülerinnen und Schüler stellen sich nun in die gezeichneten Felder und geben die Balkenzahl ihrer Handys an. An der Tafel werden die Zahlen übernommen. Welche Unterschiede werden festgestellt? Verschiedene Netze vergleichen Auch der Vergleich verschiedener Netze kann interessante Ergebnisse hervorbringen. Als Weiterführung können die Lernenden zudem den Empfang im Schulgebäude erkunden. Dabei untersuchen sie zum Beispiel den Unterschied zwischen dem Empfang im Keller und im Dachgeschoss, im Klassenzimmer bei offenem und bei geschlossenem Fenster sowie vor dem Schulgebäude und innerhalb der Schule. Die Untersuchung kann auch auf die Umgebung ausgeweitet werden: Wie ist der Empfang in einem Aufzug (bei offener und geschlossener Tür), in einem Tunnel, in einem (Kirch-)Turm oder der U-Bahn? Das "verpackte" Handy In Kleingruppen wickeln die Schülerinnen und Schüler ein Handy komplett in Alufolie ein oder legen es in eine Brotbüchse aus Metall. Mit einem zweiten Handy rufen sie das »verpackte« Handy an. Was passiert? Das Handy empfängt die Funkwellen von der Basisstation nicht, da diese durch Metalle reflektiert werden, also nicht bis zum Handy gelangen. Fallen Ihren Schülerinnen und Schülern Beispiele aus dem Alltag ein, bei denen der Handyempfang durch Metall abgeschirmt wird? Welche Stoffe lassen Funkwellen durch? Nun legen die Jugendlichen das Handy in ein Schraubdeckelglas und beobachten die Balkenanzeige. Wie verändert sich diese, wenn sie das Glas rundum mit Fliegengitter oder Maschendraht umwickeln? Was ist zu beobachten, wenn sie das Glas in eine Schüssel voll Wasser halten? Auf der Basis ihrer Feststellungen überlegen die Lernenden: Welche Stoffe lassen die Funkwellen durch, welche nicht? Geben Sie Ihren Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, eigenständig weitere Versuche durchzuführen. Sie können ein Handy mit verschiedenen Stoffen einwickeln und versuchen, es anzurufen. Um zu veranschaulichen, wie Funkwellen durch Reflexion einen Bereich versorgen können, der keine direkten Funkwellen empfängt, empfiehlt sich der Vergleich mit Lichtwellen: Stellen Sie ein großes Buch hochkant auf einen Tisch und leuchten Sie mit einer Taschenlampe von schräg oben darauf, sodass ein Teil des Lichts über das Buch hinweg auf die Tischplatte fällt, direkt hinter dem Buch aber ein Schatten entsteht. Haben Ihre Schülerinnen und Schüler eine Idee, wie auch der im Schatten liegende Bereich ausgeleuchtet werden könnte? Stellen Sie zur Auflösung einen Spiegel so hinter das Buch, dass er das Licht reflektiert und der Schatten verschwindet. Die Spezifische Absorptionsrate beziffert den Anteil der von elektromagnetischen Feldern erzeugten Energie, der im Körper aufgenommen (absorbiert) und in Wärme umgewandelt wird. Für die Stärke der elektromagnetischen Felder von Handys und Basisstationen gibt es jeweils gesetzlich festgelegte Grenzwerte. Der SAR-Grenzwert für Handys beträgt zwei Watt pro Kilogramm Körpergewebe. Die Schülerinnen und Schüler überlegen, ob die Sendeleistung eines Handys in den folgenden Situationen eher stark oder gering ist und was das für die Spezifische Absorptionsrate am Kopf bedeutet: Verbindungsaufbau für ein Telefonat, Telefonat bei gutem und bei schlechtem Empfang sowie während einer Autofahrt, Versenden einer SMS. Dabei unterscheiden sie jeweils, ob ein GSM- oder ein UMTS-Handy benutzt wird. Für Situationen, in denen die Spezifische Absorptionsrate hoch ist, überlegen sich die Lernenden Strategien zur ihrer Reduzierung wie zum Beispiel das Verwenden eines Headsets. Schülerduden Physik, 7. aktualisierte Auflage, Bibliographisches Institut, Mannheim, 2010 Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2 - Elektromagnetismus, 9. Auflage, De Gruyter, 2006 Alois Krischke: Rothammels Antennenbuch, aktualisierte und stark erweiterte 13. Auflage, DARC Verlag, 2013 Technik erleben: Materialien für einen schülerzentrierten Unterricht, Bayerisches Staatsministerium für Unterricht und Kultus, 2007 Das Informationszentrum Mobilfunk (IZMF) ist Ansprechpartner für Bürgerinnen und Bürger, Medien sowie öffentliche und private Einrichtungen zum Thema mobile Kommunikation. Es ist ein eingetragener, gemeinnütziger Verein, der von den Mobilfunknetzbetreibern gegründet wurde. Er informiert unter anderem über gesundheitliche, rechtliche und gesellschaftliche Themen mobiler Kommunikation sowie über Aspekte der ökologischen Nachhaltigkeit im Mobilfunk.

  • Astronomie / Informatik / Physik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II