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.
