Quantisierung der Ladung - RCL “Millikan-Versuch”

Astronomie / Physik
Sekundarstufe II
etwa 5 Stunden
Arbeitsblatt, Experiment
1 Arbeitsmaterial

Schülerinnen und Schüler bestimmen mit einem ferngesteuerten Experiment eigenständig die Elementarladung.

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Nicht nur Robert Andrews Millikan (1868-1953) und seinen Mitarbeitern verlangte die Entwicklung und Durchführung des nach ihm benannten Präzisionsversuchs zur Quantisierung der Ladung und Bestimmung der Elementarladung im Jahr 1910 einiges ab. Auch der Schulversuch bereitet Lehrkräften vor allem wegen der zeitaufwändigen Versuchsdurchführung für eine eindeutige Aussage zur Ladungsquantelung Schwierigkeiten. So müssen häufig im Unterricht zu wenigen Messungen bereits zuvor durchgeführte "aus der Konserve" hinzugefügt oder Simulationsprogramme eingesetzt werden. Nicht selten wird der Versuch erst gar nicht durchgeführt. Mit dem RCL "Millikan-Versuch" können Schülerinnen und Schüler auch außerhalb des Unterrichts eigene Messungen in großer Anzahl durchführen, diese zusammengetragen und auswerten.

Didaktisch-methodischer Kommentar

Der Millikan-Versuch und die Versuchsinhalte gehören für Schülerinnen und Schüler und für Lehrkräfte zu den schwierigen Versuchen in der Sekundarstufe II. Die Ursachen sind vielfältig:

Versuchsstatistik: Für eindeutige Aussage zur Ladungsquantelung sind zeitaufwändige Messungen mit vielen Ladungsbestimmungen notwendig.
Schülerbeteiligung: Nur wenige Schülerinnen und Schüler können im Unterricht Messungen durchführen.
Stokessche Reibungskraft: Eine deduktive Herleitung auf Schulniveau ist nicht möglich. Ein induktiver Zugang ist im Vergleich zum einmaligen Gebrauch beim Millikan-Versuch zu zeitaufwändig. Für Lernende ist das Auftreten von relevanten Gültigkeitsgrenzen bei Gesetzen ungewohnt (Korrektur nach Cunningham, nur kleine Geschwindigkeiten).
Ladungsquantelung: Erstmalig tritt bei diesem Versuch eine gequantelte physikalische Größe in der Sekundarstufe II auf.
Versuchtheorie: Für Schülerinnen und Schüler ist die umfassende Versuchstheorie (Inhalte aus der Mechanik und Elektrostatik) ungewohnt umfangreich.

Die Unterrichtseinheit zielt gerade wegen dieser Schwierigkeiten auf ein eigenständigeres Lernen der Schülerinnen und Schüler.

Lernvoraussetzungen, Struktur und Verlauf
Lernvoraussetzungen und Struktur der Unterrichtseinheit sowie eine Darstellung der Unterrichtsphasen und -inhalte mit Hinweisen zu den Arbeitsformen
Materialien zur Unterrichtseinheit
Aufgabensammlung, Video zur Stokesschen Reibungskraft, Videoanalyseprogramme, Excel-Tabelle zur Versuchsauswertung und Hinweise zur Messwertakkumulation per Wiki
Steckbrief des RCLs ?Millikan-Versuch?
Darstellung des Versuchsaufbaus, der Experimentiermöglichkeiten und des Mehrwerts des RCLs "Millikan-Versuch"

Download

Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

die reibungsbehaftete Bewegung der Öltröpfchen in Luft qualitativ erklären können.
das Ziel "Ladungsbestimmung" des Millikan-Versuchs erkennen.
möglichst eigenständig die Formel einer Messmethode zur Bestimmung der Öltröpfchenladung herleiten.
einzeln oder in Gruppen mit dem RCL "Millikan-Versuch" Messdaten erheben, zusammentragen und in Diagrammen darstellen.
die Ladungsquantelung als Hypothese formulieren und bestätigen sowie die Elementarladung bestimmen.

Internetadresse

Zusatzinformationen

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

Thema	Der Millikan-Versuch als RCL - Bestimmung der Elementarladung
Autor	Sebastian Gröber
Fach	Physik
Zielgruppe	Sekundarstufe II
Zeitraum	etwa 5 Stunden
Technische Voraussetzungen	Computer mit Internetzugang und Beamer im Physikraum
Software	Zur Auswertung der Messdaten des Millikan-Versuchs: Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel); Zur Aufnahme von Messwerten aus Videos: Videoanalyseprogramm (zum Beispiel das kostenlose Easyvid)