Hydrostatik und Wärmelehre
Demonstrations-Experimente Ölfleckversuch
Gesetz von Amontons, absoluter Nullpunkt Didaktische Themen
Zeitbudget
Didaktische Rekonstruktion Puzzle-Methode
Schüler-Experimente
Werkstatt zum Thema „Luftdruck“
Gasdruck in einer Sektflasche Quellen, Anregungen
Computer-Simulation „ThreeStates“
Simulation zum Teilchenmodell Ein Stirlingmotor zum Selbstbauen
Wärmekraftmaschinen: Computeranimationen
Aufgaben/Fragen
Demonstrations-Experimente
Ölfleckversuch
Ein Tropfen verdünnte Ölsäure wird auf eine bestäubte Wasseroberfläche gegeben. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels (hier: Benzin) entsteht ein nahezu kreisrunder Fleck, dessen Höhe gerade einen Moleküldurchmesser beträgt (monomolekulare Schicht). Aus dem Tropfenvolumen und der Fläche des Flecks lässt sich der Durchmesser eines Moleküls, seine Masse und damit die Avogadro-Konstante bestimmen.
Lernziele:
- Die Schüler/innen kennen eine einfache Methode, um die Grössenordnung eines Moleküldurchmessers zu bestimmen.
- Sie können den Ölfleckversuch im Teilchenmodell beschreiben - Sie können aus den Messwerten die Avogadro-Konstante bestimmen Material:
Zerstäuber mit Bärlappsporen (Lycopodium), Benzin-Ölsäure-Gemisch (0.1 % Ölsäure),
Mikroliter-Pipette, Flasche mit Spülmittel, 1-Weg-Pipette, Klappmeter, Serviertablett, Schlauch oder Plastikgefäss
Durchführung:
Das Serviertablett wird mit Wasser gefüllt (ca. 1 cm hoch). Die Wasseroberfläche wird durch Zugabe eines Tropfens Flüssig-Spülmittel (z.B. Handy) entspannt. Anschliessend bläst man aus der Hand wenig Bärlappsporen über die Wasseroberfläche. Ein Tropfen des Benzin/Ölsäure-Gemischs wird auf die Oberfläche fallen gelassen. Die Bärlappsporen werden zurückgedrängt und laufen nach Verdunsten des Benzins wieder zusammen. Der Durchmesser des Ölflecks kann gemessen werden.
Didaktische/experimentelle Hinweise:
- Das Servierbrett muss sauber entfettet sein, damit der Versuch gelingt (z.B. mit Benzin) - Für eine bessere Sichtbarkeit des Ölflecks eine Platte aus dunklem Material in das Wasser
legen
- Die Herstellung der Lösung kann als Schülerversuch durchgeführt werden (Tropfenzählen für Benzin und Ölsäure, zeigt u.a., dass in 1 ml Benzin viel mehr Tropfen enthalten sind als in 1 ml Ölsäure)
- Die Entspannung der Wasseroberfläche durch die Spülmittelzugabe kann ebenfalls gut durch vorheriges Bestäuben mit Bärlappsporen sichtbar gemacht werden.
- Nur wenig Blütenstaub auf die Oberfläche blasen
Daten von Ölsäure: Formel C 17 H 33 COOH, Dichte
Ölsäure=886kg/m 3 , Massenzahl 282 kg/kmol - Das Experiment kann gut als Demonstration, Schülerexperiment während des
Normalunterrichts oder im Praktikum durchgeführt werden. Beim Einsatz als Demonstration wertet die Klasse die Daten auf dem Arbeitsblatt (nächste Seite) aus.
- Die Umrechnung von Flächen- und Volumeneinheiten bereitet oftmals erhebliche Mühe.
Gesetz von Amontons, absoluter Nullpunkt
Das thermische Verhalten idealer Gase ist ein Standard- Thema des gymnasialen Physikunterrichts. Es werden 2 verschiedene experimentelle Methoden zum Nachweis des Gesetzes von Amontons vorgestellt.
Lernziele:
- Die Schüler/innen kennen eine Formulierung des Gesetzes von Amontons
- Sie verstehen, wie im Prinzip mit Hilfe dieses Gesetzes der absolute Temperatur-Nullpunkt gefunden werden kann
Material:
Variante a): Becherglas 1 Liter, kleiner Glaskolben (ca. 100 ml) mit 2-fach durchbohrtem Stopfen, LabPro, PC,
Temperaturfühler, Druckfühler, Magnetrührwerk mit Heizung, Verbindungsschlauch
Variante b): Gasthermometer mit Quecksilberfüllung,
Thermosgefäss, Wasserkocher, Eiswürfel, Massstab, Thermometer Durchführung:
Variante a): Das luftgefüllte Glasgefäss mit eingeführten Messsonden wird im Wasserbad langsam erwärmt (z.B. 50 °C am Rührwerk einstellen). Die automatische Messung ca. alle 20 s ergibt Punkte, die recht gut auf einer Geraden liegen. Die Software LoggerPro erlaubt eine direkte Auswertung am Bildschirm.
Variante b): Bei mehreren verschiedenen Temperaturen wird die Druckdifferenz zum Atmosphärendruck anhand der beiden Quecksilbersäulen bestimmt. Die
graphische Auswertung (vgl. nächste Seite) ergibt recht gute Werte für den absoluten Nullpunkt.
Didaktische Hinweise:
Beide Varianten haben Vor- und Nachteile. Beide können als
Demonstration oder als Praktikumsversuch eingesetzt werden.
Variante b) nicht ungefährlich wegen
Quecksilber und zerbrechlichen Teilen
LabPro: Ein äusserst vielseitiges, für den Unterricht gut geeignetes Interface zu einem erschwinglichen Preis (ca. 400 Fr.). Eine grosse Zahl verschiedener Sensoren erlaubt einfach durchzuführende Messungen zu allen Gebieten der Physik.
Software LoggerPro: Einfach und intuitiv zu bedienen, funktioniert i.d.R. auf Anhieb.
In der Vorlesung bereits gezeigt: Kraftmessplatte, EKG- Sensor.
Nähere Informationen unter
http://shop.educatec.ch/vernier/sensors/sensorsforlabprocbl2bt
abtd/index.php
Didaktische Themen
Zeitbudget
Die folgenden 4 Beispiele zeigen den tatsächlichen Zeitbedarf für das Unterrichtsthema „Newton- sche Dynamik“, den ich in 4 verschiedenen Klassen protokollierte. Bemerkenswert ist u.a.:
- Unterrichtsausfälle können einen beträchtlichen Teil der verfügbaren Zeit wegfressen. Die im 1. und 3. Beispiel genannten 10 % können als Durchschnitt genommen werden. In einzelnen Quartalen ist aber auch mit deutlich höheren Werten zu rechnen. Selbst wenn die ausfallenden Lektionen frühzeitig eingeplant werden, können immer wieder
Überraschungen eintreten (kurzfristig angesagter Informationsanlass, verschobene Exkursion, o.ä.)
- Der Zeitbedarf hängt stark von Leistungsfähigkeit und Einsatzbereitschaft der Klasse ab. So benötigte die eher schwache, aber im Unterricht sehr aktive Klasse in Bsp. 2 wesentlich mehr Zeit für die Erarbeitung der gleichen Inhalte wie die eher starke, aber im Unterricht äusserst zurückhaltende Klasse von Bsp. 4
- Prüfungen sind i.a. zeitaufwendig, v.a., wenn eine Vor- und Nachbesprechung stattfindet. In manchen Klassen erweist sich die Nachbesprechung im Plenum als ineffizient, hier könnte also Zeit eingespart werden, z.B. durch Angebot einer individuellen Besprechung auf
Wunsch (wird i.d.R. dann nur wenig oder nicht verlangt) oder Abgabe eines Lösungsblattes.
- Das Festigen von erarbeiteten Inhalten und Bearbeiten von Übungen beanspruchen oft viel mehr Zeit als zuvor angenommen, ebenso Unterrichtsformen mit Schülerexperimenten.
1. Altspr 2. Mus 3. PAM 4. WG
Lektionen gemäss Stundenplan 29 30 30 24
Prüfungen inkl. Besprechung -4 -5 -5 -5
Ausfälle -3 -1 -3 -1
effektiv verfügbare Lektionen 22 24 22 18
Erläuterungen:
1. Beispiel: altsprachliches Profil; aktive, eher starke Klasse 2. Beispiel: musisches Profil; aktive, eher schwache Klasse 3. Beispiel: PAM-Profil; aktive, eher starke Klasse
4. Beispiel: W-Profil; passive, eher starke Klasse
Die Puzzle-Methode
(Quelle: www.educeth.ch)
Das Puzzle
Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten einen Teil des Stoffes und unterrichten danach ihre Kameradinnen und Kameraden.
Ein Beispiel:
Der Stoff (z.B. Pflanzenwachstum) ist in 4 Bereiche eingeteilt. Die Klasse wird ebenfalls in 4 Gruppen aufgeteilt. Jede Schülerin bekommt eines der vier Gebiete zugeteilt. Zuerst befasst sie sich alleine mit dem Gebiet, bis sie die Grundkenntnisse besitzt. Dann trifft sie sich mit jenen Schülern, die dasselbe Thema behandeln in der Expertenrunde an einem Tisch. So kommen z.B.
alle Schüler zusammen, die das Thema "Licht und Temperatur" behandeln. In der Expertenrunde diskutieren die Schüler, was sie nicht verstanden haben. Sie erarbeiten Präsentationsformen, Illustrationen und alles weitere, was den Stoff spannend machen kann.
Wenn die Schülerinnen und Schüler sicher sind, was sie unterrichten wollen, gehen sie zu den anderen Schülern. Jede Schülerin unterrichtet drei andere Schüler über ihr Gebiet.
In Ihrer Klasse findet also in mehreren Gruppen der gleiche Unterricht statt, den Sie sonst als Lehrerin oder Lehrer mit der ganzen Klasse durchführen würden.
Effekte
Die Puzzle Methode
produziert eine hohes Time on Task
steigert massiv das Selbstwertgefühl und das Vertrauen in die eigene Leistungsfähigkeit
macht mehr Freude an der Schule
senkt die Aggressionsbereitschaft innerhalb der Klasse
erhöht die Wertschätzung der Schüler/innen untereinander
verbessert die Schulleistung
(Karl Frey, Angela Frey-Eiling: "Allgemeine Didaktik", 17. Auflage 2004)
Beispiel „Wärmekraftmaschinen“
Dieses Puzzle setze ich in der vorliegenden Form in meinem Unterricht ein. Dargestellt ist die Arbeitsanleitung für die erste Expertengruppe.
Auf dem educeth-Server finden Sie eine – wesentlich umfangreichere – Werkstatt zum gleichen Thema, sowie ein Puzzle zur Einführung in die Wärmelehre.
Themen: Zweitakt-Ottomotor, Dampfmaschine, Dieselmotor, Stirlingmotor, Wankelmotor
Puzzle Wärmekraftmaschinen - Thema Nr. 1:
Der Zweitaktmotor
Arbeitsauftrag für die Expertengruppe
Sie sollen mit Hilfe des beiliegenden Textes, des Modells und der Computeranimation das Thema so vorbereiten, dass Sie es in den Unterrichtsgruppen Ihren Kollegen innert 10 Minuten präsentieren und erklären können. Gehen Sie wie folgt vor:
1.) Einzelarbeit: Lektüre des Textes.
2.) Gruppenarbeit (Expertenrunde): Vorbereitung der Präsentation.
• Studieren Sie gemeinsam das Modell.
• Verfolgen Sie gemeinsam die Animation am Computer. (Anmeldung lokal:
Benutzername "Physik", Kennwort "Physik", klicken Sie auf das Symbol in der Mitte des Bildschirms)
Eine weitere Animation finden Sie unter dem folgenden Link:
http://library.thinkquest.org/C006011/german/sites/2_taktmotor.php3?v=2
• Bereiten Sie die Präsentation vor. Sie soll die untenstehenden Inhalte umfassen.
Stellen Sie sicher, dass alle Gruppenmitglieder sie verstanden haben und erklären können.
• Besprechen Sie Unklarheiten in der Gruppe.
• Erstellen Sie gemeinsam ein Blatt (1 Seite A4, nicht mehr!), auf dem Sie in Stichworten den Ablauf und die wichtigen Punkte Ihrer Präsentation festhalten.
Sie können mir das Blatt zum Kopieren geben, damit alle Mitglieder Ihrer Gruppe
es für die Austauschrunde zur Verfügung haben.
Didaktische Rekonstruktion
Vgl. zu diesem Thema Kircher et al. (2001), sowie Duit (2004).
Zu den Kernaufgaben der Physik-Didaktik gehört es, Sachinhalte der Wissenschaft Physik für ihre Überführung in den Physikunterricht zu vereinfachen.
In der neueren Literatur wird hier der Ausdruck „didaktische Rekonstruktion“ verwendet. Darunter werden zwei aufeinanderfolgende gedankliche Schritte verstanden:
a) Die „Zerlegung“ komplexer Sachverhalte in elementare „Sinneinheiten“ (Vereinfachung, Elementarisierung)
b) Diese Sinneinheiten werden im Verlauf des Unterrichts wieder aneinandergefügt und ergeben daraus die Sachstruktur des Physikunterrichts (Wiederaufbau)
Beispiel für relevante Sinneinheiten (= elementare Erklärungsglieder)
Gasthermometer (vgl. Demonstrationsexperiment)
1. Wenn Luft in einem festen Behälter erwärmt wird, steigt der Druck
2. Mit dem Quecksilber im U-Rohr kann man die Differenz zwischen dem Innen- und dem Aussendruck messen
3. Durch Heben und Senken des freien Schenkels kann das eingeschlossene Luftvolumen verändert werden
4. Zwei Wertepaare (Druck-Temperatur) definieren eine Gerade im p-T-Diagramm
Inhalt der Präsentation:
• Beschreibung des Modells:
- Bezeichnen Sie die einzelnen Bestandteile und ihre Funktion (gemäss Legende auf dem Modell)
- Auf welche Seite dreht sich die Kurbelwelle im Betrieb?
- Wo tritt der Kraftstoff in den Brennraum ein?
- Wozu dient das Dekompressionsventil?
• Wie funktioniert der Zweitaktmotor? Was geschieht alles während einer Kurbelwellen-umdrehung?
• Worin unterscheidet sich der Zweitaktmotor vom Viertaktmotor?
• Welche Vor- und Nachteile hat der Zweitaktmotor gegenüber anderen Motoren?
Konsultieren Sie hierzu auch die ergänzenden Links unter "Favoriten".
• Wo wird der Zweitaktmotor eingesetzt?
Zu beachten: Die Sinneinheiten können je nach Adressaten (Klasse, Typ) und Lernziel verschieden gewählt werden. Ein eindeutiges, unveränderliches Erklärungsmuster für ein bestimmtes Thema gibt es nicht.
Kriterien für Elementarisierungen
Einleitendes Beispiel: Was ist elektrische Spannung? – Mehrere mögliche Antworten a) Spannung ist die Voltzahl auf der Batterie
b) Spannung ist das, was man mit dem Voltmeter misst
c) Spannung ist die Kraft, die die Elektronen im Leiter bewegt d) Spannung ist Potenzialdifferenz
e) Spannung ist Elektronendichte-Unterschied f) Spannung ist Arbeit pro Ladung
g) Spannung ist die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses h) Spannung kann man mit dem Wasserdruck vergleichen
i) Spannung ist U E ds
Die physikdidaktische Diskussion der letzten Jahrzehnte ergibt zusammenfassend, dass Elementarisierungen folgende Kriterien erfüllen sollen:
Elementarisierungen müssen 1. fachgerecht
2. schülergerecht 3. zielgerecht sein.
Hier einige stichwortartige Erläuterungen zu diesen knappen Aussagen:
1. fachgerecht:
- heisst nicht unbedingt „fachlich richtig“; es sind auch Modellvorstellungen oder Analogien vorübergehend zulässig, die nur teilweise zu einer physikalischen Theorie passen.
- Die Vereinfachung muss fachlich erweiterbar sein. Damit wird vermieden, dass Schüler in späteren Schulstufen wieder umlernen müssen (Bsp.: Modell des elektrischen Stromkreises) 2. schülergerecht:
- das Vorwissen und der lernpsychologische Entwicklungsstand der Adressaten muss berücksichtigt werden (z.B. Alltagserfahrungen, in der Schule erworbenes Wissen) - Erklärungsmuster sollten falsche Alltagsvorstellungen berücksichtigen
3. zielgerecht:
- Sachstrukturen des Physikunterrichts sind nicht einfach die Sachstrukturen der Wissenschaft Physik
- Durch zielgerechte Erklärungen sollen für die Lernenden relevante, lebensweltliche Dinge
mit physikalischen Inhalten verknüpft werden
Elementarisierung: Heuristische Verfahren
Die folgende Liste von möglichen Arten der didaktischen Rekonstruktion beruht auf Erfahrungen, sie ist weder vollständig noch unveränderlich. Sie soll Anstösse für die Weiterentwicklung des eigenen Physikunterrichts geben. Didaktische Rekonstruktionen sind bis heute eine zentrale Aufgabe der Physikdidaktik. Es gibt keine Theorie dazu, die man nur noch anwenden kann. Man benötigt Schulerfahrung, Fingerspitzengefühl, einen Überblick über die Probleme der Schulphysik, gute Fachkenntnis, Kreativität für originelle Lösungen.
- Idealisieren:
o
Bsp. Massenpunkt, starrer Körper
- Symbolisieren:
o
Kurzschreibweise mit Buchstaben und mathematischen Zeichen, Diagrammen
- Theoretische Modelle entwickeln:
o
Modell Lichtstrahl
- Gegenständliche Modelle bauen:
o
Kristallgittermodell
- Funktionsmodelle bauen:
o
Motorenmodelle
- Analogien bilden:
o
Elektrischer Stromkreis vs. Wasserstromkreis
Weitere Verfahren der Elementarisierung, Vereinfachung, die sich z.T. mit den oben genannten Methoden überschneiden:
- Beschränken auf das Phänomen:
o
mit Magneten experimentieren
- Beschränken auf das Prinzip:
o
Bsp. Auftrieb
- Beschränken auf das Qualitative:
o
gleiche Magnetpole stossen sich ab
o
Die Eigenschaft eines elektrischen Leiters, den Stromfluss zu behindern, wird elektrischer Widerstand genannt
o
Die elektrische Spannung ist ein Mass dafür, wie stark jedes Elektron auf seinem Weg durch die Quelle angetrieben wird (Quellenspannung) oder wie stark es auf seinem Weg durch einen Verbraucher bei vorgegebenem Strom angetrieben werden muss
(Verbraucherspannung). (Muckenfuss, 1991)
- Halbquantitative Aussagen: „Je – desto“-Aussagen können allerdings leicht als
Proportionalitäten verstanden werden, auch wenn ein anderer Zusammenhang vorliegt.
o
Für einen Ohmschen Widerstand gilt: je grösser die antreibende elektrische Spannung, desto grösser der elektrische Strom.
- Vernachlässigen von Einflussfaktoren:
o
Luftkissenbahn für Dynamik-Experimente
o
Vernachlässigung von Beugungsefffekten in der Optik
o
Teilchenmodell: Atome als Kugeln auf festen Gitterplätzen (ohne thermische Bewegung)
- Experimentell veranschaulichen:
o
Lichtbrechung im Wasser, Brownsche Bewegung
- Bildhaft veranschaulichen:
o
Strahlengang in einer Sammellinse
- Zerlegen in methodische Schritte:
o
Elektromotor
- Einbeziehen historischer Entwicklungsstufen:
o
Bohrsches Atommodell
o
Energie = Fähigkeit, Arbeit zu verrichten (bleibt rein auf die Mechanik beschränkt, spätere Entwicklungen des Energiebegriffs, Quantelung, Masse-Energie-Äquivalenz bleiben weg)
- Generalisierung
o
Feste und flüssige Körper dehnen sich bei Erwärmung aus
o
Für eine eingeschlossene Gasmenge konstanter Temperatur ist pV=konstant
- Partikularisierung:
o
Einführung der harmonischen Schwingung anhand des Federpendels
o
Kraftbegriff als Ursache von Verformungen einführen (dynamische Aspekte müssen später
nachgeholt werden)
Schüler-Experimente
Experiment 1
Werkstatt zum Thema „Luftdruck“ (Ausschnitt)
Die folgenden Schülerexperimente sind ein Ausschnitt aus einer Unterrichtseinheit zum Thema
„Luftdruck“. Die Schüler arbeiten in 3er-Gruppen an insgesamt 8 Posten. Zeitbedarf für diese Werkstatt: 2 Lektionen.
1. "Magdeburger Halbkugeln"
Führen Sie den unten beschriebenen historischen Versuch - in etwas kleinerem Massstab - durch.
- Schlauch anschliessen, Hahnen bei der Kugel öffnen - Pumpe einschalten, ca. 2 Minuten laufen lassen
- Hahnen bei der Kugel schliessen, Schlauch entfernen, Pumpe ausschalten Versuchen Sie, die Halbkugeln auseinander zu reissen.
Bestimmen Sie die Kraft, die theoretisch nötig wäre, um die Halbkugeln auseinander zu reissen:
Innendurchmesser der Halbkugeln: d = ... m
Querschnittsfläche : A = ...m 2
Luftdruck: p = 1bar = 10 5 Pa
Daraus folgt die Gesamtkraft auf eine Halbkugel F = ...N
2. Bestimmung der Dichte von Luft
Durch Wägungen auf einer präzisen Waage kann die Masse eines bestimmten Luftvolumens - und damit die Dichte der Luft - bestimmt werden.
Achtung: Die Glaskugel mit den beiden Hähnen ist sehr empfindlich. Keine rohe Kraft beim Anschliessen und Entfernen des Schlauches anwenden!
Beim Betrieb der Pumpe: Schutzbrille anziehen.
- beide Hähne der Glaskugel öffnen, Kugel wägen: m 1 = ...kg - Kugel luftleer pumpen, erneut wägen: m 2 = ...kg - Das Volumen der Kugel beträgt 1 Liter.
Bestimmen Sie aus diesen Werten die Dichte der Luft.
Luft= ...kg/m
33. Messung des Luftdrucks
Das Experiment ist bereits fertig aufgestellt. Am Schalter an der Seite des Rollwagens kann die Pumpe eingeschaltet werden. Beobachten Sie den Vorgang nach dem Einschalten genau und bestimmen Sie aus den verfügbaren Daten die Grösse des Atmosphärendrucks hier im Schulzimmer.
Beachten Sie: Der Kraftmesser besitzt einen Nullpunktsschieber.
Eine Schublehre zur Bestimmung des Kolbendurchmessers liegt auf dem Wagen bereit.
Kolbendurchmesser: d = ………
Kraft auf den Kolben: F = …………...
Daraus ergibt sich der Luftdruck im Zimmer: p
L= ………..
4. Geräte zur Messung des Luftdrucks
In der Beilage finden Sie einen Text zu diesem Thema (Quelle: W. Waiblinger et al., Physik für die Sek. I, Orell Füssli 1989, S. 122f). Lesen Sie den Text und betrachten Sie die aufgestellten
Messgeräte genau.
Betrachten Sie ausserdem das aufgeschnittene sog. „Bourdon-Manometer“. Machen Sie sich die Funktionsweise selbst klar. Vergleichen Sie auch mit dem „Luftrüssel“.
Sie sollten nach dem Bearbeiten dieser Aufgabe verstehen, wie die folgenden Geräte funktionieren:
- Quecksilberbarometer - Dosenbarometer - Bourdon-Manometer
Lesen Sie den Luftdruck hier im Zimmer am Quecksilberbarometer möglichst genau ab.
p
L= ………
5. Vorgänge bei der Atmung
Studieren Sie den Text in der Beilage zu diesem Thema (Quelle: wie Aufgabe 4, S. 133) und betrachten Sie das aufgestellte Lungenmodell.
Modell: PET-Flasche mit entferntem Boden (simuliert Brustkasten)
Erstmaliges Füllen der „Lunge“: Kleber auf der Seite der Flasche entfernen und gleichzeitig Ballon aufblasen. Dann sofort Kleber wieder befestigen.
Simulieren Sie mit dem Modell die folgenden Vorgänge:
- Rippenatmung: Flasche zusammendrücken, man spürt den Luftzug aus dem Schlauch - Zwerchfellatmung: Eindrücken der Gummimembran unten, Ballon wird dadurch kleiner - Verletzung der Brustwandung (Loch seitlich in die PET-Flasche, mit Klebband
verschlossen): Sobald Luft in den Zwischenraum einströmen kann, drückt der Ballon (Lunge) durch seine Elastizität die Luft heraus --> Zusammenschrumpfen der Lunge Hinweis zur Wirkung der Zwischenrippenmuskulatur:
Da die Rippen nicht horizontal von der Wirbelsäule weggehen, sondern deutlich nach unten geneigt sind, wird das Volumen des Brustkastens beim Heben der Rippen merklich vergrössert.
Dieses Heben des Brustkastens wird bei verstärkter Einatmung durch die Zwischenrippen- muskulatur wesentlich unterstützt.
6. Saugnapf
Der Saugnapf: Befestigen Sie den Saugnapf an der oberen Fläche eines Türrahmens und machen Sie einen Klimmzug.
Wie gross ist die Last, die der Saugnapf theoretisch bestenfalls tragen könnte? Bestimmen Sie dazu den Durchmesser der beiden Kreise und verwenden Sie den Luftdruck p
L=1 bar.
Kreisdurchmesser: d = ………
Daraus folgt die maximal mögliche Last: m = ………
Experiment 2
Wie gross ist der Gasdruck in einer Sektflasche?
Wird der Korken einer Sektflasche gelockert, so bestimmt der Gasdruck in der Flasche im wesentli- chen den weiteren Bewegungsverlauf (beschleunigte Bewegung mit Reibung im Flaschenhals, an- schliessend schiefer Wurf).
Messung (bitte genau lesen und einhalten, es steht nur ein Schuss zur Verfügung !):
1) Markiere mit Filzstift den Flüssigkeitsspiegel bei aufrecht stehender Flasche, ebenso den unteren Rand des Korkens.
2) Für den Abschuss muss die Flasche in einer stabilen Konstruktion eingespannt werden (Stativ mit Klemmen). Der Schuss muss an einem Ort erfolgen, wo genügend freie Raumhöhe und - länge zur Verfügung steht, um den ganzen Verlauf der Wurfbewegung zu erfassen, z.B.
Korridore (Achtung: Abschusswinkel nicht zu gross wählen!), Halle im Neubau, etc.
3) Vor dem Schuss müssen die Anfangsbedingungen genau bestimmt werden:
Höhe der Flaschenöffnung über dem Boden: h o = ... cm
Abschusswinkel: = ... o
4) Zur Bestimmung der Wurfweite wird ein Massband in Schussrichtung auf dem Boden ausge- legt. Der Nullpunkt des Massbandes sollte senkrecht unter der Flaschenöffnung liegen.
5) Nun wird der Korken sehr vorsichtig gelockert. Es geht jetzt darum, den Beginn der selbstän- digen Bewegung des Korkens möglichst genau zu erfassen. Sobald der Korken von selbst anfängt, aus dem Flaschenhals zu "kriechen", wird er von Hand nochmals festgehalten und mit Filzstift der untere Korkenrand auf dem Flaschenhals markiert.
6) Anschliessend wird der Korken losgelassen. Bestimme möglichst genau die Wurfweite.
Wurfweite: W = ... m
7) Prost !
8) Bestimme die Masse des Korkens. m = ... kg
Auswertung:
Wir gehen von folgenden vereinfachenden Annahmen aus:
- Der Korken wird zunächst durch eine Haftreibungskraft im Flaschenhals festgehalten.
- Nach dem Lockern des Zapfens wirkt eine Gleitreibungskraft, die zu Beginn der selbständigen Be-
wegung des Zapfens gleichgross ist wie die vom Gas ausgeübte Kraft.
zwischen Zapfen und Flaschenhals, d.h. die Reibungskraft nimmt linear mit dem Gleitweg bis auf Null ab.
- Durch die Bewegung des Zapfens im Flaschenhals kann das Gas in der Flasche sein Volumen vergrössern, der Druck nimmt entsprechend ab. Dieser Vorgang darf als isotherm angesehen werden, d.h. für den Zusammenhang zwischen Gasdruck und Volumen gilt das Gesetz von Boyle- Mariotte.
- EES: Während des ganzen Rutschvorgangs des Zapfens im Flaschenhals wird die vom Gas verrichtete Expansionsarbeit in Reibungswärme und in kinetische Energie des Zapfens umgewandelt.
- Nach dem Austritt aus dem Flaschenhals führt der Zapfen eine Bewegung aus, die näherungsweise als schiefer Wurf ohne Luftwiderstand betrachtet werden darf.
Benötigte Formeln zur Auswertung der Messung:
EES: ∆W Gas = ∆W Reibung + ∆E kin.
Isotherme Expansion eines Gases: p . V = konstant = p o . V o Anfangsdruck des Gases: p o (unbekannt) Arbeit:
W
Gas p(V )dV
Vo V1
p
oV
odV V p
oV
o ln V V
1Vo o V1
Anfangsvolumen (vor Beginn der selbständigen Zapfenbewegung) : V o = ... m 3 Endvolumen (beim Austritt des Zapfens) : V 1 = ... m 3 (Bestimmung mit Hilfe der Filzstiftmarkierungen auf dem Flaschenhals, Flasche mit
Leitungswasser füllen, Wasservolumen messen) Gleitreibung im Flaschenhals: lineare Abnahme, Reibungsarbeit = Fläche unter der Geraden
W
Reibung 1 2 p
oAs
Querschnittsfläche des Flaschenhalses:
A = ... m 2 Länge der Gleitstrecke im Flaschenhals: s = ... m
(=Distanz letzte Filzstiftmarkierung – Flaschenöffnung)
Austrittsgeschwindigkeit des Zapfens: v o = ... m/s (Bestimmung aus der Wurfweite) (wir benötigt für kinetische Energie)
Resultat: Anfangsdruck in der Flasche p
o= ... bar
Quellen, Anregungen
Anregung 1
Computer-Simulation „ThreeStates“
Diese Software enthält verschiedene
Simulationen zu thermischen Vorgängen auf der mikroskopischen Ebene:
- Wechselwirkungen zwischen Teilchen
- Temperatur und Druck
- Aggregatzustände
- Flüssigkeits/Gas-Gleichgewicht
- Phasendiagramme
Das Programm „ThreeStates“ ist auf einer CD enthalten, die zusätzlich viele weitere
Simulationen aus anderen Gebieten der Physik enthält.
Die CD kann zum Preis von 25.- bei folgender Adresse bestellt werden:
Universität Bern, Computerlabor zhv. Aegidius Plüss
Muesmattstr. 29 3012 Bern
pluess@sis.unibe.ch
Anregung 2
Ein Stirlingmotor zum Selbstbauen
Die gut verständlich geschriebene Anleitung ist erhältlich bei
Dieter Viebach, Spielhahnstrasse 17, 83059 Kolbermoor, Deutschland
Der Selbstbau hat gewisse Tücken. Die Lager der
beweglichen Teile müssen möglichst reibungsarm
eingesetzt) zum gewünschten Erfolg.
Nur für handwerklich geschickte und ausdauernde Schüler zu empfehlen. Zeitbedarf im Praktikum:
ca. 6 Doppellektionen.
Anregung 3
Computeranimationen von Wärmekraftmaschinen Unter der Adresse http://www.k- wz.de/ findet man eine Reihe von brauchbaren Animationen zur Funktionsweise von
Wärmekraftmaschinen (Ottomotor, Diesel, Stirling, etc.). Sie lassen sich gut als ergänzende Illustrationen im Unterricht – z.B. im Zusammenhang mit dem gezeigten Puzzle –
einsetzen.
Anregung 4
Simulationssoftware zum Teilchenmodell
Eine ausgezeichnete Simulationssoftware ist das Programm „Atomarium“ (nähere Informationen
unter www.atomarium.ch) . Kosten ca. 500 Fr. Hier werden zahlreiche Vorgänge in festen,
flüssigen und gasförmigen Körpern mit einem Teilchenmodell simuliert. Grundlage für die
Berechnung aller Bewegungen ist das Lennard-Jones-Potential.
Aufgaben, Fragen
Frage 1
Zeitbudget (K5)
Für eine Klasse des Untergymnasiums planen Sie das letzte Quartal vor den Sommerferien (Anfang Mai bis Mitte Juli). Gemäss Stundentafel hat die Klasse 2 Lektionen Unterricht pro Woche. Die Klasse hat nach den Sommerferien keinen Physikunterricht mehr, der Unterricht in der gymnasialen Unterstufe ist für sie beendet.
Erstellen Sie ein realistisches Zeitbudget. Welche Themen würden Sie wie lange behandeln? Auf welche Schwierigkeiten bei der Umsetzung dieses Plans stellen Sie sich ein? Nennen Sie zwei mögliche Fälle und geben Sie an, wie Sie reagieren würden.
Frage 2
Schülerexperiment (K3)
Das „Ölfleck-Experiment“, das Sie in der Vorlesung gesehen haben, kann auch gut als
Schülerexperiment eingesetzt werden. Skizzieren Sie eine entsprechende Unterrichtseinheit. Geben Sie die Klassenstufe, die Lernvoraussetzungen und den unterrichtlichen Kontext an. Begründen Sie auch, weshalb Sie in dieser Situation das Schülerexperiment der Demonstration vorziehen würden.
Frage 3
Puzzle-Methode (K3)
Sie haben in der Vorlesung Beispiele für die Puzzle-Methode kennengelernt. Überlegen Sie sich ein weiteres Thema der Mittelschulphysik, das sich für diese Methode eignen würde.
Wählen Sie eine Klassenstufe und ein Schwerpunktfach. Skizzieren Sie die Arbeitsschwerpunkte für die einzelnen Schülergruppen. Geben Sie den geschätzten Zeitbedarf an.
Frage 4
Didaktische Rekonstruktion
Für eine Klasse des Grundlagenfachs Physik konzipieren Sie eine Unterrichtseinheit zum Thema
„Kühlmaschinen“. Darin enthalten ist eine Erklärung der Funktionsweise des Kompressor- Kühlschranks. Sie bereiten dazu einen kleinen Lehrervortrag vor. In der Klasse wurden bereits 1 Jahr lang Grundlagen der Mechanik und Wärmelehre besprochen.
Nennen Sie die 4 bis 5 wichtigsten Erklärungsglieder (physikalische und technische Elemente)
stichwortartig. Kommentieren Sie anschliessend diese Schritte im Hinblick auf die 3 Hauptkriterien
für eine Elementarisierung.
ETH Fachdidaktik Physik 20 Didaktik des Physikunterrichts
Übung 3: Unterrichtsplanung
Um was geht es?
Als Lehrer sind Sie immer wieder mit Änderungen der Stundentafeln konfrontiert. Sie müssen deshalb in der Lage sein, Ihren Unterricht an eine gegebene Stundentafel anzupassen.
Nach der Bearbeitung dieser Übung haben Sie Ihren eigenen Themen-Raster für den gesamten Physikunterricht in Ihren künftigen Klassen erstellt. Sie haben eine gute Vorstellung davon, welche Themen Sie im Grundlagenfach wann und wie lange unterrichten würden.
Grundlagen:
Das revidierte Maturitätsanerkennungsreglement von 1995 hat – gegenüber der älteren Verordnung MAV – die Lektionenzahl im Fach Physik reduziert. Dies führte dazu, dass die Lehrpläne der Schulen gestrafft werden mussten. Einige Stoffgebiete können heute nicht mehr unterrichtet werden. Andere werden zwar unterrichtet, aber nicht mehr in der gleichen Ausführlichkeit wie früher. In der folgenden Tabelle finden Sie die Stundendotationen des Fachs Physik an der Kantonsschule Wetzikon. Sie ist bereits wieder im Umbruch: Über das sog. „Selbstlernsemester“
werde ich an anderer Stelle in der Vorlesung noch näheres sagen.
Jahrgangsstufe 8 9 10 11 12
Semester
8.1 8.2 9.1 9.2 10.1 10.2 11.1 11.2 12.1 12.2
Durchschnittsalter SchülerInnen
15 16 17 18 19
Untergymnasium
2 2
Grundlagenfach Physik
(alle Schwer- 3 3 3 2/1
punkte ausser PAM und BC
MN Gymnasium PAM
3 2 2 4 2/1 2 3
MN Gymnasium BC
3 2 2 4 2/1
Ergänzungsfach Physik
(alle ausser PAM)
2 2
Legende: Normal = üblicher Klassenunterricht
Kursiv = 2 Lektionen pro Woche im Klassenunterricht + alle 14 Tage eine Doppellektion in Halbklassen (Praktikum). Halbklassen nur, falls mehr als 17 Schüler in der Klasse sind.
Aufgaben:
Schreiben Sie sich die Stoffgebiete der Physik, die an einer Mittelschule unterrichtet werden können, heraus. Der Stoffkatalog sollte nicht zu grob sein („Mechanik – Wärme – Elektrizität“), aber auch nicht zu detailliert(„…mittlere Geschwindigkeit – momentane Geschwindigkeit – mittlere Beschleunigung – momentane Beschleunigung - ….“) . Nehmen Sie als Richtgrösse für die kleinste Einheit einen Unterrichtszeitraum von 4 bis 5 Lektionen an.
a) Streichen Sie diejenigen Gebiete, die Ihrer Meinung nach nicht zwingend im Grundlagenfach unterrichtet werden müssen. Begründen Sie die Streichungen.
b) Nennen Sie diejenigen Stoffgebiete, die Ihrer Meinung nach im Grundlagenfach unbedingt unterrichtet werden müssen. Begründen Sie auch diese Auswahl.
c) Erstellen Sie ein realistisches Zeitbudget für alle 4 Semester.
d) Verteilen Sie die Stoffgebiete in einer für Sie persönlich sinnvollen Reihenfolge auf das
Grundlagenfach Physik (= grau hinterlegte Zeile). Begründen Sie die gewählte Reihenfolge
(weshalb Gebiet A vor B, etc.). Berücksichtigen Sie insbesondere den Halbklassenunterricht im
letzten Semester.
e) Wo würden Sie zuerst Abstriche an Ihrem Programm machen, wenn Sie nach 1 Semester
feststellen, dass Sie es mit einer Klasse zu tun haben, die deutlich mehr Zeit für die Erarbeitung der Inhalte braucht als Sie dachten? Begründen Sie wiederum Ihre Auswahl.
Ihre Begründungen/Überlegungen (exkl. Stofflisten) sollten total ca. 2 Seiten A4 umfassen.
Abgabetermin:
Heute in 2 Wochen (9. Mai 2007)
Wenn 1 oder 2 Studierende bereit sind, auf freiwilliger Basis ihre Lösung in etwa 3 Minuten Ihren KollegInnen zu präsentieren, können wir kurz darüber diskutieren und einen Vergleich mit dem Lehrplan der Kantonsschule Wetzikon ziehen.
Beurteilungskriterien und Massstab: Gemäss Formular.
Fachdidaktik Physik Martin Mohr
Kantonsschule Zürcher Oberland Bühlstr. 36
CH – 8620 Wetzikon Tel. 044 933 08 11 martin-mohr@ethz.ch Privat. Turnhallenstr. 11 CH – 8620 Wetzikon Tel. 043 495 23 43 Fax. 043 495 23 49
