Material für den Unterricht_neu - Vision
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Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen 1. Zusammenfassung ..............................................................................................................2 2. Einleitung ..............................................................................................................................2 2.1. Lehrplanbezug ..............................................................................................................2 2.2. Erforderliche Vorkenntnisse/Grundlagen.................................................................3 2.3. Erforderliche elektronische Ausstattung: Hardware, Software .............................3 2.4. Benutzte Materialien....................................................................................................3 Unterbau für den Wellenkanal...............................................................................................3 Messstation...............................................................................................................................3 Hardware und Software ..........................................................................................................3 3. Hauptteil................................................................................................................................4 3.1. Material ..........................................................................................................................4 3.2. Unterrichtsverlauf.........................................................................................................5 3.3. Experimente ..................................................................................................................5 3.4. Aufgaben.......................................................................................................................6 4. Praxisbezug/Anwendung ...................................................................................................6 5. Quellen..................................................................................................................................7 6. Sonstiges ..............................................................................................................................7 7. Anlagen:Material..................................................................................................................8 „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 1 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen 1. Zusammenfassung Wegen der Faszination, die Wellen im allgemeinen auf Menschen ausüben und speziell wegen des Tsunamis, der Weihnachten 2004 großen Schaden anrichtete, haben wir nach einem Gespräch mit unserer Lehrerin Frau Pürner beschlossen, einen Wellenkanal zu bauen. Um die Wellen beobachten zu können, haben wir durchsichtige Acrylglasplatten verwendet. Unser Wellenkanal besteht aus 3 jeweils 2m langen Teilen, ist also insgesamt 6m lang, 20cm breit und 1m hoch. Mit diesem Wasserkanal werden die Grundlagen der Wellenlehre wie die Entstehung und Überlagerung von Wellen durch passende Experimente erarbeitet. Das Wasser kann stückweise eingefärbt werden, um zu zeigen, dass mit den Wellen kein Materialtransport verbunden ist. Zur Registrierung der Wellen wurde eine Brückenschaltung verwendet. Grundlage dafür ist, dass der Widerstand zwischen zwei Kohleelektroden von der Wasserhöhe abhängig ist. Die entsprechenden Spannungen können mit einem passenden Messwerterfassungsprogramm aufgezeichnet und ausgewertet werden. Damit entspricht die Versuchsanordnung den Anforderungen des Additums „Experimente zu ausgewählten Kapiteln aus der Mechanik: Registrierung und Darstellung von Bewegungsabläufen“. 2. Einleitung 2.1. Lehrplanbezug Der gebaute Wellenkanal ist für einen Einsatz in Physikunterricht der 11. Jahrgangsstufe gedacht. Er eignet sich für das Themengebiet „Wellenphänomene“ und für das Additum „Experimente zu ausgewählten Kapiteln der Mechanik“. Das Medium Wasser liefert einen sehr anschaulichen Zugang zu den Wellenphänomenen. Für die bei der Messwerterfassung verwendete Brückenschaltung werden Kenntnisse aus der 10. Klasse Physik (Elektrizitätslehre) benötigt. Der Einsatz von Messwerterfassungsprogrammen zur Registrierung von Bewegungsabläufen sind aus dem Physikunterricht der 11. Jahrgangsstufe vertraut. „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 2 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen 2.2. Erforderliche Vorkenntnisse/Grundlagen Für die Entstehung und Ausbreitung von Wellen sind keine besonderen Vorkenntnisse erforderlich. Zum Verständnis der Brückenschaltung bei der Messwerterfassung sind Grundlagen der Elektrizitätslehre erforderlich. Ferner muss klar sein, dass Leitungswasser Strom leitet und der Widerstand zwischen zwei Kohleelektroden im Wasser proportiona l zur Wasserhöhe ist. Dies liefert die Grundlage dafür, dass die Wellen mit einem Oszilloskop oder einer entsprechen Software aufgezeichnet werden können. Gefordert waren vor allem handwerkliche Fähigkeiten für den Bau des Wellenkanals. 2.3. Erforderliche elektronische Ausstattung: Hardware, Software Für den Einsatz des Econ ist ein PC mit Windows und Parallelport erforderlich. Es kann aber auch ein anderes Messwerterfassungsprogramm verwendet werden. Durch einen Laptop kann der ganze Aufbau ins Freie verlagert werden. 2.4. Benutzte Materialien Wellenkanal: 1 Acrylglasplatte (8mm Dicke) mit 3,05m ⋅ 2,05m 1 Acrylglasplatte (8mm Dicke) mit 1,25m ⋅ 2,05m Gesamt: 8,8m² Der Zusammenbau erfolgte in der Glaserei mit den dortigen Werkzeugen. Unterbau für den Welle nkanal Multiplexplatten Messstation Widerstände mit 1 kΩ und 330 Ω, Potentiometer mit 10 kΩ 2 Kohleelektroden (15cm lang) Gewindestangen zur Fixierung Hardware und Software Mess- und Steuerungssystem: eCon ; zugehörige Software: iba logic (beides von der Firma iba GmbH) „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 3 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen 3. Hauptteil 3.1. Material Das erarbeitete Material besteht im wesentlichen in dem Wasserkanal selbst. Er besteht aus drei Teilen mit jeweils 2m Länge und 50cm Höhe. Der Rahmen aus Multiplexplatten ist ebenfalls in drei Teile zerlegbar. Der Kanal soll die Schüler dazu ermuntern mit Wasserwellen und mit dem Messwerterfassungsprogramm zu experimentieren. Neben der von uns gewählten Variante eines zerlegbaren Wellenkanals ist auch ein fest installierter Kanal in den Außenanlagen der Schule denkbar. Dazu werden entsprechende Platten einbetoniert. „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 4 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen Schematischer Aufbau des Wellenkanals: Schieber Basiswasserhöhe h Schaltplan für die Messung mit Elektroden: 3.2. Unterrichtsverlauf Der Wellenkanal eignet sich für den Einsatz zu Beginn des Kapitels Wellenle hre am Ende der 11. Jahrgangsstufe im Physikunterricht. 3.3. Experimente Wasserwellen begegnen uns häufig im täglichen Leben, bei Schwimmbadbesuchen oder am See. Alle haben beobachtet, wie sie brechen oder auseinander laufen, wenn z.B. ein Stein ins Wasser gefallen ist. Der Wellenkanal knüpft an diesen Erfahrungen an und führt schrittweise zu einer genaueren Untersuchung des Wellenphänomens. Damit sich eine Welle möglichst lange ohne Störungen bewegen kann, ist der Kanal 6m lang. Die Wellen werden mit Hilfe eines Schiebers erzeugt, hinter dem eine höherer Wasserstand eingefüllt wird. Wird der Schieber heraus gezogen, setzt sich eine Welle in Bewegung. Diese Erzeugung hat den Vorteil, dass sie wiederholbar ist. „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 5 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen Der Einsatz der Kohleelektroden ermöglicht eine Aufzeichnung der Messwerte, die dann die Basis für eine eingehende Untersuchung bilden können. Zu Beginne der Messung muss die Brückenschaltung abgeglichen werden (U12 = 0), dann ist die an den Kohleelektroden abgegriffene Spannung proportional zur Wasserhöhe zwischen den Elektroden. Somit lssen sich die durchlaufenden Wellen aufzeichnen. Dabei kann der Umgang mit einem Messwerterfassungsprogramm oder einem Oszilloskop eingeübt werden. Die aufgezeichneten Wellen leiten zum Sonderfall der sinusförmigen Transversalwelle über. 3.4. Aufgaben Mögliche Aufgabenstellungen sind: - Teste verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung von einem einzelnen Wellenberg/Folge von Wellen - Beschreibe die Reflexion eines Wellenberges am Ende des Kanals - Beobachte zwei Wellenberge, die aufeinander treffen - Färbe einen Abschnitt des Wassers und beobachte eine darüber laufende Welle; welche Folgerungen kannst du daraus ziehen - Suche eine geeignete mathematische Funktion zur Beschreibung der Wellen - Wähle eine Einstellung des Programms, die eine durchlaufende Welle möglichst gut zeigt Die bisherigen Aufgaben bewegen sich im Rahmen des offiziellen Lehrplans. Darüber hinaus eignet sich der Kanal um besondere Wellenformen zu untersuchen, zum Beispiel das Verhalten von Wellen am Ufer, unter welc hen Umständen bricht ein Welle, wann ist eine Welle besonders formstabil, welche Faktoren beeinflussen die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Damit ist eine Brücke zu der aktuellen Untersuchung von Tsunamis möglich oder die Behandlung von Solitionen. 4. Praxisbezug/Anwendung Katastrophen wie der Tsunami von 2004 aber auch die Überschwemmungen in Deutschland verdeutlichen, dass das Verhalten von Wellen ein aktuelles Problem ist. Bevor aber Wellen untersucht werden können, muss eine dafür geeigneter „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 6 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen Versuchsaufbau entwickelt werden. Den beteiligten Jugendlichen wurde sehr schnell bewusst, dass es ein langer Weg ist, bis mit einem Versuchsaufbau wirklich geforscht werden kann. Im Grunde beginnt das Projekt Wellenkanal in der Praxis und führt dann zu (theoretischen) Ergebnissen. 5. Quellen Die Universität Bayreuth besitzt einen ähnlichen Wellenkanal zur Untersuchung von Solitonen. Frau Dr. Sigrid Weber hat uns in der Planungsphase beraten. Ferner diente ein Artikel von Karl Kraus: Solitäre Wellen und andere Solitone n (erschienen in Physik in unserer Zeit, 1979, Nr. 6) als Anregung. 6. Sonstiges Die Realisierung des Wellenkanals war ein hartes Stück Arbeit. Es gab immer wieder praktische Probleme zu bewältigen, Rückschläge bei der Umsetzung mussten verarbeitet werden und zu neuen Lösungen führen. Die Gruppe brauchte viel Ausdauer und eine hohe Frustrationstoleranz. Aber auch das sind alles Fähigkeiten, die in der Schule gefördert werden sollten und eine wichtige Grundlage für naturwissenschaftliches Arbeiten bilden. „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 7 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen 7. Anlagen:Material Aufbau des Wellenkanals Erster Versuch im Physiksaal – mit Schraubzwingen als erste Gegenmaßnahme für das Auslaufen. Erfolgreicher Versuch im Freien – bei Sonnenschein. „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 8 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 9 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen Erzeugung einer Welle Schema: „Vision-Ing21“ Vorgehen in der Praxis eine Initiative des Seite 10 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen Aufnahme einer so erzeugten Welle „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 11 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen Grundversuche Reflexion am Ende „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 12 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen Messwerterfassung Schaltplan und Aufbau der Schaltung „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 13 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen Kohleelektrode „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 14 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen Aufgenommene Wellenberg bei verschiedenen Einstellungen „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 15 von 16 Schule: Paul-Pfinzing-Gymnasium Hersbruck Partnerfirma: Glaserei Loos Abgabedatum: 30.04.2006 Thema: Experimente mit Wasserwellen „Vision-Ing21“ eine Initiative des Seite 16 von 16
