Schul-Physik
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Physik Landesinstitut Hamburg 1 Physik Inhaltsverzeichnis Messung der spezifischen Ladung ..................................................................................... 4 Wien-Filter........................................................................................................................... 7 Das magnetische Feld in der Umgebung langer Leiter..................................................... 10 Der Millikanversuch........................................................................................................... 13 Neudefinition des Kilogramms .......................................................................................... 16 Pumpspeicherkraftwerk für St. Michaelisdonn?................................................................ 20 Landesinstitut Hamburg 2 Physik Liebe Kolleginnen und Kollegen, mit den hier vorgelegten Beispielaufgaben möchten wir Sie bei der Gestaltung der neuartigen Präsentationsprüfung im Abitur unterstützen. Die Aufgaben sind entwickelt worden mit dem Ziel, Ihnen hilfreiche und nachvollziehbare Hinweise für eigene Überlegungen zu Abituraufgaben zu geben. Grundsätzlich besteht ein wesentliches Merkmal „guter“ Prüfungsaufgaben darin, dass sie sinnvoll aus dem vorausgegangenen Unterricht abgeleitet werden und dadurch den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, die erworbenen Kompetenzen umfassend zu demonstrieren. Insofern sind unsere Beispielaufgaben mit Vorbehalt zu betrachten, da sie die unterrichtlichen Voraussetzungen nur in allgemeiner Weise – also bezogen auf den jeweiligen Rahmenplan und die Abiturrichtlinie – aufgreifen können. Wenn Sie die Beispiele in Ihren Fächern, aber auch mit den Beispielen aus anderen Fächern vergleichen, werden Sie eine gewisse Varianz feststellen – manche Beispiele sind knapper gehalten, andere ausführlich, einige verwenden Operatoren, andere verzichten darauf usw. Diese Unterschiedlichkeit ist gewollt; sie soll die Bandbreite aufzeigen, in der sich mögliche Aufgabenstellungen für die Präsentationsprüfung bewegen können, und Sie damit anregen und ermutigen, diese Bandbreite auch zugunsten Ihrer Schülerinnen und Schüler zu nutzen. Aber es gibt auch Gemeinsamkeiten: Die Beispiele sind grundsätzlich problemorientiert gestaltet, und sie lassen damit den Schülerinnen und Schülern Freiräume bei der Bearbeitung und der thematischen Schwerpunktsetzung. Außerdem sind alle Beispiele selbstverständlich so gestaltet, dass sie eine Bearbeitung auf allen drei Anforderungsebenen ermöglichen. Und schließlich halten sich die Beispielaufgaben selbstverständlich eng an die fachlichen Vorgaben des jeweiligen Rahmenplans und der Abiturrichtlinie. Ich hoffe, dass wir Ihnen mit diesen Beispielen eine Hilfe an die Hand geben können, mit der Sie die neuen Anforderungen besser bewältigen können. Über Anregungen und Kritik unter [email protected] freue ich mich! Dr. Jochen Schnack Landesinstitut für Lehrerbildung und Schulentwicklung Landesinstitut Hamburg 3 Physik grundlegendes und erhöhtes Niveau Messung der spezifischen Ladung Themenbereiche: Elektrisches Feld und freie Ladungsträger „Experimentelle Untersuchungen und Dokumentationen“ Aufgabe: Messung der spezifischen Ladung 3bscientific.de I Aufgabe Die spezifische Ladung des Elektrons soll mit Hilfe einer Elektronenstrahlablenkröhre gemessen werden. Landesinstitut Hamburg 4 Physik II grundlegendes und erhöhtes Niveau Unterrichtliche Voraussetzungen Elektrisches Feld, magnetisches Feld Freie Ladungsträger in elektrischen und magnetischen Feldern Messung der spezifischen Ladung des Elektrons mit Hilfe der Fadenstrahlröhre III Erwartungshorizont Dieser Erwartungshorizont bezieht sich auf die Aufgabenstellung, nicht auf die vom Prüfling zu erarbeitende und in der Dokumentation darzustellende Konkretisierung. Aus der Konkretisierung durch den Prüfling können sich Gewichtungen ergeben, die vom Prüfer bei der endgültigen Erstellung des Erwartungshorizonts für den Prüfungsausschuss zu berücksichtigen wären. 1. Fachlicher Rahmen Zum Verständnis der Funktionsweise der Elektronenstrahlablenkröhre gehören Heizung zur Freisetzung von Elektronen evakuierter Glaskolben Beschleunigungsstrecke durch Hochspannung UB zwischen Anode und Kathode Erzeugen eines elektrischen Felds durch Spannung UK zwischen den Kondensatorplatten Gleichsetzen der elektrischen und der kinetischen Energie des Elektrons am Ende der Beschleunigungsstrecke ergibt die Geschwindigkeit des Elektrons im elektrischen Querfeld: v0= (2 UB e / m). Die im elektrischen Querfeld wirkende Kraft setzt sich zusammen aus der Lorentzkraft und der Kraft auf das Elektron im elektrischen Feld: F = Q (E + v0 B) Die Spannung am Kondensator wird so geregelt, dass sich die Kräfte kompensieren: E = v0 B. Mit der am Kondensator (Plattenabstand d) angelegten Spannung UK ergibt sich die spezifische Ladung e/m = UK2 /(2 UB B2 d2). Es ist zu unterscheiden zwischen der spezifischen Ladung und der elektrischen Ladung des Elektrons. Um Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit herauszufiltern, müssen das magnetische und das elektrische Feld also entsprechend angepasst werden. Von den Teilchen, die bei einer bestimmten magnetischen Flussdichte bzw. elektrischer Feldstärke den WIEN-Filter passieren können, kennt man durch obige Beziehung die Geschwindigkeit. Masse und Ladung der Teilchen spielen für die Funktion des Filters keine Rolle, wie aus den Formeln ersichtlich. Bei einem Massenspektrometer selektiert in der Regel ein Geschwindigkeitsfilter aus einem Ionenstrahl Teilchen einer bestimmten (damit bekannten) Geschwindigkeit heraus, um dann (z.B. mittels eines Magnetfeldes) die verschiedenen Massen zu trennen. Geschwindigkeitsfilter werden sehr häufig in Teilchenbeschleunigern eingesetzt, zusammen mit anderen elektrostatischen und magnetischen Filtern bilden sie ein oft recht komplexes System zur Auswahl von Teilchen bestimmter Masse, Ladung und Geschwindigkeit. Landesinstitut Hamburg 5 Physik IV grundlegendes und erhöhtes Niveau Erwartungen für gute und ausreichende Leistungen Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise der Elektronenstrahlablenkröhre sowie des elektrischen und des magnetischen Feldes (Helmholtzspulen) Herleitung des Terms e/m aus den messbaren Größen Experimentelle Durchführung ggf. mit verschiedenen Einstellungen der Parameter Vergleich des Ergebnisses mit dem Literaturwert sowie Begründungen der Abweichung, ggf. auch Vergleich mit dem Ergebnis bei Verwendung der Fadenstrahlröhre Hinweis, wie durch ein weiteres Experiment die elektrische Ladung des Elektrons (Elementarladung) bestimmt werden kann Erläuterung, dass es sich um die kleinstmögliche elektrische Ladung handelt und alle Ladungen ein Vielfaches dieser Elementarladung betragen (Quantenaspekt) Die Bearbeitung der Aufgabe setzt sowohl ein intensives Einlesen in verschiedene Quellen als auch die notwendige weitere eigene Bearbeitung der gewonnenen Informationen voraus. Darüber hinaus sind die in der Abiturrichtlinie zur Erstellung und Bewertung von Aufgaben für das Fach Physik (Anlage 27, Hamburg 2010) unter 5.3.1 aufgeführten „Kriterien für die Bewertung“ zu berücksichtigen. Für eine ausreichende Leistung auf grundlegendem Niveau werden die fachlich richtige Beschreibung der Funktionsweise der Elektronenstrahlablenkröhre und die betragsmäßige Herleitung des Terms e/m aus den messbaren Größen erwartet sowie ein Beispiel, in dem sinnvolle Größen der Parameter eingesetzt sind. Für eine gute Leistung auf grundlegendem Niveau werden zusätzlich das Eingehen auf die Richtungen der Feldparameter sowie eine Diskussion der systematischen Fehler erwartet. Eine ausreichende Leistung auf erhöhtem Niveau erfordert zusätzlich zum grundlegenden Niveau eine praktische Vorführung des Experiments. Für eine gute Leistung auf erhöhtem Niveau sind darüber hinaus verschiedene Einstellungen der Parameter sowie eine Fehlerrechnung zur Angabe des Fehlerintervalls notwendig. Für alle Leistungen wird die Angabe der Quellen erwartet. Landesinstitut Hamburg 6 Physik grundlegendes und erhöhtes Niveau Wien-Filter Themenbereiche: Struktur der Materie und freie Ladungsträger „Simulation physikalischer Zusammenhänge“ Aufgabe: Wien-Filter http://jakobvogel.net/go/physics/magnetism/wienfilter I Aufgabe Stellen Sie die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten des WIEN-Filters zur Untersuchung von Elementarteilchen u.a. mit Simulationsprogrammen dar. Diese Aufgabe ist im Wesentlichen übernommen aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Geschwindigkeitsfilter II Unterrichtliche Voraussetzungen Elektrisches Feld, magnetisches Feld Messung der spezifischen Ladung des Elektrons mit Hilfe der Fadenstrahlröhre Freie Ladungsträger in elektrischen und magnetischen Feldern Landesinstitut Hamburg 7 Physik III grundlegendes und erhöhtes Niveau Erwartungshorizont Dieser Erwartungshorizont bezieht sich auf die Aufgabenstellung, nicht auf die vom Prüfling zu erarbeitende und in der Dokumentation darzustellende Konkretisierung. Aus der Konkretisierung durch den Prüfling können sich Gewichtungen ergeben, die vom Prüfer bei der endgültigen Erstellung des Erwartungshorizonts für den Prüfungsausschuss zu berücksichtigen wären. 1. Fachlicher Rahmen Elektrisch geladene Teilchen werden durch einen Fehler! Hyperlink-Referenz ungültig. geschickt, der selbst vollständig innerhalb eines homogenen Magnetfelds liegt. Alle gerichteten Parameter dieser Anordnung (das vom Kondensator erzeugte elektrische Feld, das Magnetfeld und die Bahn des geladenen Teilchens) stehen dabei paarweise senkrecht aufeinander. Wenn im nebenstehenden Bild positiv geladene Teilchen von links kommen, werden sie vom elektrischen Feld nach oben abgelenkt, vom Magnetfeld nach unten. Sind beide Kräfte gleich groß, ist die Gesamtkraft Null und die Teilchen fliegen geradeaus. Da die Fehler! Hyperlink-Referenz ungültig. proportional zur Geschwindigkeit ist, bleiben nur Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit im Filter auf einer geradlinigen Bahn, alle anderen Teilchen werden abgelenkt und lassen sich durch eine Blende am Ausgang abfangen. Die Gewichtskraft des Teilchens kann in allen Berechnungen vernachlässigt werden. Im Folgenden wird die Bedingung dafür hergeleitet, dass das Teilchen nicht abgelenkt wird (B: magnetische Flussdichte, E: Elektrische Feldstärke, q: Ladung, v: Geschwindigkeit): Ein Kräftegleichgewicht und damit eine geradlinige Durchquerung des Filters liegt vor, wenn die elektrische Kraft FC die Lorentzkraft FL kompensiert: (dabei ist d: Abstand Anode - Kathode, U: Spannung zwischen Anode - Kathode) Mögliche Anwendungsbeispiele sind die Massenspektrographen nach Thomson, Bainbridge und Aston, ein Zyklotron oder ein „Elektronenspiegel“. Simulationen dazu unter http://www.physiksimulation.de/massenspektrograph.php. In diesen Versuchsaufbauten werden die Bewegungen bestimmter Teilchen simuliert. Hierzu können entweder vorgegebene oder selbst gewählte Isotope und Elektronen verwendet werden. Treffen Teilchen auf den Photoschirm im Versuchsaufbau, so wird dieser in einem Extrafenster dargestellt, mit dessen Hilfe die Versuchsergebnisse ausgewertet werden können. Dazu ist es auch möglich, alle Treffer auf dem Schirm mit den genauen Koordinaten, der Geschwindigkeit und der kinetischen Energie, mit der das Teilchen auftraf, anzuzeigen. Landesinstitut Hamburg 8 Physik IV grundlegendes und erhöhtes Niveau Erwartungen für gute und ausreichende Leistungen Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise des WIEN-Filters. Herleitung des Terms für v aus den einstellbaren Größen Experimentelle Simulation mit verschiedenen Einstellungen der Parameter Erläuterung der Beobachtungen Begründete Auswahl möglicher Anwendungen Simulation dieser Anwendungen unter Verwendung von z.B. http://www.physiksimulation.de/massenspektrograph.php Die Bearbeitung der Aufgabe setzt sowohl ein intensives Einlesen in verschiedene Quellen als auch die notwendige weitere eigene Bearbeitung der gewonnenen Informationen voraus. Darüber hinaus sind die in der Abiturrichtlinie zur Erstellung und Bewertung von Aufgaben für das Fach Physik (Anlage 27, Hamburg 2010) unter 5.3.1 aufgeführten „Kriterien für die Bewertung“ zu berücksichtigen. Für eine ausreichende Leistung auf grundlegendem Niveau werden erwartet: die fachlich richtige Beschreibung der Funktionsweise des WIEN-Filters und die betragsmäßige Herleitung des Terms v aus den messbaren Größen drei mit der Simulation dargestellte Beispiele für die Filterung von Elektronen mit bestimmten Geschwindigkeiten, in denen sinnvolle Größen der Parameter eingesetzt sind, und sorgfältige Erläuterungen der Beobachtungen die qualitative Beschreibung einer Anwendung, z.B. des Massenspektrographen, mit geeigneten Parametern sowie die Begründung, dass dazu konstante Geschwindigkeiten der Elementarteilchen erforderlich sind. Eine gute Leistung auf grundlegendem Niveau erfordert darüber hinaus das Eingehen auf die Richtungen der Feldparameter, das durchgerechnete Beispiel einer Anwendung, z.B. des Massenspektrographen, und die entsprechendeDarstellung einer weiteren Anwendung. Eine ausreichende Leistung auf erhöhtem Niveau erfordert zusätzlich zum grundlegenden Niveau die Simulation der gewählten Anwendung. Für eine gute Leistung auf erhöhtem Niveau werden zusätzlich die Simulationen der Anwendungen mit sicherem Umgang bzgl. der Variationen erwartet. Für alle Leistungen wird die Angabe der Quellen erwartet. Landesinstitut Hamburg 9 Physik grundlegendes und erhöhtes Niveau Das magnetische Feld in der Umgebung langer Leiter Themenbereiche: Elektromagnetische Wellen / Freie Ladungsträger im magnetischen Feld „Erhebung und Auswertung von Daten“ Aufgabe/Thema: Das magnetische Feld in der Umgebung langer Leiter „Durch Verwendung bestimmter Technologien – zum Beispiel Stromversorgungsnetz und Mobilfunk - entstehen in der Umwelt des Menschen elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder. […] Unterschieden werden hoch- und niederfrequente Felder, sie gehören – wie auch die optische Strahlung – zur nichtionisierenden Strahlung. […] Diese Art der Strahlung [kann] gesundheitliche Folgen haben. Unterschiedliche Konzepte dienen sowohl zum Schutz vor unmittelbaren Gefahren als auch zur Vorsorge.“ http://www.bfs.de/de/elektro , 14.08.2010 I Aufgabe Untersuchen Sie das magnetische Feld in der Nähe eines langen, geraden Leiters. Landesinstitut Hamburg 10 Physik II grundlegendes und erhöhtes Niveau Unterrichtliche Voraussetzungen Elektrisches Feld, (Elektromagnetische Wellen), Freie Ladungsträger im elektrischen und magnetischen Feld o III grundlegende Kenntnisse aus der Elektrizitätslehre Erwartungshorizont Dieser Erwartungshorizont bezieht sich auf die Aufgabenstellung, nicht auf die vom Prüfling zu erarbeitende und in der Dokumentation darzustellende Konkretisierung. Aus der Konkretisierung durch den Prüfling können sich Gewichtungen ergeben, die vom Prüfer bei der endgültigen Erstellung des Erwartungshorizonts für den Prüfungsausschuss zu berücksichtigen wären. Fachlicher Rahmen „Ein langer, gerader, stromdurchflossener Leiter ist von magnetischen Feldlinien in Form von konzentrischen Kreisen umgeben. Die Feldlinien verlaufen im mathematischen Umlaufsinn um die Stromrichtung. […] Die magnetische Feldstärke B um einen stromdurchflossenen Leiter wird mit einer Hall-Sonde gemessen. Von Interesse ist dabei die Abhängigkeit von der Stromstärke I und vom Abstand r. […] Für die magnetische Feldstärke B um einen langen, geraden, vom Strom I durchflossenen Leiter gilt demnach im Abstand r:“ Grehn u. Krause: Metzler Physik. Schroedel 2007. Das Bundesamt für Strahlenschutz gibt bspw. als Grenzwert für die magnetische Flussdichte B im niederfrequenten Bereich den Grenzwert 100 μT bei einer Frequenz von 50 Hz an. Die zugrunde liegende Verordnung bezieht sich auf gewerblich betriebene Anlagentypen wie Hochspannungsleitungen, Erdkabel, Transformatoren sowie Bahn- und Stromversorgungsanlagen. http://www.bfs.de/de/elektro/faq/faq_emf.html , 14.08.2010 IV Erwartungen für gute und ausreichende Leistungen Die Bearbeitung der Aufgabe setzt sowohl ein Einlesen in verschiedene Quellen als auch die notwendige weitere eigene Bearbeitung gewonnener Informationen auf der Basis bisherigen Wissens voraus. Hierbei hat die Erhebung und die Auswertung von Daten im Rahmen eines durchzuführenden Experimentes zur Bestimmung des magnetischen Feldes in der Nähe eines langen Leiters eine besondere Bedeutung. Darüber hinaus sind die in der Abiturrichtlinie zur Erstellung und Bewertung von Aufgaben für das Fach Physik (Anlage 27, Hamburg 2010) unter 5.3.1 aufgeführten „Kriterien für die Bewertung“ zu berücksichtigen. Landesinstitut Hamburg 11 Physik grundlegendes und erhöhtes Niveau Für eine ausreichende Leistung auf grundlegendem Niveau werden inhaltlich erwartet: eine grundlegende Erläuterung zum Vorhandensein magnetischer Felder bei stromführenden Leitern eine fachlich weitgehend angemessene, grundlegende Beschreibung des durchgeführten Experiments; Eingehen auf die relevanten Größen B, I und r ein Vergleich des Ergebnisses mit der Theorie ein Beurteilung der gewonnenen Daten hinsichtlich des Gefahrenpotentials (Vergleich mit Grenzwert) Eine gute Leistung auf grundlegendem Niveau erfordert eine fachlich korrekte, vertiefte Erläuterung des Versuchs. Es werden ergänzend zu den oben aufgeführten Punkten folgende erwartet: eine vertiefte, theoretisch fundierte Darstellung des Experiments; eine Vernetzung der angeführten Teilbereiche der Physik wird deutlich mögliche Experimentiervarianten und –fehler werden erläutert das gewonnene Datenmaterial wird umfassend interpretiert Die Angabe der Quellen wird grundsätzlich erwartet. Landesinstitut Hamburg 12 Physik grundlegendes Niveau Der Millikanversuch Themenbereiche: Elektrisches Feld und Gravitation „Aufarbeitung und Darstellung besonderer Leistungen von Physikerinnen und Physikern“ Aufgabe/Thema: Der Millikanversuch Robert Andrews Millikan, 1891 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a6/Robert-millikan2.jpg , 14.08.2010 Robert Andrews Millikan erhielt für seine Arbeit zur Bestimmung der Elementarladung des Elektrons (Öltröpfchenexperimente) sowie für seinen Beitrag zur Erforschung des photoelektrischen Effektes 1923 den Nobelpreis für Physik. I Aufgabe Stellen Sie die besondere Leistung Robert Andrews Millikan als Physiker am Beispiel seiner Arbeit zur Bestimmung der Elementarladung dar. Landesinstitut Hamburg 13 Physik II grundlegendes Niveau Unterrichtliche Voraussetzungen Elektrisches Feld, Gravitation III grundlegende Kenntnisse aus der Elektrizitätslehre und der Mechanik dynamisches Kräftegleichgewicht mit Reibungskraft Kräfte auf Ladungsträger im elektrischen Feld Erwartungshorizont Dieser Erwartungshorizont bezieht sich auf die Aufgabenstellung, nicht auf die vom Prüfling zu erarbeitende und in der Dokumentation darzustellende Konkretisierung. Aus der Konkretisierung durch den Prüfling können sich Gewichtungen ergeben, die vom Prüfer bei der endgültigen Erstellung des Erwartungshorizonts für den Prüfungsausschuss zu berücksichtigen wären. Fachlicher Rahmen Der Millikan- bzw. Öltröpfchenversuch brachte zu Beginn des 20. Jahrhunderts den wichtigen Nachweis, dass die elektrische Ladung q immer nur in ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung e des Elektrons vorkommt. Robert A. Millikan konnte durch seine Versuche erstmalig im Jahre 1910 die Ladung des Elektrons bestimmen. Aufbau Millikanversuch: s. zum Beispiel http://de.wikipedia.org/wiki/Millikan-Versuch oder http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ph/14/ep/einfuehrung/atombau/millikan.vl u.html In das homogene elektrische Feld eines geladenen, luftgefüllten Plattenkondensators werden feine Öltröpfchen gesprüht, die aufgrund der Reibung bzw. der natürlichen radioaktiven Strahlung geladen sind. Ohne angelegte Spannung würden die Tröpfchen aufgrund der Anziehung durch die Erde nach unten sinken. Mit einem Mikroskop lässt sich bei angelegter Spannung beobachten, dass einzelne Tropfen steigen oder sinken. Bei Wahl einer geeigneten Spannung können einzelne Tropfen in der Schwebe gehalten werden. In diesem Fall kompensieren sich die Erdanziehungskraft FG und die elektrische Feldkraft Fel. Die Gleichsetzung dieser Kräfte führt zur Ladung q. Eine unbekannte Größe ist hierbei die Tröpfchenmasse bzw. der Tröpfchenradius (über die Dichte des Öles ließe sich die Masse errechnen). Zur Ermittlung dieser wird nach dem Schwebezustand das Tröpfchen fallen gelassen. Hierbei kommt es nach kurzer Zeit zu einem Gleichgewichtszustand von FG und der Reibungskraft FR. Es gilt das Stokes’sche Gesetz (bei kleinen Geschwindigkeiten auch für die Bewegung in Gasen), mit dessen Hilfe der Radius des Öltröpfchens ermittelt werden kann. ( - Viskosität der Luft) Landesinstitut Hamburg 14 Physik grundlegendes Niveau Durch Umformen und Einsetzen erhält man eine Gleichung, mit welcher die Ladung eines Tröpfchens mithilfe direkt messbarer Größen bestimmt werden kann. Vergleicht man die Ergebnisse nach mehreren Messungen, so zeigt sich, dass die Ladung eines Öltröpfchens stets ein ganzzahliges Vielfaches einer Ladung e ist (e = 1,602 10-19 C). IV Erwartungen für gute und ausreichende Leistungen Die Bearbeitung der Aufgabe setzt sowohl ein intensives Einlesen in verschiedene Quellen als auch die notwendige weitere eigene Bearbeitung der gewonnenen Informationen auf der Basis bisherigen Wissens voraus. (Für ein erhöhtes Anforderungsniveau wäre bspw. eine RCL-Messung möglich (RCL – Remotely Controlled Laboratories) http://rcl.physik.uni-kl.de/). Darüber hinaus sind die in der Abiturrichtlinie zur Erstellung und Bewertung von Aufgaben für das Fach Physik (Anlage 27, Hamburg 2010) unter 5.3.1 aufgeführten „Kriterien für die Bewertung“ zu berücksichtigen. Für eine ausreichende Leistung auf grundlegendem Niveau werden inhaltlich erwartet: eine kurze historische Einordnung des Millikanversuchs in den physikalischen Kontext eine fachlich weitgehend angemessene, grundlegende Beschreibung des Millikanversuchs; Eingehen auf relevante Größen (z. B. FG, Fel, FR), den grundlegenden Bezug dieser Größen darstellen sowie Möglichkeiten zur Messung erläutern Eine gute Leistung auf grundlegendem Niveau erfordert eine fachlich korrekte, vertiefte Erläuterung des Versuchs. Es werden ergänzend zu den oben aufgeführten Punkten folgende erwartet: eine vertiefte, selbstständige Darstellung zum Millikanversuch; eine Vernetzung der angeführten Teilbereiche der Physik wird deutlich mögliche Versuchsvarianten können erläutert werden Versuchsdatenmaterial kann interpretiert werden Die Angabe der Quellen wird grundsätzlich erwartet. Quellenangaben http://de.wikipedia.org/wiki/Millikan-Versuch https://lp.uni-goettingen.de/get/pdf/1558 Demtröder: Experimentalphysik 2. Elektrizität und Optik. Springer 1999. Landesinstitut Hamburg 15 Physik erhöhtes Niveau Neudefinition des Kilogramms Themenbereiche: Induktion und Wellenoptik „Darstellung von Projekten“/ „(Experimentelle) Demonstration und Dokumentation physikalischer Ansätze“ Aufgabe/Thema: Neudefinition des Kilogramms http://www.spiegel.de/img/0,1020,967562,00.jpg, 11.08.2010 Das Kilogramm ist die physikalische Einheit für die Masse. Es ist definiert als die Masse des Internationalen Kilogrammprototyps. Das so genannte Urkilogramm befindet sich unter einer doppelten „Käseglocke“ in einem Labor des „Bureau International des Poids et Mesures“ in Sèvres bei Paris. Die nationalen Metrologieinstitute, welche die Definition weitergeben, besitzen Kopien von diesem. Jeder der nationalen Prototypen wird regelmäßig mit seinem internationalen Gegenstück verglichen. Seit einigen Jahren messen Wissenschaftler, dass das Urkilogramm leichter wird. I Aufgabe Stellen Sie dar, weshalb eine Neudefinition des Kilogramms angestrebt wird. Vergleichen und beurteilen Sie die zwei wesentlichen konkurrierenden Wege in der Forschung zur Neudefinition. Landesinstitut Hamburg 16 Physik II erhöhtes Niveau Unterrichtliche Voraussetzungen Magnetisches Feld, Wellenoptik (Interferenz), grundlegende Kenntnisse aus der Elektrizitätslehre und der Mechanik III Erwartungshorizont Dieser Erwartungshorizont bezieht sich auf die Aufgabenstellung, nicht auf die vom Prüfling zu erarbeitende und in der Dokumentation darzustellende Konkretisierung. Aus der Konkretisierung durch den Prüfling können sich Gewichtungen ergeben, die vom Prüfer bei der endgültigen Erstellung des Erwartungshorizonts für den Prüfungsausschuss zu berücksichtigen wären. Da es sich um ein Profilfach handelt, sind auch Aspekte der begleitenden Fächer Biologie und Philosophie einzubeziehen. Fachlicher Rahmen Die Definition der SI-Basiseinheit für das Kilogramm erfolgt als einzige (noch) nicht über eine definierte Labormessung wie bspw. die für das Meter, welches als die Strecke festgelegt ist, die das Licht in einer vorgegebenen Zeit zurücklegt. Das Urkilogramm aus Platin und Iridium von 1889 ist bis heute das Referenzobjekt für die staatlichen Messinstitute. Seit einigen Jahren messen Wissenschaftler, dass die Masse des Originals von seinen Kopien abweicht. Es wird leichter. Die Ursache für den wachsenden Unterschied ist noch nicht geklärt. Um unabhängig davon eine Verbesserung gegenüber der derzeitigen Praxis zu erzielen, muss ein Verfahren zur Massebestimmung mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 10−8 entwickelt werden. Auf der Suche nach einer notwendigen Alternative zur Definition des Kilogramms, die nicht auf einen Referenzkörper beruht und mit einer bestimmten Messung in einem Labor durchgeführt werden kann, behaupten sich zurzeit noch zwei Vorhaben, die zukünftig zu übereinstimmenden Ergebnissen kommen müssen, um das bisherige Verfahren abzulösen. Ein Forschungsvorhaben, das Avogadro-Projekt (u. a. an der PTB), basiert auf der grundlegenden Idee, eine bestimmte Anzahl von Atomen zur Definition des Kilogramms heranzuziehen, um das Kilogramm auf eine unveränderliche Konstante zurückzuführen. Im Prinzip geht es dabei um eine Neubestimmung der Avogadrokonstanten. Die Forscher „zählen“, wie viele Atome, die eine unveränderliche Masse besitzen, sich in einer hochreinen Siliziumkugel befinden. Eine Definition könnte dann lauten: Ein Kilogramm ist gleich der Masse von N Siliziumatomen. Die Anzahl der Siliziumatome wird im Labor über den Durchmesser der Si-Kugel bestimmt (Kugelinterferometer), welche aus diesem Grund besonders exakt gearbeitet sein muss. Über das hierüber zu berechnende Kugelvolumen und das Volumen eines einzelnen Si-Atoms bzw. der Teilchendichte, welche mithilfe von Röntgenstrahlung ermittelt wird, kann die Zahl der Atome in der Kugel bestimmt werden. Das zweite Forschungsvorhaben, welches z. B. an Instituten in Kanada und den USA verfolgt wird, verfolgt die Idee einer Wattwaage. Hierbei wird das Kilogramm aus einer anderen Naturkonstanten, dem Planck’schen Wirkungsquantum, hergeleitet. Praktisch erfolgt ein Vergleich von mechanischer und elektrischer Leistung. Die Kraft auf eine Masse im Gravitationsfeld der Erde wird mit einer im Betrag gleich großen elektromagnetischen Kraft verglichen (s. Abb.). Landesinstitut Hamburg 17 Physik erhöhtes Niveau http://www.bipm.org/en/scientific/elec/watt_balance/wb_principle.html , 14.08.2010 U I m g v Ein Teil des Experiments besteht darin, einen Strom in einer Spule zu messen, welche sich in einem Magnetfeld befindet (s. rechten Teil der Abb. oben). Der andere Teil beinhaltet die Messung der induzierten Spannung durch die Bewegung der Spule in diesem Magnetfeld (Strom × Spannung = elektrische Leistung mit der Einheit Watt). Außerdem müssen die Geschwindigkeit der bewegten Spule und die Fallbeschleunigung, welche das Massestück erfährt, gemessen werden. IV Erwartungen für gute und ausreichende Leistungen Die Bearbeitung der Aufgabe setzt sowohl ein intensives Einlesen in verschiedene Quellen als auch die notwendige weitere eigene Bearbeitung der gewonnenen Informationen voraus. (Eine vereinfachte experimentelle Darstellung zu Teilen des Wattwaageprojektes ist ebenfalls vorstellbar.) Darüber hinaus sind die in der Abiturrichtlinie zur Erstellung und Bewertung von Aufgaben für das Fach Physik (Anlage 27, Hamburg 2010) unter 5.3.1 aufgeführten „Kriterien für die Bewertung“ zu berücksichtigen. Für eine ausreichende Leistung auf erhöhtem Niveau werden inhaltlich erwartet: eine begründete Darstellung der Notwendigkeit, das Kilogramm neu zu definieren eine fachlich weitgehend angemessene, grundlegende Beschreibung der beiden Forschungsvorhaben zur Definition des Kilogramms; Eingehen auf relevante Größen, den grundlegenden Bezug dieser Größen darstellen sowie Möglichkeiten zur Messung erläutern eine angemessene kurze Erläuterung des aktuellen Forschungsstands eine Darstellung der experimentellen Schwierigkeiten innerhalb der Forschungsvorhaben Eine gute Leistung auf erhöhtem Niveau erfordert eine fachlich korrekte, vertiefte Erläuterung der beiden Forschungsvorhaben. Es werden ergänzend zu den oben aufgeführten Punkten folgende erwartet: eine vertiefte, selbstständige Darstellung zu den einzelnen Messverfahren und Untersuchungsaspekten; eine Vernetzung der angeführten Teilbereiche (der Forschungsvorhaben sowie der Physik allgemein) wird deutlich (z. B. Erklärung des Kugelinterferometers beim Avogadro-Projekt) Landesinstitut Hamburg 18 Physik erhöhtes Niveau Die Angabe der Quellen wird grundsätzlich erwartet. Quellenangaben http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,505526,00.html http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,374765,00.html http://www.bipm.org/en/scientific/elec/watt_balance/wb_principle.html http://www.zeit.de/2003/11/N-Urkilo http://www.nature.com/news/2009/090824/full/4601070a.html http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2008/pitext/pi080403.html http://www.ptb.de/cms/fachabteilungen/abt5/fb-54/ag-541/kugelinterferometer541.html http://en.wikipedia.org/wiki/Kilogram#Watt_balance http://en.wikipedia.org/wiki/Watt_balance Landesinstitut Hamburg 19 Physik erhöhtes Niveau Pumpspeicherkraftwerk für St. Michaelisdonn? Themenbereiche: Gravitation und Induktion „Darstellung von Projekten und eigenen Forschungsansätzen“ Aufgabe: Pumpspeicherkraftwerk für St. Michaelisdonn? nibis.ni.schule.de/.../kraftwerkstypen.html I Aufgabe Beurteilen Sie, ob ein Pumpspeicherkraftwerk für die Gemeinde St. Michaelisdonn eine kontinuierliche Energieversorgung aus erneuerbaren Energien ermöglichen kann, d.h. dass die Gemeinde nicht mehr nur dann Energie zur Verfügung hat, wenn Wind oder Sonne es gerade ermöglichen. Landesinstitut Hamburg 20 Physik II III erhöhtes Niveau Unterrichtliche Voraussetzungen Gravitationsfeld, Energieformen, Induktion, Wind-, Wasser- und Solarenergie, Turbinenarten Das Wattenmeer (Wirtschaft und Tourismus an der Nordseeküste) Verantwortung, Deontologie, Utilitarismus Erwartungshorizont Dieser Erwartungshorizont bezieht sich auf die Aufgabenstellung, nicht auf die vom Prüfling zu erarbeitende und in der Dokumentation darzustellende Konkretisierung. Aus der Konkretisierung durch den Prüfling können sich Gewichtungen ergeben, die vom Prüfer bei der endgültigen Erstellung des Erwartungshorizonts für den Prüfungsausschuss zu berücksichtigen wären. Da es sich um ein Profilfach handelt, sind auch Aspekte der begleitenden Fächer Geographie und Philosophie einzubeziehen. 1. Fachlicher Rahmen Die Gemeinde St. Michaelisdonn, mit ihren 3650 Einwohnern im südwestlichen Schleswig-Holstein gelegen, hat sich entschlossen, schrittweise ihre Energieversorgung zu 100% aus erneuerbaren Energien zu beziehen. Als erneuerbare Energiequellen sind Wind, Sonne und Biomasse bereits vorhanden. (http://www.st-michaelisdonn.de/index.php?page=schwerpunkt_regenerative_energie) Da Wind und Sonne nicht durchgehend zur Verfügung stehen, muss Energie aus dem Netz dazu gekauft werden. Mit Hilfe eines Pumpspeicherkraftwerks kann Energie gespeichert werden, indem elektrische Energie in potentielle Energie umgewandelt wird und umgekehrt. (http://www.schulweb.neu-ulm.de/rsv/schuelerecke/schproj/p200001/energie/wasser/pumpspeicher.gif) Dazu bedient man sich geeigneter Turbinen, die von einem Elektromotor betrieben werden bzw. die Generatoren antreiben. Beide Energiewandler beruhen auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Die von den Elektrizitätswerken bereit gestellte Wechselspannung ist die Ursache der Wechselstromtechnik unseres Versorgungsnetztes. Die potentielle Energie ist linear abhängig von der Höhe des Speicherbeckens über dem Unterbecken, was auf die Gesetze der Gravitation zurückzuführen ist (potentielle Energie im Gravitationsfeld). 2. Abschätzung und Recherche Aus dem Energiebedarf der Gemeinde, den durch Windkraftanlagen und das Solarfeld bereit gestellten Energiemengen und einer geeignet angesetzten Überbrückungszeit wird der Bedarf an gespeicherter Energie berechnet. Hieraus wird das Wasservolumen des Vorratsbeckens bestimmt und dann mit Hilfe der Landkarte eine geeignete Stelle gefunden. Die Gemeinde St. Michaelisdonn liegt an einem Geesthang von ca. 30 m Höhe. Für das Unterbecken kann Elbwasser abgezweigt werden. (Quelle: http://maps.google.de/maps?hl=de&tab=wl) Aus der Fallhöhe wird auf einen geeigneten Turbinentyp geschlossen. Landesinstitut Hamburg 21 Physik erhöhtes Niveau 3. Pro- und Contra-Argumente Argumente für ein Pumpspeicherkraftwerk Energie kann in wenigen Minuten bereit gestellt werden kein CO2-Ausstoß Elbwasser ist vorhanden kein Zukauf von elektrischer Energie notwendig Arbeitsplätze Argumente gegen ein Pumpspeicherkraftwerk: längere Ausfallzeiten der Windkraft- und Solaranlagen geringe Leistung wegen geringer Höhe (i.A. größere Höhenunterschiede) Veränderung der Landschaft hohe Kosten Verdunstung durch große Fläche, da wegen der geringen Höhe nur eine geringe Tiefe möglich ist 4. Formulierung und Begründung der eigenen Position In den Überlegungen zum Bau eines Pumpspeicherkraftwerkes werden alternative Möglichkeiten genannt, die Pro- und Contra-Argumente auch unter ethischen Gesichtspunkten gegeneinander abgewogen und anschließend wird eine begründete Position bezogen. Folgende Argumentationskette ist denkbar: a) Alternative Möglichkeiten der Energiespeicherung bzw. zur Energiespeicherung Nutzung elektrischer Energie abhängig von der Verfügbarkeit (aktuelles neues Energiekonzept) Druckspeicher Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellen Blockheizkraftwerke, auch in Einfamilienhäusern b) Benennung ethischer Werte, die bei der Entscheidung eine Rolle spielen könnten Landschaftsveränderung CO2 – Ausstoß individuelle Freiheit Kosten/Nutzen Arbeitsplätze c) Diskussion verschiedener Perspektiven d) Urteilsbildung und Folgenabschätzung IV Erwartungen für gute und ausreichende Leistungen Für eine ausreichende Leistung wird die fachlich richtige Beschreibung der Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks, das Zurückführen der potentiellen Energie auf das Gravitationsfeld und der Energiewandler auf das Induktionsprinzip erwartet, ferner eine Recherche der benötigten elektrischen Energie und prinzipiell richtige numerische Abschätzung des Volumens des Wasserspeichers. Für eine ausreichende Leistung genügen zwei Pro- und Contra-Argumente sowie eine Formulierung der eigenen Position, die ethische und geographische Gesichtspunkte berücksichtigt. Für eine gute Leistung werden darüber hinaus solide Werte der Recherche und vielfältigere Argumente erwartet sowie Hinweise auf Alternativen. Landesinstitut Hamburg 22 Physik erhöhtes Niveau Quellenangaben http://www.st-michaelisdonn.de/index.php?page=schwerpunkt_regenerative_energien http://www.schulweb.neu-ulm.de/rsv/schuelerecke/schproj/p200001/energie/wasser/pumpspeicher.gif http://www.energieregion-st-michaelisdonn.de/ http://www.abendblatt.de/region/norddeutschland/article1452737/St-Michaelisdonn-steht-natuerlich-unterStrom.html http://www.unendlich-viel-energie.de/de/detailansicht/article/200/st-michaelisdonn-ist-energie-kommunedes-monats-april.html http://www.bioenergie.de/index.php?option=com_content&view=article&id=653:unabhaengig-dankerneuerbarer-energien-sankt-michaelisdonn-ist-energie-kommune-des-monats-april2010&catid=14:branchennews&Itemid=26 Fehler! Hyperlink-Referenz ungültig. http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserkraftwerk http://de.wikipedia.org/wiki/Francis-Turbine http://www.rs-saarburg.bildung-rp.de/MN/Wasserkraft/artenT.htm http://www.solarstromerzeugung.de/images/zukunft-photovoltaik-2.jpg http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherwerk_Goldisthal http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:iaZERYDQuWYJ:www.learnline.nrw.de/angebote/sinus/zentral/tagungen/tagung_netzwerk_1/ws2/Pumpspeicherkraftwerk_NSpire.pp t+pumpspeicherkraftwerk+berechnung&cd=3&hl=de&ct=clnk&gl=de http://www.systemdesign.ch/index.php?title=Pumpspeicherwerk http://www.cosmotourist.de/tag/find/tag/spiekerberg/i/1644098/t/ Landesinstitut Hamburg 23 Physik Impressum Herausgeber: Landesinstitut für Lehrerbildung und Schulentwicklung Gestaltungsreferat: Mathematisch-naturwissenschaftlich-technischer Unterricht Referatsleitung: Werner Renz Fachreferent: Henning Sievers Redakteure: Herbert Wild Clemens Krietemeyer Alle Rechte vorbehalten. Hamburg September 2010 Landesinstitut Hamburg 24
