Diskussionsthemen für Lehramtstudenten

Diskussionsthemen
Arbeiten Sie sich in folgende Themen ein und stellen Sie die Thematik vor.
Betrachten Sie dabei besonders Antworten auf folgende Fragen. Sie können
dabei Tafel, Powerpoint-Folien mit Bildern und ähnliche Mittel benutzen.
Diejenigen, die das Thema nicht als Vortrag vorbereiten, müssen sich
dennoch mit den unten genannten Fragen beschäftigen um eine Diskussion
führen zu können.
Die Blätter in Klammern (Blatt X) hat die Bedeutung, dass der Vortrag bis zu
diesem Zeitpunkt stehen und vorgetragen werden soll.
Der Mikrowellenherd
Wie heizt ein Mikrowellenherd Essen auf? Welche Wellenlängen/Frequenzen
haben die elektromagnetischen Wellen eines Mikrowellenherdes und warum?
Was passiert, wenn man einen Eiswürfel in die Mikrowelle steckt, dessen
Oberfläche noch fest gefroren und trocken ist? (Blatt 2)
Ein schwebender Frosch
Berry und Geim haben im Jahr 2000 den Spaß-Nobelpreis für ihre
Experimente mit einem Frosch erhalten, der im Magnetfeld schwebt.
Erklären Sie das Experiment und die nötigen Voraussetzungen. Stellen Sie
eine Rechnung vor, die die nötige Magnetfeldstärke abschätzt um einen
Frosch zum Schweben zu bringen. Nützliche Informationen finden Sie z.B.
hier: http://www.ru.nl/hfml/research/levitation/diamagnetic/ (Blatt 2)
Die Brennstoffzelle
Erklären Sie welche chemischen Reaktionen in einer Wasserstoff-SauerstoffBrennstoffzelle ablaufen und wie Energie umgewandelt wird. Welche Arten
von Brennstoffzellen gibt es? Worin besteht der umwelttechnische Vorteil
von Brennstoffzellen? Welche Nachteile bringen sie mit sich? Vergleichen Sie
Brennstoffzellenfahrzeuge mit anderen Elektrofahrzeugen. (Blatt 3)
H2 Erzeugung und Speicherung
Wie kann H2 erzeugt werden? Welche Herstellungstechniken machen
umwelt- und energietechnisch Sinn? Welche WasserstoffSpeichermöglichkeiten gibt es? Gehen Sie bei beiden Fragestellungen auch auf
aktuelle Ideen in den Bereichen der Nanotechnologie und Astrophysik ein.
(Blatt 3)
Die Hybridisierung von Kohlenstoff
Stellen Sie die möglichen Hybridisierungsformen vor, die Kohlenstoff
eingehen kann. In welchen Materialien aus dem Alltag kommen diese vor und
welche Materialeigenschaften ergeben sich aus der Hybridisierung? sp2
hybridisierter Kohlenstoff ist die Basis für Graphen,
Kohlenstoffnanoröhrchen und Fullerene. Stellen Sie diese Materialien vor.
Sind diese noch als Moleküle anzusehen? Diskutieren Sie interessante
Anwendungsbeispiele. (Blatt 4)
Plastik und mehr
Woraus besteht Plastik? Stellen Sie einige verschiedene Arten des Alltags und
ihre Molekülstrukturen vor. Was bestimmt die Materialeigenschaften? Wieso
ist manches Plastik flexibel während anderes hart und brüchig ist? Warum
wird durchsichtiges Plastik oft trüb und weiß wenn man es zu weit biegt? Was
haben Blut, Ketchup und Maisstärke (in Wasser gelöst) gemeinsam? Erklären
und diskutieren Sie! (Blatt 4)
Der Treibhauseffekt
Erklären Sie den Treibhauseffekt. Welche Moleküle wirken als Treibhausgas,
welche nicht und warum? Welche Schwingungen der Moleküle eines
Treibhausgases tragen zum Treibhauseffekt bei und warum? Was ist das
Global Warming Potential? Wie werden die Faktoren Absorptionsenergie,
Absorptionsstärke und Lebensdauer darin berücksichtigt? Geben Sie durch
eine einfache Rechnung an, welche Temperatur die Erde ohne jegliche
Atmosphäre hätte und wie sich diese von der tatsächlichen unterscheidet.
Vergleichen sie diese Zahlen mit anderen Planten (z.B. Venus oder Mars).
(Blatt 6)
Infrarot-Laser und Mikrowellen-Maser
Erklären Sie die Gemeinsamkeiten im Prinzip eines Lasers und eines Masers.
Erklären Sie wie ein Kohlendioxidlaser funktioniert. Welche
Energie/Wellenlänge wird abgestrahlt und warum? Welche
Anwendungsgebiete hat dieser Laser? Vor 60 Jahren wurde ein Mikrowellen-
Maser mithilfe eines NH3 Moleküls verwirklicht. Wie funktioniert er?
Diskutieren Sie Anwendungen. (Blatt 6)
Glas
Was versteht man unter einem Glas ganz allgemein bzw. was ist die
Definition von Glas? Ist Glas ein kristalliner oder amorpher Festkörper? Wie
entsteht Glas und was ist die Glasübergangstemperatur? Woraus besteht
Quarzglas bzw. ein Quarzkristall? Was ist der Unterschied und wofür wird es
verwendet? Was sind chalkogene Gläser und wieso werden sie in
wiederbeschreibbaren CDs/DVDs verwendet (Stichwort:
Phasenwechseltechnologie)? Beschreiben Sie in diesem Zusammenhang auch
kurz die Funktionsweise einer CD/DVD und den Unterschied zu deren
wiederbeschreibbarer Art. Geben Sie auch Größenordnungen an (Wie groß
ist ein Bit? Wie lang ist die Datenspur?) (Blatt 8)
Flüssigkristalle und LC-Displays
Was ist ein Flüssigkristall? Wie funktionieren LC-Displays und welche
Materialien werden verwendet? Was ist dabei die nematische Phase und
welche Technologien gibt es? Wie kann durch In-Plane Switching (IPS)
Technologie die Blickwinkelabhängigkeit verändert werden? Wie hängt das
Verhalten des Displays von der Temperatur ab? Wovon hängt die
Reaktionszeit (Einschalt- und Ausschaltzeit) eines Pixels ab und welche Werte
werden momentan erreicht? Wie kann man also die Bewegungsunschärfe bei
LCDs verringern? Wie werden LCDs farbig? (Blatt 8)
Mikroskopie mit atomarer Auflösung; Symmetrie
Wie funktioniert ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und wie wird
atomare Auflösung erreicht? Zeigen Sie Beispiele von Festkörpern
unterschiedlicher Kristallstruktur und wie man sie erkennen kann. Zeigen Sie
auch heteroepitaktische Schichtstrukturen und einen Übergang von
kristallinem zu amorphem Zustand. Bezeichnen Sie die Kristallebenen mit
den Millerschen Indizes. Atomare Auflösung kann auch mit
Rastertunnelmikroskopie (STM) erreicht werden. Wie funktioniert ein STM?
Welche Vor- oder Nachteile hat es gegenüber dem TEM? Zeigen Sie
Beispiele von STM-Bildern mit atomarer Auflösung (Kristallebenen). Was
haben Bilder von M.C. Escher mit Kristallsymmetrie zu tun? (Blatt 8)
Kupfer und Stahl
Woraus besteht Stahl und wie ist es kristallografisch aufgebaut? Warum lässt
sich mancher Stahl biegen, während anderer beim Versuch bricht? An
welchen Stellen wird der Stahl brechen und wie wird er also stärker gemacht?
Wieso rosten manche Messerklingen und manche nicht? Was macht die
Klinge eines Samurai-Schwertes so besonders? Reines Kupfer ist ein weiches
Material, das mit den Händen gebogen werden kann. Wie konnten antike
Kupferschmiede daraus brauchbare Werkzeuge herstellen? (Blatt 9)
Geophysik
Unter anderem kann die Gesteinsstruktur und –zusammensetzung mithilfe
der Mößbauerspektroskopie bestimmt werden. Erläutern Sie diese
Spektroskopie und was damit z.B. in Meteoriten und Mondgestein untersucht
wird. Was macht MIMOSII auf dem Mars? (siehe z.B. http://iacgu32.chemie.unimainz.de/mer.php?ln=d) (Blatt 9)
Computerchips - Siliziumtechnologie
Prozessoren in unseren Computern sind mithilfe der Siliziumtechnologie
hergestellt und bestehen aus integrierten Schaltkreisen. Warum werden diese
Schaltkreise integriert und oft auch monolithisch bezeichnet? Erläutern Sie
am Beispiel des Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOS-FET) die
wichtigsten Prozessschritte zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vom
Kristallwachstum bis hin zum Prozessor wie er kommerziell verbaut wird.
Gehen Sie insbesondere auf in der Vorlesung genannte Verfahren ein. Eine
wichtige Kenngröße ist die Anzahl der Transistoren pro Flacheneinheit/Chip.
Geben Sie Zahlen für verschiedene „Computerzeitalter“ an. Was besagt das
Moore’sche Gesetz? (Blatt 10)
Ultraschall
Ultraschall hat vielfältige Anwendungen in Technik und Medizin. Zum
Beispiel wird die Ultraschalluntersuchung verwendet um Materialien
zerstörungsfrei auf Fehler zu prüfen. Erläutern Sie das Prinzip an einem
Beispiel. Gehen Sie dabei auch auf das Puls-Echo-Verfahren ein. Wie werden
Materialien oder Grenzflächen beziehungsweise Materialfehler erkannt?
Wovon hängt die Ultraschallgeschwindigkeit in einem Material ab? Welches
Bildgebungsverfahren gibt es mit denen medizinische Abbildungen gemacht
werden? (Blatt 10)
Solarzellen
Erklären Sie das Funktionsprinzip und den Aufbau einer Solarzelle. Am
weitesten verbreitet sind derzeit Silizium-Solarzellen. In welchen
verschiedenen Formen wird Si dort verbaut? Welche anderen Solarzellen sind
auf dem Markt? Stellen Sie die Si-Solarzelle der Grätzelle gegenüber.
Vergleichen Sie u.a. Funktionsprinzip, Aufbau, Effizienz. (Blatt 10)
Die Leuchtdiode
Erläutern Sie das Funktionsprinzip und den Aufbau einer LED. Wieso ist z.B.
Silizium nicht für LEDs geeignet? Welche Materialien werden also
hauptsächlich in LEDs verbaut? Wie wird die Farbe einer LED beeinflusst
und wie kann weißes Licht erzeugt werden? Vergleichen Sie die Lichtausbeute
von LEDs mit anderen Leuchtmitteln. Welche Problematik ergibt sich beim
Dimmen von LEDs (Stichwort: LED-Kennlinie)? Vergleichen Sie die LED
mit einer OLED. (Blatt 10)