Das P-Seminar Physik, bestehend aus 9 Teilnehmerinnen und Teilnehmern, beschäftigte sich im Laufe des letzten Jahres ausgiebig mit dem Finden und dem Konstruieren von physikalischen Experimenten für die Partnerklasse. Unter der Leitung von Fr. Dr. Reichardt wurden hierzu mehrere Besuche in der Partnerklasse und Gruppentreffen innerhalb des Seminars abgehalten, in denen versucht wurde, die Partnerklasse besser kennenzulernen und eine Möglichkeit zu finden, ihr spielerisch die Physik näher zu bringen.
Die vorrangigen Ziele dabei waren, dass die Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Seminares wichtige Kompetenzen wie beispielsweise Empathie oder Anpassungsfähigkeit für den Berufsalltag erlernen und die Partnerklasse noch intensiver in den Schulalltag integriert wird. Zur Umsetzung dieser Ziele einigten sich die Schülerinnen und Schüler des Seminares auf zwei Versuchsaufbauten, die an die Partnerklasse übergeben werden und im Folgenden genauer erläutert werden sollen.
Versuch 1: Farbmischung
Dieser Versuch soll den Schülern und Schülerinnen der Partnerklasse zeigen, dass man mit dem Licht der Farben rot, grün und blau verschiedene Farbtöne generieren kann. Dieses Phänomen wird in der Physik als additive Farbmischung bezeichnet.
Aufbau:
Hauptbestandteil unseres Modells zur Farbmischung ist eine Holzkiste mit Deckel, welcher nicht mit den Seiten der Kiste überlappt und stattdessen von kleinen Balken an allen vier Ecken gestützt wird. Die Mitte des Deckels besteht aus einem Schirm-Glas mit einem großen Deckelrahmen, das durch weitere kleine Holzbalken gestützt wird. Hinzu kommt ein zweiter Deckel zum Schutz des Glases. An der Seite der Kiste befindet sich eine Öffnung mit der Bedienfläche, die mit dem 3D-Drucker hergestellt wurde. Sie enthält drei Drehregler, mit denen man die Intensität der RGB-Streifen einstellen kann und einen Kippschalter zum An- und Ausschalten. Das Innere der Kiste ist mit den RGB-Streifen ausgekleidet und beinhaltet außerdem die Powerbank.
Versuchsdurchführung:
Der Versuch lässt sich dadurch starten, dass man den Hauptschalter betätigt. Wenn man alle Potentiometer aufdreht, sieht man die Farbe Weiß. Wenn man nur das rote Potentiometer aufdreht, erscheint die Farbe Rot. Dies gilt ebenfalls für das grüne und das blaue Potentiometer. Mischt man Rot und Blau, so erkennt man die Farbe Magenta. Rot und Grün ergeben zusammen Gelb. Blau und Grün mischen sich zu Cyan. Der Farbton lässt sich sogar stufenlos einstellen, indem man die drei Potentiometer auf- und zudreht.
Versuchsauswertung:
Da sich die einzelnen Farben der RGB-Streifen überlagern, entsteht ein neuer Farbton, der am Schirm erkennbar ist. Mischt man das Licht der drei Spektralfarben Rot, Grün und Blau in unterschiedlichen Kombinationen und Intensitäten zusammen, so erhält man alle möglichen Farben und Weiß.
Werdegang:
Der erste Schritt unseres Modells lag darin, einen Bauplan zu erstellen und geeignete Materialien zu finden. Dabei machte nicht nur der Bauplan, sondern auch die Wahl der Bauteile einen Wandel durch. Anfangs sollten die LEDs batteriebetrieben leuchten, doch wir entschieden uns später für eine Powerbank und statt LEDs mit Linsen verwendeten wir RGB-Streifen. Zeitweise waren wir uns nicht sicher, wie stark der Widerstand der Potentiometer sein sollte, doch dieses Problem wurde ebenfalls gelöst. Schließlich mussten nur noch die Holzstücke für die Kiste ausgesägt und zusammengeschraubt werden. Zudem erstellten wir eine Bedienfläche für die Potentiometer am 3D-Drucker der Schule.
Wartung:
Um den Versuch langfristig betreiben zu können, müssen die einzelnen Bauteile regelmäßig gewartet werden. Wie diese Wartung durchgeführt werden soll, wird im folgenden Text erläutert.
Bei allen Reparaturen ist darauf zu achten, keine weiteren Pins zu beschädigen, diese sind sehr empfindlich. Außerdem ist es wichtig während eines Eingriffs den Farbmischer immer vom Strom zu trennen. Nur zu Testzwecken (z.B. bei LEDs) darf ein Stromfluss hergestellt werden.
Powerbank:
Der Akku ist immer zu schonen, d.h. er darf keinen extremen Temperaturen ausgesetzt werden und sollte wenigstens jedes Quartal einmal voll aufgeladen werden.
Kabel:
Sollte ein Kabel beschädigt sein, kann man es austauschen. Dazu muss man die Stecker des alten Kabels von den Pins am RGB-Streifen / Potentiometer / Kippschalter trennen und das neue dort wieder anstecken. Dabei ist darauf zu achten, dass keine Kontakte oder Bauteile beschädigt werden.
LEDs:
Sollten die LEDs nicht weiß leuchten, obwohl alle Potentiometer ganz offen sind, so ist zuerst auf der Fernbedienung die Einschalt-Taste zu drücken. Falls die LEDs immer noch nicht weiß leuchten (sondern z.B. in einer anderen Farbe) muss man die Weiß-Taste auf der Fernbedienung drücken. Ist das gewünschte Ergebnis dann nicht erreicht, muss man den Rahmen abnehmen und dort leicht rütteln, wo die schwarzen Kontakt-Pins der Jumper-Kabel (möglicherweise durch Klebeband verdeckt) mit den weißen Kontakt-Pins verbunden sind. Dies ist an den Übergängen von Powerbank- und Empfänger-Kabel zu den Leitungen, die zu den Potentiometern führen, der Fall. Außerdem befindet sich so eine Stelle beim Übergang von den Potentiometer-Kabeln zu den LEDs.
Lötstellen:
Sollten Lötstellen beschädigt worden sein, ist es möglich, diese nachzulöten. Dafür müssen alle Kabel vom entsprechenden RGB-Streifen abgesteckt werden, dann kann dieser vom Boden entfernt werden. Lassen sich die Streifen nicht entfernen, kann man auch in der Kiste löten, dafür sollte man aber eine Person mit Erfahrung konsultieren. Nachdem die Lötstelle erneuert wurde ist der Streifen wieder an seinem alten Platz zu befestigen. Dazu evtl. Klebeband als Befestigung verwenden. Anschließend werden die Kabel wieder angesteckt.
Sicherheitshinweise:
Damit man beim Vorführen des Versuchs niemanden verletzt oder auch keine anderweitigen Gefahren auftreten, müssen folgende Sicherheitshinweise beachtet werden:
Versuch 2: Volumenausdehnung
Durch den Versuch der Volumenausdehnung soll den Schülern der Partnerklasse gezeigt werden, dass verschiedene Stoffe beziehungsweise Flüssigkeiten sich bei Wärmezufuhr unterschiedlich stark ausdehnen.
Werdegang:
Zuerst diskutierten wir im Kurs darüber, in welcher Art und Weise der Versuch für die Partnerklasse geeignet wäre. Wir zeichneten mögliche Baupläne und mithilfe von den bereits vorhanden schulischen Materialien probierten wir den Versuch in ähnlicher Weise aus. Danach stand die Organisation über die benötigten Materialien im Vordergrund. Schließlich einigten wir uns darauf, ein Glasbecken, drei Erlenmeyerkolben mit dazu passenden Stopfen mit Öffnung, einen Tauchsieder und Glasrohre zu bestellen. Andere Utensilien wie Lebensmittelfarbe, Spiritus, Frostschutzmittel, Glasflaschen und ein Schuhkarton konnten entweder von zuhause mitgebracht werden oder wurden im Supermarkt besorgt. Nach einiger Zeit trafen die ersten Bestellungen ein. Dabei unterschätzten wir die Dauer vollkommen, was viele Gruppentreffen und somit das Weiterkommen stark behinderte. In der Zwischenzeit verfassten wir ein Sponsorenschreiben, um unsere Experimente überhaupt finanzieren zu können.
Die Art der Versuchsflüssigkeiten stellte sich im Laufe der Seminarzeit als größere Hürde dar. Wasser und Spiritus wählten wir gleich zu Beginn gut aus, wohingegen die dritte Flüssigkeit sich als etwas kniffliger herausstellte. Zuerst fiel unsere Wahl auf Öl. Durch die erste Versuchsdurchführung bemerkten wir aber, dass die Säuberung des Gefäßes problematisch ist. Wir einigten uns als nächstes auf normalen Apfelessig. Dessen Volumenausdehnung war allerdings zu gering. Am Ende wurde es Frostschutzmittel, da dieses sich stark ausdehnt.
Als die Glasrohre ankamen, fiel uns sofort auf, dass uns ein Fehler beim Bestellen unterlaufen war und diese viel zu lang waren. Deshalb mussten wir sie von 1,50m auf 45cm kürzen lassen. Durch die Glaserei WAWRICH in Traunreut war dies aber sehr zügig und vollkommen problemlos möglich. Trotz der Übergröße der Glasrohre testeten wir dennoch den Versuch mit einem Becken aus der Schule. Beim Üben stellten wir allerdings fest, dass die Stopfen oftmals aus den Erlenmeyerkolben rutschten, was die Ausführung stark beeinträchtigte. Deshalb ersetzten wir die Kolben durch kleine Orangensaftgläser mit einem Schraubverschluss, die uns Frau Hollmann zur Verfügung stellte. In die Deckel bohrten wir Löcher für die Glasrohre und dichteten diese dann mit Silikon ab. Zuletzt fanden wir eine Befestigung für die Skalierung. Diese machten wir an einer Leiste mit Klebeband fest und letzteres befestigten wir dann mit Heißkleber am Glasbecken.
Gefahren und Sicherheitshinweise
Um sicherzustellen, dass keine Gefahren und Verletzungen für jegliche Personen entstehen, müssen folgende Sicherheitshinweise beachtet werden:
1. Aufbewahrung
2. Versuchsvorbereitung
3. Versuchsdurchführung
Versuchsaufbau und Durchführung:
Materialien: Glasbecken mit Skalierung, Glasflaschen mit gelochter Öffnung, Wasser, Spiritus, Frostschutzmittel, Tauchsieder
Versuchsauswertung
Bei der Versuchsdurchführung beobachtet man, dass sich Spiritus (Ethanol) mit zunehmender Temperatur am stärksten ausdehnt, da die Flüssigkeitssäule im Steigrohr am weitesten ansteigt. Wasser dehnt sich am wenigsten stark aus und der Füllstand im Steigrohr von Frostschutzmittel (Gemisch aus Ethanol und Glycerin) liegt zwischen den beiden anderen Flüssigkeiten.
Betrachtet man die Formel für die Volumenausdehnung ΔV von Flüssigkeiten
ΔV = γVοΔΤ
ΔV = Volumenveränderung, γ = Volumenausdehnungskoeffizient, Vο = Ausgangsvolumen, ΔΤ = Temperaturänderung,
so stellt man fest, dass die drei Flüssigkeiten offenbar einen unterschiedlichen Volumenausdehnungskoeffizienten aufweisen, da die Temperaturänderung und das Ausgangsvolumen für alle drei Flüssigkeiten gleich sind.
Der Vergleich mit Tabellenwerten bestätigt die Versuchsergebnisse. So hat Wasser einen Volumenausdehnungskoeffizienten von 0,21 • 10-3Κ-1, Ethanol 1,1 • 10-3Κ-1 und Glycerin 0,49 • 10-3Κ-1. Frostschutzmittel als Gemisch aus Ethanol und Glycerin steigt also erwartungsgemäß weniger stark an als Spiritus.
Wartung:
Da in diesem Versuch viele Flüssigkeiten verwendet werden, ist es notwendig die einzelnen Behälter regelmäßig zu säubern, um sie von Kalk und anderen Ablagerungen zu schützen. Dementsprechend sollte nach jeder Ausführung des Versuches folgendes gemacht werden:
Glasflasche gefüllt mit Wasser:
Glasflaschen mit Spiritus und Frostschutzmittel:
Steigrohre:
Glasbecken:
Zum Abschluss möchte sich das P-Seminar herzlich bei der Firma Heidenhain und der Raiffeisenbank Traunstein-Trostberg bedanken, ohne deren Spende es nicht möglich gewesen wäre die Versuchsaufbauten zu finanzieren. Auch der Glaserei WAWRICH möchten wir erwähnen, da sie uns ein zügiges Vorankommen durch die spontane Kürzung unserer Steigrohre ermöglicht hat.