Cooles Dysprosium

 Die Sauregurkenzeit zwischen den Weihnachtsferien und den Halbjahreszeugnissen nutzte der Physikleistungskurs der aktuellen Q3 zu einem Praktikumstag an der Gutenberg-Universität in Mainz. Das selbst gewählte Thema des Praktikums entsprach dem Halbjahresthema „Quantenphysik“.
Gleich vier Lehramtsstudenten begleiteten den praktischen Teil unseres Besuchs. Der bestand aus fünf vorbereiteten Versuchsaufbauten, die als Lernstationen von den ebenfalls fünf Schülergruppen durchlaufen wurden.
Mit einigem Stolz konnten unsere Schüler im Feedback zu der Veranstaltung angeben, dass sie diese Versuche aus dem Unterricht bereits kannten und dass unsere Sammlung weitaus modernere Mittel zu Beobachtung und Messung der jeweiligen Effekte bietet, als hier von der Uni zur Verfügung gestellt wurden.

Nach der Mittagspause gab es dann aber doch noch einen Ausflug in die Welt modernster Technik und aktueller Forschung. Von einem Doktoranden konnten die interessierten Schüler erfahren, wie man mithilfe  geeigneter Laserausstattung die Atome eines Dysprosium-Teilchenstrahls zunächst stark herunterkühlen und dann in einer Teilchenfalle für weitere Versuche festhalten kann.
Auch hier kam das Fachwissen aus dem aktuellen Halbjahr sehr gelegen. Der Trick, die Dysprosium-Atome nur Photonen mit einem Impuls entgegen ihrer Bewegungsrichtung absorbieren zu lassen und dann auszunutzen, dass Emission in alle Richtungen erfolgt ist mit der Kenntnis des Compton-Effekts gut erklärbar und so war die physikalische Beschreibung der Funktionsweise der dazu zusammengestellten Versuchsanordnung wesentlich übersichtlicher als die Anordnung selbst.

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Besuch von der GSI

Herr David Haider von der GSI

Die Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt ist eine international sehr angesehene Forschungseinrichtung und, im Unterschied zum CERN in Genf, nur einen Steinwurf von Gelnhausen entfernt.

Mit den beiden künstlich erzeugten chemischen Elementen Hassium und Darmstadtium hat es unsere erweiterte Heimat dank der GSI sogar in das Periodensystem der Elemente geschafft.

 

Herr David Haider war nun in der zweiten Dezemberwoche so freundlich, unseren beiden Physikleistungskursen und einigen interessierten Grundkursschülern einen Einblick in die Arbeit eines Physikers an einem solchen Institut und in seine eigene Arbeit dort zu ermöglichen.

 

Mit Bildern von der riesigen Baustelle, die einmal den Teilchenbeschleuniger des FAIR-Projekts beherbergen soll und einem Überblick über die grundlegenden Bestandteile einer Beschleunigungsanlage erhielten die interessierten Schüler einen ersten Eindruck von der Komplexität eines solchen Projekts und von der Präzision, mit der alle Komponenten aufeinander abgestimmt werden müssen.

 

FAIR steht für Facility for Antiproton and Ion Research und wird sich, wie der Name bereits verrät, auch mit der Untersuchung von Antimaterie beschäftigen. Antiprotonen, so konnten wir erfahren, sind wesentlich schwieriger zu erzeugen als Protonen. Daher enthalten die Teilchenstrahlen wesentlich weniger Teilchen als bei gewöhnlicher Materie üblich. Daraus ergeben sich für die Strahldiagnostik ganz besondere Herausforderungen.

 

Herr Haider entführte uns in die Welt der Supraleitung, der Kryotechnik und der elektrischen und magnetischen Felder in supraleitenden Materialien und beschrieb, wie es schließlich gelingt, durch den Antiprotonenstrahl gebildete elektrische Ströme im Nanoamperebereich zu messen. Seine Begeisterung für seine Forschungsarbeit weckte bei vielen Schülern die Neugierde auf diese, so weit von unseren Alltagserfahrungen liegende Thematik und es entwickelte sich das ein oder andere Gespräch, in dem auch unsere Schüler mit Sachkenntnis und solidem Grundwissen zu glänzen wussten.

 

Entsprechend war auch das Feedback der Schüler nach der Veranstaltung ausnahmslos positiv. Herr Haider versprach, den Kontakt nicht abreisen zu lassen und konnte uns inzwischen eine Führung, verbunden mit einigen praktischen Übungen am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Aussicht stellen.

Wir scharren schon mit den Hufen!

 

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Grimmelshausen‐Gymnasium erneut Sieger bei Explore‐Science

Die siegreiche Mannschaft des Grimmelshausen‐Gymnasiums vor dem berühmten „Löwenzahn“ Wagen in Bremen: v.l. Physiklehrer Burkhard Lamm und die Erfinder Till Taubert, Victor Schneider, Erik Halterbeck, Dominic Fischer und Leon Harms mit den beiden Sieger‐Traktoren

Selbst konstruierter Kleintraktor zieht 300 Kilogramm

Seit 2012 nimmt der „Erfinder‐Club“ des Grimmelshausen Gymnasiums Gelnhausen an den Wettbewerben „Explore‐Science“ teil, einer alljährlichen Physik‐Großveranstaltung für
Schüler von Grundschulen bis Abschlussklassen von Gymnasien. Insgesamt konnten 5 Siege
und mehrere Treppchenplätze errungen werden, so im Mai diesen Jahres der 1. Platz beim Wettbewerb „Traktorpulling“ in Mannheim gegen fast 600 Konkurrenten . Ein auf ein A4 Blatt passender, selbst konstruierter Kleintraktor musste eine möglichst große Last ziehen, was dem Grimmels‐Traktor mit 150kg Zuglast überzeugend gelang.
Vor wenigen Tage fand der vergleichbare We bewerb in Bremen statt, und auch hier reiste
eine fünfköpfige Mannschaft aus Gelnhausen mit ihrem Physiklehrer Burkhard Lamm vom
Erfinder‐Club an. Diesmal befanden sich sowohl der überarbeitete Siegtraktor von Mannheim als auch eine verbesserte Konstrution im Gepäck.
Die Konkurrenz hatte nicht geschlafen und die Gelnhäuser Radkonstruktion kopiert , aber
gegen das „Gelbe Monster“ hatte niemand eine Chance: 300kg Last kann der Minitraktor,
der auf acht kleinen Sägeblättern fährt, über den Boden ziehen, eine kaum glaubliche
Leistung. Der zweite Traktor errang den vierten Platz, Grund genug für den
Organisationsleiter der Veranstaltung, Dr. Axel Carl, die besondere Arbeitsleistung des
Gelnhäuser Erfinderclubs bei der Siegerehrung zu betonen.

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Erfinderclub bei „Explore Science“

Zum achten Mal nahmen Schüler des Erfinderclubs an den Technik-Wettbewerben im Rahmen der alljährlichen Veranstaltung „Explore-Science“ teil. Diesmal traten die Gelnhäuser gegen knapp 200 U-Boot Bauer und sogar gegen 600 Traktor-Konstrukteure an.
Während das U-Boot, das selbsttätig untertauchen und nach 3 Minuten wieder auftauchen sollte, nach vier erfolgreichen Probeläufen im entscheidenden Wettkampfdurchgang seinen Dienst versagte, hatte der Traktor keine Probleme in die Endrunde zu kommen. Es ging darum, ein Kleinfahrzeug zu konstruieren, das auf ein A4 Blatt passt und eine möglichst hohe Last ziehen kann. Der Grimmelshausen Traktor schlug alle anderen um Längen. Auf Grund der hohen Teilnehmerzahl wurden jedoch der Zeitrahmen gesprengt und die letzten fünf verbliebenen Traktoren zu Siegern erklärt (Zuglast 50kg). Daraufhin gaben die Konstrukteure Dominic Fischer und Victor Schneider eine beeindruckende Vorstellung der  Leistung des Grimmels-Traktors: Das Fahrzeug wurde mit zusätzlich 35 kg beladen, ein  Schüler setzte sich auf die Zuglast und der Traktor bewegte mühelos die zusammen 140 kg vorwärts, eine Last, die keiner der anderen Traktoren auch nur ansatzweise bewegen konnte.
Nach einem Windrad und einem Wasserrad mit dem höchsten Wirkungsgrad , einem Geländefahrzeug mit der größten überwundenen Steigung, sorgte jetzt der Traktor mit der höchsten Zugleistung für den vierten Sieg seit 2012. Zusätzlich konnten noch zwei zweite Plätze in verschiedenen Wettbewerben und zwei Sonderpreise für Originalität (Tauchwal und Perpetuum Mobile) eingefahren werden. Die Grimmels-Erfinder sind zu einer festen  Größe bei „Explore Science“ geworden.

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Vorgänge in einer Leuchtdiode als Umkehrung des lichtelektrischen Effekts

Physik-LK der Q3 organisiert selbstständig Experimentiertag am Grimmels

Bahnbrechende Experimente haben die Entwicklung der Physik im letzten Jahrhundert stark beeinflusst, so auch im Bereich der Quanten- und Atomphysik. Da dies zentralen Themen des Physikunterrichts der Q3 sind, hat sich der Physik-LK am Grimmels unter der Leitung von Claudia Schadt dazu entschlossen, in eigener Regie einen Experimentiertag zu diesen Themenfeldern durchzuführen.

 Die eigenständige Durchführung solcher Experimente macht es möglich, das Thema in der Q3 nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch erfahrbar zu machen. Da das Grimmelshausen-Gymnasium über eine hervorragende Ausstattung der Physiksammlung verfügt, war es möglich, einen solchen Projekttag sogar an der eigenen Schule durchzuführen.

So trafen sich die Schülerinnen und Schüler des Kurses am 17.12. 2018, bauten die Versuche auf und führten sie anschließend mit genauer Ergebnisprotokollierung durch. Neben anderen Themen ging es vor allem um die Sichtbarmachung des Wellencharakters von Elektronen (Elektronenbeugungsröhre), um den Franck-Hertz-Versuch, der die quantenhafte Energieaufnahme von Atomen bestätigt (ähnlich wie im Billardspiel können Atome durch Stöße mit Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht werden), sowie den Nachweis der immer vorhandenen natürlichen radioaktiven Strahlung mit dem Geiger-Müller Zählrohr. Außerdem stand die Aufnahme von Röntgenspektren zum Nachweis des Fotoeffekts sowie die Vorgänge in einer Leuchtdiode als Umkehrung des lichtelektrischen Effekts im Fokus der Forschungen.

Ein Besuch an der Universität Mainz am 28.1. 2019 brachte den Schülerinnen und Schülern das Thema „Quanten- und Atomphysik“ mit weiteren Experimenten näher, um sie auf das bevorstehende Abitur in diesem Bereich vorzubereiten. Unter anderem wurden Versuche zur Interferenz gemacht, z.B. mit dem Quantenradierer bzw. dem Michelson-Interferometer, mit Polarisation von Licht usw.

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Feldforschung am GGG

Der Hall-Effekt …

Erstes Praktikum des Physik-LK der Q1 über elektrische und magnetische Felder

Die Rahmenbedingungen waren perfekt: Ein grauer Himmel und steter Nieselregen ließen beim Blick aus dem Fenster wenig Wehmut aufkommen. Gut, wenn man dann wenigstens Physiker ist und seine Zeit auch an den Experimentiertischen, in einem Fall sogar in der Dunkelkammer, fernab von den Launen des heimischen Wetters sinn- und gehaltvoll nutzen kann.

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Physik-Lk testet neue Schülerexperimente

Im Rahmen eines Projekttages zum Thema „mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen“ erprobten am 08.06.2018 die Schülerin und die Schüler des Leistungskurses der Q2 von Frau Schadt, neu angeschaffte Experimentalsets zu diesem Themenkomplex.

Die Leistungskursschüler konnten die Versuchsanlagen selbstständig aufbauen, die entsprechenden Untersuchungen durchführen und die Geräte auf ihre Praxistauglichkeit hin untersuchen.
Dabei wurden die Versuche hinsichtlich verschiedener Aspekte überprüft, z.B. sind die Anleitungen verständlich geschrieben, gelingt der problemlose Aufbau, wie hilfreich sind die mitgelieferten Kopiervorlagen für Schüler, erzielt man verwertbare Versuchsergebnisse und zu welchem Zeitpunkt des Unterrichts sind diese Experimente einsetzbar.

Die Schüler dokumentierten ihre Eindrücke zu den durchgeführten Versuchen.

Die Ergebnisse wurden immer wieder diskutiert, während der Durchführung der Versuche und anschließend im Plenum.
Gleichzeitig konnten die Schüler anhand dieser grundlegenden Experimente zum Thema „Schwingungen und Wellen“ ihr in diesem Halbjahr erworbenes Wissen anwenden und vertiefen.

Praxisorientiertes Lernen fördert den Zugang, auch zu komplizierteren Inhalten der Physik, führt die Schüler an zukünftige Forschungsarbeiten heran und bereitet so auf ein Studium im diesem Bereich vor, ein besonderes Ziel der Arbeit der Fachschaft Physik.
In Zeiten knapper Gelder ist es umso wichtiger, zweckmäßiges und schülerorientiertes Lehrmaterial zur Verfügung zu stellen, was die Budgets der Schulen jedoch häufig überfordert.

Wir freuen uns in diesem Zusammenhang über die Unterstützung durch unseren Sponsor Herrn Lacher.

Die Schüler zeigten großes Engagement und Begeisterung bei der praktischen Erprobung der umfangreichen Materialien.

(Claudia Schadt)

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GGG-Erfinder-Club bei „Explore Science“

Jede Woche dienstags treffen sich die Teilnehmer der Erfinder-Club AG, in der Schülerinnen und Schüler von der Jahrgangsstufe 7 bis zu Q4 teilnehmen können, um an diversen Objekten ihre Kreativität ausleben zu können. Geleitet wird diese AG von Herrn Lamm und Herrn Bechtold.

Im Schuljahr 2017/2018 beschäftigten wir uns mit dem Bau von Dampfbooten, Klettermaschinen und Raketenmodellen.

Höhepunkt war nun, wie in den vergangenen Jahren auch schon, die Teilnahme am Wettbewerb „Explore Science“ in Mannheim. Im dortigen Luisenpark trafen sich vom 13. bis zum 16. Juni Schüler*innen aller Altersklassen, um mit ihren Kreationen, die in diesem Jahr unter Kategorien wie „Atlas“, „Marsmobil“, „Teilchendetektor“ eingereicht wurden und im Wettbewerb über Tragfähigkeit und Leistungsvermögen standen.

Der Erfinder-Club trat mit 7 Schüler*innen im Wettbewerb „Atlas“ an, bei dem es galt ein Objekt zu bauen, das nur aus normalem Papier und nur mit handelsüblichem Flüssigkleber hergestellt sein durfte und dabei bei einer Grundfläche von maximal 10 cm Durchmesser und einer Höhe von 30 cm eine möglichst hohe Last tragen können sollte. Wichtig war zusätzlich ein möglichst geringes Eigengewicht des „Atlas“.

Der leistungsstärkste Körper, der von uns ins Rennen gebracht wurde, überzeugte die Jury schließlich mit einer Tragkraft von 75 kg. Wir hätten sogar noch mehr geschafft, es gab aber keine weiteren Gewichte.

Leider haben wir den Wettbewerb nicht gewonnen, da unsere Figur mit 448 g deutlich schwerer war als die Objekte anderer Konkurrenten.

Die Fotos zeigen einige der Teilnehmer mit zwei der Objekte und die Jury beim Messen.

Im nächsten Schuljahr wollen wir uns aber gerne wieder an diesem Wettbewerb beteiligen.

(Norbert Bechtold)

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Physikalisches Praktikum an der Uni Mainz

Ihren ersten Schultag im neuen Jahr verbrachten die Schülerinnen und Schüler des Leistungskurses Physik Q3 an der Johannes Gutenberg Universität in Mainz. Schwerpunkt des Praktikums war das Thema Holographie.

An der Wellenwanne wurden stellvertretend für elektromagnetischen Wellen zunächst Wasserwellen in Anlehnung an den berühmten Doppelspaltversuch von Thomas Young überlagert und die dabei entstehenden Interferenzen sichtbar gemacht.

Anschließend konnte das berühte Michelson-Interferometer nachgebaut werden.Hier wird ein Laserstrahl mit einem Strahlteiler auf zwei unterschiedliche Lichtwege aufgeteilt, später wieder zu einem Strahl zusammengeführt und auf einen Wandschirm gerichtet. Durch die Unterschiede in den beiden Lichtwegen erwartet man ein System konstruktiver und destruktiver Interferenzen auf dem Wandschirm.
Mit etwas Geduld und systematischen Probieren gelang es den meisten Gruppen, diese auch in beeindruckender Deutlichkeit sichtbar zu machen.

In einem Kratzhologramm übernehmen die von einer Linie aus gezeichneten Wellenfronten die Funktion einer Referenzwelle für alle von Punkten abseits dieser Linie ausgehenden Objektwellen. Bei geeigneter Beleuchtung lässt sich aus der Überlagerung der beiden die Gestalt des eigentlichen Objektes wiederfinden.
Für das Experiment wurden nur Zirkel, polierte PVC-Kacheln, eine ruhige Hand und etwas Fleiß benötigt.

Schließlich wurden Objekträger für die dreidimensionalen Objekte vobereitet, mit denen dann im Photolabor des physikalischen Instituts die photographischen Platten belichtet und entwickelt wurden. Danach konnten die meisten Experimentatoren ein funktionierendes Hologramm mit nach hause nehmen.

Mit einer ganz anderen Art dreidimensionaler Effekte konnten die LK-Schüler sich später beim Schwarzlicht-Minigolf auseinandersetzen und obwohl auch hier nüchterne physikalische Größen wie die Polarisation des verwendeten Lichts, die Beziehung zwischen Einfalls- und Reflexionswinkel für den Golfball oder die Impulsübertragung vom Schläger auf den Ball eine Rolle spielen, konnte man doch nur gewinnen, wenn man das richtige Gefühl mit an den Start brachte.

Nach einem insgesamt angstrengenden Tag kehrten am Ende 22 dennoch glückliche Nerds nach Gelnhausen zurück.

(Andreas Sieber)

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Praktikumstag des Leistungskurses Physik (Q1)

Dezember 2017

Die Durchführung von Praktika (in der Schule oder auch außerhalb, z.B. an der Universität) gehört für die Schüler der Physik-Leistungskurse (Q1 und Q3) zum Unterrichtskonzept des Grimmelshausen Gymnasiums, um den Schülern einen Einblick in die Arbeitsweise eines naturwissenschaftlichen Studiums zu geben.

Elektrische und magnetische Erscheinungen (Thema der Q1 des Leistungskurses) und deren Wechselwirkung zwischen z.B. Magneten und bewegten Ladungsträgern sind eng miteinander verknüpft.

Unsere moderne Welt ist ohne elektromagnetische Induktion nicht zu erklären, z.B. Roboter pflegen den Rasen, Ampelanlagen usw..

Im Rahmen eines Projekttages am 15.12.2017 konnten die Schülerin und die Schüler des Leistungskurses der Q1 bei Frau Schadt Experimente selbstständig planen, durchführen und auswerten. Die Einführung in das wissenschaftliche Arbeiten wird hier simuliert. Computergestützte Messsysteme unterstützen die Auswertung der Versuche.

Die Planung und Durchführung von Grundlagen-Experimenten zum Thema elektromagnetische Induktion, wurde von den Schülern mit Hilfe zuvor ausgehändigter Praktikumsanleitungen selbstständig vorbereitet und auch teilweise eigenständig ergänzt. Den Aufbau der Versuche, die Versuchsdurchführung und die sich anschließende erste Auswertung der Versuche, wurde von den Schülern an diesem Praktikumstag bewältigt.

Die Anfertigung von Protokollen erfolgt in der Nachbereitung des Praktikumstages. Eine sich anschließende Kurzpräsentation der Versuche im Plenum, ermöglicht den Schülern ihre Versuche den Mitschülern nochmal vorzustellen und den theoretischen Hintergrund für die anderen verständlich darzustellen. Die Auseinandersetzung mit den Inhalten bzw. deren praktischer Umsetzung in den einzelnen Versuchen fördert einen tieferen Einblick in die betreffende Thematik.

Die entspannte Atmosphäre an solchen Praktikumstagen, ist eine wunderbare Begleiterscheinung, die bei den Schülern positiv ankommt.

C.Schadt

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