1(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Warum Physik in der Berufsmatura?

• Was möchte ich mit dem Besuch des Physik-Kurses persönlich erreichen?Notieren Sie Ihre persönlichen Ziele. (10 Min.)

• Diskutieren Sie in der Gruppe die Ziele und schreiben Sie die wichtigsten Ziel auf ein Blatt. Hängen Sie das Blatt an die Wand. (20 Min.)

2(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Lernziele: Kenntnisse

• Elementare Sachverhalte und Prozesse und wichtige technische Anwendungen kennen sowie die zu ihrer Beschreibung notwendigen Terminologie verfügen

• Die Elemente der physikalischen Arbeitsweise kennen

• Grundgrössen sowie eine Anzahl abgeleiteter Grössen und ihre Einheiten, die dazugehörigen Messmethoden und Messgeräte kennen

3(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Lernziele: Fertigkeiten

• Physikalische Sachverhalte und ihren Bezug zur technischen Anwendung in eigene Worte fassen können

• Physikalische Zusammenhänge grafisch und mathematisch darstellen können

• Analogien erkennen

• Probleme erfassen, formulieren, analysieren und in ausgewählten Fällen numerisch bzw. grafisch korrekt lösen können

• Experimente auswerten und die Resultate richtig interpretieren können

4(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Lernziele: Haltungen

• Interesse und Verständnis für die Natur und Technik aufbringen

• Hypothesen, Modellen und Theorien aus eigener oder fremder Quelle mit sachlich kritischer Haltung begegnen

5(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Lerninhalte

• Dynamische Systeme

• Hydraulik

• Elektrizität

• Mechanik

• Wärme

6(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Lern- und Arbeitstechnik

• Lesetechnik

• Schlüsselwörter

• MindMap

• Die OVAL-Methode

• Diskursives Lösen von Problemen

7(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Systeme

Gruppenarbeit:

• Suchen Sie Beispiele von Systemen

• Welche Attribute / Eigenschaften haben sie?

• Aus welchen Komponenten besteht das System?

• Was läuft im System ab?

• Wie verhält es sich unter verschiedenen Bedingungen?

8(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Systemdynamik

• Methode zur Beschreibung, Modellierung und Simulation dynamischer Systeme

• entwickelt von J. Forrester um 1960 am MIT

9(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Systemdynamische Methode

• Unterscheidung von Bestands- und Flussgrössen in Systemmodellen

• Darstellung von Systemen in speziellen Flussdiagrammen (stock- and flow-diagrams)

• Simulatuionssprache zur numerischen Simulation

10(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Systemisches Denken

• Denken in Modellen

• Denken in vernetzten Strukturen

• Denken in dynamischen Zeitgestalten

• Fähigkeit zur praktischen Steuerung von Systemmodellen

11(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Vom Experiment zum Modell

• Ein Gefäss mit der Querschnittsfläche von 227 cm2 ist 15 cm hoch mit Wasser gefüllt. Durch ein am Boden angeschlossenes Rohr kann das Wasser auslaufen. Dafür verantwortlich ist der Schweredruck des Wassers im Gefäss.

• Es soll der zeitliche Höhenverlauf aufgezeichnet werden.

12(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modell: Auslauf

0 0.1500 110 0.0086 210 0.000710 0.1156 120 0.0067 220 0.000520 0.0892 130 0.0052 230 0.000430 0.0688 140 0.0040 240 0.000340 0.0531 150 0.0031 250 0.000250 0.0410 160 0.0024 260 0.000260 0.0316 170 0.0018 270 0.000170 0.0244 180 0.0014 280 0.000180 0.0188 190 0.0011 290 0.000190 0.0145 200 0.0008 300 0.0001

100 0.0112

13(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modellierung

Auswertung

reale Situation Übersetzen

InterpretierenErgebnisse

Modell

BeurteilenSimulieren

14(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modellierung

Auswertung

reale Situation Übersetzen

InterpretierenErgebnisse

Modell

BeurteilenSimulieren

15(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modellierung

Auswertung

reale Situation Übersetzen

InterpretierenErgebnisse

Modell

BeurteilenSimulieren

16(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modellierung

Auswertung

reale Situation Übersetzen

InterpretierenErgebnisse

Modell

BeurteilenSimulieren

17(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modellierung

Auswertung

reale Situation Übersetzen

InterpretierenErgebnisse

Modell

BeurteilenSimulieren

18(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modellierung

Auswertung

reale Situation Übersetzen

InterpretierenErgebnisse

Modell

BeurteilenSimulieren

19(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modellbildungsprozess

20(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Verbale Beschreibung

• Am Auslaufrohr ist der Schweredruck der Flüssigkeit gleich der Druckdifferenz zwischen Innen und Aussen am Auslaufrohr. Es wird so lange Wasser auslaufen, bis der Druckunterschied Null ist.

21(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Wirkungsdiagramme

22(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Flussdiagramm mit Dynasys

23(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modell mit Dynasys

Cursor

Mengenspeicher

Flusspfeil

Konstante und Formeln

Beziehungspfeil

Löschen

Bewegen

24(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Gleichungen

Zustandsgleichungen

Volumen.neu <-- Volumen.alt + dt*(Volumsaenderung)

Startwert Volumen = 0.0034

Zustandsänderungen

Volumsaenderung = -Auslauffaktor*Druck

Konstanten

Auslauffaktor = 0.00000006

Dichte = 1000

g = 9.81

Querschnittsflaeche = 0.0227

Zwischenwerte

Hoehe = Volumen/Querschnittsflaeche

Druck = Dichte*g*Hoehe

25(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Höhenverlauf

26(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Skript Systemdynamik

• Seminar für Schulpädagogik Heidelberg: Simulation dynamischer Systeme (nach Skripten von Endres, Fisches): http://www.seminar-heidelberg.de/Gymnasium/Mathe/simdyn1.html

27(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Systemdynamikseiten im Internet

• Systemdynamik am MIT: http://sysdyn.mit.edu

• Günther Ossimitz (Universität Klagenfurt): http://www.uni-klu.ac.at/users/gossimit/sdyn/sdyn.htm

• Walter Hupfeld, Einführung in Modellbildung und Simulation dynamischer Systeme: http://www.ham.nw.schule.de/projekte/modsim/Einfuehrung/index1.htm

• System Dynamics Forum der Universität Mainz: http://prod-org.bwl.uni-mainz.de/sd/sdmain.htm

28(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Software

• Dynasys: http://www.ham.nw.schule.de/projekte/modsim/download/dynasys.zip

• Stella: http://www.hps-inc.com

• Powersim: http://www.powersim.com

• Vensim: http://www.vensim.com

• Extend: http://www.imaginethatinc.com

29(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modell: Räuber - Beute

30(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Modell: Räuber - Beute