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01.03.2018 H. Joachim Schlichting WWU Münster 1

Workshop

Freihandexperimente zwischen Alltag

und Physikunterricht

Institut für

Didaktik der Physik


Definition: Freihandversuche sind einfach

Ein FV ist ein physikalisches Experiment, das

• meist leicht,

• oft aus dem Stegreif,

• schnell (im zeitlichen Rahmen

der Motivation der SuS),

• mit Alltagsgegenständen,

• an beliebigem Ort ,

• ohne aufwändige Vorbereitung,

• ohne experimentellen und

• organisatorischen Aufwand

kurzum:

• frei aus der Hand durchzuführen ist.

Beispiel: Regenbogen ohne Regen

Lernen als Erlebnis


Überraschende, spektakuläre, eindrucksvolle Effekten emotionales

Engagement Motivation, physikalische Sachverhalte zu erarbeiten.

FV können/sollen von Lernenden selbst durchgeführt werden

Die Lernenden „begreifen“, was passiert, auch wenn die physikalische

Erklärung noch aussteht.

Diese Aspekte der FV gelten erst recht für Phänobjekte von Science-

Centern

Viele neuere Phänobjekte sind aus FV hervorgegangen, viele FV harren

noch auf ihre Nobilitierung als Phänobjekte.

Beispiel: Wasserstrudel bzw. Flaschentornado

Konstruktiver „Missbrauch“ von Phänobjekten = Kreativität

Freihandexperimente, Phänobjekte und

Alltagsphysik – wie geht das zusammen?


Exponate und Phänobjekte haben mit Freihandversuchen einiges gemein:

• leichte Handhabbarkeit („kinderleicht“),

• überraschender Effekt (Verblüffung),

• „phänomenale“ Wirkung (Ansprechen mehrerer Sinne).

Sie unterscheiden sich aber in anderer Hinsicht

• Phänobjekte sind nicht low cost,

• sie werden i.A. nicht mit Alltagsgegenständen durchgeführt,

• das Erlebnis und nicht der Lerngewinn steht im Vordergrund.

Freihandversuche und alltagsphysikalische Beobachtungen könnten helfen,

eine Verbindung zum Alltag und zum Physikunterricht herzustellen.

Freihandversuhe sind „low-cost“


1. Verbrauchsmaterialien

Wegwerfmaterialien, Verpackungen, Lebensmittel, Kosmetikartikel,

Beispiele: Kirschen, Kaffee, Tee, Spagetti, Honig, Sirup, Mineralwasser

(Rosine), flüssige Seife, Creme, Speiseöl, Ölfarbe, Lacke, Sand, Reis,

Popcorn, Stärke, Glaskügelchen, Blumendraht, Batterien, Folien

(transparente*, spiegelnde*, irisierende*, geladene, Gummi- (Luftdruck)

retroreflektierende), Drahtnetze, Ketten*, Ringe, Unterlegscheiben, Rohre,

Schläuche (Wellrohre), Stäbe, Rollen, Kugeln, Schraubenfedern

(Schwingungstilger), Heftzwecken, Büroklammern, Plastikbehälter,

Plastikscheiben, CDs*, CD-Hüllen, spezielle Textilien, Einwegspritzen,

Gummibänder, Streichhölzer, Streichholzschachteln, Karten, Seile, Bänder,

Pendel, (einäugige) Sonnenbrille, Bierfilz, Retroreflexfolie, Spiegelfliesen,

Kerze (Flamme, Muscheln), flexible Wellrohre, Knöpfe

Freihandversuche sind „low-cost“


2. Gebrauchsgegenstände

Dinge, die im Alltagsleben für alles Mögliche benötigt werden

Beispiele: Trinkgläser (optisch), Trinkgläser (akustisch), Kaffeetasse

(optisch), Teekanne, Supermagnete, Strohhalme, Fensterscheiben, Geräte

(Mixer, Staubsauger, Weinpumpe, Luftpumpe, Kamera), Spielzeugmotoren,

Beamer *, Flachbildschirm (polarisiertes Licht), Gefriertruhe), Geodreieck*,

Bürsten,

Weihnachtskugeln (Akustik), Weihnachtskugeln (nichtlinear), Spiegel,

Chinesischer Zauberspiegel, Zauberspiegel Mirage, Nussknacker,

Reagenzglas (Wasserhammer), Doppelglasfenster, Besen, Smartphone,

Kugellager (Motor), Gefrierschrank, Heizplatte, Tauchsieder, Thermoskanne,

Smartphone, Sieb, Fahrrad, Schale (als Klangschale), Aquarium,

Freihandversuche sind „low-cost“


3. Spielzeuge, Designobjekte,

Beispiele: Kreisel, Pustekreisel, Magnetkreisel, Stehaufkreisel, ewiger

Kreisel, Atomix, Toroflux, Heißluftmotor , Springspielzeug, Schwirrring,,

keltische Wackelsteine,Bälle (Flummis, Tischtennisball, 3Schatten),

Luftballon, Kugelwippe, Putt-putt-Boot, Trinkender Storch,

Goethethermometer, Schiller- Tintenglas, Galilei-Thermometer,

Kettenthermometer, Bumerang, Bimetallspiele, Lavalampe,

Weihnachtspyramide, Chromadepth-Brille, Wackelbilder, aufwärtsrollender

Doppelkegel, Diabolo, Fangkugelspiel, Wobbler, Zweischeibenroller,

Gegenwindfahrzeug, Hexbug, Springspielzeug, Sanduhr, paradoxe

Sanduhr, Wasserhammer, Lauftiere, Saltospringer, Dynabee, Kugelwippe,

Stehaufmännchen, Gömböc, Kolumbuseier, Jojo, Maxwellrad, Schnurrer,

Slinky, Plasmakugel, Rotierender Globus, Leidenfrostrotor,

Koronen sind selten direkt zu beobachten


Manche Tintenstrahlfolien ersetzen

die Streupartikel vor Sonne oder

Mond und lassen Koronen um

beliebige Lichtquellen entstehen

Blick ins Blätterdach von Bäumen

Eva Seidenfaden

Koronen entstehen durch

Streupartikel (Wassertröpfchen)

vor Sonne und Mond

Die transparente Folie enthält

winzige Streupartikel

40 fache

Vergrößerung

Tantalusbecher mit Strohhalm


Strohhalm mit Bogen

als Heber


Weiß, aus drei Farben gemischt…

Im Lichte eines DLP- Beamers, kann die weiße Farbe in ihre Bestandteile

zerlegt werden: durch Bewegung.


Komplementärfarben im Schattenbereich

Einzelheiten in : Ucke/Schlichting: Spiel, Physik und Spaß. Berlin 2011 1


Weiße Scheibe im gemischten Licht


Erklärung der Funktion des Beamers

Rotierende Farbfolien bieten dem Auge in schneller Folge verschiedene

Farben an, die nicht mehr aufgelöst werden und zur Mischfarbe „Weiß“

verschmelzen.

Außerdem:

Einführung in

die Farboptik

Künstler

Piero Fogliato

im Phaeno

DLP-Beamer


DLP (Digital Light Processing)

Technik

Reflektives Projektionsverfahren:

Millionen bewegliche Mikrospiegel

sind auf Halbleiterchip geätzt.

Jeder Spiegel stellt einen Pixel dar

Je nach Ansteuerung der Spiegel

wird der Pixel zum Objektiv

reflektiert oder ins Abseits gelenkt.

. Farben werden durch ein Farbfilterrad - bildsynchrone Rotation - erzeugt.

Das menschliche Auge nimmt aufgrund der hohen Geschwindigkeit die

sequentiell ablaufenden RGB-Bilder als Mischfarben wahr


Freihandversuche als Zauberkunststück oder

Rätsel

Problem der Entzauberung und Wiederverzauberung

• Gehorsame Dose

• verzögerter Fall einer Kugel im Rohr,

• das gefangene Schlüsselbund,

• magnetische Weintrauben

• bergsteigende Schwimmer

• selbststartender Heber

• „Tantalusbecher“

• die angehaltene Zeit „Fermate einer Sanduhr“

• Die physikalische Erklärung entzaubert durch Entlarvung,

• führt aber auch zur Wiederverzauberung indem sie

• zauberhafte Aspekte des Alltäglichen sichtbar macht.

Diffuse, spiegelnde und totale Reflexion


• Laserstrahl ruft einen zentralen Fleck hervor,

der so intensiv ist, dass Nachbarbereiche mit

erhellt werden.

• Licht wird in sich selbst spiegelnd reflektiert

• Da Oberfläche glatt und matt ist, auch diffuse

Reflexion in alle Richtungen

• Licht trifft auf

Unterseite der

Wasserschicht

• ab Winkel der

Totalreflexion

wird Licht zum

Boden reflektiert

heller Bereich

Berechnungen 1

Berechnungen


01

2

1,00arcsin arcsin 48,7

1,33c

n

n

2tan

z

c

r

h 4 tanz cd h

Schichtdicke von h = 5 mm ergibt einen Durchmesser von d = 23 mm

Wasser hat einen

Brechungsindex von

n2 = 1,33

Zur Regenbogenstory von 1994 bis 2010


Simulation des „ Regenbogens ohne Regen“


E. van den Berg, F. Schweickert,

NVOX Jg. 35 Sept. 2010, Nr. 7.

http://www.natsim.net/ejs/schlicht

ingbow/

Beruhend auf einer analytisch hergeleiteten nur numerisch berechenbaren

Formel .

Einzelheiten siehe: Ucke, C.

/ Schlichting, H. J.

Spiel, Physik und Spaß


Regenbogen et al

Analogie mit dem Gartenschlauch (Veranschaulichung der maximalen

Lichtintensität): gleichförmige Vergrößerung des Winkels von 0° bis 90°.

Beobachtung: langsamer werdende Vergrößerung der Strahlweite bis 45°;

danach schneller werdende Verringerung der Strahlweite.

um die 45° wird das meiste Wasser pro Streckenabschnitt ergossen.

Im Regenbogenwinkel von 42° wird das Licht fokussiert, weil der mit der

Zunahme des Einstrahlwinkels zunehmende Ausstrahlwinkel immer

langsame zunimmt um anschließend wieder abzunehmen.

Demonstration mit einem rotierenden lichtdurchstrahlten Prisma: die

Lichtintensität nimmt bis zu

einem Grenzwinkel zu, dann

wieder ab.

01.03.2018 Schlichting: Physik im Alltag 21

Physik und Wahrnehmung

Die Wand durchschneidet den Lichtkegel Schattenhyperbel

Wohnästhetik in der bildenden Kunst

Woher kommt das Rot?

Schnitte durch Lichtkegel

Rasende Bürsten und tanzende Puppen

Von der Trägheit der Materie,

dieser dem Tanze entgegenstrebendsten aller Eigenschaften,

wissen sie nichts:

weil die Kraft, die sie in die Lüfte erhebt,

größer ist, als jene, die sie an die Erde fesselt

Heinrich von Kleist

Literatur: Ucke/Schlichting: Spiel, Physik und Spaß 2011 01.03.2018 H. Joachim Schlichting WWU Münster 22


Tanzende Puppen

• Schwingung wird auf Borsten übertragen

Gemeinsamkeiten mit der rasende Bürste:

• Borsten als Beine


Die Borste als Antriebsaggregat

Blattfeder als Modell

1. Akt: Schwingung nach unten:

elastisches Durchbiegen bei Abwärtsbewegung das gesamte Systems

neigt sich nach vorn und bleibt durch Haftreibung am Boden fixiert

unbelastete

Borste

Haftreibung

belastete

Borste

2. Akt: Schwingung nach oben:

Entlastung der Feder bzw. Borste, die wegen Trägheit und Verminderung

der Reibung nach vorn gleitet und

Den Anfang für einen neuen Zykus setzt.

1


Ungleichförmigkeit der Bewegung

• aufgrund des chaotischen akustischen Signals Variation von

Amplituden und Perioden der Schwingung

• Wechsel von schnellen und langsamen Phasen der Drehung

• gerichtete Drehbewegung aus chaotischem Signal

(Gleichrichtungswirkung der Borsten)

• Art, Zahl, Länge, Neigung der Borsten bestimmt die konkrete

Bewegung

Experimentellelle Variationen

• selbst bei Bemühen um symmetrische Anordnung herrscht

Symmetriebruch stets (evt. langsame) Drehung

2

Hexbug


e

Spielzeugvariante der

rasenden Bürste:

Kleiner Motor mit

Exzenter bringt

Hexbug zum Rasen.


Wandernde Teppiche...

• Rolle des Teppichbodens: Erhöhung die Haftreibung in der ersten Phase

der Fortbewegung

H. J. Press: Geheimnisse des Alltags


Kriechfortbewegung von Schlangen

1. Hautschuppen werden über den Boden gleitend nach vorn gezogen

(Gleitreibung) und aufgestellt

2. Indem die Schuppen auf dem Boden

festgekeilt (Haftreibung) sind, wird der

Körper nach vorn gezogen. Die Schuppen

legen sich dabei wieder an den Körper an.

Der Vorgang kann erneut beginnen.

Jede Form von Vibratoren wie elektrische

Zahnbürste, Massagestäbe, elektrische

Rasierer, Schwingschleifer können

benutzt werden, um gerichtete Bewegung

hervorzurufen

Selbsttätiges Lösen von Schrauben

Mixer u.ä. Haushaltsgeräte, die sich

selbstständig machen

Selbstorganisierte Fesselung


Man nehme: Kette und Ring, schiebe Ring über Kette und lasse Ring fallen

Demonstration durch weitere FV

• gefesselte Schlüsselbund

• Knopf und Garnrolle

Ring dreht sich, überträgt Drehimpuls auf

Kette, die durch Verkürzung beschleunigt

wird und die Schlinge über den Ring wirft

*

Das gefesselte Schlüsselbund


m1 wird gefesselt, weil

• sich der Faden mit m2 um den Stab

wickelt und

• es zur Selbsthemmung kommt.

Man hat den Eindruck, dass die

Geschwindigkeit aufgrund der Dreh-

impulserhaltung und kleiner

werdendem Radius größer wird.

Der Eindruck täuscht, wie eine Lang-

zeitaufnahme (mit Blinker) zeigt: Die

Strichlängen sind gleich lang

konstante Geschwindigkeit

abnehmender Drehimpuls.

Drehimpuls wird auf Luft und Stab

übertragen.

Rehwald/Heusler: MNU 66/1 (2013) Langzeitbelichtung

E

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