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Page 1: Populationsdynamik mit grafikorientierter Modellbildung mit... · /5/ Lotka, A. J., Elements of physical biology, Williams and Wilkins; Baltimor 1925 /6/ Volterra V. (1926), in Chapman

Gedruckt im Rechenzentrum der Universität Leipzig.

Populationsdynamik mit grafikorientierter ModellbildungPopulationsdynamik mit grafikorientierter ModellbildungDiana Oehler, Peter Rieger, Wolfgang Diana Oehler, Peter Rieger, Wolfgang OehmeOehme

MotivationMotivationIm sächsischen Lehrplan Physik für Gymnasien /1/ sind sowohl die Modellbildung und Simulation als auch die Nichtlineare Dynamik als neue, verbindliche Inhalte für den Leistungskurs Physik ausgewiesen.

Ansprechpartner: [email protected]

FakultFakultäät ft füür Physik und Geowissenschaftenr Physik und GeowissenschaftenBereich Didaktik der PhysikBereich Didaktik der Physik

LiteraturLiteratur

/1/ Lehrplan Gymnasien, Physik, SMK, 2009/2/ Firma Ellen Hoche, Einführung in Moebius, Stuttgart 2002/3/ Oehler, D., Bachelorarbeit , Universität Leipzig 2009/4/ Oehme, W., www.uni-leipzig.de/Physikdidaktik/5/ Lotka, A. J., Elements of physical biology,

Williams and Wilkins; Baltimor 1925/6/ Volterra V. (1926), in Chapman ,R.N.,Animal ecology,

McGraw-Hill, New Yorck 1931

Leistungskurs 11

Leistungskurs 12

Modellbildung und Modellbildung und Simulation mit Simulation mit MoebiusMoebius

Das Modellbildungssystem Moebius /2/ wurde unter dem Gesichtspunkt entwickelt, möglichst einfache Modelle zu gestalten, die sprachlich, grafisch und algorithmisch formuliert werden können. Für sächsische Schulen steht eine Landeslizenz zur Verfügung.

Nachdem die Methode der Modellbildung und Simulation an vertrauten physikalischen Inhalten eingeführt wurde, gilt es, sie als typisches naturwissenschaftliches Vorgehen zu nutzen, um klassische Inhalte zu erweitern und neue Inhalte zu erschließen. Ausgehend von geradlinigen Bewegungen setzt sich der Weg über weitere Inhalte bis zur Abiturprüfung fort /3,4/.

Es bietet sich deshalb an, den Bogen von der Modellierung einfacher Bewegungen bis zur Beschreibung von Räuber-Beute-Systemen zu spannen.

Modellbildung und Simulation als BrModellbildung und Simulation als Brüückenschlagckenschlag

5,00 m10 m3,80 m3 m3,60 m1 mBeckentiefePlattform

Warum wächst die Beckentiefe nicht proportional zur Absprunghöhe?

Erweiterung klassischerErweiterung klassischer InhalteInhalte Aufnahme modernerAufnahme moderner InhalteInhalte

Beispiel Turmspringen

FINA-Regeln für die Tiefe des Sprungbeckens

smghv

mvmgh

/14221 2

≈=

=Phase 1: Fall aus 10 m Höhe

Annahme: freier Fall

Phase 2: Tauchphase

Modell: Wirbelbildung -> Newtonsche ReibungAuftriebskraft = Gewichtskraft

Acc

vcvAcF

FFFF

FFFF

WW

WWW

W

AG

WAG

⋅⋅=

⋅=⋅⋅⋅=

−=−=

++=

ρ

ρ

2121 22

rr

rrrr

2vcam ⋅−=⋅

Annahmen: m= 60 kgKugelgestaltc = 50 kg/m

2vmc

dtdv

⋅−=

Bild: Reg Mckenna, UK

Bild: Wikipedia.org User Breesk, UK

YXbYaY

YXbXaX

⋅⋅+⋅−=

⋅⋅−⋅=

22

11

&

&Lotka-Volterra-Gleichungen /5,6/ als Wachstumsraten

Rückkopplung

Rückkopplung

Wechselwirkung

XaX ⋅= 1& YaY ⋅−= 2

&

YXbYaY

YXbXaX

⋅⋅+⋅−=

⋅⋅−⋅=

22

11

&

&

Isolierte Populationen

Population X: Beute mit unbeschränkter Futterreserve

Exponentielles Wachstum

Population Y: Räuber ohne FutterExponentieller Abfall

Wechselwirkende PopulationenLotka-Volterra-Gleichungen

Begegnungsterme

Beute X

Räuber Y

Bild: Wikipedia.org UserManuel Anastácio

Modellbildung

Simulation

Diskussion

a) Absprunghöhe 10 m: v ≈14 m/st = 2,0 s -> v < 1,0 m/s und x < 4,0 m

b) Absprunghöhe 1,0 m: v ≈ 4,5 m/st = 2,0 s -> v < 1,0 m/s und x < 3,0 m

Die Eintauchtiefe nimmt nur geringfügig mit der Absprunghöhe zu.

Beispiel Räuber-Beute-Systeme

Quelle: Universität Bonn

Aufzeichnungen der Hudson‘s Bay Company

Vom exponentiellen Wachstum zu den Lotka-Volterra-Gleichungen

Problemstellung Problemstellung

Modellbildung

Simulation

Eintauchtiefe

Geschwindigkeit