Das elektrische Messen nichtelektrischer Messgrößen hat mittlerweile so starke Verbreitung erlangt, dass es derart alltäglich scheint, dass dem Einen oder Anderen2 sicherlich nicht sofort unzählige Anwendungen in den Sinn kommen, würde man danach fragen. Doch sei es in der Fahrzeugtechnik (Geschwindigkeitsmessung, Temperaturmessung des Motors und so weiter), beim Sport (Tiefen- und Höhenmessung beim Tauchen oder Bergsteigen oder Geschwindigkeitsmessungen in der Leichtathletik und anderen Sportarten) oder im Haushalt (Temperaturmessung mittels üblichem Thermometer, Touchscreens bei Smartphones und so weiter), um hier nur ein paar Beispiele aufzuführen, die Thematik ist in Wissenschaft, Technik, Forschung und auch Alltag allgegenwärtig, wie auch Herr Schubert bereits herausgestellt hat. Sicherlich gibt es im Rahmen der Veranstaltung „physikalische Schulexperimente III“ andere Themengebiete, die eine hohe Bedeutung besitzen, doch ist kaum vorstellbar, dass, auch aufgrund des auf den ersten Blick verwirrend klingenden Titels, ein Thema, oberflächlich betrachtet, so in seiner Bedeutung unterschätzt wird, wie dieses.
Inhaltsverzeichnis
I. Einführung
II. Hauptteil/gewählte Vorgehensweise
II.I Prinzip der Temperaturmessung über den Widerstand eines Halbleiters
II.II Dämmerungsschalter mit Transistor, bei dem bei Dunkelheit das Licht eingeschaltet wird
II.III Bestimmen der Füllstandshöhe durch Messung der Kapazität eines Plattenkondensators
III. Schluss/Fazit
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit setzt sich zum Ziel, drei physikalische Experimente zur Messung nichtelektrischer Größen hinsichtlich ihrer wissenschaftlichen und didaktischen Eignung für den schulischen Unterricht zu analysieren, auszuwerten und zu reflektieren.
- Analyse und Didaktik der Temperaturmessung mittels Halbleiterwiderständen.
- Konstruktion und Funktionsweise eines transistorbasierten Dämmerungsschalters.
- Experimentelle Bestimmung von Füllständen durch Kapazitätsmessung an Kondensatoren.
- Didaktische Reduktion komplexer physikalischer Modelle für den Physikunterricht.
- Reflexion der Schülermotivation und praktischen Umsetzung im Labor.
Auszug aus dem Buch
II.II Dämmerungsschalter mit Transistor, bei dem bei Dunkelheit das Licht eingeschaltet wird
Dieses Experiment ist ein qualitatives Schülerexperiment. Zentral für das Gelingen und Durchführen des Versuchs sind das Wissen und das Arbeiten mit einem Transistor und einem Fotowiderstand. Der Transistor taucht im Lehrplan erstmalig in der 9. Klasse im Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik, wie in Abbildung 2 zu sehen, im Kontext des Schülerexperiments zu „ausgewählte[n] Halbleiterbauelemente[n]“ auf, in welchem der Fokus überwiegend auf der Funktion als Halbleiterdiode/lichtemittierende Diode („LED“) liegt. Da im Experiment jedoch der Transistor als Bipolartransistor in seiner ursprünglichen Funktionsweise im Mittelpunkt steht, ist das Schülerexperiment ebenfalls wie Experiment II.I, in den Leistungskurs der Klassenstufe 11 im Wahlpflichtbereich 2: Leitungsvorgänge in Halbleitern, zu kategorisieren. Abbildung 3 zeigt, dass der Transistor in diesem Lernbereich erstmals genauer betrachtet wird, indem auf den verschiedene Arten von Transistoren, wie zum Beispiel den für das Experiment benötigten Bipolartransistor, eingegangen wird.
Eine ähnliche Argumentation wie in Abschnitt II.I legitimiert die Wahl, dieses Experiment für diesen Lernbereich einzustufen: Das Vorwissen der Schüler. Da in der Klassenstufe 9 vor allem die „charakteristische[n] Eigenschaften“ im Fokus stehen und lediglich mit U-I Kennlinien gearbeitet wird, aber nicht tiefergehend auf die Funktionsweisen eingegangen wird, wäre es unangemessen, den Schülern bereits in der 9. Klasse als Zielstellung die Aufgabe zu geben, einen Dämmerungsschalter zu bauen, zumal die Sicherheit im Umgang mit den elektronischen Bauteilen mit hoher Wahrscheinlichkeit noch nicht vollends vorausgesetzt werden kann.
Zusammenfassung der Kapitel
I. Einführung: Das Kapitel stellt die Bedeutung des elektrischen Messens nichtelektrischer Größen im Alltag und in der Wissenschaft dar und definiert das Ziel der Arbeit, drei spezifische Experimente didaktisch zu analysieren.
II. Hauptteil/gewählte Vorgehensweise: Hier wird das methodische Schema erläutert, nach dem alle drei Experimente untersucht werden, um eine hohe Qualität der Analyse und Reflexion zu gewährleisten.
II.I Prinzip der Temperaturmessung über den Widerstand eines Halbleiters: Dieses Kapitel behandelt ein quantitatives Experiment zur Temperaturabhängigkeit von Halbleiterwiderständen und dessen Einordnung in den Lehrplan der gymnasialen Oberstufe.
II.II Dämmerungsschalter mit Transistor, bei dem bei Dunkelheit das Licht eingeschaltet wird: Die theoretische Grundlage und der praktische Aufbau eines Dämmerungsschalters werden hier dargestellt, wobei der Fokus auf der Funktionsweise des Bipolartransistors liegt.
II.III Bestimmen der Füllstandshöhe durch Messung der Kapazität eines Plattenkondensators: Dieses Kapitel beschreibt ein komplexes Experiment zur Füllstandsmessung und reflektiert die mathematische Auswertung sowie die physikalischen Grundlagen der Kapazität.
III. Schluss/Fazit: Das Fazit zieht eine Bilanz über die Eignung der untersuchten Experimente für den Physikunterricht und betont deren Wert für die Förderung des physikalischen Verständnisses.
Schlüsselwörter
Halbleiter, Transistor, Fotowiderstand, Plattenkondensator, Didaktik, Physikunterricht, Kapazität, Schülerexperiment, Bipolartransistor, Temperaturmessung, Füllstandsmessung, Elektronik, Bändermodell, pn-Übergang, Messapparatur.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit dem elektrischen Messen nichtelektrischer Größen und untersucht drei verschiedene Experimente hinsichtlich ihrer Eignung für den Physikunterricht.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Arbeit fokussiert sich auf Halbleiter, Transistoren und Kondensatoren sowie deren Anwendung in Messschaltungen wie Temperaturfühlern, Dämmerungsschaltern und Füllstandsmessgeräten.
Welches primäre Ziel verfolgt der Autor?
Das Ziel ist die wissenschaftliche und didaktische Aufbereitung, Beschreibung und Reflexion der Experimente zur Vorbereitung für den Einsatz im schulischen Physikunterricht.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor nutzt ein fünfstufiges Schema zur Analyse, welches Kategorisierung, Versuchsaufbau, wissenschaftliche Beschreibung, schulischen Bezug und eine abschließende Reflexion umfasst.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden nacheinander die drei Experimente (Temperaturmessung, Dämmerungsschalter, Füllstandsmessung) nach dem definierten Schema im Detail analysiert.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Zentrale Begriffe sind Halbleiterphysik, fachdidaktische Reduktion, Schülerexperiment und die praktische Anwendung elektronischer Bauteile.
Warum wird der Dämmerungsschalter erst in Klasse 11 empfohlen?
Aufgrund der Komplexität des Bipolartransistors und der notwendigen Sicherheit im Umgang mit elektronischen Bauteilen ist das Niveau der Klassenstufe 11 für ein selbstständiges Schülerexperiment besser geeignet.
Welche Schwierigkeiten könnten bei der Füllstandsmessung auftreten?
Praktische Probleme wie die Instabilität der Kondensatorplatten beim Befüllen oder komplexe mathematische Berechnungen bei der Kapazitätsauswertung werden als potenzielle Hürden genannt.
Wie ist die didaktische Reduktion im Kontext der Arbeit zu verstehen?
Sie beschreibt die Vereinfachung komplexer quantenphysikalischer oder mathematischer Modelle (z.B. Differentialgleichungen), um diese auf einem für Schüler verständlichen Niveau unterrichten zu können.
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- Robert Schich (Author), 2013, Elektrisches Messen nichtelektrischer Messgrößen , Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/213113
