Der Doppler-Effekt in der Schule. Ein Demonstrationsexperiment für den Physikunterricht


Hausarbeit, 2018

22 Seiten, Note: 1


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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Der Doppler-Effekt
2.1 Die Entdeckung des Doppler-Effekts
2.2 Der akustische Doppler-Effekt
2.3 Der optische Doppler-Effekt
2.4 Anwendungsmöglichkeiten des Doppler-Effekts

3 Der Doppler-Effekt in der Schule
3.1 Bildungsplanbezug
3.2 Demonstrationsexperiment zum Doppler-Effekt
3.2.1 Mikrofonpendel mit Cassy-System
3.2.2 Auswertung mit Spectrum-Lab
3.2.3 Modifizierte Variante mit zwei Smartphones
3.3 Diskussion zum schulischen Einsatz

4 Fazit

5 Quellen- und Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Am 25. Mai 2017 jährte sich die Veröffentlichung der Schrift „Über das farbige Licht der Doppelsterne“ zum 175-igsten Mal. Der österreichische Physiker Christian Doppler behauptete, in dieser Arbeit herausgefunden zu haben, wie die Farbigkeit der Doppelsterne entsteht. Er führte es auf etwas zurück, das später als der „Doppler-Effekt“ bezeichnet wurde.

Damit schuf Doppler eine Theorie, deren enormer Wert erst im Nachhinein erkannt wurde. Denn Dopplers Arbeit stellte sich sowohl als richtig, als auch als falsch heraus. Doppler hatte eine richtige Erklärung gefunden, nur leider für das falsche Naturphänomen. Seine Vermutung bezüglich der Doppelsterne stellte sich als Irrtum heraus. Trotzdem wurde der Doppler-Effekt noch im Jahr 2007 von Anton Zeilinger, dem damaligen Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaft, sogar als der „Jahrtausendeffekt“ bezeichnet (vgl. Christian Doppler Fonds 2018, Das Jubiläumsjahr 2017 im Überblick).

Tatsächlich ist der Doppler-Effekt im täglichen Leben der Menschen allgegenwärtig. Ob nun direkt wahrnehmbar als Naturphänomen oder in Form von technischen Geräten, die auf seinem Prinzip basieren. Der hohe Alltagsbezug des Doppler-Effekts macht ihn zu einem attraktiven Gegenstand für den schulischen Physikunterricht. In den aktuellen Bildungsplänen scheint er jedoch kaum Berücksichtigung zu finden. Gerade im unteren Sekundarbereich ließen sich mit einfachen Mitteln anschauliche Experimente zum Doppler-Effekt durchführen.

Was genau der Doppler-Effekt ist und wie er in den schulischen Unterricht integriert werden kann, soll den Kern dieser Arbeit ausmachen.

Hier soll zunächst auf den Sachgegenstand, den Doppler-Effekt, eingegangen werden. Dies wird eine kurze Betrachtung seiner Entdeckungsgeschichte, den fachwissenschaftlichen Hintergrund zu akustischem und optischem Doppler-Effekt sowie ihre Anwendungsmöglichkeiten umfassen.

Anschließend soll das Augenmerk auf die Verbindung des Doppler-Effekts mit dem schulischen Unterricht gerichtet werden. Dazu werden als Erstes die aktuellen Bildungspläne betrachtet. Hierbei wird es eine Eingrenzung auf die Pläne des Bundeslandes Baden Württemberg und die Sekundarstufen 1 und 2 geben. Danach werden drei Varianten eines Versuchsaufbaus eines Demonstrationsexperiments vorgestellt, anhand derer der Doppler-Effekt im Physikunterricht eingeführt werden kann. Dabei werden zunächst die ersten beiden Varianten kurz beschreiben. Bei der dritten Variante handelt es sich um eine Modifikation der anderen beiden. Diese eigene Variante soll die anderen Versuche aufgreift und erweitern, um dadurch eine bessere Passung an die Vorgaben der Bildungspläne und die Lernbedingungen der Schülerinnen und Schüler zu erreichen. Wie geeignet der Doppler-Effekt sowie das vorgestellte Demonstrationsexperiment für den schulischen Einsatz sind, soll im Anschluss daran diskutiert werden.

2. Der Doppler-Effekt

2.1. Die Entdeckung des Doppler-Effekts

Der Doppler-Effekt erhielt seinen Namen vom österreichischen Physiker Christian Doppler (1803-1853). Doppler erforschte die Farbunterschiede die bei sogenannten Doppelsternen auftreten. Dabei handelt es sich um zwei Sterne, die so nah beieinander stehen, dass sie aufgrund ihrer Massenanziehung um ein gemeinsames Baryzentrum kreisen. Mittels dieser umkreisenden Bewegung, bewegt sich immer ein Stern auf einen Beobachter zu, während sich der andere von ihm entfernt (vgl. Spektrum 1998, Doppelsterne).

Astronomen sahen Farbunterschiede zwischen den Sternen eines Doppelsterns. Doppler glaubte eine Erklärung für dieses Naturphänomen gefunden zu haben und veröffentlichte im Jahre 1842 bei der Böhmischen Gesellschaft der Wissenschaften in Prag seine Arbeit mit dem Titel „Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger Gestirne des Himmels“ (vgl. Christian Doppler Fonds 2018, Lebenslauf). Seiner Hypothese nach, beruhte die Farbigkeit der Sterne auf der Entfernungsänderung während ihrer Lichtaussendung. Allerdings war das schon nach dem damaligen Kenntnisstand der Astronomen unhaltbar, und wie sich später herausstellte, waren die Temperaturunterschiede an der Oberfläche der Sterne dafür verantwortlich (vgl. Max-Plank-Institut für Radioastronomie, Der Doppler-Effekt).

Obwohl sich seine ursprüngliche Vermutung bezüglich der Doppelsterne als Irrtum herausstellte, konnte Dopplers Theorie nachgewiesen werden. Den Beweis für seine Theorie blieb er selbst schuldig. 1845 führte jedoch der Physiker Christoph Buys-Ballot ein Experiment dazu durch. Der Doppler-Effekt bei Licht konnte aufgrund der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen nur schwer untersucht werden. Da sich der Schall jedoch ebenfalls in Wellen ausbreitet, nur mit wesentlichen niedriger Geschwindigkeit, wurde versucht, dadurch den Nachweis für den Doppler-Effekt zu erbringen. Bei dem Experiment wurden mehrere Trompeter sowohl auf einer fahrenden Eisenbahn, als auch neben der Bahnstrecke platziert. Dabei sollten sie darauf achten, ob sich eine Tonverschiebung durch die vorbeifahrenden Trompeter ergab. Tatsächlich konnte eine hörbare Verschiebung von einem Halbton bei einer Fahrtgeschwindigkeit von 70km/h erfasst werden, womit die Richtigkeit von Dopplers Theorie letztendlich bestätigt werden konnte (vgl. Schneider 2002).

2.2. Der akustische Doppler-Effekt

Der Doppler-Effekt kann bei Wellen jeglicher Art auftreten. Es existieren jedoch einige Unterschiede. So benötigen Schallwellen im Gegensatz zu Lichtwellen ein Medium (z.B. Luft), in dem sie sich ausbreiten können. Wenn man den Doppler-Effekt bei akustischen Wellen erklären möchte, muss man verschiedene Fälle unterscheiden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich das Medium selbst in Ruhe befindet (vgl. Paus 2007, S.649ff).

Im ersten Fall ruht der Empfänger der Schallwellen, während sich die Quelle, die den Schall aussendet, auf ihn zubewegt. Der Abstand der Wellenberge zwischen Sender und Empfänger verkleinert sich durch diese Bewegung. Erreicht die Geschwindigkeit des Senders die Schallgeschwindigkeit, wird die Wellenlänge 0. Dadurch türmen sich die Wellenberge zur einer Schallmauer. Erhöht sich die Sendergeschwindigkeit weiter, so bildet sich eine sogenannte Kopfwelle aus. Dabei werden die ausbreitenden Wellen von der Quelle überlaufen. Die Wellen sind auf den Raumbereich hinter dem Machschen Kegel beschränkt (vgl. Stuart 2010, S. 84). Die veränderte Frequenz wird folgendermaßen berechnet, wobei der neuen Frequenz, f 0 der ursprünglichen Frequenz und c der Schallgeschwindigkeit entspricht. Bei einer Annäherung gilt das negative und bei einer Entfernung das positive Vorzeichen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im zweiten Fall ruht der Sender, und der Empfänger bewegt sich auf ihn zu. Die Wellenlängen der vom Sender ausgehenden Wellen verändern sich in diesem Fall nicht, sondern es werden Kugelwellen erzeugt. Die Wellenlänge der beim Empfänger ankommenden Wellen verkürzt sich hier dadurch, dass sich der Empfänger entgegen der Ausbreitungsrichtung der Wellen bewegt. Die Geschwindigkeit des Empfängers wird durch v e abgekürzt. Nähert er sich der Quelle, so gilt das positive Vorzeichen, und wenn er sich entfernt das Negative. Die neue Frequenz wird bestimmt durch:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im dritten Fall bewegen sich sowohl der Sender als auch der Empfänger aufeinander zu. Hier werden die Formeln der ersten beiden Fälle kombiniert, wobei immer das obere Formelzeichen eine Annäherung und das Untere für eine Entfernung von Sender und Empfänger steht. Die neue Frequenz wird mit v s als Geschwindigkeit des Senders berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Verschiebung der Wellenlänge äußert sich beim akustischen Doppler-Effekt durch eine Änderung der Tonhöhe. Verkürzt sich die Wellenlänge, so klingt ein Ton höher, während eine Vergrößerung der Wellenlänge einen tieferen Ton verursacht (vgl. Max-Plank-Institut für Radioastronomie, Der Doppler-Effekt).

2.3. Der optische Doppler-Effekt

Anders als Schallwellen, breiten sich elektromagnetische Wellen auch im Vakuum aus und benötigen kein Medium. Somit wird auch keine Fallunterscheidung vorgenommen, da nur die relative Bewegung von Sender und Empfänger ausschlaggebend ist (vgl. Paus 2007, S.651).

Berechnet werden kann die neue Frequenz f B folgendermaßen, wobei f S die vom Sender ausgehende Frequenz darstellt, c die Lichtgeschwindigkeit und v die relative Geschwindigkeit von Sender und Empfänger aufeinander zu. Entfernen sie sich voneinander, so kehren sich die Vorzeichen der Operatoren um:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Entfernen sich Signalquelle und Beobachter voneinander, verschiebt sich das Lichtspektrum des Lichts in den roten Bereich, da die Wellenlänge größer wird. Bei Annäherung von Sender und Empfänger kommt es hingegen zu einer Blauverschiebung, weil die Wellen verkürzt werden (vgl. Giancoli 2006, S.1252f).

In der Astronomie ist der Doppler-Effekt in Form der Rotverschiebung bekannt. Er wird von Astronomen zur Messung von Entfernung oder Geschwindigkeit weit entfernter Objekte verwendet. Der relativistische Doppler-Effekt ist allerdings nur dann die Hauptursache für die Frequenzänderung, wenn sich Quelle und Beobachter durch die Raumzeit bewegen und ihr Abstand gering genug ist, dass die Ausdehnung des zwischen ihnen liegenden Raumes gering ist. Ist die Entfernung zu groß, überwiegt der Anteil, der durch die Ausdehnung der Raumzeit hervorgerufen wird, sodass der Anteil des Doppler-Effekts vernachlässigt werden kann (vgl. Müller 2014, Doppler-Effekt).

2.4. Anwendungsmöglichkeiten des Doppler-Effekts

Die Entdeckung des Doppler-Effekts hatte weitreichende Konsequenzen für die technische Entwicklung. Heutzutage wird der Doppler-Effekt in unterschiedlichen Bereichen für verschiedene technische Geräte genutzt.

Der akustische Doppler-Effekt kommt beispielsweise im medizinischen Bereich zum Einsatz. Hier wird mit Ultraschallwellen, die von roten Blutkörperchen reflektiert werden, die Fließgeschwindigkeit von Blut bestimmt. Auch die Herzschläge eines Fötus können mit dieser Technik aufgezeichnet werden (vgl. Giancoli 2006, S. 582).

Noch weitaus größeres Potential bietet der optische Doppler-Effekt. So spielt er in verschiedenen Radarsystemen eine zentrale Rolle, wie beispielsweise bei solchen für die Wettervorhersage. Niederschläge werden durch die Zeitverzögerung bei der Aussendung elektromagnetischer Wellen, deren Reflexion an Regentropfen und anschließenden Registrierung, lokalisiert. Außerdem werden auf diese Weise auch Bewegungsrichtung sowie die Geschwindigkeit des Niederschlaggebiets bestimmt.

Auch für die Astronomie ist der optische Doppler-Effekt unverzichtbar geworden. Hier können die Geschwindigkeiten weit entfernter Galaxien bestimmt werden. Da es hier im Licht der Galaxien zur sogenannten Rotverschiebung kommt, gehen Astronomen heute davon aus, dass sich die Himmelskörper voneinander wegbewegen und das Universum expandiert. Diese Erkenntnis bildet zudem die Grundlage für die Urknall-Theorie (vgl. Giancoli 2006, S. 582).

3. Der Doppler-Effekt in der Schule

3.1. Bildungsplanbezug

Im Gemeinsamen Bildungsplan 2016 der Sekundarstufe 1 bilden die Themengebiete Optik und Akustik eine Einheit. Da der Doppler-Effekt in beiden Bereichen auftaucht, wäre er ein Phänomen, dass sich prinzipiell gut in dieses Gebiet integrieren lassen müsste. Der Doppler-Effekt wird zwar nicht explizit erwähnt, jedoch werden folgende Kompetenzen von den Schülerinnen und Schülern des erweiterten Niveaus erwartet:

„Die Schülerinnen und Schüler können Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Licht und Schall beschreiben (Sender und Empfänger, Wahrnehmungsbereich, Medium, Ausbreitungsgeschwindigkeit)“ (vgl. Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg a, S. 15).

Die selbe Formulierung des Gemeinsamen Bildungsplans findet sich auch beim Bildungsplan des Gymnasiums für die Klassen 7/8 wieder (vgl. Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg b, S. 14). In der Oberstufe des Gymnasiums wird zudem näher auf Wellenphänomene, sowohl mechanisch, als auch optisch, eingegangen, doch es findet sich keine Erwähnung des Doppler-Effekts. Der Bildungsplan der Oberstufe an Gemeinschaftsschulen hält sich größtenteils an den gymnasialen Plan, und so ist der Doppler-Effekt auch hier nicht zu finden (vgl. Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg c).

3.2. Demonstrationsexperiment zum Doppler-Effekt

In diesem Kapitel sollen drei Variationen eines möglichen Demonstrationsexperiments für den schulischen Einsatz vorgestellt werden, anhand derer der akustische Doppler-Effekt demonstriert werden kann. Dabei wird es sich bei allen dreien um eine Messung des Doppler-Effekts mithilfe eines Mikrofonpendels handeln. Die Verschiebung einer Tonfrequenz wird über die Pendelbewegung des Senders, der konstant eine bestimmte Tonfrequenz ausgibt, realisiert. Die Durchführung ist bei allen Varianten gleich. Zunächst wird die Anfangsfrequenz des Schallsignals im Ruhezustand bestimmt. Dann wird das Pendel ausgelenkt und pendelt auf den Empfänger zu, bzw. von ihm weg. Aus dem aufgezeichneten Signal wird dann je nach Aufbau abgelesen, wie sich die Frequenz aufgrund der unterschiedlichen Schwingungsrichtungen verändert hat.

Zunächst sollen die ersten beiden Varianten eines solchen Versuchsaufbaus vorgestellt werden. Anschließend werden diese bezüglich ihrer praktischen Umsetzbarkeit beurteilt und eine modifizierte Variante der ersten beiden Versuche dargelegt, die sich unter Berücksichtigung der aktuellen Bildungspläne möglicherweise besser in den schulischen Unterricht integrieren lässt.

3.2.1. Mikrofonpendel mit Cassy-System

Der erste Versuch basiert auf einem Artikel aus dem Magazin „Praxis der Naturwissenschaften“ aus dem Jahr 2004 (vgl. Vogt/ Schwarz/ Walther 2004, S. 8ff.). Der von den Autoren vorgeschlagene Versuchsaufbau besteht aus einem fest stehenden Mikrofon und einem schwingenden Lautsprecher, der ein hochfrequentes Schallsignal ausgibt. Das Signal muss deshalb hochfrequent sein, da es sich so einerseits von etwaigen störenden Umgebungsgeräuschen abhebt, andererseits wird dadurch die Frequenzverschiebung deutlicher, da sich Ausgangsfrequenz und die Verschiebung proportional zueinander verhalten.

Der Lautsprecher wird in diesem Aufbau bifilar aufgehängt, damit er immer in Richtung des Mikrofons schwingen kann. Die Pendellänge beträgt 2,5 Meter. Beim Nulldurchgang erreicht der Pendelkörper seine Maximalgeschwindigkeit, und je nachdem in welche Richtung sich das Pendel bewegt, ist die Frequenz nach oben oder unten verschoben. Die Autoren schlagen vor, ein computergestütztes System zur Messwerterfassung zu verwenden. Das Cassy-System wird in diesem Zusammenhang empfohlen. Dadurch können am Computer die Spektrallinien der schwingenden Schallquelle erfasst und mit der implementierten Frequenzanalyse die verschobenen Frequenzen bestimmt werden.

In der Schule können durch diesen Aufbau verschiedene Fälle des akustischen Doppler-Effekts behandelt werden. Es können sowohl Annäherung als auch Entfernung einer Tonquelle simuliert und untersucht werden. Aufgabenstellungen zu diesem Aufbau werden von den Autoren hier jedoch nicht genannt. Der „Doppler-Effekt“ als Unterrichtsgegenstand gehört für die Autoren in die gymnasiale Oberstufe.

3.2.2. Auswertung mit Spectrum-Lab

Die zweite Variante dieses Versuchs stammt von Christopher Wolf, der diesen Versuch für die Internet-Plattform PhySX-Wiki, ein Gemeinschaftsprojekt der Humbolt-Universität zu Berlin und der Ruhr-Universität Bochum, zur Verfügung gestellt hat (vgl. Wolf 2018).

Das Pendel besteht in diesem Versuch aus einem 2,245 Meter langen Seil und einer Bowlingkugel mit einer Masse von etwa 8 Kilogramm. Als Sender fungiert bei diesem Aufbau ein Smartphone mit der App „Pro Audio Tone Generator“. Der Empfänger besteht aus einem Mikrofon, das an einen Computer angeschlossen wird. Über die freie Software „Audacity“ wird das Tonsignal aufgezeichnet. Um die Verschiebung in der Tonfrequenz des Senders zu ermitteln, wird zusätzlich das Freeware-Programm „Spectrum Lab“ benötigt. Hier kann über eine „Fast Fourier Transformation“ das Frequenzspektrum des aufgezeichneten Tons ermittelt werden. So können im Programm die Maxima und Minima in einem Frequenz-Zeit-Diagramm abgelesen werden.

Der Autor macht konkrete Vorschläge für mögliche Schüleraufgaben zu diesem Experiment. So sollen die Schülerinnen und Schüler aus gegebener Pendellänge und Auslenkhöhe die Tonverschiebung durch den Doppler-Effekt vorhersagen. Aus der veränderten Tonhöhe könne zudem sowohl die Maximalgeschwindigkeit des Pendels als auch die Seillänge berechnet werden. Dieses Demonstrationsexperiment ist laut dem Autor geeignet für die Sekundarstufe 1 in den Jahrgangsstufen 9/10, und die Materialien sollten in der Materialsammlung der meisten Schulen vorhanden sein, bzw. sich im Privatbesitz der Lehrperson befinden.

3.2.3. Modifizierte Variante mit zwei Smartphones

Bei der dritten Variante handelt es sich um eine Modifikation der ersten beiden. Der grundlegende Aufbau unterscheidet sich nicht von den anderen Varianten. Auch hier wird ein Pendel bifilar im Raum befestigt, an dem die Schallquelle befestigt wird.

Vereinfachungen beim Aufbau gibt es vor allem beim Materialeinsatz. Der Versuchsaufbau von Vogt, Schwarz und Walther benötigt neben einem Mikrofon und einem geeigneten Lautsprecher zusätzlich ein Cassy-System, um das Experiment damit durchzuführen. Der Versuch von Wolf wurde beim Materialaufwand schon dahingehend vereinfacht, dass mehr auf Alltagstechnik zurückgegriffen wurde. Anstelle des Cassy-Systems wurde hier ein Computer mit freier Software verwendet, um das Tonsignal eines Smartphones aufzuzeichnen und auszuwerten. Ein solcher Schritt ist nicht nur in Hinblick auf die oft limitierte schulische Ausstattung sinnvoll, sondern stellt auch einen Vorteil für die Lernenden dar. Das Einbeziehen technischer Geräte, die den Schülerinnen und Schülern aus dem eigenen Alltag bekannt sind, kann auf die Lernenden zusätzlich motivierend wirken (vgl. Kirchner/ Girwidz/ Häußler 2009, S. 58ff).

Diese modifizierte Variante soll dabei noch einen Schritt weiter gehen, indem für den Empfänger anstelle eines Mikrofons ein zweites Smartphone zum Einsatz kommt. Zudem findet die Auswertung des Tonsignals über die App „phyphox“ direkt mit dem verwendeten Smartphone statt. Die App bietet die Möglichkeit, eine Doppler-Verschiebung grafisch darzustellen, wenn zuvor die ursprüngliche Frequenz des gesendeten Tons angegeben wurde. In dem eingezeichneten Diagramm können auf diese Weise nach der Messung die verschobenen Frequenzen an den aufgezeichneten Maxima und Minima abgelesen werden (vgl. Phyphox, Experiment: Doppler-Effect).

Für eine genauere quantitative Auswertung bietet „phyphox“ auch die Möglichkeit, die gemessenen Werte als Tabelle zu exportieren und diese dann mit einem Tabellenkalkulationsprogramm am Computer zu auszulesen. Auch für den Sender kann die App „phyphox“ genutzt werden, da hier laute Schallsignale mit einstellbarer Frequenz erzeugt werden können, sodass außer den beiden Smartphones nur noch ein Pendel mit Halterung und ein Meterstab als Material benötigt werden. Außerdem bietet diese Konstruktion die Möglichkeit, ohne Aufwand die verschiedenen Fälle des akustischen Doppler-Effekts zu untersuchen. Während bei den anderen Varianten des Versuches erst Umbauarbeiten oder spezielle Technik vonnöten wären, müssen hier lediglich die Einstellungen in „phyphox“ geändert werden, um den Sender zum Empfänger und den Empfänger zum Sender umzufunktionieren.

Problematisch ist es, passende Aufgabenstellungen zu entwickeln, die für die entsprechende Klassenstufe geeignet sind. Der Doppler-Effekt würde sich thematisch gut in der Sekundarstufe 1 in das Themengebiet „Optik und Akustik“ integrieren lassen. Da für viele Möglichkeiten der quantitativen Auswertungen zu diesem Versuch jedoch mathematische Kenntnisse zu Schwingungen und Wellen notwendig sind und diese laut aktuellen Bildungsplänen erst in der Sekundarstufe 2 thematisiert werden, bieten sich hier eine eher qualitative Auswertung besser an.

Eine Möglichkeit einer vereinfachten quantitativen Auswertung wäre, den Zusammenhang von Geschwindigkeit des Pendels und der Frequenzverschiebung zu untersuchen. Die Geschwindigkeit kann beim Pendel über die Auslenkhöhe verändert werden. Die Kenntnis dieses Zusammenhangs ist Voraussetzung dafür, dieses Experiment durchführen zu können. Um das Themengebiet Schwingungen und Wellen zu umgehen, könnte dies über die Betrachtung der Energien geschehen. Dazu sollte den Schülerinnen und Schüler sowohl die kinetische als auch die potentielle Energie ein Begriff sein. Mit folgenden Formeln sollten die Lernenden bereits gearbeitet haben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Laut dem Bildungsplan für die Sekundarstufe 1, sind sowohl die Lageenergie, als auch die Bewegungsenergie Teil der Klassenstufen 7, 8 und 9 (vgl. Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg a, S. 16f). Die Herleitung einer Formel für die Geschwindigkeit durch das Gleichsetzen der Formeln für die potentielle und kinetische Energie sollte gemeinsam im Plenum stattfinden, da gerade schwächere Schülerinnen und Schüler ansonsten überfordert sein könnten. Alternativ kann die Formel auch komplett vorgegeben werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mithilfe dieser Formel kann eine Tabelle mit den unterschiedlichen Geschwindigkeiten und gemessenen Frequenzmaxima bzw. -minima erstellt werden. Dies empfiehlt sich jedoch eher für Lernende auf dem erweiterten Niveau bzw. der Oberstufe des Gymnasiums.

Für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe 1 sollte auf seine vereinfachte Versuchsauswertung zurückgegriffen werden. Dank der grafischen Darstellung der Messergebnisse, die mithilfe von „phyphox“ erfasst werden, können unterschiedlich starke Minima und Maxima der gemessenen Frequenz gut abgelesen werden. Exportiert man die Diagramme der verschiedenen Auslenkhöhen und stellt diese gegenüber, so sind klare Unterschiede in der Stärke des Ausschlags bei den jeweiligen Minima und Maxima zu sehen. So wird den Schülerinnen und Schüler verdeutlicht, dass sich die Auslenkhöhe proportional zu Stärke der Frequenzverschiebung verhält.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diagramm: Beispielmessung mit den Auslenkhöhen (Δh) von 30 cm und 60 cm sowie einer Anfangsfrequenz von 1000 Hz

Auch eine rein qualitative Auswertung wäre mit diesem Versuch umsetzbar. Hierbei lenkt eine freiwillige Testperson das Pendel mit dem Schallsignal aus, lässt es los und von sich weg oder auf sich zu pendeln. Dabei wird eine hörbare Verschiebung des Tones bei den unterschiedlichen Pendelbewegungen wahrzunehmen sein. Nachteil dieser Variante ist, dass Unterschiede bei der Stärke der Verschiebung nur schwierig herauszuhören sind.

3.3. Diskussion zum schulischen Einsatz

Nachdem nun verschiedene Varianten für ein Demonstrationsexperiment zum Doppler-Effekt vorgestellt wurden, soll nun diskutiert werden, welche Probleme sich dabei ergeben, aber auch welche Chancen sich dadurch bieten.

Problematisch zeigt sich dabei schon die Verbindung mit dem Bildungsplan. Explizit erwähnt wird der Doppler-Effekt an keiner Stelle. In der Sekundarstufe 2 könnte das Demonstrationsexperiment im Rahmen des Themas Schwingungen und Wellen durchgeführt werden, da der Doppler-Effekt bei jeglicher Art von Wellen auftritt.

Schwieriger gestaltet es sich bei der Sekundarstufe 1. Zwar ließe sich der Doppler-Effekt gut dem Themengebiet „Optik und Akustik“ zuordnen, da er sowohl in der Optik als auch in der Akustik eine Rolle spielt, jedoch kann er dort nur sehr oberflächlich behandelt werden, da den Schülerinnen und Schüler das nötige Vorwissen zu mechanischen Wellen sowie der Wellennatur des Lichts fehlen dürften, da diese erst in der Oberstufe Teil des Physikunterrichts sind. Gerade dieser Mangel an Vorwissen macht es schwierig, geeignete Aufgabenstellungen für die Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe 1 zu entwickeln, die über das reine Beschreiben einer Beobachtung hinausgehen.

Weitere Probleme ergeben sich zudem beim Versuchsaufbau und der Durchführung. So sind beim Versuchsaufbau von Vogt, Schwarz und Walther technische Kenntnisse zum Cassy-System vonnöten, und der Aufbau von Wolf erfordert zumindest eine kurze Einarbeitung in das Audio-Programm „Spectrum Lab“. Dies kann zu Problemen führen, sofern Schülerinnen und Schüler bei der Durchführung des Experiments involviert sind. In der hier vorgestellten modifizierten Variante wurde versucht, diese technischen Hindernisse zu umgehen, indem komplett auf Smartphones und eine verhältnismäßig einfach zu bedienende App zurückgegriffen wurde. Trotz dieser verbesserten Zugänglichkeit, benötigen die Lernenden zumindest grundlegende Kenntnisse im Umgang mit Tabellenkalkulationsprogrammen, wenn die über „phyphox“ exportierten Daten ausgelesen werden sollen und gegebenenfalls ein Diagramm erstellt wird.

Auch bei der Messung selbst müssen einige Dinge beachtet werden. So muss sicher gestellt werden, dass der Sender stets in einer Ebene mit dem Empfänger pendelt, da sonst das Messergebnis verfälscht werden könnte. Ungewollten Drehbewegungen des Pendels kann durch die bifilare Aufhängung vorgebeugt werden. Zudem spielt die Raumakustik eine wichtige Rolle für einen erfolgreichen Messvorgang, da das Mikrofon des Empfängers auch die Umgebungsgeräusche aufzeichnet. Meist sind die Räumlichkeiten an den Schulen nicht ausreichend abgeschirmt, um vor Außenlärm zu schützen. Dazu kommen Störungen von innerhalb des Klassenzimmers. Da die Geräuschkulisse nicht komplett ausgeblendet werden kann, muss versucht werden, das Geräusch des Sender stark genug davon abzuheben. Dazu sollte ein verhältnismäßig hochfrequentes Schallsignal in einer hohen Lautstärke gewählt werden. Allerdings stoßen hier die kleinen Lautsprecher der Smartphones schnell an ihre Grenze, sodass das Signal eventuell verstärkt werden und durch einen separaten Lautsprecher ausgegeben werden muss. Möglich wäre ein kabelloser Lautsprecher, der über eine Bluetooth-Verbindung mit dem Smartphone verbunden wird, was jedoch wieder einen zusätzlichen Technikaufwand bedeutet.

Obwohl einige Vorbehalte gegen den Einsatz des Demonstrationsexperiments zum Doppler-Effekt existieren, gibt es auch gute Gründe, die für einen solchen Einsatz sprechen.

Das Experiment demonstriert den Doppler-Effekt auf anschauliche Art und Weise und bietet viele Möglichkeiten der Differenzierung. So kann die Frequenzverschiebung des Tonsignals sowohl rechnerisch oder grafisch ermittelt als auch sinnlich wahrnehmbar gemacht werden. Der Aufbau bleibt derselbe, jedoch kann die Auswertung an die entsprechende Niveau- bzw. Klassenstufe angepasst werden. Sogar bei der Mathematisierung ist eine Differenzierung möglich, indem mit den Größen der potentiellen und kinetischen Energie gerechnet wird. Das macht dieses Demonstrationsexperiment auch unabhängig von der Schulart universell einsetzbar.

Auch der Einsatz von Smartphones für die Messung wie im hier vorgeschlagenen Versuch, kann sich bei den Lernenden positiv auf die Motivation auswirken. Durch das Einbeziehen eines Gerätes, das für die meisten Schülerinnen und Schüler fester Bestandteil ihres Alltags ist, lässt man sie nicht nur mit einem Messgerät arbeiten, das ihnen vertraut ist, sondern gibt ihnen auch die Möglichkeit, in ihrer Freizeit selbst damit zu experimentieren. Smartphone-Apps wie „phyphox“, mit denen physikalische Messungen durchgeführt werden können, sind in einer Vielzahl online verfügbar und können ohne größere Hürden auf dem eigenen Gerät installiert und genutzt werden.

Der Bezug zur Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler beschränkt sich jedoch nicht nur auf das Messgerät, sondern schon der Doppler-Effekt als Thema besitzt einen hohen Alltagsbezug. Selbst wenn vielen Schülerinnen und Schülern der Begriff der „Frequenzverschiebung“ unbekannt sein sollte, so werden die meisten schon gehört haben, wie sich die Sirene oder das Motorengeräusch eines vorbeifahrenden Fahrzeugs verändert. Außerdem bieten die vielfältigen technischen Anwendungsmöglichkeiten des Doppler-Effekts wie oben erwähnt, verschiedene Anknüpfungspunkte, wie die Medizin oder die Astronomie. Gerade im naturwissenschaftlichen Bereich entstehen oft Schwierigkeiten, eine Verbindung des Unterrichtsgegenstands und der Lebenswelt der Lernenden zu konstruieren. Der Doppler-Effekt bietet hier viel Potential und sollte deshalb als Unterrichtsgegenstand berücksichtigt werden.

4. Fazit

Das Phänomen der Doppler-Verschiebung bietet ein großes Potential für den schulischen Unterricht. Da Wellenphänomene laut den aktuellen Bildungsplänen jedoch erst in der Sekundarstufe 2 behandelt werden, bleibt der Doppler-Effekt im Grunde den Schülerinnen und Schülern der Oberstufe vorbehalten. Hier würde jedoch eine Chance verschenkt, in der die Lernenden der Sekundarstufe 1 mit diesem alltäglichen und interessanten Naturphänomen in Berührung kommen könnten.

Daher sollte der hier dargelegte Demonstrationsversuch eine Möglichkeit aufzeigen, den Doppler-Effekt auf eine einfache Art und Weise im schulischen Unterricht einzuführen. Grundlage dafür waren zwei ältere Versuche, deren Aufbau in Teilen übernommen wurde. Anpassungen gab es vor allem bei der Technik, bei der sich nun stärker an den Schülern orientiert wurde, aber auch bei den zugehörigen Aufgabenstellungen.

Als Christian Doppler 1853 starb, blieb es ihm nicht vergönnt, den Durchbruch seiner Theorie mitzuerleben. Schülerinnen und Schüler haben jedoch heute die Gelegenheit daran teilzuhaben. Auch nach über 175 Jahren hat Christian Dopplers Entdeckung nichts von ihrer Relevanz eingebüßt, sondern ist nach wie vor in den verschiedensten Lebensbereichen präsent.

5. Quellen- und Literaturverzeichnis

Christian Doppler Fonds: Lebenslauf Christian Andreas Doppler, 2018, URL: https://www.christian-doppler.net/lebenslauf/ [23.08.2018].

Christian Doppler Fonds: Das Jubiläumsjahr 2017 im Überblick, 2018, URL: https://www.christian-doppler.net/2017-ueberblick/ [23.09.2018].

Giancoli, Douglas C.: Physik (Pearson Studium), München 32006.

Kirchner, Ernst/ Girwidz, Raimund/ Häußler, Peter (Hg.): Physikdidaktik. Theorie und Praxis, Heidelberg 22009.

Max-Plank-Institut für Radioastronomie: Der Doppler-Effekt, URL: https://www.mpifr-bonn.mpg.de/603129/doppler-effekt [23.08.2018].

Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg a: Bildungsplan 2016. Physik. Gemeinsamer Bildungsplan der Sekundarstufe 1, URL: http://www.bildungsplaene-bw.de/site/bildungsplan/bpExport/3188575/Lde/index.html?_page=0&requestMode=PDF&_finish=Erstellen [23.08.2018].

Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg b: Bildungsplan 2016. Physik. Bildungsplan des Gymnasiums, URL: http://www.bildungsplaene-bw.de/site/bildungsplan/bpExport/3259520/Lde/index.html?_page=0&requestMode=PDF&_finish=Erstellen [08.09.2018].

Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg c: Bildungsplan 2016. Physik. Bildungsplan der Oberstufe an Gemeinschaftsschulen, URL: http://www.bildungsplaene-bw.de/site/bildungsplan/bpExport/4155970/Lde/index.html?_page=0&requestMode=PDF&_finish=Erstellen [09.09.2018].

Müller, Andreas: Doppler-Effekt, in: Lexikon der Astronomie, 2014, URL: https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/doppler-effekt/81 [23.08.2018].

Paus, Hans J.: Physik in Experimenten und Beispielen, München 32007.

Phyphox: Experiment. Doppler Effect, URL: https://phyphox.org/wiki/index.php?title=Experiment:_Doppler_Effect [10.09.2018].

Schneider, Reto U.: Ein G im Dienste der Wissenschaft, 2002, URL: https://folio.nzz.ch/2002/marz/ein-g-im-dienste-der-wissenschaft [23.08.2018].

Spektrum: Doppelsterne, in: Lexikon der Physik, 1998, URL: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/doppelsterne/3269 [23.08.2918].

Stuart, Herbert A./ Klages, Gerhard: Kurzes Lehrbuch der Physik, Berlin Heidelberg 192010.

Vogt, P./ Schwarz, O./ Walther, A.: Doppler-Messungen am Mikrofonpendel, in: Praxis der Naturwissenschaften. Physik in der Schule, Nr. 3 (Jg. 53) 2004, S. 8ff.

Wolf, Christopher: Doppler-Effekt (mit Hilfe eines Pendels), 2018, URL: https://www.physikalische-schulexperimente.de/physo/Doppler-Effekt_(mit_Hilfe_eines_Pendels) [23.08.2018].

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Details

Titel
Der Doppler-Effekt in der Schule. Ein Demonstrationsexperiment für den Physikunterricht
Hochschule
Pädagogische Hochschule in Schwäbisch Gmünd
Note
1
Autor
Jahr
2018
Seiten
22
Katalognummer
V913460
ISBN (Buch)
9783346213426
Sprache
Deutsch
Schlagworte
demonstrationsexperiment, doppler-effekt, physikunterricht, schule
Arbeit zitieren
Michael Straßer (Autor), 2018, Der Doppler-Effekt in der Schule. Ein Demonstrationsexperiment für den Physikunterricht, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/913460

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