Schülerpraktikum und Forscherwerkstatt
In der Arbeitsgruppe werden zahlreiche Aktivitäten für einzelne, interessierte SchülerInnen aber auch für Schülergruppen angeboten. So wurde schon vor einigen Jahren ein Projekt mit dem Namen "PeP - Physik erfahren im Praktikum - Vom Kerzenlicht zum Laser" entwickelt [1],[2]. Das Angebot richtete sich zunächst primär an OberstufenschülerInnen in Physikgrund- oder Leistungskursen, wobei aufgrund der großen bereits eine Überarbeitung für die Mittelstufe vorgenommen wurde.
Während des Praktikums können die SchülerInnen für drei bis vier Tage von 9.00 - 17.00 Uhr selbstständig zu physikalischen Inhalten aus dem Bereich der Optik experimentieren. Sie arbeiten in kleinen Gruppen von 3 - 4 Teilnehmern zusammen und werden dabei von Betreuern (Studierende Lehramt Physik und Diplomanden) unterstützt. Jeder Tag des Praktikums beginnt mit einer einstündigen Vorlesung, um den notwendigen theoretischen Hintergrund sicher zu stellen und den SchülerInnen den Zusammenhang der bearbeiteten Experimente zu verdeutlichen. Von jeder Gruppe werden dann Versuche zu einem ausgewählten Themengebiet der Optik durchgeführt, das im Zusammenhang mit der am Vormittag gehörten Vorlesung steht. Der Tag endet mit einer von den SchülerInnen erarbeiteten Präsentation, in der sie die experimentellen Ergebnisse sowie theoretische Hintergründe ihren MitschülerInnen darstellen. In den Abbildungen 1 - 5 sind als kleine Bildergalerie die Arbeiten der ersten Schülergruppen dokumentiert.
Weitere Aktivitäten für SchülerInnen und auch LehrerInnen lassen sich unter dem Titel "Fallen für Schüler" zusammenfassen und umfassen die Entwicklung und den Aufbau von makroskopischen Teilchenfallen zum Beispiel im Rahmen von Schülerpraktika [3],[4]. Die Fähigkeit, mikroskopische Teilchen in einem kleinen Raumbereich einzusperren, sie an einem Ort zu fixieren, und dort über einen langen Zeitraum isoliert voneinander in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen, war und ist die entscheidende Voraussetzung für die Fortschritte in der Atom- und Quantenphysik. So lassen sich geladene Teilchen in elektrischen Wechselfeldern einer Paulfalle oder in Kombination mit magnetischen Feldern in einer Penningfalle "einsperren" [5],[6]. Neutrale Teilchen können in magnetischen Fallen oder mit Hilfe von stark fokussierten Laserstrahlen in so genannten Dipolfallen gefangen werden [7]. Neben diesen optischen und elektromagnetischen Methoden findet die akustische Positionierung Anwendung in der Untersuchung kleinster fester oder flüssiger Proben. Wobei die akustische Levitation auf Kräften beruht, die in einem Wechseldruckfeld einer stehenden Ultraschallwelle auf eine Probe wirken [8], [9]. Es besteht kein Zweifel daran, dass Schüler/innen neben der klassischen Physik auch Einblicke in die moderne Physik erhalten sollten, wozu die Methoden und Ergebnisse der neuen Atom- und Quantenphysik zählen. Wenn auch die physikalische Bedeutung von den Schülern und Schülerinnen nicht bis ins Detail erfasst werden kann, so können aber zum Beispiel die Grundlagen der experimentellen Methoden sehr wohl erarbeitet werden. Die Schüler/innen lernen so die Physik als eine faszinierende, lebendige Wissenschaft kennen. Die Abbildungen 6 - 10 zeigen die Arbeiten zum Aufbau von punktsymmetrischen Paulfallen, die zusammen mit 10 SchülerInnen im Schülerforschungszentrum Bad Saulgau durchgeführt wurden.
Ein weiteres Projekt, das mit PeP [1] in unserer Gruppe einen Anfang nahm, mittlerweile aber auch unabhängig davon angeboten und weiterentwickelt wird, ist die Holographie. Sie nimmt einen immer größeren Stellenwert in Forschung, Sicherheitstechnik und Medizin ein. Aber was steckt eigentlich dahinter? Wieso sind Hologramme dreidimensional? Warum werden sie auf Geldscheine geprägt und warum schillern viele Hologramme in den Regenbogenfarben? Wie sieht ein Holographielabor aus und kann man Hologramme selber herstellen?
Ein typischer Projekttag zur Holographie dauert von 9:00 - 15:00 Uhr und beginnt mit einer Vorlesung, die den Schülern die nötigen Vorkenntnisse vermittelt, um später selbstständig in der Dunkelkammer arbeiten zu können. Dort können die Schüler dann ihr mitgebrachtes Objekt (z.B. eine Spielzeugeisenbahn, ein Schlüsselbund, Münzen, ...), von dem sie ein Hologramm machen möchten, justieren, die Holographieplatte belichten, entwickeln, bleichen, wässern und trocknen. Dabei ist Teamarbeit gefragt - jeder übernimmt zwar für sein Hologramm die volle Verantwortung, doch die Gruppe hilft und berät. Am Ende des Projekttages kann dann jeder Schüler ein Hologramm als Andenken mit nach Hause nehmen (Kostenbeteiligung 5€ pro Hologramm)!
Tipp: Besuchen Sie auch die Seiten des NaT-Lab für Schülerinnen und Schüler an der Johannes Gutenberg-Universität.
Literatur
| [1] | O. Puscher: "Vom Kerzenlicht zum Laser - Konzeption und Durchführung eines Schülerlabors", Staatsexamensarbeit, Institut für Physik, Universität Mainz (2002) |
| [2] | D. Klein: "Schülermotivation an der Universität - ein Schülerpraktikum zur Förderung der Physik an Schule und Hochschule", Staatsexamensarbeit, Institut für Physik, Universität Mainz (2004) |
| [3] | A. Schmitt: "Die Paulfalle als Schulexperiment - Eine Einführung in die Atomphysik", Prüfungsarbeit zum zweiten Staatsexamen, Studienseminar Bensheim (2001) |
| [4] | A. Schmitt: "Schüler und Schülerinnen als Fallenbauer, Ein aktuelles Experiment im Physikunterricht", PdN-PhiS. 2/51, 2002, 34 - 39 |
| [5] | W. Paul: "Elektromagnetische Käfige für geladene und neutrale Teilchen", Nobelvortrag, Phys. Blätter, 46 (7), 227-236, 1990 |
| [6] | H. Winter, H.W. Ortjohann: "Simple demonstration of storing macroscopic particles in a Paul trap", Am. J. Phys., 59 (9), 807-813, 1991 |
| [7] | A. Ashkin: "Application of Laser Radiation Pressure", Science 210, 1081-1087, 1980 |
| [8] | R. Tuckermann, S. Bauerecker, B. Neidhart: "Levitation in Ultraschallfeldern, Schwebende Tröpfchen", Physik in unserer Zeit, 32 (2), 69-75, 2001 |
| [9] | E.G. Lierke: "Akustische Positionierung - Ein umfassender Überblick über Grundlagen und Anwendungen", Acustica - acta acustica, 82:200-237, 1996 |
| [10] | Kerstin Grieger: "Experiment und Unterrichtsreihe Holografie zur Leistungsbeurteilung in der Sekundarstufe II", Staatsexamensarb eit, Institut für Physik, Universität Mainz (2007) |
| [11] | Nadine Coberger: "Moderne Modellexperimente als Schülerprojekt - Paulfallen und Teilchenbeschleuniger -", Staatsexamensarbeit, Institut für Physik, Universität Mainz (2007) |