Praktikum 1 zur VL 02 Raum und Zeit: Definition der Länge

VL02 Raum und Zeit

• Raum, Zeit und Materie: Was sie sind und wie sie gemessen werden können, soll betrachtet werden.
• Die Vorlesungsinhalte umfassen die Definition von Länge, dynamischen Raum, Schwerelosigkeit, die Frage, ob Luft "nichts" ist, sowie die Konzepte von Zeit und Doppler-Effekt.

Experiment 1: Definition von Länge

• Die Dauer beträgt 40 Minuten.
• Verfügbare Materialien sind: Papier, Schnur, Schere, Stoppuhr, Ball, Waage, Thermometer, Gummibänder, Luftballon, Luftpumpe.
• Die SI-Einheit für Länge ist der Meter, definiert als die Strecke, die Licht in 1/299.792.458 Sekunden im Vakuum zurücklegt.
• Ziel ist die Definition eines eigenen Längenmaßes durch jede Gruppe, gefolgt vom Vergleich und der Diskussion der Vor- und Nachteile.
• Jede Gruppe definiert eine Längeneinheit mit den vorhandenen Materialien und vergibt einen Namen.
• Zwei Gruppen vergleichen ihre Längeneinheiten und bestimmen ihren Umrechnungsfaktor, wobei Hilfsmittel verwendet werden können.
• Wiederholte Messungen relativer Längen bei Variationen, Berechnung des Mittelwerts und Beschreibung der Schwankung sind erforderlich.
• Die Längeneinheiten werden vorgestellt, und es werden Umstände für Schwankungen, Reproduzierbarkeit und Anfälligkeit für Umwelteinflüsse untersucht.
• Die Längenmaße werden für spätere Versuche aufbewahrt.
• Es soll erarbeitet werden, welche Maßeinheiten praktisch, genau und reproduzierbar sind, und warum.
• Ein Vergleich mit historischen Längeneinheiten, körperbasierten, physischen Referenzen und Naturkonstanten soll stattfinden.

Experiment 2: Dynamischer Raum

• Die Dauer beträgt 20 Minuten.
• Materialien: Luftballon, Papier, Stifte, Klebeband, Schnur, Längenmaße aus Experiment 1, Luftpumpe.
• Das Universum expandiert und Raum wird durch Energie gekrümmt (Gravitation).
• Anschaulich soll ein Verständnis für expandierenden und gekrümmten Raum entwickelt werden, wobei die Oberfläche eines Luftballons als zweidimensionales Modell genutzt wird.
• Jede Gruppe bemalt einen Luftballon mit mindestens vier Punkten, wobei zwei nahe beieinander liegen.
• Ein Klebeband über zwei Punkte repräsentiert interne Kräfte (Gravitationskräfte in einer Galaxie).
• Alternativ können Sticker Galaxien symbolisieren.
• Das Punktmuster wird auf Papier übertragen.
• Die Abstände zwischen den Ballonpunkten werden gemessen und auf dem Papier notiert.
• Der Ballon wird aufgepumpt, die Abstände werden erneut gemessen, und das Verhältnis der Abstände vor und nach der Expansion wird verglichen.
• Ein Dreieck zwischen drei Punkten wird definiert, die Winkel werden gemessen und addiert.
• Dies wird mit der Zeichnung auf dem Papier wiederholt und die Winkelsummen werden verglichen.
• Die Winkelsummen im flachen Raum werden verglichen und mit denen auf dem Luftballon (gekrümmten Raum) verglichen.
• Die Analogie des Aufblasens eines Ballons zur Expansion eines zweidimensionalen Raumes wird betrachtet.
• Innere Kräfte (gravitative Bindung von Galaxien vs. Expansion) werden betrachtet.
• Raumkrümmung und Winkelsumme zur Frage, ob unser Universum gekrümmt ist, soll erörtert werden.

Experiment 3: Schwerelosigkeit

• Die Dauer beträgt 20 Minuten.
• Materialien: Flaschen, WiFi-Kameras, Klebeband, Noppenfolie, Referenzobjekt ("Mini-Astronauten"), Gummibänder, Stifte und Papier.
• Das Äquivalenzprinzip besagt, dass schwere und träge Masse identisch sind.
• Albert Einstein verallgemeinerte dies zum starken Äquivalenzprinzip, wonach man in einem abgeschlossenen System nicht zwischen freiem Fall und Schwerelosigkeit unterscheiden kann.
• Schwerelosigkeit kann durch freien Fall simuliert werden, wie es bei Astronautentrainingsflügen genutzt wird.
• Schwerelosigkeit für "Mini-Astronauten" soll erzeugt werden, indem sie einem möglichst langen freien Fall ausgesetzt werden.
• Das Referenzobjekt (Mini-Astronaut) wird in ein Behältnis (Rakete/Raumstation) gegeben, das als Referenzsystem dient.
• Die Kamera wird am Behältnis befestigt und durch Noppenfolie geschützt.
• Das Behältnis wird verziert, um wie eine Raumstation auszusehen.
• Ein Video des freien Falls wird mit der Kamera aufgezeichnet, wobei der Aufprall berücksichtigt werden soll.
• Verschiedene Techniken zur Simulation von Schwerelosigkeit ausprobiert werden, z.B. Fallenlassen aus großer Höhe.
• Das Video wird in Zeitlupe auf einem Handy oder Computer angesehen.
• Es findet eine Wiederholung statt, was ein Inertialsystem ist.
• Das Äquivalenzprinzip, beschleunigtes Bezugssystem, Gravitation, freier Fall und Schwerelosigkeit wird betrachtet.
• Der visuelle Eindruck von Schwerelosigkeit wird ggf. mit Zeitlupe verstärkt, wodurch das Größenverhältnis der Raumschiffmodelle an typische Geschwindigkeiten angepasst wird.

Experiment 4: Ist Luft "nichts"?

• Die Dauer beträgt 30 Minuten.
• Materialien: Luftpumpe, Waage, Luftballon/Ball.
• Luft besteht aus Molekülen, hauptsächlich Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%), etwas Wasser (0,1-3%), Argon (1%) und CO2 (0,041%).
• Es werden verschiedene Versionen durchgeführt, um das Gewicht von Luft zu bestimmen und den Luftdruck in einem Ballon zu bestimmen.
• Die Vertrautmachung mit den Waagen erfolgt durch Wiegen eines leeren Balls, wobei auf die Einheiten und die Genauigkeit zu achten ist.
• Der Ball wird mit einer Pumpe aufgepumpt, die den Druck anzeigt, und der Druck wird notiert.
• Der aufgepumpte Ball wird gewogen, und die Differenz zum leeren Ball wird notiert.
• Die Größe des Balls wird gemessen, und aus Druck und Volumen wird die Dichte von Luft bei 1 bar berechnet.
• Alternativ wird die Differenz zwischen dem leeren und dem gefüllten Luftballon gewogen, wobei mehrere Ballons verwendet werden können.
• Das Volumen des Ballons wird durch Abschätzung seiner Form ermittelt.
• Aus dem Massenunterschied und Volumen wird der Überdruck im Ballon berechnet.
• Die Auswertung soll nach anderen Versuchen oder zu Hause durchgeführt werden.
• Die Masse der Luft kann aus Dichte, Volumen und Überdruck berechnet werden.
• Der Raumdruck beträgt ca. 1 Bar, und der gemessene Überdruck wird zum Raumdruck hinzuaddiert.
• Der Referenzwert für die Dichte von Luft beträgt 1,2 kg/m³Bar, der in praktische Einheiten umgerechnet werden kann.
• Die Fragen "Wie schwer ist Luft?", "Wie viel Luft liegt auf 1 Blatt Papier?" und "Wie viel Druck ist in einem Luftballon?" sollen beantwortet werden.

Experiment 5: Was ist Zeit?

• Die Dauer beträgt 30 Minuten.
• Materialien: Stoppuhr, Stifte, Papier.
• Physikalisch wird Zeit über die Frequenz eines atomaren Übergangs definiert, der in Atomuhren genutzt wird.
• Auch Alltagsuhren nutzen die Frequenz einer Schwingung als Referenz.
• Jede Gruppe stoppt eine Minute und schaut, wie lange diese ist.
• Eine Person stoppt die Zeit, während andere eine Tätigkeit ausführen und raten, wann drei Minuten vorbei sind.
• Beispiele für Aktivitäten: Schreiben von Buchstaben, Meditieren, Erklären des Urknalls, Erarbeiten eines Experiments zu Luft- oder Wasserdruck, Erzählen von Lieblingsmedien.
• Diskutiert: Wann kam einem die Zeit "langsam" vor, wann ist sie "verflogen”?
• Es soll erörtert werden, wie Zeit wahrgenommen wird, mit welchem Sinnesorgan.
• Es findet eine Diskussion: Aktuell wahrgenommene Zeit/erinnerte Zeit
• Es soll erörtert werden: Wie sollten Schüler*innen ihre Zeit in der Schule wahrnehmen/sich daran erinnern?

Experiment 6: Doppler-Effekt

• Die Dauer beträgt 20 Minuten.
• Materialien: Lautsprecher, Schnur.
• Galaxien und Sterne, die sich entfernen, haben rotverschobenes Licht (niedrigere Frequenz).
• Zwischen jedem Takt entfernt sich das Objekt, daher benötigt die Welle länger.
• Das Gleiche gilt für Schall; intuitiv bekannt von vorbeifahrenden Autos.
• Es soll der Doppler-Effekt durch schnelle Bewegung eines Lautsprechers verständlich gemacht werden
• Ein Lautsprecher wird an eine Schnur gebunden.
• Ein Bluetooth-Gerät mit einem Referenzton wird an den Lautsprecher angeschlossen.
• Der Lautsprecher wird hin- und hergeschwungen, und die anderen Gruppenmitglieder hören zu (Abstand von 2-5m).
• Es wird erfasst, wann der Ton höher/tiefer und lauter/leiser klingt.
• Das Ganze wird wiederholt, wenn der Lautsprecher seitlich geschwungen wird.
• Die Verbindung zwischen dem Effekt und Geräuschen von vorbeifahrenden Objekten wird analysiert.
• Junge Menschen hören Frequenzen von 20-20.000 Hz, tiefe Frequenzen als Brummen, hohe als Pfeifen.
• Die Ohren sind am empfindlichsten zwischen 2000-5000 Hz.
• Unter 2000 Hz und über 5000 Hz korreliert die Frequenz stark mit der wahrgenommenen Lautstärke.
• Folgende Fragen sollen beantwortet werden: Was verursacht Frequenzverschiebung (Dopplereffekt)?
• Frequenzverschiebung: Wie hören sich Rennautos an?
• Intuitives Lernen von komplexer Physik im Alltag
• Zusammenhang mit Rotverschiebung von Galaxien – Expansion des Universums