Der Einsatz des CAS-Rechners im naturwissenschaftlichen

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
ROSITZ
Einsatz des CAS-Rechners im
naturwissenschaftlichen
Unterricht
Sabrina Mäder
Oliver Vogel
Florian Voos
Schule:
Friedrichgymnasium Altenburg
Jugend forscht 2015
Der Einsatz des CAS-Rechners
im naturwissenschaftlichen Unterricht
Jugend-forscht-Arbeit
am Lerchenberggymnasium Altenburg und am Friedrichgymnasium Altenburg
Fachbetreuer:
Herr Passekel, Herr Eckert
vorgelegt von:
Florian Voos / 12-3
Sabrina Mäder / 12-4
Oliver Vogel / 12-1
Altenburg, den 15. Januar 2015
1 Inhaltsverzeichnis
1 Inhaltsverzeichnis
1 Inhaltsverzeichnis ...................................................................................................................................... 2
2 Vorwort ...................................................................................................................................................... 3
3 Einleitende Worte in das Themengebiet ................................................................................................... 3
TM
4 Geschichtliche Betrachtungen zum TI-Nspire CAS ............................................................................... 4
4.1 Die Taschenrechner der Firma Texas Instruments Incorporated im Wandel der Zeit ....................... 4
4.2 Die Entwicklung des Thüringer CAS-Projektes .................................................................................. 5
5 Zusatzgeräte (Sensoren) zum Einsatz im naturwissenschaftlichen Unterricht ......................................... 7
6 Betrachtungen zum Einsatz des CAS-Rechners und dessen Zusatzgeräten in den
naturwissenschaftlichen Fächern ................................................................................................................. 8
6.1 Einsatz im Fachbereich Physik der Klassenstufe 10 ......................................................................... 8
6.2 Einsatz im Fachbereich Physik der Kursstufe 11 ............................................................................. 11
6.3 Einsatz im Themenbereich Thermodynamik und chemische Vorgänge .......................................... 14
7 Schlussteil ............................................................................................................................................... 16
8 Nachwort ................................................................................................................................................. 16
9 Versuchsanleitungen zu den Experimenten ............................................................................................ 18
10 Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 19
10.1 Internetseiten .................................................................................................................................. 19
10.2 Bücher, Zeitschriften....................................................................................................................... 19
10.3 sonstige Quellen ............................................................................................................................. 19
-2-
2 Vorwort
2 Vorwort
Durch das Thüringer CAS-Projekt wurde auch an unseren Schulen, dem Lerchenberggymnasium und
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dem Friedrichgymnasium, der wissenschaftliche Grafiktaschenrechner TI-Nspire
von Texas Instruments eingeführt und somit in den Klassen 10, 11 und 12 vor allem im Mathematikunterricht intensiv genutzt.
1
Der CAS-Rechner hat zahlreiche Funktionen und Anwendungen, mit denen viele Schüler , teilweise auch
Lehrer, zu kämpfen haben. Die daher für wissenschaftliche Untersuchungen zur Verfügung stehende
Bandbreite ist kaum zu überblicken. Zusätzlich stellt die Firma Texas Instruments zum Rechner weitere
Geräte zur Verfügung, welche für umfangreiche Experimente in der gymnasialen Oberstufe genutzt werden können.
Um den Einsatzbereich des CAS-Taschenrechners mit Hilfe dieser vorhandenen Sensoren auch auf unseren naturwissenschaftlichen Unterricht in Physik und Chemie auszuweiten, möchten wir Schülern und
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auch den unterrichtenden Lehrkräften Anregungen geben den TI-Nspire und dessen Zusatzgeräte erfolgreich und pädagogisch wertvoll im Unterricht einzusetzen.
So haben wir, Florian Voos, Sabrina Mäder und Oliver Vogel, dieses Thema gewählt, da wir den CASRechner auch außerhalb des Mathematikunterrichts umfangreich etablieren wollen. Deshalb liefern wir
ausführlich erklärte Protokolle mit klar strukturierten Arbeitsschritten und unterstützenden Bildmaterial um
ausgewählte Experimente, die den naturwissenschaftlichen Unterricht anschaulicher und verständlicher
gestalten, erfolgreich durchzuführen.
3 Einleitende Worte in das Themengebiet
„Wo damals die Grenzen der Wissenschaft waren, da ist jetzt die Mitte.“
2
Dies erkannte schon Georg Friedrich Lichtenberg, ein Physiker des 18. Jahrhunderts. Die Lehre der Naturwissenschaften Mathematik, Physik und Chemie, vor allem im Rahmen der Schule, speziell der gymnasialen Oberstufe, ist heutzutage in einer Welt des schnellen Fort-schritts von großer Bedeutung, um
sich viele Vorgänge der Natur erklären zu können.
Die Mathematik an sich ist im Unterrichtsgeschehen der oben genannten Fächer sehr oft ein unverzichtbares Mittel zum Zweck. Das Thüringer CAS-Taschenrechnerprojekt setzt seit etwa 15 Jahren den grafikfähigen Rechner der Firma Texas Instruments als Mittel zur Vereinfachung des mathematischen Unterrichts ein. Dieser Rechner ist ein guter Weg Schülern die Mathematik verständlicher zu machen und
ihnen viele umständliche Rechenarbeiten in diesen Fächern abzunehmen. Viele Schüler können sich
aufgrund theoretischer Beschreibung vieler naturwissenschaftlicher Vorgänge durch mathematische
Formeln nicht in diese hineinversetzen und somit auch nicht gut verstehen. Somit könnte der Rechner
nicht nur im Fach Mathematik zu einem besseren Verständnis führen, sondern den Schülern auch naturwissenschaftliche Phänomene besser verdeutlichen. Denn die Firma Texas Instruments stellt in diesem
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Zusammenhang an die 100 Zusatzgeräte zum eigentlichen TI-Nspire -Taschenrechner zur Verfügung
wie beispielweise ein Kraftsensor, um Kräfte, welche auf einen Körper wirken, erfassen zu können. Des
Weiteren gibt es Ultraschall- und Magnetfeldsensoren, mit denen man Entfernungen oder die Stärke eines vorhandenen Magnetfeldes messen kann. Somit kann man diesen Rechner sehr effektiv in weiteren
naturwissenschaftlichen Fächern einsetzen. Daraus ergibt sich für die Arbeit folgender Untersuchungsgegenstand:
Die Sensoren können die Experimente des naturwissenschaftlichen Unterrichtes effizient bereichern,
sogar verbessern und der Aufwand diese Zusatzgeräte einzusetzen, führt zu einer qualitativen Verbesserung der methodischen Arbeit im alltäglichen Unterricht der gymnasialen Oberstufe. Somit könnte der
Einsatz dieser Sensoren Messfehler bzw. Ungenauigkeiten bei den meisten im Lehrplan enthaltenen
Experimenten ausgleichen oder sogar ganz der Vergangenheit angehören lassen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich damit, diese Thesen zu bearbeiten und zu beantworten und viel1
2
Personenbezeichnungen stehen in der Jugend-forscht-Arbeit für beide Geschlechter.
siehe: http://www.zitate.de/autor/Lichtenberg,+Georg+Christoph
-3-
4.1 Die Taschenrechner der Firma Texas Instruments Incorporated im Wandel der Zeit
leicht den zukünftigen naturwissenschaftlichen Unterricht vieler Schüler zu verbessern und einige Experimente in Bereichen der Physik in den Klassenstufen 10 / 11 oder der Thermodynamik / chemische VorTM
gänge mit Hilfe von Zusatzgeräten für den TI-Nspire durchzuführen. Einerseits für Lehrer, aber vor
allem auch für Schüler, verständlich zu erklären und ihnen eine Anleitung in Form von Protokollen mit
genauen Arbeitsvorgängen zu liefern.
Das heißt diese wissenschaftliche Arbeit enthält 14 Versuchsanleitungen, die den genauen Ablauf physikalischer und chemischer Experimente mit Hilfe von veranschaulichenden Bildern, Texten und Erläuterungen zum jeweiligen Thema des Experimentes erklärt. Eines der Experimente der jeweiligen naturwissenschaftlichen Sparte wird hier nochmals mit der herkömmlichen Methode, die im Lehrplan vorgesehen
ist, verglichen. Diese Experimente sind im Teil Physik der Klassenstufe 10 die Haftreibungszahl sowie in
der Klassenstufe 11 die harmonische Schwingung und im Teil der chemischen Vorgänge und Thermodynamik die Abkühlkurve. Zudem werden diese drei Experimente genauer in jedem Hauptteil anhand der
physikalischen bzw. chemischen Formelsprache erklärt und am Ende nach ihrer Effizienz eingeschätzt.
Des Weiteren enthält diese Jugend-forscht-Arbeit die Geschichte der Entwicklung des Taschenrechners
der Firma Texas Instruments und zuzüglich den Werdegang des Thüringer CAS-Projektes mit dessen
TM
Fortschritten. Auch zeigt sie das große Spektrum der Erfassungsgeräte zum TI-Nspire und motiviert
damit möglicherweise den ein oder anderen Lehrer zum Einsatz dieser Geräte.
TM
4 Geschichtliche Betrachtungen zum TI-Nspire
CAS
4.1 Die Taschenrechner der Firma Texas Instruments Incorporated im Wandel der Zeit
TI, oder Texas Instruments Incorporated, ist eine der größten nordamerikanischen
Technologiefirmen mit Sitz in Dallas, Texas. Zudem ist die Firma eine der größten
3
Halbleiterproduzenten der Welt . Die Produktpalette reicht von Mikrocontrollern zu
Mehrkernprozessoren bis hin zu Taschenrechnern, die auch im schulischen Naturwissenschaftsunterricht eingesetzt werden.
Abbildung 1:
TI-2500 Datatmath
TI wurde im Jahre 1954 gegründet und produzierte anfänglich Elektronikchips, welche erst mit einigen wenigen Logikfunktionen ausgerüstet waren, aber dann später
immer komplexer wurden. 1967 entwarf der Nobelpreisträger Jack Kilby, der auch
als „Vater des Mikrochips“ bezeichnet wird, für Texas Instruments eine einfache
Rechenmaschine, die auf denen von ihm vorher entwickelten Mikrochips basierte.
Diese Maschine ist der erste Prototyp des heutigen CAS-Taschenrechners. 1974
brachte die Technologiefirma ihren erste Rechner mit weiterentwickelten, integrierten
Schaltkreis auf den Markt, den TI-2500 Datamath (Abbildung 1). 1977 stellte Texas
Instruments den TI-Programmer (Abbildung 2) vor, einen Taschenrechner für boolesche Rechnungen. Er ist vor allem für Programmierer entworfen worden.
Im selben Jahr brachte TI den ersten programmierbaren Rechner mit integrierten
Magnetkartenleser auf den Markt, den SR-52 (Abbildung 3). Dieses Gerät erlaubt es
dem Nutzer, die von ihm selbst erstellten Programme auf zweispurigen Magnetkarten
zu sichern. Der SR-52 wurde noch im selben Jahr von TI-59 abgelöst.
Abbildung 2:
TI-Programmer
Abbildung 3
SR-52
Der TI-59 besaß zur Marktvorstellung als weltweit erster Rechner auswechselbare
Programmmodule auf Halbleiterbasis mit festeingebauten Anwendungsmodulen.
Außerdem werden Softwareprogramme mitgeliefert. 1992 erschien mit dem TI-85 der
erste Grafiktaschenrechner der Firma Texas Instruments. Der Nachfolger TI-82 (Abbildung 4) galt im naturwissenschaftlichen Unterricht der Oberstufe (z.B. Mathematik) als sehr beliebt, weil er kostengünstiger war als der TI-85. Er besaß aber dementsprechend weniger Funktionen.
Im Jahr 1995 kam der erste grafische Taschenrechner mit Computer Algebra SysTM
tem auf den Markt. Er ist ein Vormodell des zu untersuchenden TI-Nspire CAS.
Der TI-92 (Abbildung 5) besitzt erstmalig ein 8-Wege-Steuerkreuz und wurde aufgrund seiner Vielseitigkeit und größeren Übersichtlichkeit bei komplexeren mathe-
3
siehe: http://de.wikipedia.org/wiki/Texas_Instruments
-4-
4.2 Die Entwicklung des Thüringer CAS-Projektes
matischen Aufgaben an Gymnasien, beispielsweise die im nächsten Kapitel näher
bezeichneten Schulen, technischen Lehranstalten sowie an Universitäten genutzt.
Nachfolger des TI-92 sind der TI-92 Plus und der TI-Voyage 200. Es wurden noch
einmal technische und äußerliche Veränderungen durchgeführt.
Abbildung 4
TI-82
Abbildung 5
TI-92
Der Voyage 200 (Abbildung 6) wurde ab 2002 produziert und verfügte im Gegensatz
zu seinen Vorgängern über eine eingebaute Uhr, die es ihm erlaubt zeitbezogene
TM
Experimente durchzuführen. 2007 wird endlich der TI-Nspire CAS (Abbildung 7)
eingeführt. Das wesentliche Merkmal dieses Rechners ist die Interaktivität von grafischer Geometrie, Tabellenkalkulation und Computeralgebra. Ursprünglich erschien
TM
der TI-Nspire mit einem Clickpad, welches aber seit 2010 durch ein Touchpad ersetzt wurde. Außerdem ist seit 2011 der Rechner mit einem Farbdisplay ausgerüstet.
Erstmalig ist die Steuerung eines Rechners der Firma Texas Instruments in Applikationen unterteilt. Die Auswahl im Handheld kann über das Touchpad, aber auch über
die Eingabe von Buchstaben oder Zahlen erfolgen. Diese sind räumlich und optisch
voneinander auf der Benutzeroberfläche getrennt. Eine weitere Neuerung ist die Fähigkeit des CAS-Rechners Messwerte zu erfassen. Über die Mini-USB-Schnittstelle
können Sensoren zur Messwerterfassung angeschlossen werden und über die Erweiterung Lab Station auch mehrere Sensoren auf einmal verwendet und miteinander
kombiniert werden. Des Weiteren kann das Modell über diese USB-Schnittstelle zwei
Taschenrechner oder einen Taschenrechner und einen PC verbinden. Damit ist ein
Datentransfer und ein Datenaustausch zwischen den Schülergruppen möglich. Durch
diese positiven Aspekte erfolgte schrittweise die Einführung des CAS-Rechners an
Thüringer Schulen, welche im Folgenden erläutert wird.
4.2 Die Entwicklung des Thüringer CAS-Projektes
Abbildung 6
Voyage 200
Der Start des Thüringer CAS-Projektes erfolgte 1999, als ein Lehrplanwerk in Kraft
trat, welches auf die Entwicklung von Lernkompetenzen gerichtet war, wozu laut einigen Mathematiklehrern der Einsatz von CAS (Computeralgebrasystemen) einen lebendigeren Unterricht fördere. Nachdem das Albert-Schweitzer-Gymnasium in Ruhla
bereits zweijährige Erfahrungen mit dem TI-92 vorweisen konnte, entschloss sich das
Thüringer Kultusministerium im selben Jahr die Finanzierung der Anschaffung von TI89-Geräten zu übernehmen. So erhielten drei aufeinanderfolgende Jahrgänge an acht
Thüringer Schulen (Friedrichgymnasium Altenburg, Zabel-Gymnasium Gera, AlbertSchweitzer-Gymnasium Sömmerda, Tilesius-Gymnasium Mühlhausen, Goetheschule
Ilmenau (Spezialschulteil), Albert-Schweitzer-Gymnasium Ruhla, Albert-SchweitzerGymnasium Erfurt (Spezialschulteil), Staatliche Berufsbildende Schule 2 Nordhausen)
die Chance mit CAS-Taschenrechner zu arbeiten.
An jeder dieser Schulen wurden - mit dem Schuljahr 1999/2000 beginnend und letztmalig mit dem Schuljahr 2001/2002 - alle Schüler der Klassenstufen 10 mit dem TI-89
ausgestattet. Die Schüler erhielten die Geräte leihweise und konnten sie im Unterricht, zu Hause und in Klausuren verwenden. Folglich erwartete diese Schülergruppe
ein spezielles CAS-Zentralabitur in den Jahren 2002 bis 2004. Ein wichtiges Ziel für
die Initiatoren war es, die Auswirkungen des Einsatzes des CAS-Rechners im naturwissenschaftlichen Unterricht auf diese Schülergruppe zu untersuchen. Dabei standen unter anderem folgende Fragen im Blickpunkt:
Abbildung 7
TM
TI-Nspire CAS
- Wie nehmen Schüler und Lehrer dieses Hilfsmittel an?
- Wie ändern sich Formulierungen und Inhalte von Aufgaben?
- Wie entwickeln sich Schülerleistungen?
- Wie bewährt sich die Technik im Schulalltag?
Da das Thüringer CAS-Projekt nie den Status eines Schulversuches erhielt, konnte auch keine wissenschaftliche Begleitung stattfinden, sodass all diese Fragen durch die begleitenden Lehrer selbst beantwortet werden mussten. In Betracht dieser besonderen Situation ist die Aufstellung eines CASLehrplanes ein großer Schritt gewesen, da auch einige CAS-unerfahrene Lehrer mit den neuen Geräten
-5-
4.2 Die Entwicklung des Thüringer CAS-Projektes
arbeiten wollten / sollten und die Schüler an den Versuchsschulen auch gründlich auf das bevorstehende
CAS-Abitur vorbereitet werden mussten.
Trotz vieler positiver („Man kann schneller, anschaulicher, fehlerfreier rechnen.“, „Der Unterricht ist anders geworden - mehr Theorie und weniger Rechnungen, da dieses der TI-89 übernimmt.“, „Die Konzentration auf das Wesentliche in der Mathematik nimmt zu.“), aber auch negativer Schülermeinungen („Man
4
wird vom Taschenrechner abhängig.“, „Die Erlernung / Handhabung des Gerätes ist mühsam.“) neben
den positiven Lehrermeinungen im Arbeitskreis (eine größere Umfrage unter Lehrern wurde nicht durchgeführt), aufgrund welcher die Verlängerung des Projektes über das Jahr 2004 hinaus gefordert wurde,
brach das Thüringer Kultusministerium die finanzielle Förderung dieses Projektes aufgrund von Kostengründen ab. In den darauffolgenden Jahren schlossen sich immer mehr Schulen, welche auch die Finanzierung der Rechner selbst übernahmen (am Friedrichgymnasium Eltern und Förderverein), dem Arbeitskreis Computeralgebrasysteme am Thüringer Institut für Lehrerfortbildung, Lehrplanentwicklung und Medien (ThILLM) an. So wurden bis zum Jahr 2009 immer mehr Arbeitsmaterialien zum Einsatz des CASRechners entwickelt und die Beteiligung stieg auf 29 Schulen, welches rund ein Drittel der Thüringer
Gymnasien entspricht.
5
Nach einer Pressemeldung am 20. Januar 2011 beschloss das Thüringer Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur (TMBWK) aufgrund einer Expertenmeinung den verbindlichen Einsatz des CASRechners in der Doppelklassenstufe 9 / 10 ab dem Schuljahr 2011/2012. Damit wurde die Voraussetzung
geschaffen, dass die Geräte zum Abitur 2014 im ganzen Freistaat verwendet werden können. Vorausgegangen war eine Expertise von Prof. Dr. Bärbel Barzel (Pädagogische Hochschule Freiburg), die einzige
die das TMBWK einforderte, die betonte, dass die Vorteile des CAS enorm seien sowie der Einsatz von
CAS im naturwissenschaftlichen Unterricht als „Katalysator für einen schülerzentrierten und verstehenso6
rientierten Unterricht“ wirke.
Somit ist es zu einem neuen Ziel in der Thüringer Oberstufe geworden, dass jeder Schüler mathematische Werkzeuge wie Formelsammlungen, Taschenrechner, Software, Computeralgebrasysteme (CAS)
sinnvoll und verständig einsetzen kann. Damit trotzdem keine Bildungslücken im elementaren Rechnen
ohne Taschenrechner auftreten, wie eine Testbefragung 2000 und 2001 unter den Versuchsklassen und
5 bis 6 Vergleichsklassen mit unbefriedigenden Ergebnis auftat, wurde das Abitur im Fach Mathematik in
einem hilfsmittelfreien Teil sowie in einen Teil, in dem der CAS-Rechner benötigt wird, aufgeteilt. Die
Chancen, beispielsweise Interaktivität und Dynamik, Visualisierung und Förderung der Medienkompetenz, die ein CAS-Rechner bietet, werden somit zum größten Teil genutzt. Die Risiken, zum Beispiel weniger Verständnis für die Funktion dieser Algorithmen bzw. Beschleunigung des Mathematikunterrichts
7
werden durch Hilfsmittel freies Rechnen zugleich minimiert.
Begleitet wurde die verbindliche Einführung der Rechner durch Weiterbildungsangebote des ThILLM. So
8
könne man „guten Unterricht noch besser machen.“ Denn zu Beginn des Thüringer CAS-Projektes im
Jahr 1999 bestanden diese Fortbildungsangebote noch nicht und es musste meist auf Referenten aus
anderen Bundesländern zurückgegriffen werden, welche für Lehrer der beteiligten Thüringer Schulen
zuerst einen „Einführungslehrgang“ (Kennenlernen des TI-89 mit seinen Möglichkeiten) und dann einen
Lehrgang für „Unterrichtsbeispiele in Klassenstufe 10“ (schwerpunktmäßig: Nutzung des TI-89 auf der
Basis des weiterentwickelten Thüringer Lehrplanes Mathematik) gestalteten. Diese Referenten konnten
sich jedoch nicht in das Thüringer Unterrichtsgeschehen einfühlen, worauf in der Folgezeit mehr und
mehr auf Thüringer Lehrer gesetzt wurde (Eckert, Altenburg; Kurtz, Mühlhausen; Zappe, Ilmenau; Langlotz, Ruhla), welche dann auch analog zum Lehrgang für die Klassenstufe 10 Fortbildungen für die Kurs-
4
Vgl. Hans-Joachim Brenner / Udo Eckert / Bernd-Günther Kurtz / Hubert Langlotz / Wolfgang Moldenhauer / Wilfried Zappe: Erfahrungen aus dem Thüringer CAS – Projekt, S. 5f.
5
Vgl. TMBWK: CAS-Taschenrechner werden an Gymnasien eingeführt / Wissenschaftliche Ex-pertise
unterstützt den Einsatz
6
Vgl. Prof. Dr. Bärbel Barzel: Expertise zum Einsatz von Computeralgebrasystemen (CAS) im Mathematikunterricht in Thüringen, S. 50
7
siehe: Dr. Hubert Langlotz: Mathematikunterricht mit CAS an Thüringer Gymnasien Historie-StandAusblick, S. 13
8
Vgl. Gregor Hermann: Pressemeldung CAS-Taschenrechner werden an Gymnasien eingeführt / Wissenschaftliche Expertise unterstützt den Einsatz, S. 1
-6-
5 Zusatzgeräte (Sensoren) zum Einsatz im naturwissenschaftlichen Unterricht
9
stufen 11 und 12 anboten. Manche der Lehrer wollten zudem einen erweiterten Einsatz auch außerhalb
des Mathematikunterrichts, demzufolge wurde die Nutzung von Zusatzgeräten im naturwissenschaftlichen Unterricht beschlossen.
5 Zusatzgeräte (Sensoren) zum Einsatz im naturwissenschaftlichen Unterricht
Neben dem Einsatz des CAS-Rechners im Mathematikunterricht und bei Berechnungen in den naturwissenschaftlichen Fächern ist es auch möglich, den Taschenrechner zur Messwerterfassung bei Versuchen
in den Fachbereichen Physik, Chemie, Biologie und Geografie einzusetzen. Um dies zu praktizieren, sind
so genannte Erfassungsgeräte bzw. Sensoren nötig, welche man direkt an TI-Rechner anschließen kann
oder welche über eine Zwischenstation, bei TI–Taschenrechnern als LabCradle bezeichnet, genutzt wer10
den. Als großer Vorteil ist hier anzusehen, dass das Spektrum der rund 100 Geräte von Ethanolsensoren über Rotationssensoren bis zu Ultraschallsensoren reicht, womit ein Großteil aller physikalischen und
auch chemischen Experimente auf Schulniveau abgedeckt werden kann.
Wie die Autoren schon anfangs formuliert hatten, ist eines der Ziele gewesen zu beweisen, dass ein
Großteil der Experimente im physikalischen Bereich (Klassenstufe 10 und 11) und auch einige Experimente in der Thermodynamik und Chemie komplett mit dem CAS-Rechner durchgeführt werden können
und sich daraus Verbesserungen gegenüber den bisherigen Messversuchen ergeben. Um diese VersuTM
che durchzuführen kauften das Friedrichgymnasium und das Lerchenberggymnasium 2 TI-Nspire Lab
Cradle (279,90 €), 2 Schallpegel- und Frequenzsensoren (103,00 €), 2 Magnetfeldsensoren (153,90 €), 2
Kraftsensoren (287,90 €), 2 Ultraschall-Bewegungsmesser (219,90 €), 2 Differentialspannungssensoren
(112,34 €), 2 Stromstärkesensoren (112,34 €) und 1 Temperaturfühler (54,73 €). Somit betrug der Gesamtpreis für zwei Sätze der aufgeführten Messgeräte 1324,01 €, welcher sich aber, wie die Verfasser im
weiteren Verlauf ihrer Arbeit merkten, rentiert. Zur besseren Handhabung der Erfassungsgeräte wurden
einige Anmerkungen über diese zusammengestellt:
TM
11
TI-Nspire Lab Cradle :
TM
Mit diesem Messinterface, also einer Schnittstelle, rüstet man den TI-Nspire erst zu einem Messgerät
aus. Über drei analoge Anschlüsse (CH1, CH2, CH3) und drei digitale Anschlüsse (DIG1, DIG2) können
somit die Werte von bis zu 5 Sensoren gleichzeitig gemessen werden. An diesem Gerät müssen – im
Gegensatz zu den Sensoren – keine weiteren Einstellungen vor den Messungen, welche vom Aufzeichnen von Bewegungen über das Dokumentieren von Kennlinien von Bauelementen bis zur Messung von
Kräften reichen können, vorgenommen werden. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass TITM
Nspire Lab Cradle vor einem Experiment ausreichend geladen oder mit einem PC verbunden ist.
12
Schallpegel- und Frequenzsensor :
Dieser Schallpegel- und Frequenzsensor kann Spektralbereiche von 20 Hz bis 16 kHz abdecken und ist
somit geeignet zur qualitativen Erfassung von Oszillographenkurven auf dem Rechnerdisplay. Aufgrund
dieser qualitativen Erfassung können die Messwerte nicht in Schallpegel (
N
) umgerechnet werden,
m2
was den Einsatz dieses Messgerätes einschränkt. Die Verbindung des Sensors an das TI-Nspire
Cradle erfolgt über einen analogen Anschluss.
TM
Lab
13
Magnetfeldsensor :
Dieser Sensor macht das Messen von magnetischen Flussdichten  6,4 mT im Unterricht möglich. Beim
Einsatz dieses Gerätes ist darauf zu achten, dass die Hallsonde fest im jeweiligen Magnetfeld angebracht
wird (Sensor nur am hinteren Ende befestigen, wo sich das Gehäuse befindet) und dass die Empfindlichkeit passend eingestellt ist, da es die Wahl am Sensor selbst zwischen einer Messgrenze von 0,3 mT und
TM
6,4 mT gibt. Die Verbindung des Sensors an das TI-Nspire Lab Cradle erfolgt über einen analogen
Anschluss.
9
siehe: Hans-Joachim Brenner / Udo Eckert / Bernd-Günther Kurtz / Hubert Langlotz / Wolfgang Moldenhauer / Wilfried Zappe: Erfahrungen aus dem Thüringer CAS – Projekt, S. 6
10
siehe: http://www.dynatech.de/
11
siehe: http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=6179
12
siehe: http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=706
13
siehe: http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=705
-7-
6 Betrachtungen zum Einsatz des CAS-Rechners und dessen Zusatzgeräten in den naturwissenschaftlichen Fächern
Schlussteil
14
Kraftsensor :
Dieses Messgerät reagiert zum einem auf Zugkräfte, genauso gut möglich ist aber auch die Messung von
Druckkräften. Beide Kräfte können durch eine Messbereichseinteilung von 10 N und 50 N mit einer Auflösung von 0,01 N bzw. 0,05 N gemessen werden. Während allen Experimenten ist dabei die Bewegung an
der Messspitze im Gegensatz zum Federkraftmesser fast unmerklich, von was man sich aber nicht irritieTM
ren lassen sollte. Die Verbindung des Sensors an das TI-Nspire Lab Cradle erfolgt über einen analogen
Anschluss.
15
Ultraschall-Bewegungsmesser :
Der TI CBR 2 kann Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen messen und wird daher vor
allem in der Bewegungslehre und im Themengebiet Schwingungen ein häufig eingesetztes Messgerät
sein. Der Sensor kann dabei mittels 50 kHz – Ultraschall Gegenstände und Menschen in einem Messbereich von 15 cm bis 6 m aller 1 mm erfassen. Bei Experimenten mit diesem Messgerät ist jedoch darauf
zu achten, dass keine Gegenstände bzw. Personen die Ultraschallwellen des Gerätes behindern, da dies
TM
zu Fehlmessungen führt. Die Verbindung des Sensors an das TI-Nspire Lab Cradle erfolgt über einen
digitalen Anschluss.
16
Differentialspannungssensor :
Dieser Spannungssensor misst den Potentialunterschied zwischen den beiden Anschlüssen. Dadurch ist
der Einsatz mehrerer solcher Sensoren an einem Erfassungsgerät möglich, ohne dass es zu negativen
Beeinträchtigungen wie Kurzschlüssen oder Fehlmessungen kommt. Der Sensor deckt dabei mit einer
Auflösung von 0,31 mV einen Messbereich von  6 V ab. Kritisch anzumerken ist dabei, dass bei manchen Experimenten (beispielsweise Experiment 8: Wirkungsgrad eines belasteten Transformators) die
Messgrenze von 6 V überschritten und somit im CAS-Rechner der Maximalwert angezeigt wird. Die eigentlichen Messwerte liegen jedoch über den Maximalwerten und die Messung ist damit grob falsch. In
Einzelfällen fällt dies dem Experimentator nicht rechtzeitig auf und die gesamte Messung wird verfälscht.
TM
Die Verbindung des Sensors an das TI-Nspire Lab Cradle erfolgt über einen analogen Anschluss.
17
Stromstärkesensor :
Mit diesem Sensor ist es möglich Stromstärken bis zu 600 mA zu messen, was als Messbereich bei den
meisten Versuchen ausreicht. Durch eine Genauigkeit von 0,31 mA können qualitativ hochwertige Messungen durchgeführt werden, deren Messwerte in Echtzeit auf dem Display und auch danach sowohl als
Messwerttabellen als auch als Oszillographenkurven vorliegen. Für die Schüler besteht neben diesem
auch der Vorteil, dass keine Messbereiche eingestellt werden müssen, was teils zu einer Fehlmessung
TM
führte. Die Verbindung des Sensors an das TI-Nspire Lab Cradle erfolgt über einen analogen Anschluss.
18
Easy!Temp :
Um auch Experimente in der Thermodynamik und Chemie durchführen zu können, dient dieser Sensor
als wichtige Grundlage, denn mit ihm ist es möglich Temperaturen im Bereich von -20° C bis zu 115° C
zu messen. Die maximale Auflösung von 0,07 K liefert dabei optimale Ergebnisse. Zu beachten ist nur,
dass der Sensor nicht mit Flammen oder brennenden Stoffen im Labor in Berührung kommen darf. Die
Verbindung des Sensors erfolgt mittels Mini-USB direkt an den Taschenrechner.
Ob mit diesen Sensoren ein effizienterer, genauerer und anschaulicher naturwissenschaftlicher Unterricht
möglich ist, beurteilen die Autoren im Folgenden:
6 Betrachtungen zum Einsatz des CAS-Rechners und dessen Zusatzgeräten in den naturwissenschaftlichen Fächern
6.1 Einsatz im Fachbereich Physik der Klassenstufe 10
Naturwissenschaften und Technik bestimmen das Leben und Denken der Menschen im 20. Jahrhundert.
14
siehe: http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=696
siehe: http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=3763
16
siehe: http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=2597
17
siehe: http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=2598
18
siehe: http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=4013
15
-8-
6.1 Einsatz im Fachbereich Physik der Klassenstufe 10
Über die Jahrhunderte hinweg hat die Physik einen besonders hohen Anteil daran, vorausgegangene
Probleme zu lösen und zu erklären. Auch in Zukunft wird sie den entscheidenden Beitrag zur Lösung
wesentlicher Probleme im Bereich der Naturwissenschaften und der Technik leisten. Der Physikunterricht
der gymnasialen Oberstufe dient dazu die bereits erworbenen Grundkenntnisse der vorausgegangenen
Klassenstufen zu festigen und in der Tiefe zu betrachten. Dazu werden Erscheinungen, Vorgänge und
Zusammenhänge untersucht, die der Schüler aus Natur, Technik und seinem näheren Umfeld kennt.
In der Klassenstufe 10 vertieft der Schüler sein Wissen in den Bereichen der Mechanik und Kernphysik.
Zur schrittweisen Ausprägung eines systematischen Wissens müssen die Bemühungen darauf gerichtet
sein, dieses in vereinfachter Form im Gedächtnis der Schüler widerzuspiegeln. Da sich die stofflichen
Inhalte bis zur Klassenstufe 10 vor allem an Beobachtungen und Erfahrungen der Schüler bindet, ist das
Experiment eine sehr gute Methode den Jugendlichen das Wissen anschaulich und somit verständlicher
zu vermitteln. Durch das Thüringer CAS-Projekt haben die Schüler nun die Möglichkeit ab der 10. Klasse
TM
den TI-Nspire für Experimente zu nutzen. Der große Vorteil, der sich daraus ergibt, ist, dass zum einen
die durchgeführten Experimente durch das Grafikprogramm des Rechners in besonderem Maße mathematisch veranschaulicht werden können und zum anderen durch die Vielzahl an Sensoren nicht nur genauer und fehlerfreier werden, sondern auch das Spektrum der Experimente erweitert werden konnte.
Diese Erweiterungen bereichern und lockern das Unterrichtsgeschehen auf, da mehr Praxis in den naturwissenschaftlichen Fächern einfließt.
Ein Experiment, was völlig neu in den Physikunterricht aufgenommen werden könnte, ist die Untersuchung der Stärke des Magnetfeldes. Der Thüringer Lehrplan sieht die Untersuchung des Magnetfeldes
nicht im Lehrplan der Klasse 10 vor. Man kann dieses Experiment deshalb auch in der 9. Klasse durchführen. Dies ist möglich, da der CAS- Rechner in Thüringen auch schon in der 9. Klasse eingeführt wird,
sodass die Autoren an dieser Stelle darauf eingehen wollen. So wird der Schüler schon an den Einsatz
des CAS-Rechners und dessen Sensoren gewöhnt, um dann in den weiteren Klassen vertieft und somit
effizient und pädagogisch wertvoll damit zu arbeiten. Er ist nun in der Lage die Kraft, die auf einen elektri19
schen Leiter in einem Magnetfeld wirkt, zu erfassen und die Abhängigkeit von verschiedenen Parametern (angelegte Stromstärke, Eisenkern, Spulenlänge, Windungszahl) zu interpretieren. Er kann durch
die Veränderung bestimmter Begebenheiten wie Länge der Spule oder durch Veränderung der angelegten Spannung nun Aussagen über die Auswirkungen auf die Stärke des Magnetfeldes treffen. All dies
macht der Magnetfeldsensor des CAS-Rechners möglich. Die Thematisierung der magnetischen Flussdichte war davor nur theoretisch im Unterricht behandelbar. Doch nun können durch den CAS-Rechner
auch diese Teilgebiete anschaulich betrachtet werden. Der Magnetfeldsensor im Inneren einer Spule
zeichnet die magnetische Flussdichte auf, durch welche auf die Stärke eines Magnetfeldes geschlossen

werden kann ( B   r

  0  H ). Des Weiteren erfasst der ebenfalls eingesetzte Kraftsensor die Kraft,
die auf den elektrischen Leiter im Inneren der Spule wirkt. So kann man Aussagen darüber treffen, wie
sich die Veränderung der oben genannten Parameter der Spule auf die Stärke des Magnetfeldes und die
Kraft, die auf den metallischen Leiter wirkt, auswirken. In der Klasse 10 sind nun folgende Themengebiete im Lehrplan vorhanden: Mechanik und Kernphysik. In dieser Arbeit werden Experimente der Mechanik
behandelt.
Ein typisches Experiment im Themengebiet Mechanik ist die geradlinig gleichmäßig beschleunigte Bewe20
gung an der geneigten Ebene. Die herkömmliche Methode besteht darin, sich eine geneigte Ebene
einzurichten, wo mit einer Lichtschrankenkonstruktion der Zeitabstand des Durchfahrens zweier Punkte
auf der geneigten Ebene gemessen wird. Während dieser zwei Lichtschranken findet eine Beschleunigung aufgrund der geneigten Ebene statt. Der Versuchsobjekt rollt nun auf einem waagerechten Untergrund weiter und gelangt dadurch in eine gleichförmige Bewegung, deren Geschwindigkeit durch die
Messung von t auf einer Strecke s (z. B. 1 m) bestimmt wird. Somit lässt sich ein v-t und ein s-tDiagramm aufstellen. Wohingegen das von den Autoren durchgeführte Experiment an der geneigten
Ebene viel genauer ist. Dazu braucht man nur einen Wagen, an dem man einen Schallreflektor befestigt.
Danach baut man den Ultraschallsensor des CAS-Rechners auf und schließt in an das LabCradle an.
Nachdem alle Einstellungen am Sensor getroffen sind, kann man nun den Wagen die geneigte Ebene
hinunterrollen lassen. Diese Bewegung wird dann vom Ultraschallsensor erfasst und dann grafisch auf
dem CAS-Rechner dargestellt. Dabei macht er 20 Stichproben je Sekunde. Vergleicht man nun die herkömmliche und die neue Variante dieses Experiments, ergibt sich zum einen der Vorteil, dass die Mess19
20
siehe Versuchsanleitung 5 „Kräfte: Die Stärke eines Magnetfeldes“
siehe Versuchsanleitung 2 „Geneigte Ebene: Geradlinig gleichmäßig beschleunigte Bewegung“
-9-
6.1 Einsatz im Fachbereich Physik der Klassenstufe 10
ergebnisse direkt in einem Diagramm in Form einer Kurve dargestellt werden, zum anderen auch noch
viel genauer sind, da der Ultraschallsensor die Messwerte mit einer Geschwindigkeit (zeitlicher Rahmen)
von 0,05 s je Stichprobe aufnimmt und numerisch verarbeitet. Zu guter Letzt ist der Aufwand von diesem
Experiment um einiges gesunken, da keine Konstruktion aus mehreren Lichtschranken mehr notwendig
ist. Wenn man nun nach der Erfassung der Messwerte diese in die Funktion Data & Statistics überträgt
und über die Möglichkeit der Regression sich die aus den Werten entstandene Funktionsgleichung darstellen lässt, ist nach dem Experiment ein problemloses Weiterrechnen möglich, wodurch die Effizienz
des durchgeführten Experiments steigt.
21
Auch beim Experiment zur geradlinig gleichförmigen Bewegung ergeben sich Vorteile gegenüber dem
herkömmlichen Versuchsaufbau, dieser beruhte darauf, dass ein sich gleichförmig bewegendes Fahrzeug in gleichen Zeitabständen den gleichen Weg zurücklegen muss. Bei diesem Versuchsaufbau ergeben sich nun Fehler bei der Wegmessung abhängig von einem bestimmten Zeitintervall. Die CASMethode ist folgendermaßen aufgebaut: Der Wagen, an dem ein Schallreflektor befestigt ist, wird auf
Eisenbahnschienen gleichmäßig bewegt ohne eine zusätzliche Beschleunigung. Hier misst der Ultraschallsensor die Position des Wagens in Abhängigkeit der Zeit viel genauer, da keine menschlichen Reaktionszeiten berücksichtigt werden müssen. Alles in Allem ergibt aus der neuen Methode im Vergleich
zur alten Methode eine erhebliche Ersparnis an Zeit, da weniger Messungen durchgeführt werden müssen, in denen jedes Mal der zurückgelegte Weg in einem bestimmten Zeitintervall ermittelt wird. Der
CAS-Rechner nimmt die Messwerte auf, die in einer Kurve dargestellt werden. Diese Kurve kann nun in
Bezug auf die geradlinig gleichförmige Bewegung interpretiert werden. Die Zeitersparnis kann nun durch
Beispielaufgaben sinnvoller im naturwissenschaftlichen Unterricht genutzt werden.
22
Auch im letzten Experiment der Klassenstufe 10, der Bestimmung der Haftreibungszahl, ist zu erkennen, dass die Vorteile des Versuchsaufbaus mit CAS-Rechner und dessen Zusatzgeräten gegenüber der
herkömmlichen Methode überwiegen. Die beiden Aufbauvarianten unterscheiden sich im Versuchsaufbau
voneinander:
Bei der herkömmlichen Variante liegt der Körper auf einer verstellbaren
geneigten Ebene (Abbildung 8). Will man nun den Haftreibungskoeffizienten bestimmen, hebt man die schiefe Ebene an, bis der Körper anfängt zu
rutschen. Mit diesem genau ablesbaren Winkel kann man nun mit folgender Gleichung die Haftreibungszahl bestimmen.
tan( )   H
Abbildung 8
Bestimmung
Haftreibungszahl
geneigte Ebene
Bei der Methode mit CAS- Rechner wird ein Körper auf eine horizontale Unterlage gelegt und an den
Kraftsensor des CAS-Rechners angeschlossen. Nun zieht man diesen, bis der Körper anfängt sich ruckartig in Bewegung zu setzen. Die aufgezeichnete Kurve kann dann interpretiert werden. Daraus kann
man dann die Werte für FH ablesen und in die im Tafelwerk stehende Formel einsetzen, wobei FN bei
diesem Experiment der Gewichtskraft des genutzten Körpers ( FG ) entspricht.


FH   H  FN
Teilt man die Haftreibungskraft, die als Maximalwert in der Messkurve oder der Tabelle gegeben ist,
durch die Normalkraft, so erhält man die Haftreibungszahl des Körpers:


FH   H  FN

FH
H  
FG
Am Beispiel ergibt sich folgendes Ergebnis:
21
22
siehe Versuchsanleitung 1 „Bewegungen: Geradlinig gleichförmige Bewegung“
siehe Versuchsanleitung 3 „Kräfte: Haftreibungszahl zwischen zwei Stoffen“
- 10 -
6.2 Einsatz im Fachbereich Physik der Kursstufe 11
H 
0,591N
 0,251
2,355 N
Wie man in den nachfolgenden Protokollen und auch hier im Vergleich unschwer erkennen kann, ist der
CAS-Rechner in der Lage die Haftreibungskraft auf 3 Stellen nach dem Komma genau zu ermitteln. Dies
ist auch bei der herkömmlichen Methode möglich. Der Vorteil des CAS-Rechners liegt bei diesem Versuch in der Visualisierung durch die Diagramme. Weiterhin sind viel mehr Aussagen über die wirkenden
Kräfte und die wirkenden Einflüsse wie Untergrundform und Masse und der daraus resultierenden Gewichtskraft bzw. Normalkraft möglich. Auch werden die Interpretation von Kurven und das mathematische
Verständnis der physikalischen Vorgänge bei der 2. Methode geschult. Durch die Arbeit mit der herkömmlichen Formel über die wirkenden Kräfte können die Schüler auch Schlüsse im alltäglichen Leben
ziehen. Wie viel Kraft man dafür aufwenden muss? Bei der herkömmlichen Methode ist diese Arbeit mit
den wirkenden Kräften nicht vorhanden. Alles in Allem muss der Lehrer bei diesem Experiment selbst
entscheiden, ob ihm Zeitersparnis und einfacher Aufbau bei der normalen Methode wichtiger ist als die
Genauigkeit und die umfangreiche mathematische Betrachtung von Kurven und wirkenden Kräften bei
der CAS-Methode. Diese Arbeit enthält nur Vorschläge, diese Experimente mit den Messgeräten und
dem Rechner einmal anders durchzuführen.
Zusammenfassend ziehen alle 4 Experimente der Klassenstufe 10 eine Zeitersparnis (beispielsweise
verringert sich im Experiment an der geneigten Ebene der Zeitaufwand im Aufbau der Konstruktion mit
den Lichtschranken) nach sich. Viele Schritte, Versuchsabläufe, und deren Aufbau werden vereinfacht
und ums Vielfache anschaulicher gestaltet. Dennoch ergibt sich die Frage, ob der CAS-Rechner mit der
Vereinfachung vieler Arbeitsschritte nicht den Schüler allzu viel Arbeit und Überlegungen abnimmt? Diese
Frage kann verneint werden, da zum einen die Handhabung und das Verständnis der Vorgänge am CASRechner vom Schüler beherrscht werden muss. Des Weiteren muss er auch die Ergebnisse in Form von
exakten Werten oder Diagrammen interpretieren können und somit in Zusammenhang mit seinen theoretisch erworbenen Grundkenntnissen setzen.
6.2 Einsatz im Fachbereich Physik der Kursstufe 11
Im Vergleich zur Klassenstufe 10 ist der Einsatz des CAS-Rechners im Physikunterricht der Kursstufe 11
nochmals gesteigert worden, was sich aus dem erhöhten Auswertungsumfang zu Experimenten ergibt.
Diese These lässt sich beispielsweise an folgenden Versuchen belegen: Im Protokoll 6: Entladungskurve
eines Kondensators ist es notwendig aus den aufgenommen Messwerten die exponentielle Funktionsgleichung I (t )  0,05596  0,08161 mit dem CAS-Rechner zu bilden. Deren Integral 0,022 As (in festgelegten Schranken) ergibt die gespeicherte Ladung des Kondensators. Weiterhin kann der Taschenrechner im dann näher beschriebenen Versuch „Bestimmung der magnetischen Feldkonstanten“ deren
Wert für die 351 Messwerte errechnen und daraus den Mittelwert bilden. Zusammenfassend sehen die
TM
Autoren somit eine Steigerung des Nutzens des TI-Nspire .
t
So war und ist der CAS-Rechner auch ohne die Sensoren zur Messwerterfassung ein häufig eingesetztes
Hilfsmittel im Physikunterricht des Kurssystems, wie die Verfasser an ihren Erfahrungen in Physik gA und
eA beweisen können. So wurden Messwerte zu Versuchen per Hand aufgenommen, dann in die Funktion
TM
Lists & Spreadsheet im TI-Nspire übertragen und anschließend über die Möglichkeit der Regression
eine Modulierung durchgeführt, sodass man zu seiner experimentell ermittelten Funktionskurve nun auch
eine Funktionsgleichung hat, mit welcher das weitere Rechnen problemlos möglich ist. Ein passendes
Beispiel aus dem Unterricht wäre an dieser Stelle die Elongation einer harmonischen Schwingung, bei
welcher mit Hilfe der Funktionsgleichung s(t) die Elongation an einer bestimmten Stelle (beispielsweise t
= 0,9 s) bestimmt werden kann.
23
Führt man das anfangs erwähnte Experiment „Entladung eines Kondensators“ durch, ist es nun möglich
die Entladestromstärke aller 0,01 Sekunden aufzuzeichnen, womit eine viel genauere Auswertung möglich ist, als bei der im Unterricht üblichen Messung aller 2 Sekunden. Die Genauigkeit der ermittelten exponentiellen Funktionsgleichung (im Versuch der Schülergruppe: I (t )  0,05596  0,08161 ) ist nun
aufgrund der größeren Anzahl an Messwerten höher. Daraus ergibt sich auch eine präzisere Bestimmung
t
23
siehe Versuchsanleitung 6 „Elektrische Kapazität: Entladekurve eines Kondensators“
- 11 -
6.2 Einsatz im Fachbereich Physik der Kursstufe 11
der Kapazität (Versuchswert Schülergruppe: 0,022 As) des Kondensators möglich, welche durch Integralbildung von I (t ) möglich ist.
Doch nicht nur eine Verbesserung der Messwerte durch die neuen Sensoren ist jetzt möglich, sondern
auch die Einführung neuer Experimente in den Unterricht, welche aufgrund der nicht vorhandenen Möglichkeiten zur Messung vorher unrealisierbar waren. So ist nun möglich den Schüler experimentell den
proportionalen Zusammenhang zwischen der magnetischen Flussdichte im Innern einer langen, von
24
Strom durchflossenen Spule und der Stromstärke aufzuzeigen. Der CAS-Rechner liefert im Anschluss
der Durchführung mit wenigen Klicks die benötigten Diagramme und ermöglicht die Ermittlung von Funktionsgleichungen zum Graphen, so lautet bei diesem Beispiel der lineare Zusammenhang
B( I )  22,481  I + 1,566 (siehe Protokoll „Das Magnetfeld einer Spule: Bestimmung der magnetischen
Feldkonstante“ im Anhang). Die Behandlung der magnetischen Feldkonstante war vormals nur Theorie
im Unterricht gewesen, mit der neuen Experimentieranordnung ist es jedoch möglich diese (Wert der
Schülergruppe:
Bereich von 10
1,1119811603844  10 -6 
6

N
N
-6
; Literaturwert: 1,2566370614359  10  2 ) in einem
2
A
A
N
mit einer akzeptablen Abweichung von 11,5 % zu bestimmen.
A2
25
Bei der Bestimmung des Wirkungsgrades eines belasteten Transformators handelt es sich um ein
Standardexperiment in der Kursstufe, welches im Themenbereich elektromagnetische Induktion behandelt wird. Dabei ist das Experiment, so wie die Autoren es durchgeführt haben, genauso auch mit „herkömmlichen“ Mitteln (ohne Zusatzgeräte) möglich. Daher war es das Ziel, die Präzision der Messwerte
und die Vorteile der Auswertung in den Vordergrund zu stellen: So konnten die Messwerte (Primärspannung, Primärstromstärke, Sekundärspannung, Sekundärstromstärke) mit 4 Nachkommastellen aufgenommen werden und mit diesen Werten dann auch weitergerechnet werden. Hingegen sind solche Werte
mit einem normalen Voltmeter bzw. Amperemeter im Unterricht nicht zu messen. Aufgrund dieser genaueren Werte (keine Rundungswerte) konnte auch eine genauere Auswertung hinsichtlich des Wirkungsgrades des Transformators erfolgen: Ein Transformator mit den Windungen 2000 zu 1000 erreichte dabei
den höchsten Wirkungsgrad mit 21,48% bei einem Widerstand von 26 Ohm. Dieser Wirkungsgrad von
21,48% ist sehr niedrig und tritt bei diesem Experiment wahrscheinlich aufgrund der auf den Spannungssensor angepassten Bauweise des Transformators auf (Dies muss so sein, da keine Werte über 6 V auftreten dürfen, wie in der Problematik auf Seite 14 beschrieben.). Bei einem Transformator mit 500 zu 500
Windungen wurde der höchste Wirkungsgrad (67,19%) bei einem Widerstand von 50 Ohm gemessen
und bei Versuch 3 (1000 zu 500 Windungen) wurde der höchste Wirkungsgrad (68,53%) bei einem Widerstand von 100 Ohm erzielt. Anzumerken ist jedoch, dass je nach Aufgabenstellung (Beispielsweise
Wirkungsgrad im Bereich von 20 – 100 Ohm bestimmen.) auch ein kleinerer Größenbereich genügt. Ein
weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass Diagramme per Klick gleich aus den jeweiligen Messwerten erstellt werden können, womit sich ein erheblicher Zeitvorteil für den Unterricht ergibt. Eine kritische Nachfrage bzgl. der Frage, ob der Taschenrechner nun alles für die Schüler übernimmt, kann dahingehend mit
Nein beantwortet werden: Der Schüler muss immer noch wissen, was er eingeben muss, damit er zum
gewünschten Ergebnis gelangt. Die Kompetenz zur Arbeit mit dem CAS-Rechner muss daher in den
vorherigen Jahren ausgeprägt werden. Dies kann beispielsweise durch eine regelmäßige Arbeit mit dem
TM
TI-Nspire und dem Einführen, Erklären und Üben neuer Taschenrechnerfunktionen erreicht werden.
26
Auch die in der Klassenstufe 11 nochmals behandelte Selbstinduktion zählt zum Themengebiet elektromagnetische Induktion und ist durch 2 Spannungssensoren, die in einem Stromkreis an eine Sekundärspule und an einen Wiederstand angeschlossen sind, experimentell behandelbar. Genauso wie im
Versuch zur Entladung eines Kondensators sind der CAS-Rechner und dessen Zusatzgeräte bei diesem
Experiment mit einer Geschwindigkeit von 250 Messwerten pro Sekunden genauso eine wichtige UnterTM
stützung wie Funktion des Triggering im TI-Nspire (Messung startet automatisch, wenn ein bestimmter
Schwellenwert (zum Beispiel U S  2V ) überschritten wurde) eine wichtige Unterstützung. Die Werte für
die Spannungen im Primär- (Selbstinduktion) und Sekundärstromkreis (fremdinduzierte Spannung) in
24
siehe Versuchsanleitung 7 „Das Magnetfeld einer Spule: Bestimmung der magnetischen Feldkonstante“
25
siehe Versuchsanleitung 8 „Elektromagnetische Induktion: Wirkungsgrad eines belasteten Transformators“
26
siehe Versuchsanleitung 4: „Das Magnetfeld einer Spule: Selbstinduktion“
- 12 -
6.2 Einsatz im Fachbereich Physik der Kursstufe 11
Abhängigkeit zur Zeit bilden somit eine präzise Grundlage zur Darstellung der Vorgänge im Primärstromkreis und an der Sekundärspule in einem Diagramm (hier: U P  t  Diagramm und
U S  t  Diagramm ).
Mit diesen beiden Diagrammen, welche im anhängenden Protokoll zu finden
sind, lassen sich die Vorgänge der Selbstinduktion nach der Lenz´schen Regel erklären und interpretieren, wie die Autoren es im dazugehörigen Protokoll durchgeführt haben. Diese Werte auf zwei Voltometer
im herkömmlichen Versuchsaufbau abzulesen, ist nahezu unmöglich.
Mit den neuen Zusatzgeräten für den CAS-Rechner ist nun jedoch möglich, die gesamte Schwingung
durch den Taschenrechner aufnehmen zu lassen, womit danach eine problemlose und schnelle Auswertung möglich ist. Eine vergleichende Betrachtung zwischen dem Versuch ohne Sensoren und dem Versuch mit Sensoren (Ultraschall-Bewegungsmesser) wird dazu im nächsten Abschnitt durchgeführt. Doch
nicht nur bei diesem Experiment ist der Einsatz des CAS-Rechners und seiner Sensoren dienlich, auch
bei den anderen Experimenten, welche die Schüler durchgeführt haben, ergeben sich weitere Vorteile für
Schüler und auch für Lehrer, da, wie die Autoren in dieser Arbeit auch belegen möchten, die Fehlerquellen während der Experimente stark abnehmen.
Zum Themenbereich Schwingungen führten die Autoren zwei Experimente durch: Zum einen Messungen
27
zur mechanischen Schwingung (harmonisch), auf welcher im nächsten Absatz noch genauer eingegan28
gen wird, und zum anderen zur Problematik einer gedämpften Schwingung. Hier konnten Sie mit Hilfe
des Kraftsensors die mit der Zeit abnehmende Amplitude eines Federschwingers messen. Der CASRechner maß dabei aller 0,02 Sekunden die Amplitude s des Federschwingers, wobei sich mit jedem
Schwingungsdurchlauf ( T  0,83s ) S MAX verringerte. Dabei ließ sich am Taschenrechner der mathematische Zusammenhang s MAX (t )  0,963  0,787 ermitteln. Eine so genaue Betrachtung dieses Versuches war mit der Schulmethode, bei der am Friedrichgymnasium dieses Experiment nur theoretisch
behandelt wurde, nicht möglich gewesen.
t
Während der Behandlung des Themas Schwingungen hat jeder 11. Klässler sicher das Experiment zur
Auslenkung eines Fadenpendels durchgeführt. Auch die Schülergruppe wollte die Elongation, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Pendels während eines Versuches bestimmen und diese Werte nun mit der herkömmlichen „Schulmethode“ vergleichen:
Bei diesem Versuch wird ein Fadenpendel zum Schwingen gebracht. Nach dem ersten Durchlauf der
Schwingungsdauer T wird die Messung per Stoppuhr gestartet und nach 10 weiteren Umläufen gestoppt.
Diese Zeit durch n  10 beträgt die Schwingungsdauer T, welche jedoch aufgrund der Ungenauigkeit
beim Zeitstoppen schwankend ist. Zum besseren Vergleich haben die Autoren dieses Experiment nach
der beschriebenen Methode durchgeführt, dabei vorher die Länge l des Pendels gemessen und nach
dem Versuch dieselbe Länge durch die Gleichung T  2   
lgemessen in m
T in s
lberechnet in m
Abweichung in %
0,53
1,45
0,522
1,5
0,63
1,59
0,628
0,3
l
m
mit g  9,81 2 berechnet.
g
s
0,72
1,68
0,701
2,6
0,80
1,73
0,743
7,1
0,82
1,80
0,804
2
Es ergeben sich somit Abweichungen von 0,3 % bis zu 7,1 %, welche eindeutig in einem zu großen
Spektrum (6,8 Prozentpunkte) liegen. Da es auch ein Anliegen der Arbeit war festzustellen, ob die Sensoren für den CAS-Rechner präzisere Messwerte liefern als nach der Schulmethode, wurde diese Auswertung auch auf die CAS-Messung angewendet.
27
siehe Versuchsanleitung 9 „Mechanische Schwingungen: Elongation, Geschwindigkeit und Beschleunigung einer harmonischen Schwingung“
28
siehe Versuchsanleitung 10 „Gedämpfte Schwingungen: Mathematischer Zusammenhang zwischen
Zeit und Amplitudenabnahme bei einer gedämpften Schwingung“
- 13 -
6.3 Einsatz im Themenbereich Thermodynamik und chemische Vorgänge
lgemessen in cm
T in s
lberechnet in cm
Abweichung in %
0,53
1,46
0,5295
0,09
0,63
1,59
0,628
0,3
0,72
1,70
0,7179
0,3
0,80
1,80
0,8048
0,6
0,82
1,82
0,8228
0,3
Die beste Abweichung liegt nun nur noch bei 0,09 %, was eine ziemlich gute Messung bedeutet (Spektrum = 0,51 Prozentpunkte). Der CAS-Rechner arbeitet demzufolge genauer, als wenn man per Hand
misst und stoppt. Neben den präzisen Ergebnissen in diesem Versuch bedeuten die gleich angezeigten
Diagramme zu den Messwerten eine nicht unwesentliche Erhöhung des Vorstellungsvermögens (Veranschaulichung der Vorgänge) der Schüler. Denn: Sieht der Schüler nun auf einmal ein Diagramm mit einer
Auflösung von 20 Stichproben pro Sekunden, kann er sich die Schwingung und die dahinterliegende Sinusfunktion besser vorstellen. Zusätzlich zur Schwingungsdauer T und der auf der dieser Seite errechneten Länge l ist es möglich weitere Funktionsgleichungen und Diagramme aus den Messwerten bereitzustellen. So lautet beispielsweise die mit wenigen Klicks erzeugte Geschwindigkeit-Zeit-Funktion der aufgenommen Schwingung v(t )  0,193  sin(5,124  t - 1,304) - 4,78 . Diese kann anschließend beispielsweise von den Schülern interpretiert werden.
Aus diesen ganzen Erkenntnissen konnten die Autoren somit zusammenfassen, dass die Genauigkeit der
Messwerte erhöht wurde, womit weitere Rechnungen im Auswertungsteil weniger fehlerbehaftet sind.
Zudem sind vormals nur theoretisch behandelbare Themen nun auch experimentell möglich und bei gewissen Experimenten erhöht sich für den Schüler die Verständlichkeit durch eine bessere Darstellung in
Diagrammen.
6.3 Einsatz im Themenbereich Thermodynamik und chemische Vorgänge
Alle Experimente, die die Autoren in diesem Themenbereich durchgeführt haben, konnten mit Hilfe des
CAS-Rechners präzise umgesetzt werden. Somit kann davon ausgegangen werden, dass der Taschenrechner auch in der Thermodynamik und bei chemischen Vorgängen verwendet werden kann. Das heißt,
sowohl Lehrer als auch Schüler können einen Teil der Experimente in diesem Thema mit Hilfe der Geräte
durchführen.
Daraus würden sich einige Vorteile ergeben: Zum einen kann man mit dem CAS-Rechner präzise Messungen (beispielsweise Temperatur) in genauen Zeitabständen (zum Beispiel aller 2 Sekunden) durchführen. Mit Thermometer und Stoppuhr ist dies in dieser Geschwindigkeit und Qualität nicht möglich und
stellt dadurch eine erhebliche Steigerung der Genauigkeit dar. Ein weiterer besonders für Schüler angenehmer Grund ist die direkte Speicherung aller Messwerte auf dem Taschenrechner, sodass nicht erst
alle Werte abgeschrieben werden müssen, was häufig bei größeren Gruppenexperimenten zu Zeitverlust
führte (Meist schrieb einer während des Experimentes die Werte mit und die anderen schrieben diese
danach ab.). Weiterhin hat nun jeder durch einfaches Übertragen der Messdatei von Rechner zu Rechner
die gleichen Werte und es bestehen keine Abschreibfehler. Auch kann die Lehrkraft den Versuch später
rekonstruieren und genauso wie die Schüler selbst präzise Fehlerbetrachtungen durchführen (Zum Beispiel verschiedene Einflüsse auf das Experiment wie sie bei dem Elektrodenpotenzial auftraten.). Neben
der Formulierung von Fehlerbetrachtungen ist es, genauso wie im physikalischen Bereich, möglich, aus
den aufgenommenen Werten Berechnungen durchzuführen (Berechnung des Wirkungsgrades einer
Heizwendel), Funktionsgleichungen aufstellen zu lassen (siehe Funktionsgleichung zur Abkühlkurve Seite
26) oder Graphen im Grafikmenü zu erstellen (Abkühlkurve, Siedekurve). Die Experimente können geTM
nauso am Computer durchgeführt werden, wozu man nur die bei jedem TI-Nspire -Kauf enthaltene
Software benutzt. Ein realistisches Szenario kann dabei sein: Experimentelle Durchführung des Siedevorgangs von Wasser auf dem Lehrertisch und die Schüler können den Anstieg der Temperatur am
Computer (mittels Beamer / Smartboard) verfolgen. Weiterhin können die Geräte der Schüler untereinander gekoppelt werden, sodass ein Messwertaustausch in der Klasse erfolgen kann (siehe Seite 8). Neben
diesen Vorteilen bestehen jedoch auch Nachteile beim Einsatz der neuen Technik: Es existiert ein relativ
hoher Anschaffungspreis der Sensoren für den Taschenrechner. Leider ist die Realität zur Anschaffung
der Sensoren problematisch (siehe Punkt 5). Trotz des Einsatzes der Sensoren sind nicht alle Experimente möglich.
So gelang den Autoren das Experiment zum Bleiakkumulator nicht. Der CAS-Rechner zeigte eine Spannung von knapp 7 V dauerhaft an, was dem Maximalwert des Spannungssensors entspricht (siehe Seite
14). Es wurde somit auch in mehrmaligen Wiederholungen der Messgrenze des Erfassungsgerätes über-
- 14 -
6.3 Einsatz im Themenbereich Thermodynamik und chemische Vorgänge
schritten. Weitere 4 Experimente, die mit dem CAS-Rechner gelangen, werden in folgenden Abschnitten
thematisiert:
Diese von den Autoren durchgeführten Experimente wären zum einem das Messen der Siedekurve von
29
Wasser über einen längeren Zeitraum, sodass im Graphen sehr gut das Stagnieren des Anstiegs der
Temperatur ab 100° C zu erkennen ist. Da das Experiment mit der Bestimmung der Siedekurve von
Wasser einmal mit dem Taschenrechner und einmal ohne den Taschenrechner durchgeführt wurde, kann
man erkennen, dass bei dem Experiment ohne den Taschenrechner aller einer Minute eine Stichprobe
von dem Thermometer abgelesen wurde. Bei dem Experiment mit dem Taschenrechner hingegen aller 1
Sekunde, womit im Anfangsbereich der Messung viel genauere Werte erreicht werden konnten (Erhöhung der Temperatur in den ersten 30 Sekunden um 1°C). Für Berechnungen (zum Beispiel Berechnung
der aufgenommenen Wärme innerhalb der ersten 30 Sekunden) und weitere Auswertungen ist dies von
Bedeutung. Auch wird mit Hilfe des CAS-Rechners während dieses Versuches wieder eine erhöhte Anschaulichkeit durch das Diagramm gegeben. Bei einem händischen Versuch ist dies nicht möglich. Die
These „Durch die Sensoren verlernt man den Umgang mit einem normalen Thermometer.“ kann dahingehend mit Nein beantwortet werden, da elektrische Thermometer in der heutigen Zeit in fast jeder Wohnung zu finden sind. Der Einsatz von normalen Thermometern ist somit schon immens zurückgegangen
und es wird immer mehr auf digitale Geräte gesetzt.
Weiterhin wurde eine Messung zum Abkühlprozess von Wasser
30
durchgeführt und dazu eine Abkühl-
funktion der Form  (t )  a  e
 d ermittelt (  (t )  0,2  e
 27 ), indem mittels Schiebereglern eine Anpassung an den Funktionsgraphen vorgenommen wurde. Um auch eine Betrachtung bzgl.
der Messgenauigkeit durchzuführen, stellen die Verfasser im Folgenden einige Anmerkungen zum Versuch des Abkühlprozesses an:
bt  c
0, 019t 5,5
Wenn man sich das Protokoll des Abkühlungsprozess betrachtet, kann man erkennen, dass das Experiment genau 500 Sekunden lang lief. Die Anfangstemperatur lag bei 70,1° C und die Endtemperatur nach
den 500 Sekunden bei 26,2° C. Die Autoren haben den Taschenrechner dabei so eingestellt, dass er mit
einer Geschwindigkeit von einer Stichprobe pro Sekunde arbeitet, dies bedeutet der CAS-Rechner jede
Sekunde die Temperatur gemessen hat und die Werte in der Wertetabelle eingespeichert hat. Wenn man
dieses Experiment mit einem normalen Thermometer durchführen würde, könnte man nicht jede Sekunde
die Temperatur bestimmen und dazu noch die Werte festhalten. Selbst wenn man im Rhythmus von 10
Sekunden ablesen würde, erreichen die Werte besonders in der Empfangszeit der Messung der Temperaturen nicht die Präzision wie die Taschenrechnerwerte. Denn der Taschenrechner speichert die Werte
bis eine Stelle nach dem Komma und an einem handelsüblichen Thermometer kann man höchstens die
vollen Zahlen ablesen.
Ein drittes Experiment ist der Wirkungsgrad einer Heizwendel. Zusätzlich zu der Berechnung kann man
hier durch den CAS-Rechner den linearen Temperaturverlauf während der gesamten Erwärmung darstellen. Auch hierzu lässt sich mittels Regression aus den Messwerten eine Funktionsgleichung ermitteln.
Abschließend führte die Schülergruppe noch einen Versuch zum Elektrodenpotenzial in Abhängigkeit
verschiedener Metallelektroden durch. Mit Hilfe des Spannungssensors konnten hier die Elektrodenpotenziale zwischen zwei Metallen (beispielsweise Aluminium und Blei = 0,18 V) gemessen werden. Dabei
stellten die Autoren eine erhebliche Beeinflussung der Messwerte (Art der miteinander kombinierten Metalle, Konzentration der Elektrolytlösung, Temperatur, pH-Wert) fest, welche eine hohe prozentuale Abweichung vom Literaturwert verursachte.
In der Zusammenfassung bedeutet das, dass man den Versuch mit dem CAS-Rechner wesentlich
schneller, präziser und auch leichter durchführen kann, als es bislang in der Schule erfolgte. Auch kann
danach eine schnellere Auswertung vorgenommen werden, da die Schüler beispielsweise das Temperatur-Zeit-Diagramm am Taschenrechner erstellen können. Diese positiven Vorteile wurden nicht nur in den
Themen Thermodynamik und chemische Vorgänge von den Autoren festgestellt, sondern auch im Fach
Physik wie im Schlussteil dargelegt wird.
29
siehe Versuchsanleitung 11 „Siedekurve von Wasser“
siehe Versuchsanleitung 12 „Abkühlprozess von Wasser“
30
- 15 -
7 Schlussteil
7 Schlussteil
Am Anfang der Arbeit stellten die Autoren die These auf, dass praktische Experimente im Unterricht ein
gutes Mittel sind, um den formel- und beschreibungslastigen naturwissenschaftlichen Unterricht zu veranschaulichen und verständlicher zu machen. Nachdem Sie sich mit dieser Problematik ein Jahr lang
auseinandergesetzt haben, dabei positive (höhere Genauigkeit, neue Experimente möglich, besseres
TM
Verständnis) als auch negative (teilweise Tücken vorhanden (Einstellungen am TI-Nspire nicht immer
einfach, Schwierigkeiten beim Aufbau des optimalen Versuchsaufbaus), nicht alle Experimente sind mit
dem CAS-Rechner möglich (siehe Versuch Bleiakkumulator im vorherigen Kapitel)) Erfahrungen gemacht
haben, können Sie dies bestätigen.
Durch die intensive Auseinandersetzung mit 14 Experimenten in Physik und chemische Vorgänge gelangten die Verfasser zu dem Ergebnis, dass der Einsatz von Sensoren die Experimente in diesen beiden
Bereichen eindeutig bereichert und effizienter macht, wie in den einzelnen Betrachtungen zur Physik
detailliert dargelegt wurde. Durch neu hinzugekommene Versuche, wie die experimentelle Bestimmung
der magnetischen Feldkonstante oder die gedämpfte Schwingung, können den Schülern diese Sachverhalte nun nicht nur anschaulich, sondern auch mit fundierten Messwerten näher gebracht werden.
TM
Des Weiteren konnte die Schülergruppe aufzeigen, dass Messungen mit Hilfe des TI-Nspire präziser
sind und damit frühere Ungenauigkeiten (Reaktionszeit bei zeitabhängigen Experimenten, Messungenauigkeiten bei Temperaturen und Längen) der Vergangenheit angehören lassen. Vormals oft vorhandene
Fehler wie Zeitverzögerungen beim Ablesen können nun nicht mehr auftreten, da vor dem Experiment
exakte Parameter wie Geschwindigkeit und Dauer der Messung gesetzt werden können. Auch stellt die
Funktion des sogenannten Triggerings (siehe Seite 22), also der automatische Messungsstart beim Auftreten eines gesetzten Schwellenwertes, ein positives Mittel dar, um den Blick nur auf die benötigten
Messwerte zu haben. Beherrscht die Lehrkraft einen sehr guten Umgang mit dem CAS-Rechner, dann
entstehen ganz neue Möglichkeiten mit diesem im Unterricht, wie die Autoren im Vergleich zu ihren eigenen Erfahrungen im Physikunterricht feststellen konnten. Durch neue Rechen- und Experimentiermöglichkeiten mit dem CAS-Rechner ergibt sich ein positiver Effekt für den Unterricht, der daraus besteht,
dass:
1. Die Veranschaulichung von naturwissenschaftlichen Experimenten ermöglicht wird und somit das
Verständnis
zunimmt.
2. Eine Zeitersparnis im Unterricht auftritt, welche besser investiert (mehr Beispielaufgaben / Anwendungsaufgaben können gelöst werden) werden kann.
3. Die Genauigkeit der experimentellen Durchführung in der Schule gesteigert werden kann und die
Einführung neuer Experimente möglich ist.
4. Präzisere und umfangreichere Auswertungen zu naturwissenschaftlichen Experimenten (durch
Auswerten von Kurven, Aufstellen von Funktionsgleichungen) mit Hilfe des CAS-Rechners nun
möglich sind.
TM
Einen Einsatz der Erfassungsgeräte zum TI-Nspire im naturwissenschaftlichen Unterricht empfehlen
die Verfasser daher unbedingt, trotz des zum einem hohen Anschaffungspreises als auch der anfangs
gewissen Einarbeitungszeit für Lehrkräfte.
„Es ist nicht gesagt, dass es besser wird, wenn es anders wird. Wenn es aber besser werden soll, sollte
es anders werden.“
(Georg Christoph Lichtenberg)
31
8 Nachwort
Wir haben im letzten Jahr viel mit diesen Geräten herumprobiert, dabei Glücksmomente genauso wie
dunkle Stunden erlebt. So gelangen nicht alle Experimente auf Anhieb und wir begannen zu verzweifeln.
Unsere Motivation blieb jedoch immer weiter bestehen, sodass wir durch Überlegungen und Kombinationen unseres Wissens einen Weg gefunden haben, unsere Jugend-forscht-Arbeit zu realisieren.
31
siehe: http://www.zitate.de/autor/Lichtenberg,+Georg+Christoph
- 16 -
8 Nachwort
Nach der Beendigung unserer Jugend-forscht-Arbeit möchten wir uns für die hilfreiche und fachkompetente Unterstützung unseres Seminarfachlehrers Steffen Passekel bedanken. Genauso gilt der Dank
unserem Fachbetreuer Udo Eckert, welcher uns tatkräftig zur Seite stand und uns wichtige Tipps gab.
Der Dank muss jedoch auch an unsere beiden Schulen, das Lerchenberggymnasium und das Friedrichgymnasium, gerichtet werden. Diese ermöglichten uns mit dem Kauf der Sensoren zum CAS-Rechner,
welche eine erhebliche Investition darstellten, erst die Durchführung der Arbeit.
- 17 -
9 Versuchsanleitungen zu den Experimenten
9 Versuchsanleitungen zu den Experimenten
Nachfolgend sind die Versuchsanleitungen zu den 14 Experimenten aufgelistet, welche in der Jugendforscht-Arbeit thematisiert wurden.
Versuchsanleitung 1
Versuchsanleitung 2
Versuchsanleitung 3
Versuchsanleitung 4
Versuchsanleitung 5
Versuchsanleitung 6
Versuchsanleitung 7
Versuchsanleitung 8
Versuchsanleitung 9
Versuchsanleitung 10
Versuchsanleitung 11
Versuchsanleitung 12
Versuchsanleitung 13
Versuchsanleitung 14
Geradlinig gleichförmige Bewegung
Geradlinig gleichmäßig beschleunigte Bewegung
Bestimmung der Haftreibungszahl
Selbstinduktion
Stärke eines Magnetfeldes
Entladung eines Kondensators
Bestimmung der magnetischen Feldkonstante
Wirkungsgrad eines belasteten Transformators
Mechanische Schwingung
Gedämpfte Schwingung
Abkühlprozess von Wasser
Siedekurve von Wasser
Wirkungsgrad einer Heizwendel
Elektrodenpotenzial in Abhängigkeit verschiedener Metallelektroden
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10 Literaturverzeichnis
10 Literaturverzeichnis
10.1 Internetseiten
http://de.wikipedia.org/wiki/Temperatur
http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rme
http://de.wikipedia.org/wiki/Siedepunkt
http://www.dynatech.de/
http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=6179
http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=706
http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=705
http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=696
http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=3763
http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=2597
http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=2598
http://www.dynatech.de/produkte/produkt.php?prod=4013
http://de.wikipedia.org/wiki/Texas_Instruments
http://www.zitate.de/autor/Lichtenberg,+Georg+Christoph
https://www.schulportal-thueringen.de/web/guest/media/detail?tspi=2280
10.2 Bücher, Zeitschriften
Hans-Joachim Brenner / Udo Eckert / Bernd-Günther Kurtz / Hubert Langlotz / Wolfgang Moldenhauer / Wilfried Zappe: Erfahrungen aus dem Thüringer CAS - Projekt
Prof. Dr. Bärbel Barzel: Expertise zum Einsatz von Computeralgebrasystemen (CAS) im Mathematikunterricht in Thüringen
TMBWK: CAS-Taschenrechner werden an Gymnasien eingeführt / Wissenschaftliche Expertise
unterstützt den Einsatz
Dr. Hubert Langlotz: Mathematikunterricht mit CAS an Thüringer Gymnasien Historie-StandAusblick
Frank Liebner: Naturwissenschaftlichen Phänomenen auf der Spur
Mirco Tewes, Jürgen Enders: Schülerexperimente im Physikunterricht mit Graphikrechnern und
Taschencomputern
Wolfgang Beer: Praktische Einführung in das Arbeiten mit Messwerterfassungssystemen
ThILLM: Mathematikunterricht mit Taschencomputern in der Jahrgangstufe 12 an Thüringer Gymnasien
10.3 sonstige Quellen
CD mit Hintergrundmaterial (von Herr Eckert)
Physik- und Chemiehefter der vorangegangen Schuljahre
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