Physik zum Anfassen von Schülern für Schüler - Verblüffende Experimente im P-Seminar

Am Gymnasium Veitshöchheim beschäftigte sich das P-Seminar im Leitfach Physik mit der Konzeption und dem Bau physikalischer Demonstrationsexperimente. Zum Abschluss präsentierten nun die Gymnasiasten in einer Ausstellung den staunenden Besuchern anschauliche, eindrucksvolle und robuste Versuchsaufbauten aus unterschiedlichen Bereichen der Physik.

Inspiriert durch den Besuch des Technik-Museums „Experiminta“ in Frankfurt und des „Turms der Sinne“ in Nürnberg gingen die Schüler sehr zur Freude des Seminarleiters Axel Philipp mit Enthusiasmus ans Werk. Nachdem die Planungsphase abgeschlossen war, konnte mit Unterstützung von Sponsoren mit der Fertigung der Objekte begonnen werden. Die Mädchen standen dabei stets „ihren Mann“, wenn es darum ging, mit Sägen, Schraubenziehern und Bohrern Hand anzulegen.

Windrad - Windenergie

"Die Windenergie ist auf dem Vormarsch und deckte 2013 schon 7,58 Prozent des Bruttostromverbrauchs.“ Angesichts dieser Entwicklung hatten sich Moritz Giehl (li.) und Pascal Birk zur Aufgabe gemacht, anschaulich vor Augen zu führen, wie so ein Windrad funktioniert. Sie zeigten mit ihrem selbst konstruierten und gebauten Prototyp auf, wie man mit geringstem Geldaufwand aus vermeintlichen Abfallprodukten ein Kleinwindrad selbst bauen und dadurch seinen Teil zur Energiewende beitragen kann. Ihr Windrad besteht aus Halbkugeln. Die zum Wind hin geöffnete Seite hat einen Widerstandswert von 1,33, die windabgewandte von 0,33. Aufgrund dieser unterschiedliche Werte entsteht eine Rotation, die sich auf den Nabendynamo (wie beim Fahrrad) überträgt, der mit Magneten im Mantel und einer festeingelegten Statorspule arbeitet und bei Drehung im Magnetfeld eine von der Geschwindigkeit abhängige Wechselspannung induziert, ablesbar durch das Leuchten der Lampe.

"Nussknacker-Zange" - Hebelwirkung

Wie man durch Hebelwirkung mit geringem Kraftaufwand beispielsweise eine im PKW eingebaute starre Feder zusammendrücken kann, demonstrierten mit ihrer gigantischen Nussknacker-Zange Konstantin Flöhl und  David Koska (re.), deren Materialien die örtliche Zimmerei Geiger sponserte.

Durch Ziehen am äußeren Ende des oberen Balkens des riesigen Nussknackers kommt das Hebelgesetz zur Anwendung. Je länger der Kraftarm ist, desto weniger Kraft muss man für die gleiche Wirkung am Lastarm aufbringen.

Cheshire-Cat-Experiment - Ein Bild, das sich in Luft auflöst

Anders als normalerweise im Alltag treffen im Cheshire-Cat-Experiment beim Blick durch zwei Gucklöcher zwei vollkommen unterschiedliche Bilder auf die Netzhaut des rechten und des linken Auges. Kira von Bosse, Jasmin Steiper und  Saskia Schiebler demonstrierten, das das Gehirn das unbewegte Bild im Hintergrund ausblendet, wenn seitlich sich die Hand im Guckkasten bewegt.  Was wir „sehen“, ist nicht das Bild, das auf unserer Netzhaut abgebildet wird, sondern das, was unser

Gehirn aus diesen Informationen errechnet. Das Gehirn wählt dann das „Spannendere“ der beiden Bilder als Gesamteindruck aus, also eine Bewegung. Das andere hingegen wird ausgeblendet. Der evolutionäre Sinn: Eine Bewegung könnte auf eine Gefahr hinweisen, etwa durch ein sich nähern des Raubtieres, die sofort unsere volle Aufmerksamkeit erfordert. Richtet man hingegen sein Augenmerk ganz bewusst auf einen Teil des Motivs wie das Maul der Katze, kann man sein Gehirn überlisten. Die Bewegung der Hand lässt zwar das Gesicht der Katze verschwinden, ihr Maul aber bleibt sichtbar, wie bei der „Grinsekatze“ (im Original: Cheshire Cat) in Lewis Carrolls „Alice im Wunderland“.

Morphing-Effekt - Spionspiegel ("Blaues Wunder")

Ein ebenso interessantes Wahrnehmungs-Phänomen führte Sophie Schaller mit ihrem Experiment zum Morphing-Effekt vor Augen: Zwei Personen (im Bild die Sophie und ihr Schulleiter) betrachten sich mit jeweils unterschiedlicher Beleuchtung: Je nachdem wie jeder seinen Dämmschalter verändert, sieht man sein eigenes Gesicht bei vollem Licht, das der anderen Person oder eine Mischung aus beiden, wenn beide gleich sind. Angewandt wird dieses Bilder-Morphing vor allem in der Filmindustrie, aber auch in der Biologie und Chemie, um Modelle zu verändern oder in der Kriminalistik, um nach vermissten Personen zu suchen.

Corioliskraft - Scheinkraft im rotierenden Bezugssystem

Die Corioliskraft gehört zu den Schein- oder Trägheitskräften. Sie tritt in rotierenden Bezugssystemen zusätzlich zur Zentrifugalkraft auf, wenn eine Masse innerhalb des rotierenden Bezugssystems nicht ruht (also wenn sie nicht einfach nur „mitrotiert“), sondern sich relativ zum Bezugssystem (wie auf dem Foto der geworfene Ball)  bewegt. Benannt ist sie nach Gaspard Gustave de Coriolis, der sie 1835 erstmals mathematisch herleitete.

Carola Krevert und  Anika Wucherer veranschaulichten mit ihrem gebauten Kreisel dieses Rotierende Bezugssystem. Für denjenigen, der auf dem sich drehenden Kreisel sitzt,  sieht es aus, als wirke auf den von ihm gerade zum anderen Partner auf dem Kreisel geworfenen Ball aus, als ob diesen eine Kraft (Corioliskraft genannt)  aus seiner Bahn ablenkt und  der geradlinige, radiale Flug zu einem gekrümmten wird. Für die neben dem Kreisel stehenden Beobachter fliegt dagegen der Ball nach wie vor radial nach außen. 

In der Meteorologie und der physikalischen Ozeanographie spielt die Corioliskraft eine wichtige Rolle. Aufgrund der Erdrotation bewegen sich die Luft- und Wassermassen in einem rotierenden Bezugssystem. Dies bewirkt auf der Nordhalbkugel eine Ablenkung nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links, was die Drehrichtung von Hoch- und Tiefdruckgebieten bestimmt.

Chaos-Pendel

Ein Pendel zur Demonstration chaotischer Prozesse haben Alexander Broll und Tobias Öhrlein konstruiert. An zwei Stellen drehbar gelagerte Stangen führen trotz scheinbar gleicher Ausgangsbedingungen eine nicht voraussagbare Schwingung aus, in Fachkreisen deterministisches Chaos genannt.

Gekoppelte Pendel - Resonanz

Alexander Zink und  Jonas Steiner widmeten sich dem Thema "Gekoppelte Schwingungen". Die Energie überträgt sich hier wie bei Gitarren-Seiten von einer Schwingung auf die andere und zurück.

Luftwiderstand - Geschwindigkeit

In ihrem Versuch zum Luftwiderstand benutzten Marvin Herrmann und Jan Lukas Kater zwei Spielautos mit unterschiedlichen Aufbauten. Beim Antrieb durch ein Gebläse ergaben sich so durch den unterschiedlichen Luftwiderstand unterschiedliche Geschwindigkeiten.

Wenn es nach dem Willen des Physiklehrers geht, sollen alle Projektarbeiten im Schulhaus aufgestellt werden und somit interessierten Schülern ständig oder zumindest zeitweise zugänglich sein.