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Physik

Schüttel mich!

Die Schütteltaschenlampe ist vielen Schülern z. B. aus dem Zeltlager bekannt und eignet sich - neben ihrem praktischen Nutzen - zur Erforschung des Phänomens der Induktion. Im Unterricht wird jeder Schülergruppe ein Taschenlampenexemplar mit der Frage: „Wie kann so etwas funktionieren?“ zur Verfügung gestellt. Zunächst müssen die Schülerinnen und Schüler untersuchen, aus welchen Komponenten die Lampe besteht und die jeweilige Funktion experimentell erforschen. Das Ziel sollte sein, die Funktion der Lampe soweit zu durchdringen, dass eine eigene Schüttellampe gebaut werden kann.

Für die eigenständigen Experimente stehen den Schülerinnen und Schüler speziell präparierte Induktionslampen, vielfältige Materialien aus der Physiksammlung und moderne Messwerterfassungssysteme zur Verfügung. Zunächst muss die Originallampe erforscht werden: Messkurven werden aufgenommen und qualitative physikalische Gesetze formuliert. Eine Orientierung kann ein an den Forschungskreislauf orientierter Arbeitsauftrag sein. Mit Hilfe des Internets werden die Formeln quantitativ vervollständigt. Die ersten Ergebnisse der Forschungsarbeit werden schließlich präsentiert.

Speziell präparierte Lampen für die eigenständigen Schülerexperimente:
161m abgewickelter Spulendraht, Lampe ohne Platine mit Spulenabgriffen zum Messen,
offene Fallröhre mit Spule und Magnet, Platine ohne LED mit Abgriffen zum Messen, vollständige Platine.

SchülerInnen erforschen die präparierte Schütteltaschenlampe
mit einem Messwerterfassungssystem.

Mit dem eigenständig erforschten Wissen dürfen die Schülerinnen und Schüler ihre eigene Schütteltaschenlampe bauen (Materialliste). Die Spule muss nun selbst gewickelt, die Gleichrichterdioden verlötet und ein geeignetes Gehäuse entworfen werden. Die Vorgaben zur Optimierung des Endprodukts sind ein gutes Design und eine möglichst lange Leuchtdauer der weißen LED bei wenigen Schüttelbewegungen. Die Schülergruppen vergleichen schließlich mit Hilfe von Messkurven das eigene Produkt mit dem Originalprodukt.

Nachbau der Platine auf dem Steckbrett:
4 Gleichrichterdioden, Kondensator (5,5V, 0,22F), (Magnet-) Schalter, LED

Das Wickeln der Induktionsspule benötigt eine gute Vorbereitung.

Projekt in der Sekundarstufe I:
Die Erforschung der physikalischen Phänomene rund um die Schütteltaschenlampe eignet sich auch für den Physikunterricht in der Mittelstufe. Hierzu ist allerdings zum Erforschen der Eigenschaften eine stärkere Lenkung der Klasse in Form von angleitetem forschenden Lernen erforderlich (siehe Artikel von E. Claus). Eine Bauanleitung für eine "Flaschen-Schüttellampe" ohne den Einsatz eines Lötkolbens ist unter diesem Link verfügbar.

Fertige Schülerprodukte:

Möglicher Aufbau der Schütteltaschenlampe in transparentem Gehäuse.

Sichtbare Platine mit Gleichrichter und 0,22F Kondensator.

Optimierungsvorschlag durch einen Schüler und Größenvergleich mit dem Original:
Die Dämpfung des fallenden Magneten erfolgt nicht über Federn, sondern mit Hilfe von Magneten.

Messergebnisse von Schülern zu der Originallampe:

Die Messkurven haben eine Bildauflösung von (1000*800 Pixel) und können über die rechte Maustaste: "Graphik ansehen" vergrößert werden. Anhand der bereits aufgenommenen Messkurven kann im Klassenzimmer diskutiert werden, was dargestellt ist, an welchem Bauteil der Lampe gemessen wurde und wie sich die Messkurve bei einer Variation z. B. der Windungszahl oder der Kapazität des Kondensators verändern würde. Ähnliche Interpretationsaufgaben zu Messkurven einer Schütteltaschenlampe waren Bestandteil des Physik-Abiturs 2011 in Baden-Württemberg.

Experimente mit der Spule der Lampe:

	Erläuterungen: Magnet wird durch die Röhre mit äußerer Spule mit offenem Enden fallengelassen. Lastwiderstand: 100 Ohm, da die max. Spannungsamplitude (ca. U=30V) ohne Lastwiderstand mit der Messwerterfassung (U<10V) nicht gemessen werden kann.
	Erläuterungen: Magnet wird durch die Fallröhre mit offenen Enden zweimal nacheinander fallengelassen. Beim zweiten Fall wird der Magnet umgedreht. Lastwiderstand: 100 Ohm
	Erläuterung: Zweifache Schüttelbewegung des Magneten innerhalb der abgeschlossenen Röhre. Die beiden mechanischen Federn am jeweiligen Ende der Röhre wurden entfernt und durch Schaumstoff ersetzt. Die Energie des fallenden Magneten am Ende der Röhre wird auf den Energieträger Wärme geladen. Lastwiderstand: 100 Ohm
	Erläuterung: Dreifache Schüttelbewegung des Magneten innerhalb der abgeschlossenen Röhre. Am jeweiligen Ende der Röhre befinden sich nun die in der originalen Lampe enthaltenen mechanischen Federn. Die Energie wird dadurch vermehrt auf den elektrischen Strom und weniger auf den Energieträger Wärme geladen. Lastwiderstand: 1kOhm
	Erläuterung: Einmaliger Fall des Magneten mit der mechanischen Feder am Ende der Röhre. Die Messung erfolgte nach dem Gleichrichter. Lastwiderstand: 1kOhm

Platine mit Gleichrichter, Kondensator und Magnetschalter.

Experimente mit Spule und Platine der Lampe:

	Erläuterung: Laden des vollständig entleerten Kondensators (5,5V, 0,22F) durch Schüttelbewegungen. Schüttelpause nach 25s und 110s.
	Erläuterung: Laden des vollständig entleerten Kondensators (5,5V, 0,22F) durch Schüttelbewegungen über 2 Minuten. Schüttelpause über 20s und Betrieb der weißen LED.
	Erläuterung: Nachdem die LED erloschen war, wird der Kondensator über Schüttelbewegungen erneut geladen. Schüttelbewegungen über 40s - danach 10s Pause und Anschalten der weißen LED.
	Erläuterung: Nachdem die LED erloschen war, wird der Kondensator über Schüttelbewegungen geladen. Wärend des Ladevorgangs ist die LED eingeschaltet.

Sonstige Forschungsergebnisse zur Lampe:

	Erläuterung: Kennlinie der weißen LED-Lampe. x-Achse: Spannung U, y-Achse Stromstärke I. Ein Betrieb über 5,5 Volt wird nicht empfohlen.
	Erläuterung: Leuchtstärke der weißen LED nach einer Minute schütteln. x-Achse: Zeit, y-Achse Beleuchtungsstärke in der Einheit Lux. Die LED leuchtet sehr lange und wird dabei immer lichtschwächer.

	Erläuterung: Spule aus Kupferlackdraht der Länge von ca. 161m mit einem elektrischen Widerstand von 285 Ohm.
	Erläuterung: Magnetische Flussdichte an der Stirnfläche des Neodymmagneten (D=18mm, H=25mm): 0,16T. Zum Vergleich: Magnetische Flussdichte normaler Hufeisenmagnet aus der Physiksammlung: 0,001T.
	Erläuterung: Material zum Bau der eigenen Lampe: Kupferlackdraht, Kondensator, Dioden, Schalter, Magnete, Fallrohr, weiße LED. Eine Übersicht der Einzelteile mit Bestellnummern ist in der Materialliste vorhanden.