Der Millikan-Versuch als Remotely Controlled ... - RCL-Portal

2Abb. 1: Vereinfachte Darstellung des Prinzips eines RCL.erfordern ein gewisses Maß an Routine, eskommt schon nach relativ wenigen Messungenzu Ermüdungserscheinungen der Augen, und füreinen einigermaßen sicheren Nachweis der Ladungsquantelungmuss die Ladung von vielenÖltröpfchen bestimmt worden sein.• Eingeschränkte Beteiligungsmöglichkeit derSchüler: Der höchstens einmal an Schulen verfügbareVersuch ist ein typisches Lehrerexperiment,bei dem die Aufnahme der Messwerte vonsich bewegenden Öltröpfchen mittels Standardapparaturennicht mitverfolgt werden kann. EineÜbertragung mit Hilfe von Kamera und Monitorerlaubt lediglich das Mitverfolgen der Messungen,aber keine eigenen, unabhängigen Messungendurch mehrere Schüler (-gruppen).• Verständnisprobleme der Schüler: Die StokesscheReibungskraft wird einmalig in der Oberstufein Verbindung mit dem Millikan-Versuch benötigtund wird meist aus Zeitgründen nicht systematischeingeführt. Für Schüler erscheint besondersbei einer lehrerzentrierten Behandlungdes Versuchs die Zeitdauer, bis ein Versuchsergebnisvorliegt, im Vergleich zu anderen Versuchenhoch, und Motivation und Interesseschwinden. Einem Teil der Schüler bereiten auchdas Erkennen eines Gleichungssystems in einemphysikalischen Zusammenhang und Umformungenmit Potenzen Probleme.Im Folgenden wird zunächst dargestellt, was einRemotely Controlled Laboratory (RCL) ist, und eswird der Aufbau des RCL „Millikan-Versuch“ beschrieben.Anschließend sollen zwei Unterrichtsszenarienzeigen, wie durch Abstimmung von Medium(RCL), Inhalt (Millikan-Versuch) und Methoden(Blended-Learning, Gruppenpuzzle) den genanntenProblemen begegnet werden kann.3. Prinzip eines RCLMit einem Remotely Controlled Laboratory (RCL)kann ein Realexperiment über das Internet durchgeführtwerden (Abb. 1). Clientseitig ist der Nutzerüber die Nutzer-Internet-Schnittstelle (Webseite imBrowserfenster) mit dem Internet verbunden. Serverseitigist das mit Aktoren (z. B. Schrittmotor,Schalter) und Sensoren (z. B. Fotodiode, Spannungsmesser)ausgestattete Experiment über dieExperiment-Internet-Schnittstelle (Webserver, Interface,Webcam) mit dem Internet verbunden. DasExperiment und die Experiment-Internet-Schnittstelle bilden das RCL. Auf der Webseiteeingegebene Befehle werden nach der Verarbeitungdurch den Webserver und das mit einem Mikrocontrollerzur Steuerung ausgestattete Interface an dieAktoren weitergeleitet. In umgekehrter Richtungkönnen Messwerte der Sensoren auf der Webseiteausgegeben werden. Eine oder zwei Webcams erlaubeneine visuelle Rückmeldung über durchgeführteAktionen, das Beobachten von Versuchsergebnissenund das Ablesen von Messwerten. Detailliertetechnische Informationen sind unter [5, 6] zufinden.4. RCL „Millikan-Versuch“ als modifiziertesRealexperimentBeim RCL „Millikan-Versuch“ wurde das Millikan-Grundgerät der Firma Leybold modifiziert unddurch Aktoren und Sensoren erweitert [7] (Abb. 2):• Der Austausch der Glühlampe im Millikan-Grundgerät gegen eine weiße LED gewährleisteteinen höheren Kontrast (bessere Sichtbarkeit derÖltröpfchen vor dunklem Hintergrund) und längereLebensdauer der Lichtquelle (Wartungsfreiheitdes Versuchs). Gleichzeitig werden durchdie geringere Wärmeentwicklung der LED Konvektionsströmeder Luft im Kondensator unddamit störende seitliche Driftbewegungen derÖltröpfchen minimiert.• Zum Einblasen von Öltröpfchen erzeugt einAirbrush-Kompressor den notwendigen Luftdruck.Durch Öffnen und Schließen eines Magnetventilswird ein stoßartiger Luftstrom durchden Ölzerstäuber erzeugt.• Eine den Lichtverhältnissen im Kondensatorangepasste, nachtempfindliche und an das Mikroskopokularangeflanschte Webcam liefert einBild mit ausreichend hellen Öltröpfchen und einerAuflösung von 320 x 240 Pixel. Das 135 mm