Fachschaft Physik

Am 04. Dezember startete das Energiesparprojekt Halbe-Halbe an unserer Schule. Dabei soll es um Einsparungen von Energie im Bereich Strom, Heizung und Wasser gehen, welche der Schule zugute kommen sollen.

Schüler der 8. und 11.Klasse nahmen bei der Erstveranstaltung teil. Zu Beginn wurde über Themen des Klimaschutzes und unseres Energieverbrauchs gesprochen und dabei mit einigen Mythen zum Klimawandel aufgeräumt.

Anschließend zeigte uns Herr Bose sein Reich und erklärte, wie die Energiebereitstellung im Schulhaus funktioniert. Darin inbegriffen waren die Heizungssteuerung, die Heizungsanlage sowie das Ablesen der verschiedenen Zählerstände. Außerdem war es für uns das erste Mal auf dem Dachboden der Schule, wo wir das Uhrwerk der Schuluhr inspizierten.

Bei der gesamten Gebäudebesichtigung überprüften wir die Temperaturen der Räume und Flure und protokollierten alles. Für das nächste Treffen haben wir uns vorgenommen, alle Unterrichtsräume zu begehen und Messungen zum Licht, der Temperatur und der Luftqualität zu nehmen. Alle sind gespannt, wie unsere Schule dabei abschneidet. Wir halten Euch auf dem Laufenden.

Wer noch mitmachen will, der melde sich einfach bei euren Physiklehrern. Wir geben dann nähere Infos.

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Einen echten „Kepler-Moment“ erlebten Schülerinnen und Schüler unseres Gymnasiums heute Nachmittag: Durch das Schulfernrohr und einen Chromfilter konnten sie den Transit des Planeten Merkur durch die Sonne beobachten. Übertriebenermaßen wird dieses circa alle zehn Jahre wiederkehrende Ereignis von einigen sogar als „Sonnenfinsternis“ bezeichnet. Dabei hat der winzige Merkur überhaupt keine Chance, für uns Menschen auf der Erde die Sonne zu verdecken. Nur als ein winziges Pünktchen war er durch das Fernrohr zu sehen. Unsere schaulustigen Schüler nahmen dafür eine kleine Wartezeit in Kauf.

Ein großer Dank gilt unserer Frau Nossing, die uns diese Beobachtung ermöglicht hat!

Übrigens: Den nächsten Merkur-Transit können wir 2032 beobachten…

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Wer sich für Physik begeistert, kommt mit der Zeit zur Frage, was die Welt im Innersten zusammenhält. Nach einiger Recherche landet man schließlich bei Begriffen wie Elementarteilchen und Antimaterie und streicht resignierend die Segel. Schließlich gehört dieser Teil nicht mehr zum Allgemeinwissen eines Abiturienten und bleibt höchstens den Physik-Nerds vorbehalten.

So ein Physik-Nerd hatte in den Herbstferien die Möglichkeit, für eine Woche an einer bundesweiten Lehrerfortbildung am CERN in Genf teilzunehmen und zu erfahren, wie dort gearbeitet wird und welcher Aufwand vonnöten ist, um der Natur Antworten zu ihren Gesetzmäßigkeiten abzuringen. Aber langsam…

Am Sonntagnachmittag erreichte ich nach 10 Stunden Zugfahrt die Stadt Genf, in der am gleichen Tag der Startschuss für das German Teacher Programm fallen sollte. Eine Woche lang hatten 30 Lehrer die Gelegenheit, das berühmte Forschungszentrum in der Schweiz anzuschauen und mit einzelnen Mitarbeitern zu sprechen. Die Woche war vollgepackt mit Vorlesungen zur Teilchenphysik, die sich grob in die folgenden Fragestellungen einteilte:

• Woraus besteht unsere Materie?
• Wie baut man einen Teilchenbeschleuniger?
• Wie ist ein Teilchendetektor aufgebaut?
• Ist Antimaterie wirklich so gefährlich wie im Film Illuminati?

Zusätzlich zu unserem Unterricht besuchten wir am Nachmittag die einzelnen Teilchenbeschleuniger am CERN, gingen 100m unter Tage zum bekannten CMS-Detektor, wo 2012 das Higgs-Teilchen nachgewiesen wurde, und testeten im Schülerlabor eine  selbstgebaute Nebelkammer für den Physikunterricht.

Gut gerüstet für Schülerfragen endete nach 5 Tagen meine Fortbildung und ich trat die Rückreise nach Leipzig an. Völlig überwältigt von den vielen Eindrücken ist es schwer, einzelne Highlights herauszupicken, so dass ich diese mit interessierten Schülern, Eltern und Kollegen im direkten Gespräch austauschen würde.

Eine Kurzzusammenfassung möchte ich dennoch geben:  Was findet also am CERN statt?

Am CERN in Genf werden im LHC (Large Hadron Collider) Protonenpakete auf 99,999999% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Die Protonenpakete (110Mrd. Protonen) haben dabei ungefähr die Bewegungsenergie eines ICE-Zuges bei 200km/h. Bei diesen Kollisionen zersplittern die Protonen in ihre Bestandteile und es entstehen aufgrund von Einsteins berühmter Formel E=mc² neue Teilchen, die eine Lebensdauer im Bereich von wenigen Milliardstel Sekunden besitzen. Mit Hilfe riesiger Detektoren misst man die Flugbahn, Ladung und Energie der Teilchen. Dabei werden pro Sekunde 150TB (Tera-Byte) an Daten erhoben, die nach neuen interessanten Teilchen gescannt und gefiltert werden, so dass z.B. alle 20 Minuten ein Higgs-Teilchen beobachtet werden konnte.

Um Protonen auf diese Geschwindigkeiten zu beschleunigen, wurde eine 27km lange unterirdische Röhre gebaut, in der die Teilchenpakete in einem Ultrahochvakuum gegenläufig kreisen. Um Teilchen auf dieser Kreisbahn zu halten, sind enorme Magnetfelder nötig. Hierzu werden supraleitende Materialien verwendet, die bei einer Temperatur von -271°C einem Strom von 13000 Ampere standhalten.

Mit all diesen Maßnahmen erreicht man Energiedichten und Temperaturen, die dem Zustand des Universums 1 Billionstel Sekunde nach dem Urknall entsprechen. Zu dieser Zeit gab es noch keine Atome und das gesamte Universum hatte ungefähr die Größe unseres Sonnensystems bis zum Mars.

Physik kann also doch spannend sein.

Dieser Bericht wurde von Herrn Knape verfasst, der in der ersten Herbstferien-Woche das LHC-Forschungsgelände besichtigen konnte.

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Alles begann in einer gewöhnlichen Physikstunde. Herr Reichel stellte uns ein Projekt an der Universität Chemnitz vor und legte uns ans Herz dieses Angebot zu nutzen. Nachdem wir uns die Flyer zu dem Projekt anschauten war für uns klar, dass wir dort unbedingt hin mussten.

Sechs Schüler aus der zehnten Klasse des Leipziger Johannes-Kepler-Gymnasiums reisten am Sonntag den 23.06.2019 nach Chemnitz. Nach dem Suchen der Jugendherberge und dem Beziehen des Zimmers erkundeten wir die Stadtmitte. Dort fand ein Volleyballturnier auf einer Art Hüpfburg statt, welches wir eisessend verfolgten. Anschließend schauten wir den Film „Men in black IV“ im Kino und gingen am Abend Essen.

Der 25.06.2019 begann mit einem leckeren Frühstück in der Jugendherberge. Danach liefen wir durch die fremde Stadt auf der Suche nach dem Institut für Physik der Technischen Universität Chemnitz. Nach der Ankunft aller rund 50 Teilnehmer erfolgte die Eröffnung der Sommerphysikschule durch Frau Dr. M. Wanke, die Praktikumsleiterin der TUC. Es folgte ein Vortrag über optische Täuschungen, welchen der Institutsleiter Herr Prof. Dr. W. Einhäuser-Treyer hielt.

Nach dem Mittagessen machten wir zwei der bei der Anmeldung gewählten Experimente in Gruppen von einer bis sechs Personen. Der Tag wurde durch einen gemütlichen Grillabend abgerundet. Dabei tauschten wir uns mit Schülern anderer Städte und Schulen aus. Den Abend verbrachten wir mit Gesprächen, Tischtennis und Skat in der Jugendherberge.

Auch der Abreisetag begann mit dem Frühstück in der Jugendherberge und dem Packen unserer Sachen. Gegen 8:45Uhr verließen wir die Jugendherberge um mit der Straßenbahn zur TUC zu fahren. Dort begann die Veranstaltung mit dem dritten Experiment. Danach ging es in die Universitätsmensa zum Mittagessen.

Zum Abschluss hielt Herr Dr. H.-R. Berger einen Vortrag mit dem Titel „Mit Einstein durch Raum und Zeit“. Dieser befasste sich mit der Relativität und der Geschichte ihrer Erforschung. Uns wurde unter anderem gezeigt, dass man Gebäude von hinten sehen könnte ohne hinzusehen, wenn man mit Lichtgeschwindigkeit daran vorbeilaufen würde (https://www.tempolimit-lichtgeschwindigkeit.de/aur/node1.html). Gegen Ende des Vortrags sprach Herr Dr. Berger über den Traum des Bereisens entfernter Sterne. Jedoch gibt es mit dem Stand der heutigen Physik keine realistische Möglichkeit des Erreichens anderer Sterne. Mit 90t Antimaterie wäre es möglich 10t Nutzlast annähernd auf die Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die Veranstaltung wurde durch Frau Dr. M. Wanke beendet und wir machten uns auf den Weg in die Richtung unserer Lieblingsstadt Leipzig.

In der Zeit an der TUChemnitz lernten wir sehr entspannte und sehr nette Professoren und Doktoranten kennen, welche sich mit uns auf Augenhöhe setzten. Zum Grillabend hatten wir die Möglichkeit mit ihnen ins Gespräch zu kommen. Diese Personen sind Experten auf ihrem Themengebiet, sodass sie uns unsere Fragen gut beantworten konnten. Dies warf das Problem auf, dass sie probieren mussten ihr massiges Wissen uns Zehntklässlern verständlich zu erklären. Für uns war das Meiste des Wissens neu, kompliziert und manches auch unverständlich, jedoch geling es ihnen trotzdem sehr gut. Desweiteren erfuhren wir viel über das Universitätsleben sowie die TUChemnitz.

Im Folgenden sind die Experimente die wir besucht haben beschrieben:

Fluoressenzspektroskopie

Fluoressenz ist die Fähigkeit von Stoffen Licht aufzunehmen und wieder abzugeben. Dies geschieht innerhalb von Nanosekunden und ist aufgrund von Elektronenwolken über den Molekülen der organischen Farbstoffe möglich. Interessant ist die Forschung an fluoreszierenden Stoffen für die Verbesserung existierender und die Entwicklung neuer Solarzellen. Eine spezielle Form der Fluoressenz ist die Phosphoressenz, welche bei nachtleuchten Sternen, Steinen etc. genutzt wird. Nach dem klären der physikalischen und chemischen Hintergründe zeigte uns der erklärende Doktorant zwei von ihm Hergestellte Verdünnungsreihen einer organischen Farbstofflösung. Anschließend durften wir selbst eine fluoreszierende Lösung aus Rhodamin und Ethanol herstellen. Diese war je nach Beleuchtung gelb und/oder rosa und fluoreszierte orangegelb. Zum Ende hin zeigte uns der Doktorant die Analyse fluoreszierender Stoffe mit Hilfe von einem blauen Laser um ihre Eigenschaften zu erkennen.

Parallelrechner

Bei der Verwendung von Parallelrechnern werden die Rechenleistungen von mehreren CPU oder CPU-Verbänden addiert (Clusterrechner) um aufwändige Berechnungen schneller machen zu können als mit einem einzelnen PC. Diese Funktion testeten wir anhand eines Pendels über drei Magneten, dessen Schwingungsverlauf wir durch ein Programm simulierten. Zuvor leiteten wir uns die Hintergrundfunktion her, auf der das Programm basiert.

Photoelektronenspektroskopie

Die Photoelektronenspektroskopie wird in einer riesigen Vakuumkammer durchgeführt, deren Innendruck durch Drehschieberpumpen, Turbopumpen, Ionengetterpumpen und Erhitzung auf 10-10 mbar, das sind 0,0000000001 mbar, verringert. Das Erreichen dieses Druckes dauert mehrere Wochen.
Mithilfe sehr schwacher Röntgenstrahlung werden in der 2,5 Millionen Euro teuren Vakuumkammer Elektronen aus der Probe herausgelöst und anschließend Untersucht. Mit den Ergebnissen kann man Rückschlüsse auf die Oberflächenzusammensetzung, Eigenschaften und Elektronenbindung ziehen. Aktuell wird mit dieser Methode daran geforscht, ob man die Leitfähigkeit von Graphen regulieren kann.

Alltag in der Computerphysik

In der Physik werden häufig Simulationen von Experimenten durchgeführt, da die Experimente viel Zeit und/oder Geld in Anspruch nehmen. Wir haben Simulationen von Pendeln über Magneten durchgeführt. Das bedeutet, dass der Computer anhand der eingegebenen Parameter berechnet wo das Pendel herauskommt und wie es in der Zwischenzeit schwingt. Als nächsten haben wir die Schwingung von Dreierpendeln simuliert es kam am Anfang mit den Standard Parameter zu einer starken Unordnung zwischen den Schwingungslinien, auch S-Linien genannt. Nach dem Anpassen der Parameter, wie zum Beispiel der Masse, kam es zu einer normalen Pendelbewegung.

Rastertunnelmikroskopie

Durch den Tunneleffekt können hier Moleküle sehr stark vergrößert betrachtet werden. Es kann jedoch sehr lange dauern, bis die Aufnahmen der Proben qualitativ hochwertig und auswertbar sind. In seltenen Fällen kann diese Dauer 2-3 Jahre betragen.

Augenbewegungen

Augenbewegungen werden mit stationären Eyetrackern gemessen indem man sie verfolgt. Eine Person der Gruppe drehte ein Video mit 25.000€ teuren „smglasses“ während er 7 Minuten durch das Physikgebäude lief. Auch wurden kurze Videos, unteranderem ein Videotrailer, durch die „smglasses“ geschaut. Anschließend wurden die Blickpunkte von der Schülergruppe ausgewertet.

Rasterelektronenmikroskopie

Das Rasterelektronenmikroskop liefert detaillierte Bilder von beispielsweise Siliziumchips, Haaren, Salz oder Pollen. Es wird verwendet um deren elementare Zusammensetzung zu bestimmen. Das Mikroskop durfte auch von uns Schülern bedient werden und wir konnten eigene Bilder aufnehmen. Die Analyse erfolgte am Computer und durfte auch von uns durchgeführt werden. Leider wurde die Erklärung des physikalischen Hintergrunds sehr kurz gehalten.

Rasterkraftmikroskopie

Mit dieser Mikroskopie kann man genauere Bilder aufnehmen als mit der Rasterelektronenmikroskopie. Diese Methode wird verwendet um die Qualität einer Oberfläche, wie zum Beispiel der Graphenschicht auf Siliziumcarbid, zu analysieren.

Metallverdampfung

In einem Gerät wurde ein annäherndes Vakuum erzeugt, welches die Verdampfungstemperatur der darin eingeschlossenen Stoffe stark verringert. Damit wurde Gold verdampft, womit eine Münze mit einer sehr dünnen Goldschicht überzogen wurde. Diese durften wir anschließend mitnehmen. Dies dauert einige Zeit, weshalb weitere Experimente während des „Vakuumierens“ wünschenswert wären.

Der Bericht wurde von Roman Coumont (jetzt Kl. 11) am 01. Juli 2019 verfasst.