Strömende Materie - elementarisierte Zugänge zur Physik fluiddynamischer Phänomene

Abstract

Kurzfassung

Ein Ziel der vorliegenden Arbeit ist, Lernenden strukturbildende Phänomene im Weltall, wie den Krebsnebel, physikalisch nahezubringen, indem man diese mit physischen Modellen verknüpft. Um solche Modelle aber zu entwickeln, wird sehr viel Zeit benötigt, über die die meisten Lehrerinnen und Lehrer im Schulbetrieb nur bedingt verfügen. Aus diesem Grund wurden für die Dissertationsschrift besonders angepasste Anschauungsmodelle zu fluiddynamischen Phänomenen, wie beispielsweise der Rayleigh-Taylor-Instabilität, entwickelt. Die Modelle sind so einfach wie möglich konstruiert und in leicht nachvollziehbaren Anleitungen beschrieben, damit Lehrerinnen und Lehrer diese ohne großen Aufwand selbst für den Schulbetrieb erstellen können. Das Themengebiet der Fluiddynamik wurde gewählt, weil es sehr viele strukturbildende Phänomene im Universum erklären kann. Die Schwierigkeit bei der Erstellung der physischen Modelle liegt darin, dass die relevanten Phänomene im Weltraum und die dazugehörenden physischen Modelle unterschiedliche Größenordnungen aufweisen. Um dennoch die für den Unterricht relevanten physikalischen Vorgänge auf die physischen Modelle übertragen zu können, wird die Ähnlichkeitstheorie angewandt. Dieser Begriff ist Lernenden eventuell sogar bereits aus der Geometrie bekannt, wird in der vorliegenden Schrift aber noch um die physikalische Ähnlichkeit erweitert. Dabei auftretende Verhältnisse werden durch dimensionslose Kennzahlen, wie der Reynolds-Zahl, ausgedrückt. Diese können durch die Dimensionsanalyse bestimmt werden. Die Dissertationsschrift beinhaltet ebenfalls einen kurzen Überblick über die Ähnlichkeitstheorie in Verbindung mit der Dimensionsanalyse, um dimensionslose Kennzahlen bestimmen zu können. Mit diesem Hintergrundwissen können Lehrerinnen und Lehrer dazu übergehen, selbständig Modelle für ihre Schülerinnen und Schüler anzufertigen. Darüber hinaus beinhaltet diese Arbeit nicht nur Beschreibungen von physischen Modellen, sondern auch einige Einzelbeispiele für nutzbringende Anwendungen der Ähnlichkeitstheorie bei theoretischen Überlegungen. Mehrere physische Modelle wurden erprobt. Dazu wurden zwei Gruppen (9. Klasse) mit unterschiedlichen Unterrichtskonzepten konfrontiert. Die gleichen Lerninhalte wurden im Frontalunterricht und alternativ als Stationenlernen in Form der entworfenen physischen Modelle vermittelt. Damit wurde überprüft, ob der Lernzuwachs und das situative Interesse negativ oder positiv durch die Art des Unterrichtskonzeptes beeinflusst werden kann. Das Ergebnis zeigt, dass das Unterrichtskonzept keinen signifikanten Einfluss auf den Lernzuwachs oder das situative Interesse hat. Der besonders hervorzuhebende Unterschied lag darin, dass die Lernenden im Stationenlernen selbständig und selbsttätig zu ihren Resultaten kamen.

Abstract

One of the purposes of this PhD thesis is to make structure-forming phenomena in space (like Crab Nebula) accessible to students by linking these to physical models. However, developing such models takes a lot of time, which is limited for most teachers because of their regular school duties. For this reason, specially adapted visual models for fluid dynamic phenomena, such as the Rayleigh-Taylor-Instability, were developed in this thesis. The models are both designed as simple as possible and described in easy-to-follow instructions in order to make it possible for teachers to reproduce them for school operations effortlessly. The subject of fluid dynamics was chosen because it can explain a great number of structure-forming phenomena in the universe.

The challenge in creating these physical models is the difference in scale between those models and the relevant phenomena in space. In order to transfer the physical processes to the physical models, the \glqq similitude\grqq~concept is applied. Learners might already know this term from geometry, here it is expanded to include physical similarity. The occurring ratio is expressed by using dimensionless indicators, such as the Reynolds number. Those indicators can be determined by dimension analysis. The thesis also contains a brief overview of the similitude concept in connection with dimension analysis in order to determine dimensionless indicators. With this background knowledge, teachers are able to create models by themselves for their students. This thesis includes not only descriptions of physical models, but also contains some examples for useful applications of similitude in theoretical considerations. Several physical models were tested. For this purpose, two groups (9th grade) were tested on different teaching concepts. Similar learning content was imparted in ex-cathedra teaching and alternatively in carousel workshops using the designed physical models. No significant influence on learning gain and/or situational interest could be determined between the two teaching concepts. The only difference particularly worth mentioning was that the students who attended carousel workshops achieved their results independently and proactively.

Resumé

Cílem předkládané práce je přiblížit žákům na základě fyziky jevy tvořící struktury ve vesmíru, jako je například krabí mlhovina, a to za pomoci fyzických modelů. Vývoj takových modelů je však časově náročný a překračuje možnosti většiny pedagogů ve školním provozu. Z tohoto důvodu byly v rámci disertační práce vytvořeny speciálně upravené modely ke znázornění jevů dynamiky tekutin, jako např. Rayleighovy-Taylorovy nestability. Modely jsou vypracovány co nejjednodušeji a popisují je snadno pochopitelné návody, aby si je učitelé mohli bez velkého úsilí zhotovit pro potřeby výuky sami. Dynamika tekutin byla jako tematická oblast vybrána proto, že dokáže vysvětlit četné jevy tvořící ve vesmíru struktury.

Při sestavování fyzických modelů bývají překážkou rozdílné rozsahy u relevantních jevů ve vesmíru a příslušných fyzických modelů. Aby bylo i přesto možné převést na fyzické modely fyzikální postupy relevantní pro výuku, bylo využito teorie podobnosti. Tento pojem mohou žáci znát již z geometrie; předkládaná práce ho však rozšiřuje o fyzikální podobnost. Příslušné poměry jsou vyjádřeny bezrozměrnými veličinami, jako je Reynoldsovo číslo. Tyto veličiny se dají určit rozměrovou analýzou. Disertační práce také obsahuje stručný přehled teorie podobnosti v souvislosti s rozměrovou analýzou za účelem možnosti definovat bezrozměrné veličiny. Na základě těchto znalostí mohou vyučující pro své žáky zhotovit vlastní modely. Dále tato práce obsahuje nejen popisy fyzických modelů, ale také několik konkrétních příkladů uplatnění teorie podobnosti při teoretických úvahách. Testován byl větší počet fyzických modelů. Srovnávány byly přitom dvě skupiny (9. třída) s odlišnými didaktickými koncepcemi. Tatáž látka byla podána formou frontální výuky a alternativně jako učení na stanovištích pomocí navržených fyzických modelů. Cílem bylo ověřit, zda typ didaktické koncepce může negativně či pozitivně ovlivnit nárůst znalostí a situační zájem. Výsledek ukazuje, že koncepce výuky na nárůst znalostí ani situační zájem významný vliv nemá. Relevantní rozdíl představuje fakt, že při učení na stanovištích dospěli žáci k výsledkům samostatně a vlastním přičiněním.