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"Die phänomenale Schatzkiste"
Unser Beitrag zum Ideenfang auf der IdeenExpo 2015

von Thomas Biedermann
Das Problem:
Im Physikunterricht, aber auch durch Alltagserfahrungen begegnen wir unterschiedlichsten physikalischen Phänomenen. Der Physikunterricht hat die Aufgabe, die vielen möglichen Beobachtungen zu systematisieren und die entsprechenden Gesetzmäßigkeiten zu vermitteln. In der Regel werden dabei die einzelnen Themengebiete nacheinander abgearbeitet, und nur selten gelingt es, Querbeziehungen zwischen den einzelnen Schwerpunkten herzustellen.
Die Idee:
Viele Vorgänge in unserer Alltagsumwelt werden durch physikalische Phänomene und entsprechende Gesetze geprägt, doch nicht immer kann man vorhersagen, was passieren wird, wenn die Rahmenbedingungen nicht eindeutig sind. So kann z.B. ein Lichtstrahl gestreut, reflektiert, gebündelt oder abgeschwächt werden, wenn man Gegenstände mit den entsprechenden Eigenschaften in den Lichtweg stellt, ein Metallkörper kann magnetisch sein, Licht reflektieren oder den elektrischen Strom leiten. 
Die Lösung:
In der „phänomenalen Schatzkiste“ werden verschiedene physikalische Vorgänge verwendet, um mit einem spielerischen Zugang die eigenen Kenntnisse über mögliche Eigenschaften von Gegenständen anzuwenden und auf diese Weise ein Kombinationsschloss zu knacken. Dabei sind die einzelnen „Schlüssellöcher“ so gestaltet, dass man nur einige Hinweise zu möglichen Prozessen erhält und deswegen darauf angewiesen ist, mehrere Möglichkeiten auszuprobieren. 
Damit die Aufgabe nicht zu schwer wird, kann man sich vorher die einzelnen Experimente, die in den Schlüssellöchern verwendet werden, ansehen und ausprobieren. Außerdem kann die Zahl der richtig zu bedienenden Schlüssellöcher variiert werden, um die Anzahl der möglichen Kombinationen zu reduzieren.

Einen ganzen Nachmittag und einen guten Teil des Abends hat es gedauert, bis  alle Exponate für die Besucher vorbereitet waren. Hier sieht man unser Modellradioteleskop mit dem zugehörigen Messsystem.
Optische Phänomene:
Mit einer LED und einem Fototransistor kann man bereits verschiedene Arten von Schlössern herstellen. Sie beruhen darauf, dass man nur ein Öffnen-Signal erhält, wenn das auf den Fototransistor auftreffende Licht eine bestimmte Helligkeit hat. Das kann durch eine Linse, ein Farbfilter, einen Spiegel oder ein Prisma erfolgen.
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Beispiel Optik: Auslösen des Schlosses durch Einfügen einer Sammellinse
Mechanische und akustische Phänomene:
Ob als Balken- oder Federwaage, einfache mechanische Konstruktionen lassen sich vielfältig kombinieren. Durch Einsatz einer einfachen Gabellichtschranke kann der Gleichgewichtszustand signalisiert werden. Ein dünnes Federstahlblatt reduziert die Empfindlichkeit der Waage. Aber auch durch Luftströmungen lassen sich interessante Effekte bewirken, um das Schloss zu öffnen.
Mit einem einfachen Mikrofon lassen sich weitere Schlösser konstruieren. Im einfachsten Fall wird das Schloss ab einer bestimmten Lautstärke ausgelöst, indem man hineinspricht. Man kann aber auch eine kleine Schallquelle (z.B. einen Piezo-Summer) verwenden und mit einem Schlauch den Schall zum Mikrofon leiten - ähnlich funktioniert auch das alt bekannte Dosentelefon. 
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Beispiel Mechanik: Balkenwaage mit Wiegeteller auf der einen und einem verschiebbaren Gewicht auf der anderen Seite
Magnetische Phänomene:
Magnete lassen sich vielseitig einsetzen. Das Besondere daran ist, dass sie ihre Wirkung auch durch die meisten Materialien hindurch entfalten, was sie für ein Schloss besonders spannend macht. So kann man die Betätigung eines Reed-Kontaktes wie bei Alarmanlagen oder die abstandsabhängige Abstoßungskraft gleichnamiger Magnetpole wie bei Münzprüfern als Schloss anwenden. Aber auch magnetische Wechselfelder lassen sich einsetzen, wie sie z.B. bei den Ladestationen für elektrische Zahnbürsten verwendet werden. Dabei kann man die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften verschiedener Metalle oder sogar Stahllegierungen demonstrieren.
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Beispiel Magnetismus: Die Lichtschranke wird nur aktiviert, wenn die Wagge mit der "richtigen" Masse belastet wird
Elektrische Phänomene:
Bereits sehr einfache Transistor-Schaltungen erlauben den Einsatz elektrischer Phänomene. Bei der Schatzkiste wurden dabei die Metallkanten an den Ecken der Holzkiste als Kontaktflächen verwendet. Die geringe Spannung von 12 V und ein Vorwiderstand von 100 kOhm begrenzen den dabei fließenden Strom deutlich unter die Fühlbarkeitsschwelle. 
Doch auch mit Peltierelementen lassen sich leicht auswertbare Spannungen erzeugen, indem man die Oberfläche mit den Fingern berührt.
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Beispiel Elektrizität: Berührt man die beiden Kontaktflächen, fließt ein geringer Strom durch den Körper, der das Schloss öffnet

Die "phänomenale Schatzkiste" im Einsatz auf der IdeenExpo. Hinter den Öffnungen verbergen sich díverse Versuchsanordnungen
Die Schatzkiste im Einsatz:
Der Deckel der Schatzkiste öffnete sich erst dann, wenn alle Schlösser "richtig" bedient wurden. Den Besuchern wurden dafür zahlreiche - geeignete und ungeeignete - Probekörper zur Verfügung gestellt. Um den Schwierigkeitsgrad an das Besucheralter anpassen zu können, konnten die Schlösser an einer Steuerbox jeweils einzeln aktiviert oder deaktiviert werden. Ein eingebauter Getriebemotor öffnete dann den Deckel und gab den Blick auf den (in Form von Schoko-Goldtalern essbaren) Schatz frei. Eine vom Computer aus eingespielte "Soundengine" untermalte die Schatzkiste mit Musik und gab ein entsprechendes Knarzen von sich, wenn das Schloss geknackt wurde.
Viewle Fachlehrkräfte wünschten sich diese Kiste für ihren Unterricht, weil man daran spielerisch bereits gelernte Fachinhalte auffrischen und ggf. auch vertiefen kann. 


Gruppenfoto des Ideenfang-Teams unserer Schule - entstanden während eines der zahlreichn VIP-Besuche, die sich für unseren Stand angesagt hatten

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