Bau­an­lei­tung

Black-Boxes – selbst ge­baut

Black-Boxes sind ein hilf­rei­ches Mit­tel um Ei­gen­schaf­ten, Nut­zen und Gren­zen phy­si­ka­li­scher Mo­del­le im Un­ter­richt zu klä­ren. Ge­ra­de wenn es um so abs­trak­te Dinge wie Atom­mo­del­le geht, lässt sich mit der Un­ter­su­chung einer Black-Box in Vor­feld ler­nen, wie Na­tur­wis­sen­schaft­ler vor­ge­hen, was ein gutes Mo­dell leis­ten muss und was nicht.

Black-Boxes kön­nen von Schul­mit­tel­fir­men be­zo­gen wer­den oder aber auch ein­fach selbst ge­baut wer­den. Eine Mög­lich­keit Black-Boxes zu bauen, die sich be­son­ders für den Ein­stieg in die Atom­phy­sik, aber auch für den Ein­stieg in die Quan­ten­phy­sik an­bie­ten, wird im Fol­gen­den be­schrie­ben. Viel Spaß beim Nach­bau­en und beim Ein­satz im Un­ter­richt.

Ma­te­ri­al für 10 Black-Boxes

• 10 Papp­schach­teln mit De­ckel (z.B. von Ti­me­Tex) Preis ca. 22 €
• Drei­kant­leis­te 16 mm x 16 mm x 1 m (Bau­markt) Preis ca. 2,50 €
• Recht­eck­leis­te 5 mm x 20 mm x 2 m (Bau­markt) Preis ca. 2 €
• 10 Holz­wür­fel 20 mm Sei­ten­län­ge (z.B. von Opi­tec) Preis ca. 3 €
• 10 Stahl­ku­geln 10mm Durch­mes­ser (z.B. von Opi­tec) Preis ca. 3 €
• Mo­sa­ik-Spie­gel­stei­ne (z.B. von Opi­tec) Preis ca. 5 €
• Holz­ku­geln für Mo­dell B (z.B. von Opi­tec) Preis ca. 1 €
• Glas­mur­meln für Mo­dell A (z.B. von Opi­tec) Preis ca. 2 €
• Un­ter­leg­schei­ben – nicht aus Edel­stahl (Bau­markt) Preis ca. 2 €
• Far­bi­ge Folie zum Be­kle­ben der Spie­gel in Mo­dell B, alte CDs für Mo­dell A
• Holz­kle­ber, Al­le­s­kle­ber, Trans­pa­ren­tes Pa­ket­kle­be­band zum Ver­schlie­ßen der Black-Boxes
• Boh­rer 2 mm bis max. 3 mm (oder falls vor­han­den Loch­stan­zer)

Ge­samt­kos­ten für 10 Stück ca. 40 € – 50 €

So könn­ten die Black-Boxes aus­se­hen

Au­ßen­an­sicht der selbst­ge­bau­ten Black-Boxes.
Links sind die bei­den klei­nen über Eck an­ge­brach­ten Öff­nun­gen (ca. 2 mm Durch­mes­ser) zu er­ken­nen.

Die fol­gen­den Fotos zei­gen den mög­li­chen In­nen­auf­bau, der die unten be­schrie­be­nen Ex­pe­ri­men­te er­mög­licht, sich leicht nach­bau­en lässt und ein­fach ab­wan­deln lässt. Nach dem Zu­sam­men­bau wer­den die Black-Boxes mit Pa­ket­kle­be­band sorg­fäl­tig ver­klebt. Die Schü­ler sol­len an kei­ner Stel­le des Un­ter­richts er­fah­ren, wie das In­ne­re „wirk­lich“ aus­sieht, auch nicht am Ende des Un­ter­richts. Statt­des­sen sol­len sie sich ge­eig­ne­te Mo­del­le über­le­gen, die die Mes­sun­gen von außen be­schrei­ben kön­nen. Mit dem Un­wis­sen über das „wirk­li­che“ In­ne­re um­zu­ge­hen und „nur“ Mo­del­le zur Hand zu haben, die nicht ve­ri­fi­ziert ge­ge­be­nen­falls je­doch fal­si­fi­ziert wer­den kön­nen, ist eines der zen­tra­le Ziele im Un­ter­richt!

Beim Bau der Black-Boxes sind Ihrer Fan­ta­sie keine Gren­zen ge­setzt und Ab­wand­lun­gen sehr leicht mög­lich. In die­sem Zu­sam­men­hang noch­mal die fol­gen­de Bitte: Zei­gen Sie Schü­lern nie­mals den Auf­bau, be­schrei­ben Sie ihn auch nicht ver­bal und stel­len Sie kei­nes­falls Fotos der ge­öff­ne­ten Boxen Schü­lern über das In­ter­net zur Ver­fü­gung! Wenn sich de­fi­ni­ti­ve In­for­ma­tio­nen über das In­ne­re her­um­spre­chen, wer­den alle vor­han­de­nen Boxen glei­cher oder ähn­li­cher Bau­art ent­wer­tet.

Mo­dell A (In­nen­le­ben):

Mo­dell B (In­nen­le­ben):

 

Mög­li­che Ex­pe­ri­men­te

Die fol­gen­den Ex­pe­ri­men­te er­lau­ben un­ter­schied­lich de­tail­lier­te Mo­del­le über das In­nen­le­ben der Black-Boxes auf­zu­stel­len und vor­he­ri­gen Vor­stel­lun­gen zu wie­der­le­gen oder zu ver­fei­nern. Dabei wer­den die neue Ex­pe­ri­men­te immer wie­der zu neuen/ mo­di­fi­zier­ten Mo­del­len füh­ren und ver­an­schau­li­chen so die Ent­wick­lung na­tur­wis­sen­schaft­li­cher Vor­stel­lun­gen und Kon­zep­te.

1. Schüt­teln, lang­sa­mes (ge­ziel­tes) Be­we­gen, …
   
   
2. Un­ter­su­chung mit einer Ta­schen­lam­pe
   
   Wenn man in eines der Mi­ni­lö­cher (ca. 2 mm bis 3 mm Durch­mes­ser – mit einem Boh­rer oder einem Loch­stan­zer her­ge­stellt) leuch­tet, kann man durch das an­de­re einen Licht­punkt sehen – je nach Mo­dell in weiß (Mo­dell A) oder grün (Mo­dell B). Da die Licht­far­be mit einer an­de­ren Ei­gen­schaft – siehe 4) – ver­knüpft ist, lässt sich spä­ter eine Hy­po­the­se auf­stel­len, deren Un­ter­su­chung eine sys­te­ma­ti­sche Be­trach­tung der Mess­er­geb­nis­se an meh­re­ren (mög­lichst vie­len) Black-Boxes nö­tigt macht.
   
   
3. Un­ter­su­chung mit einem star­ken Ma­gne­ten
   
   
4. Wie­gen (be­nö­tig­te Ge­nau­ig­keit der Waa­gen: 1 g)
   
   Hier stel­len die Grup­pen, die Mo­dell A er­wischt haben eine leicht grö­ße­re Masse fest als die Grup­pen mit Mo­dell B.
   Be­mer­kun­gen:
   1. Von außen soll­ten die Mo­del­le für die Schü­ler nicht un­ter­scheid­bar sein. Man könn­te die Black-Boxes aber mit klei­nen Num­mern be­schrif­ten und sich mer­ken, wel­che Num­mern zu wel­chem Model ge­hö­ren.
   2. Hier er­gibt sich eine ge­wis­se Ana­lo­gie zu Ato­men, die sich
      eben­falls in ihren op­ti­schen Spek­tren und ihren Mas­sen un­ter­schei­den.

 

Black Box Deck­blatt: Her­un­ter­la­den [docx] [26 KB]

Black Box Deck­blatt: Her­un­ter­la­den [pdf] [42 KB]

Black Box Un­ter­la­gen: Her­un­ter­la­den [docx] [335 KB]

Black Box Un­ter­la­gen: Her­un­ter­la­den [pdf] [450 KB]

Black-Boxes – selbst ge­baut: Her­un­ter­la­den [docx] [67 KB]

Black-Boxes – selbst ge­baut: Her­un­ter­la­den [pdf] [213 KB]

Wei­ter zur Selbst­ein­schät­zung