17.02.2023

Spannung mit PUMA: Spannungslabor

Die App „PUMA : Spannungslabor“ macht die Elektrizitätslehre mit Hilfe von Augmented Reality begreiflich, wie dieser Artikel in „Physik in unserer Zeit“ erklärt.

Eine Technologie, die in der Lehre immer mehr Verbreitung findet, ist Augmented Reality (AR). Nützlich für die Physik ist dabei die Möglichkeit, eine theoretische Modellvorstellung oder Darstellungen davon direkt auf das reale Experiment zu überblenden. So lässt sich eine Verbindung zwischen Modell und Realität herstellen. Die App „PUMA : Spannungslabor“ ermöglicht diese Verknüpfung bei einfachen Stromkreisen.

 

Abb.: Visualisierung des Stroms durch Einblenden virtueller Elektronen und des...
Abb.: Visualisierung des Stroms durch Einblenden virtueller Elektronen und des Potentials durch Farb- und Höhendarstellung.

Ein wichtiges, für Schülerinnen und Schüler oft schwieriges Themen­gebiet ist die Elektrizitäts­lehre. In der Sekundar­stufe I werden in vielen Unterrichts­stunden die grundlegenden elektrischen Konzepte und das Verständnis einfacher elektrischer Schaltungen vermittelt. Da der elektrische Strom nicht direkt wahrgenommen werden kann, ist das Thema für Lernende schwer begreifbar. Viele behalten nach dem Unterricht fehlerhafte Vorstellungen über Stromkreise bei.

Das Verständnis der Inhalte hängt dabei von der Analogie ab, die in der Regel zur Erklärung der Bewegung der Ladungs­träger verwendet wird. Da sich Analogien, die auf dem elektrischen Potential basieren, im Vergleich zu Analogien, die auf dem elektrischen Strom basieren, als besonders lernfördernd erwiesen haben, visualisiert die hier vorgestellte App „PUMA: Spannungslabor“ das Elektronen­gas­modell und das Höhenmodell.

Die App kann bei der Einführung des elektrischen Drucks und damit der elektrischen Spannung als Ursache für elektrische Ströme, bei der Entwicklung des Konzepts des elektrischen Stroms und zur Bildung eines qualitativen Verständnisses des elektrischen Widerstands eingesetzt werden. Darüber hinaus kann sie einfache Schaltungen mit Widerständen, sowohl in Parallel- als auch in Reihenschaltung, analysieren und halb­quantitative Experimente mit Bezug auf das Ohmsche Gesetz ergänzen.

Die App visualisiert die grundlegenden elektrischen Konzepte, indem sie diese virtuell über das Bild eines experimentellen Aufbaus legt. Sie ermöglicht damit Beobachtungen im aufgebauten Stromkreis, die über die Veränderung der Helligkeit von Lampen oder der Zahlen auf einem Messgerät hinausgehen. Lernende können Änderungen in der Stromstärke direkt erkennen, dargestellt durch die Bewegung der Elektronen, oder das elektrische Potential über die Visualisierung der Analogie sehen – in diesem Falle dargestellt durch die Farbe sowie Höhe. Auf diese Weise erhalten sie die Möglichkeit, eigene Vorstellungen über Stromkreise zu bestätigen oder zu widerlegen.

Die Basis des Versuchsaufbaus ist eine Leiterplatte mit offenen Steckplätzen. Die Lücken können mit einer Vielzahl von Bauteilen wie verschiedenen elektrischen Wider­ständen, Glühbirnen, Kurzschluss­steckern oder einem Schalter gefüllt werden. Zusätzlich enthält die Platine Steckplätze für Spannungs­quellen in Form eines Batterieblocks oder einer externen Spannungs­versorgung. Zur Identifizierung und Nachverfolgung tragen die Komponenten QR-Codes. Die Bild­erkennung ist in die App integriert. Damit die Anwendung funktioniert, müssen zunächst alle Codes gescannt werden. Der QR-Code in der Randspalte führt zu einem Video, das den Scanvorgang zeigt.

Nach Abschluss der Komponenten-Erkennung kann die Visualisierung durch Drücken des Play-Buttons in der unteren rechten Ecke gestartet werden. Die App berechnet dann die korrekten elektrischen Potentiale und Ströme für die Schaltung anhand der Position und der Kennwerte der Komponenten (Abbildung). Dargestellt werden sich bewegende Elektronen für den elektrischen Strom. Farbige Overlays auf den Leitern und eine Höhen­darstellung visualisieren das elektrische Potential.

Ein illustratives Beispiel ist ein einfacher Stromkreis mit zwei in Reihe geschalteten Glühlampen, wobei eine davon durch Schließen des Schalters überbrückt wird. Schließt man den Schalter, so ändert sich nur die Helligkeit der Glühlampen. Der Blick auf die App jedoch zeigt intuitiv, dass die Elektronen, die sich zuvor durch die Lampe bewegten, nun durch den geschlossenen Schalter fließen. Außerdem verringert das Schließen des Schalters drei Bereiche verschiedenen elektrischen Potentials – blau, gelb und rot dargestellt – auf nur zwei. Durch das Fehlen eines Spannungs­abfalls an der überbrückten Lampe hört diese auf zu leuchten. Dadurch wird die Veränderung der Helligkeit der Glühlampen viel leichter verständlich.

Weitere Darstellungs­möglichkeiten der App sind:
    • Visualisierung der Wechselwirkung der Elektronen mit Atomrümpfen im elektrischen Leiter, Widerstand und der Glühlampe auf Basis des Drude-Modells,
    • Darstellung der berechneten Werte für den Widerstand, den Stromfluss und den Spannungsabfall an jeder Komponente,
    • Modus-Auswahl für gezielte Verwendung der App im Unterricht durch bewusst eingeschränkte Funktionalität.

Für die Verwendung der App muss der Experimentier­kasten Elektrik 1 der Firma MEKRUPHY zur Verfügung stehen. Dessen Bauelemente werden mit den entsprechenden Targets in Form von ausgedruckten QR-Codes beklebt. Die Datei mit der dazugehörigen Anleitung ist innerhalb der App verlinkt. Die App selbst steht für iOS- und Android-Geräte in den jeweiligen App-Stores kostenfrei zum Download bereit.

 

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