Wie funktioniert die Quanten-Welt?

Objekte, die uns im Alltag begegnen, bewegen sich auf streng vorgegebenen Bahnen, die der klassischen Mechanik gehorchen. Zoomt man allerdings, ins Innere von Molekülen und Atomen hinein, versagen die uns vertrauten Naturgesetze. Vor allem die Elektronen zeigen ein völlig überraschendes Verhalten: sie können zum Beispiel Hindernisse überwinden und durch Wände dringen und sich gegenseitig überlagern und auslöschen wie Lichtwellen. In diesem Theorie-Projekt untersucht ihr diese faszinierende und ein wenig mysteriöse Quanten-Welt mit Hilfe von anschaulichen Computer-Experimenten. Ihr lernt einige fundamentale Eigenschaften von Mikroteilchen kennen, die heute experimentell bestens bestätigt sind, die aber auf den ersten Blick unseren alltäglichen Erfahrungen völlig widersprechen.

Physik der Fotografie

Bereits seit vielen Jahrzehnten wird die Fotografie nicht nur zu dokumentarischen Zwecken und als künstlerisches Werkzeug, sondern auch in Wissenschaft, Industrie und Technik in verschiedensten Varianten verwendet. Im Grunde ist die Aufnahme eines Fotos dabei nichts weiter als ein physikalischer Messprozess, der nicht nur viele unterschiedliche Bereiche der Physik miteinander verbindet, sondern im Zuge der voranschreitenden Digitalisierung der letzten Jahrzehnte auch zunehmend komplexer wurde. In diesem Projekt geht es darum, die physikalischen Grundlagen, die beim Fotografieren eine Rolle spielen, zu untersuchen und zu verstehen. 

Wasserstofftechnologie

Die Möglichkeit Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff zu betreiben, wobei das Abgas dann nur Wasser ist, klingt sehr reizvoll. Wenn dann zudem ein Konzept wie die Brennstoffzelle benutzt wird, um den Wasserstoff ohne Überdruck speichern zu könnnen, klingt das nach einem perfekten System. Aber ist das wirklich so? Dieses Projekt ergründet die physikalischen Grundlagen der Wasserstofftechnologie und versucht Zukunftsperspektiven zu finden.

Spektroskopie der Sonne

Die Sonne ist unsere wichtigste Energiequelle. Sie setzt mit Hilfe des Gravitationseinschlusses von Materie Energie mittels Fusion frei, die sie dann in das Sonnensystem abstrahlt. Die spektroskopische Analyse zeigt, dass die Verteilung dieser Energie sehr gut der Verteilung eines Planck'schen - oder auch "Schwarzen" - Strahlers mit einer Temeratur von 5700K und einem Intensitätsmaximum bei 500 nm (grün) entspricht. In diesem Projekt soll versucht werden, ein Spektrum der Sonne aufzunehmen und mit irdischen Lichtquellen zu vergleichen. Viele interessante Fragestellungen können dabei geklärt werden, wie z.B. warum Blätter grün sind? Oder wo hat das menschliche Auge die größte spektrale Empfindlichkeit? (Bild: Sonnenspektrum, Quelle: Wikipedia.de)

Wenn der Schatten wellig wird

Wenn Licht durch eine Öffnung muss, die mit seiner Wellenlänge vergleichbar ist, treten Beugungs-Phänomene auf. Eine scharfe Kante zeigt plötzlich unscharfe Wellenmuster, ein enger Spalt gibt ein unscharfes Bild. Die genaue Analyse dieser Bilder zeigt, dass sie Informationen über das Objekt, welches die Welle passiert hat, enthalten. Es ist also möglich, durch Messen eines sogenannten Beugungsbildes auf die Größe des Objektes zurückzuschließen. (Foto: Beugungsmuster eines rechteckigen Spaltes, Quelle: Wikipedia.de)

Auflösungsvermögen des Mikroskops

Das Mikroskop hat die Welt verändert, seit seiner Entwicklung werden immer neue Typen entwickelt, erst in den letzten Jahren wurde die Raster-Tunnel-Mikroskopie erfunden. Bei diesem optischen Thema wollen wir uns mit einem klassischen Lichtmikroskop beschäftigen. Es stellt sich die Frage, wieso es keine Objekte auflösen kann, die kleiner als die benutzte Wellenlänge sind. Darüber hinaus wollen wir Methoden anschauen, die es erlauben, das Bild des Mirkoskops zu manipulieren und absichtlich zu verändern. Dieses Projekt geht auch der Frage nach, was das Auflösungsvermögen des Mikroskops eigentlich mit der Heisenbergschen Unschärferelation zu tun hat und wieso ein Mikroskop auch mit Elektronen statt Licht funkioniert.

Wasserfloh-Trajektorien

Gemeiner Wassefloh, Quelle: Wikipedia.deMit Hilfe einer einfachen Web-Cam soll die Bewegung von Wasserflöhen untersucht werden. Zunächst stellt sich die Frage, ob Wasserflöhe gezielt herum schwimmen oder ob sie sich treiben lassen, also so etwas wie eine zufällige brownsche Bewegung ausführen. Das kann mit einfachen Methoden untersucht werden. In weiteren Schritten können Experimente gemacht werden, die uns Hinweise geben, ob es den Wasserflöhen schlecht oder gut geht. Ein spannendes Projekt zwischen Physik, Biologie und Bildverarbeitung. (Foto: Gemeiner Wasserfloh, Quelle: Wikipedia.de)

Videoanalyse von Bewegungen

Stoppuhr und Maßband waren gestern. In diesem Projekt geht es um die Analyse von Videofilmen. Mit Hilfe von modernen Digital-Kameras ist es möglich geworden, Bewegungsvorgänge zu filmen und direkt im Computer zu verarbeiten. Doch wie funktioniert eine Videoanalyse? Was muss man bei der Aufnahme beachten? Kann man damit wirklich physikalische Phänomene untersuchen? Mach mit und finde es heraus! (Foto: Fallversuche während der PPT 2011)

Staub im Plasma

Staubige Plasmen sind eine spezielle Form von Plasmen. Ein Plasma selbst ist Materie im 4. Aggregatzustand. Materie erreicht diesen Zustand, indem man sie erwärmt und diese dann von fest nach flüssig, gasförmig und schließlich in den Plasmazustand übergeht. Die Sonne, aber auch Schweißgeräte und das leuchtende Gas in Leuchtstoffröhren befinden sich im Plasmazustand. Wenn im Plasma kleine Stücke von fester Materie zu finden sind, entsteht ein staubiges Plasma. Es können interessante Phänomene beobachtet und untersucht werden. Dazu kann eine einfache Web-Cam verwendet werden.

Plasma-Spektroskopie

Plasmen sind im Universum allgegenwärtig. 99% der bekannten Matierie (also ohne Dunkle Materie) befindet sich in diesem Aggregatzustand hoher Temperatur. Weil unter diesen Bedingungen Plasmen leuchten (die Sonne zum Beispiel), bietet die optische Spektroskopie, also die Analyse des von Sternen, Galaxien etc. ausgestrahlten Lichtes, eine ausgezeichnete Möglichkeit zur Analyse dieser eigentlich unerreichbaren Objekte. Wichtigstes Hilfsmittel ist dabei der charakteristische Fingerabdruck eines jeden Elements in Form seiner Spektrallinien. In diesem Projekt werden wir uns mit der Atomphysik der Spektrallinien, mit den spektroskopischen Methoden und der Spektroskopie von Labor-, und vielleicht sogar astrophysikalischen Plasmen, beschäftigen.

Der Regenbogen

Am Ende des Regenbogens liegt ein Schatz. Aber hat der Regenbogen überhaupt ein Ende? Der Regenbogen ist ein interessantes optisches Phänomen, das auf Grundlage der geometrischen Optik und der Lichtbrechung verstanden werden kann. In diesem Projekt soll die Physik des Regenbogens anhand eines Glas-Kugel-Modells untersucht werden. Zudem soll ein System aufgebaut werden, mit dem man einen "echten" Regenbogen im Labor erzeugen und spektroskopisch untersuchen kann. (Foto Quelle: Wikipedia.de)

Alles Logisch

Die digitale Revolution hat unsere Welt in den letzten 20 Jahren völlig umgekrempelt. Geräte sind garade noch so groß, dass man sie bedienen kann, Telefone können fast alles, sogar telefonieren... Wie ist dies möglich? Wie funktioniert Digital eigentlich? Diese Frage soll beantwortet werden, indem wir ein Logikarray programmieren. Klingt schwierig, ist aber ganz einfach und das sogar ohne Computerkenntnisse oder gar Programmiererfahrung. Wir gehen einfach ganz logisch vor und finden heraus, was man mit Nullen und Einsen so machen kann.

Thermographie

Der Mensch ist mit seinen eigenen Sensoren für elektromagnetische Wellen, den Augen, auf den winzigen Bereich des "sichtbaren" Lichtes von 400 bis 700 nm eingeschränkt. Mit der Haut kann er zudem "Wärmestrahlung", also fernes Infrarot, spüren. Seit jeher ist der Mensch bemüht, seine Sinne durch Technik zu erweitern. Ein besonderes interessante und anschauliche Erweiterung der menschlichen Sinne ist eine Wärmebildkamera. In dem Projekt werden mit Hilfe einer solchen Kamera die Möglichkeiten der erweiterten Wahrnehmung untersucht. Dabei ergeben sich auch neue physikalische Untersuchungsmethoden.

Solarenergie

Mehr denn je stellt sich die Frage, ob der Energiehunger der Menschheit mit Solarenergie gedeckt werden kann. In diesem Projekt wollen wir uns mit den grundlegenden Mechanismen der Erzeugung von Energie mittels Solarzellen auf Basis von Silizium-Halbleitern beschäftigen. Daneben bleibt auch Raum andere Konzepte zur Energieerzeugung mit Hilfe der Sonne zu untersuchen. (Foto: Vermessung eines Sonnenkollektors, PPT 2011)

Energiesparlampe

Die Energiesparlampe ist in aller Munde, seitdem die EU die gute alte Glühlampe verboten hat. Aber ist die Glühlampe wirklich so gut? Oder doch nur alt und Thomas Alva Edison schon sooo lange tot? Das Projekt-Team untersucht und vergleicht Glühlampen und Engergiesparlampen. Wieso spart die eine Energie, die andere nicht? Warum macht die eine so "kaltes" Licht?  Wo und wann ist Quecksilber ein Problem ? Das sind einige der Fragen, denen nachgegangen werden soll. (Foto Quelle: Wikipedia.de)

Physik und Musik

Mit Hilfe einer SoundCard im Computer werden Töne verschiedener Musikinstrumente aufgenommen. Diese Töne können mit Hilfe der Fouriertransformation in ihre spektralen Anteile (Grundwellen) zerlegt werden. Dadurch ist es möglich z.B. den Unterschied zwischen dem reinen Kammerton A, wie ihn eine Stimmgabel erzeugt und dem Ton 'A' verschiedener Instrumente zu untersuchen. Die Entstehung des spezifischen 'Sounds' bestimmter Instrumente kann so auf  spektraler Ebene verstanden werden. Ein interessanter Aspekt ist dabei auch die Signalform von 'gesamplten' Tönen eines Synthesizers. Wie gut ist der Synthesizer gemacht? Sehen alle Töne "gleich" aus? Für die Teilnahme am Projekt müßt ihr weder die Mathematik der Fourieranalyse noch eine Programmiersprache beherrschen. (Foto: Skizze eines Versuchsaufbaus, PPT 2011)

Roboter

Wer träumt nicht von einem kleinen Helfer, der einem die lästigen Arbeiten abnimmt? So ein Roboter wäre schon sehr praktisch. Doch wie funktioniert eigentlich ein Roboter? Wie kann man einer Maschine beibringen auf die Umwelt zu reagieren? Dies ist die zentrale Frage im Projekt, die ihr mit Hilfe von Lego-Robotern erforschen sollt. Dabei werden euch verschiedene Probleme aus der Messtechnik, der Informatik und der Mathematik begegnen. Wir sind gespannt, was euer Roboter nach drei Tagen alles kann, aber wir sind uns sicher, dass ihr überrascht sein werdet.

 

Wasserraketen

In diesem Projekt geht es um Raumfahrt, d.h. um die Funktion eines Raketenantriebes. Mit einfachen Mitteln kann man aus PET-Flaschen Raketen bauen, die bis zu 100 Meter hoch fliegen. Wie funktioniert dies? Genau das ist die Frage, die wir im Projekt beantworten wollen. Wir wollen die Prozesse, die zum Raketenantieb führen, im Detail untersuchen und vermessen. Natürlich gehören dazu auch Raketenstarts. (Foto: Raketenstart während der PPT 2011)