4. Kongress P-/W-Seminare Metropolregion Nürnberg 13. Februar PDF

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4. Kongress P-/W-Seminare Metropolregion Nürnberg 13. Februar 2014 Schirmherrschaft: Bernd Sibler, MdL Staatssekretär im Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst Grußwort
4. Kongress P-/W-Seminare Metropolregion Nürnberg 13. Februar 2014 Schirmherrschaft: Bernd Sibler, MdL Staatssekretär im Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst Grußwort Vor genau vierhundert Jahren erschien die Schrift Mundus Iovialis. Diese epochemachende Arbeit von europäischem Rang wurde von dem Astronomen Simon Marius verfasst. Er stammte aus der damaligen Markgrafschaft Ansbach und setzte etwa gleichzeitig mit Galileo Galilei als einer der ersten ein Fernrohr zur Himmelsbeobachtung ein. Das Jubiläum wirft ein Schlaglicht darauf, wie fest die Natur- und Technikwissenschaften seit jeher in der Region Mittelfranken verwurzelt sind. Ich freue mich, dass der Förderkreis Ingenieurstudium mit seinem diesjährigen Kongress P-/WSeminare einmal mehr diese Tradition mit Leben füllt. Das ist heute wichtiger denn je. Schließlich steigt seit Jahren der Bedarf an qualifizierten Naturwissenschaftlern und Ingenieuren. Es ist längst zu einer zentralen Frage geworden, inwieweit es uns gelingt, ausreichend viele junge Menschen für die MINTFächer zu gewinnen nicht nur für die Wirtschaft, sondern auch für unsere Kultur und für die Gesellschaft insgesamt. Deshalb können wir gar nicht früh genug damit beginnen, junge Menschen für Naturwissenschaft und Technik zu begeistern. Auch wenn dabei unsere Anstrengungen auf vielen Ebenen wirksam werden müssen, kommt doch den weiterführenden Schulen eine besonders wichtige Rolle zu. Denn hier werden die Grundlagen für ein erfolgreiches natur- oder ingenieurwissenschaftliches Studium gelegt. Vor diesem Hintergrund begrüße ich es sehr, dass sich der Förderkreis Ingenieurstudium seit Jahren an der Schnittstelle zwischen der gymnasialen Oberstufe sowie den Hochschulen und wichtigen Wirtschaftsunternehmen in Mittelfranken engagiert. Sehr gerne habe ich deshalb auch in diesem Jahr die Schirmherrschaft über den Kongress P-/W-Seminare in der Metropolregion Nürnberg übernommen. Die Seminararbeiten, die hier vorgestellt werden, belegen eindrucksvoll, wie fruchtbar eine enge Verzahnung von Schule, Wissenschaft und Wirtschaft wirken kann. Daneben zeigt das Programm der Veranstaltung abermals: Naturwissenschaft und Technik machen Spaß! 2 Ich danke allen, die zum Gelingen des Kongresses beitragen, insbesondere den beteiligten Schülerinnen und Schülern mit ihren Lehrkräften sowie den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Mein Dank gilt auch den externen Kooperationspartnern und Sponsoren. Allen Teilnehmerinnen und Teilnehmern wünsche ich spannende und begeisternde Erfahrungen! München, im Januar 2014 Bernd Sibler Staatssekretär im Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst 3 Programm 08:30 Begrüßung 08:45 Plenarvortrag: Dr.-Ing. Jochen Friedrich Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB Kristalle - Wunderwerkstoffe für unsere Gesellschaft Vorträge Teil 1 09:20 Celtis-Gymnasium Schweinfurt Differentialgleichungen - Beschreibung und Anwendung (W-Seminar) 09:40 A.B. von Stettensches Institut Augsburg Konzeption und Gestaltung einer Ausstellung Verblüffende Experimente - Staunen mit allen Sinnen (P-Seminar) 10:00 Gabrieli-Gymnasium Eichstätt Gute Gene - Langes Leben? (W-Seminar) 10:20 Alexander-von-Humboldt-Gymnasium Schweinfurt Bau eines Rennofens und die Eisengeschichte in der Menschheitsgeschichte (P-Seminar) Pause mit Besichtigung der Ausstellung 4 Vorträge Teil 2 11:10 Erasmus-Gymnasium Amberg Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung in Photovoltaikanlagen und experimentelle Untersuchung der Auswirkungen von Verschmutzungen auf Photovoltaikanlagen (W-Seminar) 11:30 Martin-Behaim-Gymnasium Nürnberg Herstellung und Vermarktung eigener Getränkeprodukte (P-Seminar) 11:50 Simon-Marius-Gymnasium Gunzenhausen Bauteiloptimierung für die Statik von Dachkonstruktionen (W-Seminar) 12:10 Johannes-Scharrer-Gymnasium Nürnberg Die Andromeda-Galaxie - M31 (W-Seminar) 12:45 Urkundenübergabe durch Herrn Ministerialrat Dr. Wolfgang Strietzel Moderation: Benni Kostal, Hitradio N1 Besonders gefördert durch Mit Unterstützung von 5 Celtis-Gymnasium Schweinfurt (W-Seminar) Name des betreuenden Lehrers: Name der Schülerin: StR Sebastian Müller Maria-Theresa Paulus Differentialgleichungen - Beschreibung und Anwendung Motivation und Projektidee Das Interessante an Differentialgleichungen ist die Vielfältigkeit ihrer Anwendungen bei praktischen Problemen in der Technik, in der Natur, aus dem Wirtschaftsleben oder dem Alltag. Im Rahmen des Projektes wird als praktisches Beispiel aus der Technik der stationäre Temperaturverlauf an einer Kühlrippe untersucht, analytisch durch Aufstellen und Lösen einer Differentialgleichung, experimentell durch thermographisches Messen der Temperaturen und numerisch mittels einer COMSOL-FEM-Simulation. Das Besondere des Projektes liegt darin, dass die zur Berechnung des Temperaturverlaufes benötigte Differentialgleichung nur mithilfe der Grundgleichungen der Wärmeleitung, des Wärmeübergangs und der Wärmebilanz an einem infinitesimalen Stabelement aufgestellt wird und die analytische Lösung hervorragend mit den gemessenen und numerisch ermittelten Werten übereinstimmt. Es kann also ein Problem der Technik allein durch die Kraft der Gedanken und mit der Mathematik gelöst werden. Mit der gleichen Methode können auch instationäre Probleme z.b. das Abkühlverhalten von Körpern bei einer Wärmebehandlung gelöst werden. Durchführung Zunächst werden die mathematischen Grundlagen von Differentialgleichungen beschrieben, inkl. einer ausführlichen Definition von Differentialgleichungen und es wird ein Schema zur Klassifizierung von Differentialgleichungen entwickelt. Aufgrund der großen Vielfalt an unterschiedlichen Differentialgleichungstypen, wird im Rahmen des Projektes nur auf einen bestimmten Typ näher eingegangen. Es werden gewöhnliche lineare homogene Differentialgleichungen n-ter Ordnung mit konstanten Koeffizienten näher untersucht. Ein Lösungsverfahren für diesen Differentialgleichungstyp wird vorgestellt, sodass mithilfe der beschriebenen Lösungsmethodik die Differentialgleichung, die den Temperaturverlauf der Kühlrippe beschreibt, gelöst werden kann. 6 Die Integrationskonstanten für die gefundene Lösung können durch die Wahl von Randbedingungen bestimmt werden. Hierfür wird angenommen, dass die Kühlrippe so lang ist, dass die Temperatur am Stabende der Umgebungstemperatur entspricht. Mit Hilfe der gefunden analytischen Lösung der Differentialgleichung, den beim Versuch (siehe unten) herrschenden Randbedingungen, sowie den geometrischen Daten und relevanten Stoffdaten der Kühlrippe lässt sich der Temperaturverlauf entlang der Kühlrippe berechnen. Anschließend wird der Temperaturverlauf entlang der Kühlrippe mittels einer dreidimensionalen COMSOL-Simulation berechnet. Zur Verifikation der analytischen und numerischen Lösung des Temperaturverlaufes an einer Kühlrippe wird ein Versuch durchgeführt. Ein Metallstab, der eine Kühlrippe darstellt, wird in einem Kaloriemeter, also einer Thermoskanne mit heißem Wasser, erwärmt. Die Anordnung befindet sich in einer schwarzen Holzkiste, die die Streustrahlung aus der Umgebung minimiert, um die thermographischen Messergebnisse nicht zu verfälschen. Eine Wärmebildkamera misst die von der Kühlrippe emittierte Wärmestrahlung und berechnet daraus, zusammen mit dem eingestellten Emissionskoeffizienten der Oberfläche, den Temperaturverlauf entlang der Kühlrippe. Dieser wird samt Messdaten auf den Computer übertragen. Der beschriebene Versuchsaufbau steht jederzeit für eine erneute Durchführung zur Verfügung. Ergebnisse Der Temperaturverlauf entlang der Kühlrippe der experimentellen Untersuchung wird mit dem der analytischen Berechnung und der COMSOL-Simulation verglichen. Die Verläufe sind unzweifelhaft als Exponentialfunktion zu erkennen und es zeigt sich, dass sowohl die analytische, als auch die Simulationslösung mittels COMSOL hervorragend mit den gemessenen Ergebnissen übereinstimmen. Die leichten Schwankungen der gemessenen Temperaturen entstehen durch Messungenauigkeiten. Am Ende der Kühlrippe liegt die gemessene Kühlrippentemperatur höher als die gemessene (mittlere) Umgebungstemperatur. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Kühlrippe keine unendlich lange oder sehr lange Kühlrippe ist, an deren Ende die Rippentemperatur und die Umgebungstemperatur gleich sind. Bei der analytischen Lösung wurde eine Übereinstimmung der Temperatur am Kühlrippenende mit der Umgebungstemperatur als Randbedingung angenommen, es wurde also von einer sehr langen Kühlrippe ausgegangen. Da die Kühlrippe jedoch nur 7 eine Länge von l=0,235 m hat, entspricht auch bei der rechnerischen Lösung die Temperatur am Ende der Kühlrippe nicht genau der Umgebungstemperatur, liefert aber einen Temperaturverlauf, der sich nahezu mit dem der COMSOL-Simulation und dem der gemessenen Temperaturen der experimentellen Untersuchung deckt. Diese sehr gute Übereinstimmung ist erstaunlich. Trotz nicht exakter Randbedingungen und mit nur drei Grundgleichungen, der der Wärmeleitung, der Wärmeübertragung und der Wärmebilanz, konnte eine Differentialgleichung durch reines Nachdenken ermittelt werden und damit die analytische Lösung, die wie die experimentelle Untersuchung beweist, den Temperaturverlauf der Kühlrippe tatsächlich beschreibt. Literaturverzeichnis [1] ADAMEK, T. ( , 15:22 Uhr): Craskurs Mathematik, Teil III Differentialgleichungen, unter: [2] COMSOL-FEMLAB Multiphysics Simulationsprogramm, Version 3.5a, Comsol Multiphysics GmbH, Robert-Gernhardt-Platz 1, Göttingen Germany [3] HANDROCK-MEYER, S. (2007): Differentialgleichungen für Einsteiger, Eine anwendungsbezogene Einführung für Bachelor-Studiengänge, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München [4] HERING, E.; MODLER, K.-H. (2002): Grundwissen des Ingenieurs, 10. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München, Wien [5] MEINHOLD, P.; WAGNER, E. (1979): Partielle Differentialgleichungen, 3. Auflage, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt/Main [6] PAPULA, L. (2009): Mathematische Formelsammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 10. Auflage, Vieweg+Teubner, Wiesbaden [7] SIGG, T. (2012): Grundlagen der Differentialgleichungen für Dummies, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim [8] WAGNER, W. (1993): Wärmeübertragung, Grundlagen, 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg [9] WALTER, W. (1976): Gewöhnliche Differentialgleichungen, Eine Einführung, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York [10] WENZEL, H. (1981): Gewöhnliche Differentialgleichgungen 1, 3. Auflage, Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt/Main [11] WERNER, H.; ARNDT, H. (1980): Gewöhnliche Differentialgleichungen, Eine Einführung in Theorie und Praxis, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo 8 Den Abschluss in der Tasche? Willkommen in der Zukunft. Du hast den Schulabschluss in der Tasche oder stehst kurz davor? Du willst beruflich mehr als eine 08/15-Zukunft? O.k., wie wäre es mit einer Ausbildung bei einem der weltweit führenden Zulieferer der Automobilindustrie? Bei uns kannst Du in einem innovativen technologischen Umfeld neue Fähigkeiten tanken um Deine Ziele schneller zu erreichen. Am 1. September 2014 geht s los. Für unseren Standort Nürnberg suchen wir: Elektroniker für Geräte und Systeme (m/w) Mechatroniker (m/w) Du willst mit uns Gas geben? Wir freuen uns auf Deine Online-Bewerbung unter Weitere Infos zur Ausbildung bei Continental A.B. von Stettensches Institut Augsburg (P-Seminar) Name der betreuenden Lehrerin: Namen der Schülerinnen: Externe Partner: StRin Brigitte Uhl Daphne Auner, Sophia Barwig, Julia Brkic, Sonja Etter, Verena Gnann, Johanna Hühn, Annika Kratzenstein, Anna Lena Krauß, Theresa Lippert, Alexandra Mannes, Rebecca Müller Zurlinden, Sonja Pinzer, Laura Riek, Verena Thanner, Alessandra Walzer, Katharina Weippert Universität Augsburg (Lehrstuhl Physik) Deutsches Museum Cadcon Konzeption und Gestaltung einer Ausstellung Verblüffende Experimente - Staunen mit allen Sinnen! Motivation und Projektidee Wer nicht mehr staunen kann, der ist sozusagen tot und seine Augen sind erloschen. Albert Einstein Mit der Konzeption dieser Ausstellung soll für die Seminarteilnehmerinnen eine erlebnisreiche Suche nach verblüffenden Phänomenen aus der Physik beginnen. Oft kommen im bayerischen Lehrplan spannende und unterhaltsame Themen aus der Physik, wie zum Beispiel die Akustik, zu kurz. In dem Projekt Konzeption und Gestaltung einer Ausstellung Verblüffende Experimente - Staunen mit allen Sinnen! können sich die Schülerinnen sozusagen die physikalischen Schmankerl herauspicken und erforschen was ihnen Freude macht. Dabei soll Überraschendes zu Hören, zu Tasten und zu Sehen sein! Durchführung Die Lehrkraft gibt eine Einführung in das Zeitmanagement und in die Theorie der Projektplanung im Vorfeld des Projekts. Zu Projektbeginn wird in der ersten Sitzung ein Organisationsteam aus zwei Schülerinnen gebildet, die die Projektleitung übernehmen. In ihren Aufgabenbereich fallen die zeitliche Planung der Aktivitäten, die schulinterne Organisation und die Koordination der Ausstellungsmaterialien. 10 Das Team Material und Werbung kreiert Logo, Plakat und Dekoration der Ausstellung. Sie sind auch für das Filmen der Versuche und die Erstellung des Schülermaterials verantwortlich. Die fünf Schülerinnen dieses Teams können hier insbesondere künstlerische und didaktische Fähigkeiten erproben, die ihren Berufswünschen im Bereich Architektur und Lehramt entsprechen. Das wissenschaftlich orientierte Versuchsteam besteht aus neun Schülerinnen, die gemäß ihrer Berufsziele aus Physik und Technik eingesetzt werden können. Ihre Aufgabe ist es, Experimente für die Ausstellung zu finden und Versuchsbeschreibungen zu erstellen. Das Universum der Physik besteht aus acht Stationen: Das Zentralgestirn Sonne und sieben Planetenstationen, denen Versuche auf Grund der Eigenschaften der Himmelskörper zugeordnet werden. Die Zusammenarbeit mit der Universität Augsburg (Lehrstuhl Physik) ermöglicht auch Versuche mit Wärmebildkamera und flüssigem Stickstoff unter fachkundiger Anleitung. Eine ganztägige Exkursion ins Deutsche Museum mit Führungen zur Optik und zum Mikroskopieren gibt wertvolle Einblicke in die didaktische Umsetzung von Experimenten und das Erstellen von altersgemäßem Begleitmaterial. So können ausführliche Erläuterungen und unterstützende Arbeitsmaterialien für die Ausstellung entwickelt werden. Ergebnisse Am findet die Ausstellung Big Bang Reise durch das Universum der Physik für die 6.Klassen des Gymnasiums und der Realschule im Barbarasaal des Stetten-Instituts und im Außenbereich statt. Jeweils zwei 6. Klassen werden für eine Doppelstunde durch diese geführt. Zu Beginn stimmt der Quizfilm nach dem Vorbild der Quizshow Wer wird Millionär die Schülerinnen auf das physikalische Experimentieren ein. Anschließend werden sie in Kleingruppen eingeteilt und durchlaufen die einzelnen Himmelskörperstationen wie einen Lernzirkel. Dort werden die Versuchsaufbauten in einer Mitmachen und Ausprobieren einladender Form präsentiert. Die Schülerinnen erhalten ein Arbeitsblatt mit Multiple-Choice-Fragen zu den einzelnen Stationen, um einen nachhaltigen Lernerfolg zu erzielen. Für die Aufsicht führenden Lehrkräfte der Klassen wird eine ausführliche Zusammenfassung der Versuche erstellt, um Anhaltspunkte für nach der Ausstellung auftretende Schülerfragen an die Hand zu geben. Besonders freuen sich die Seminarteilnehmerinnen auch über den Besuch der örtlichen Presse. Die Reaktion der 6. Klassen auf das Projektergebnis ist durchweg positiv und begeistert. Die Aussteller Kongress Schülerinnen finden die Ausstellung lustig und interessant, sie erleben dort außergewöhnliche Sachen und überraschende Versuche und bekommen ohne Wartezeiten einen guten Eindruck vom Fach Physik. Literaturverzeichnis Physik 12, Duden Schulbuchverlag, Berlin 2010 Christian Ucke, H. Joachim Schlichting, Spiel, Physik und Spaß, Wiley-VCH Verlag &Co. KGaA, Weinheim 2011 Das große Buch der Experimente, gondolino, Gondrom Verlag GmbH D=71hll1ofp21noiam4luv4gj Gabrieli-Gymnasium Eichstätt (W-Seminar) Name der betreuenden Lehrerin: Name der Schülerin: Dr. Katrin Pesch Andrea Bayer Gute Gene - langes Leben? Motivation und Projektidee Durch ein Referat einer Schülerin wurde ich auf Jeanne Calment aufmerksam, der älteste Mensch der Welt. Sie wurde über 122 Jahre alt. Daraus ergab sich meine Fragestellung: Was beeinflusst das Alter eines Menschen, die Gene oder die Umwelt? Wie erreicht man ein möglichst hohes Alter? Durchführung Die Seminararbeit beschäftigt sich zuerst mit den Alterungsprozessen in den Zellen. Außerdem werden die Ursachen einiger Alterskrankheiten wie Alzheimer erklärt. Dies soll einen groben Überblick über die Ursachen und Auswirkungen des Alterns geben. Danach werden die Faktoren vorgestellt sowohl der Gene als auch der Umwelt -, die die Geschwindigkeit des Alterungsprozess beeinflussen. Bei Umweltfaktoren wird besonders auf die Psyche, Ernährung und Bewegung eingegangen. Zuletzt werden Fortschritte in der Verjüngungsforschung vorgestellt Ergebnisse Sehr viele Faktoren wirken auf den Alterungsprozess ein. Vollständig verstanden ist der Prozess noch lange nicht. Immer wieder werden neue Theorien von Wissenschaftlern veröffentlicht, die sich teilweise auch widersprechen. Im Vergleich zu den Umweltfaktoren haben die Gene nur einen geringen Einfluss auf das Altern, nämlich nur halb so viel. Vor allem Sport hat sich als effektiver Jungbrunnen erwiesen. Durch die Verjüngungsforschung wird es zudem wahrscheinlich bald möglich sein, bedeutend länger jung zu bleiben. 13 Literaturverzeichnis De Grey, A., Rea, M.: Niemals alt!: So lässt sich das Altern umkehren. Fortschritte der Verjüngungsforschung. Bielefeld, transcript Verlag, 2010 Grüner, Sabine: Die Rolle der Thrombozyten- und Leukozyten-Endothelzell-Interaktion in der Atherogenese. München, 2003, S. 12f Reitz, Manfred: Prinzip Uhr-Gen: Wie unser Altern programmiert ist. Stuttgart, Hirzel Verlag, 2004 Ricklefs, Robert, E., Finch, Caleb E.: Altern: Evolutionsbiologie und medizinische Forschung. Heidelberg Berlin Oxford, Spektrum Akademischer Verlag, 1996 Verschiedene aktuelle Internetquellen 14 Mach dein Studium Alexander-von-Humboldt-Gymnasium Schweinfurt (P-Seminar) Name des betreuenden Lehrers: Namen der Schüler: Externe Partner: OStR Marco Korn Alexander Bauer, Florian Erler, Alexander Fischer, Jonathan Hofstetter, Jonas Hugo, David Kunke, Thomas Müller, Luis Pfister, Maximilian Schlehuber, Maximilian Schmitt, Lars Wilke, Thomas Wilke FH Schweinfurt-Würzburg, SKF, Schaeffler Technologies AG & Co. KG, ZF Friedrichshafen AG, Bauunternehmen Glöckle GmbH Schweinfurt, Hornbach Baumarkt Würzburg, VDI Schweinfurt, Frankenlehm, Ziegelwerk Englert, Dillinger Hütte, VDEh, ACO Passavant Guß, Institut für Gießereiforschung (IFG) Bau eines Rennofens und die Eisengeschichte in der Menschheitsgeschichte Motivation und Projektidee Die jüngere menschliche Geschichte ist geprägt von der Entwicklung immer leistungsfähigerer Werkzeuge und Maschinen. Waren es zu Beginn noch einfache Steinwerkzeuge, entdeckten die Menschen bald gediegene Metalle, die einfacher verarbeitet werden konnten und geeignetere Eigenschaften aufwiesen. Wohl eher zufällig fanden die Menschen heraus, dass aus bestimmten Gesteinen durch Zufuhr von Energie und Sauerstoff Metalle entstanden. Auf dieser Grundlage entstanden Rennöfen, mit deren Hilfe die Gewinnung von Eisen aus Eisenerzen gelang. Ziel des Projektes war der Bau eines solchen Rennofens und die Herstellung von Eisen aus Eisenerz. Fachlich wurden neben den direkt mit dem Rennofen und dem Eisen verbundenen Inhalten aus Chemie, Physik, Materialwissenschaften auch die geschichtliche Entwicklung betrachtet. Das Seminar schulte damit neben rein naturwissenschaftlichen auch geisteswissenschaftliche Inhalte. Eine wirtschaftliche Betrachtungsweise war bei der Materialbeschaffung zusätzlich inbegriffe
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