Experimentiertag - Beschleunigerphysik
Zielgruppe: Q1, Q2
Fachrichtung: Physik, Technik
Worum geht es ?
Die Schüler:innen erhalten an diesem Experimentiertag die Möglichkeit, den Aufbau und die Funktionsweise eines Zyklotrons zu verstehen und eigenständig Experimente durchzuführen.
Bezug zur FZJ-Forschung
Auf dem Campus des Forschungszentrums in Jülich werden verschiedene Teilchenbeschleuniger betrieben. Dazu zählte unter anderem das CoolerSynchrotron (COSY). In dieser Großforschungsanlage wurden Protonenstrahlen mit Energien zwischen 45 und 2700 MeV erzeugt und für physikalische Experimente verwendet. Im Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-5) wird ein Zyklotron betrieben, welches radioaktiv markierte Substanzen (Radiotracer) erzeugt, die ein wichtiger Bestandteil bei der Untersuchung unterschiedlicher Krankheiten sind.
Experimentierphase I
Am Vormittag machen sich die Schüler:innen im JuLab mit den einzelnen Komponenten des Zyklotrons vertraut. An den Experimentier-Stationen erhalten sie ein Verständnis von der Funktionsweise eines Zyklotrons.
Experimentierphase II
An einer Computersimulation können die Schüler:innen das Erlernte aus den Stationen zusammenfügen und ein Gefühl für den Umgang mit dem realen Zyklotron erhalten.
Phase III im Institut für Kernphysik (IKP-4) oder Führung zum CoolerSynchroton COSY im Institut für Kernphysik (IKP-4)
Im IKP-4 können die Schüler:innen das Wissen des Vormittags anwenden und Versuche an einem realen Zyklotron durchführen* oder bei einem ausführlichen Rundgang das COSY "kennenlernen".
COSY 360°-Rundgang
Hier können Sie schon vorab einen Blick in das COSY werfen.
*unser Lernzyklotron steht aus technischen Gründen aktuell nicht zur Verfügung.
Abschlussgespräch im Julab
In einem abschließenden Gespräch wird der Tag reflektiert und verschiedene Anwendungsbereiche des Zyklotrons besprochen.
Zudem werden interessante Aspekte zu Ausbildung und Beruf vorgestellt.
Vorgesehene Experimente
- Linearbeschleuniger
- Computersimulation
- Vakuum
- Elektrisches Feld
- Magnetfeld
- Frequenz
Die Schüler:innen sollen…
den Zusammenhang zwischen Teilchenzahl, Druck und Güte eines Vakuums beschreiben können.
Den Einfluss elektrischer Felder auf den Bewegungszustand geladener Teilchen kennen.
Die Erzeugung von Elektronen im Fadenstrahlrohr erklären können.
Elektromagnetische Wellen anhand von Frequenz und Wellenlänge beschreiben.
Inhaltsfeld Klassische Wellen und geladene Teilchen in Feldern
Inhaltliche Schwerpunkte:
Teilchen in Feldern: elektrische und magnetische Felder; elektrische Feldstärke, elektrische Spannung; magnetische Flussdichte; Bahnformen von geladenen Teilchen in homogenen Feldern
Sachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler…
stellen elektrische Feldlinienbilder von homogenen, Radial- und Dipolfeldern sowie magnetische Feldlinienbilder von homogenen und Dipolfeldern dar (S1, K6),
beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homogener elektrischer und magnetischer Felder und erläutern die Definitionsgleichungen der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Flussdichte (S2, S3, E6),
erläutern am Beispiel des Plattenkondensators den Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung und elektrischer Feldstärke im homogenen elektrischen Feld (S3),
berechnen Geschwindigkeitsänderungen von Ladungsträgern nach Durchlaufen einer elektrischen Spannung (S1, S3, K3),
erläutern am Fadenstrahlrohr die Erzeugung freier Elektronen durch den glühelektrischen Effekt, deren Beschleunigung beim Durchlaufen eines elektrischen Felds sowie deren Ablenkung im homogenen magnetischen Feld durch die Lorentzkraft (S4, S6, E6, K5).
Erkenntnisgewinnungskompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
erläutern Experimente zur Variation elektrischer Einflussgrößen und deren Auswirkungen auf die Bahnformen von Ladungsträgern in homogenen elektrischen und magnetischen Feldern (E2, K4),
wenden eine Messmethode zur Bestimmung der magnetischen Flussdichte an (E3, K6),
erschließen sich die Funktionsweise des Zyklotrons auch mithilfe von Simulationen (E1, E10, S1, K1).
Ausgewählte Beiträge zu den Basiskonzepten
Mathematisieren und Vorhersagen:
Im Rahmen der klassischen Betrachtung von Teilchen in Feldern lassen sich am Beispiel des Fadenstrahlrohrs exakte Vorhersagen über die Bahnen geladener Teilchen treffen.
Lernform
Stationenlernen (Zweier- bis Vierergruppen)
Anzahl der Teilnehmenden
min. 10 Personen
max. 28 Personen (Sollte Ihre Lerngruppe größer sein, kontaktieren Sie uns bitte im Vorfeld.)
plus 1-2 Begleitpersonen
Beginn-Ende
09:00 - ca. 16:00 Uhr
Kosten
10,00 € pro Person inklusive Mittagsverpflegung
Haben Sie noch Fragen?
In unseren FAQ haben wir bereits viele Antworten zusammengetragen. Wenn Sie die benötigte Information dort nicht finden, kontaktieren Sie uns gerne.
Weitere Informationen und Anmeldung
Hier