Möglichkeiten und Projekte für den 3D-Druck im Physikunterricht
- Smartphone-Maxilupe
Mithilfe einer kleinen Glasperle sowie eines darauf angepassten 3d-gedruckten Smartphone-Aufsatzes lassen sich stark vergrößerte Abbildungen erzeugen, welche direkt mit der Kamera des Mobiltelefons fotografiert werden können. Verschiedene Modelle beruhen auf der Methode der Durchlichtuntersuchung und ermöglichen unter anderem 100-fache, 350-fache sowie 780-fache Vergrößerung des untersuchten Objekts.
Quelle: Hergemöller, T. & Laumann, D. 2017. Smartphone Magnification Attachment: Microscope of Magnifying Glass? In: The Physics Teacher, 55(6), 361-364, DOI: 10.1119/1.4999732
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 8 - Magnetfeldsonde
Um die Gestalt von bekannten bzw. unbekannten Magnetfeldern zu vermessen, lässt sich eine Magnetfeldsonde mithilfe von 3d-Druck kostengünstig herstellen. Diese besteht aus einem Stiel, an dessen Ende ein Neodymmagnet in einem kardanischen Lager eingebracht ist und sich somit in alle Richtungen entsprechend der Magnetfeldlinien drehen lässt.
Quelle: Feistmantl, A. & Woithe, J. (2017). Elektromagneten der Teilchenphysik hands-on – das ATLAS-Magnetsystem. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule 66, 1, 21-28.
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 10
Link hierzu: physikkommunizieren.de/3d-druck/magnetfeldsonde/ - Spulenclip für die indirekte Messung der Stromstärke via Smartphones
Mithilfe der App Phyphox sowie eines Magnetfeldsensors, welcher bereits in den meisten gängigen Smartphones verbaut ist, lassen sich indirekt Ströme über die magnetische Wirkung messen. Damit eine Praktikabilität sowie Reproduzierbarkeit der Magnetfeld-Messwerte garantiert ist, lässt sich eine Spulenhalterung via 3d-Druck herstellen, welche direkt über dem Magnetfeldsensor des Smartphones platziert werden kann.
Quelle: Holz, C. & Pusch, A. 2019. Stromstärke und Permeabilitätszahl mit dem Smartphone messen. Ein Spulenclip aus dem 3D-Drucker für Phyphox-Experimente. In: Naturwissenschaften im Unterricht Physik, 169, S. 46-47
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 8 - Luftballongleiter mit seitlicher Düse
Indem ein 3d-gedruckter Gleiter mit einem aufgeblasenen Luftballon samt Ventil verbunden wird, kann die Luft durch einen Kanal nach unten entweichen, sodass nahezu reibungsloses Gleiten ermöglicht wird. In Kombination mit Stroboskopaufnahmen lassen sich dadurch Stoßversuche herstellen, deren Bewegungsvorgänge anschließend analysiert werden können. Zusätzlich besitzen die Gleiter mehrere Einkerbungen, um diese für verschiedene Szenarien mit Massestücken zu behaften.
Quelle: David Schaubmair
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 14
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:4517773 - „Hitcars“ für Stoßversuche
Mithilfe von 3d-gedruckten Stoßwägen lassen sich Stoßvorgänge auf kostengünstige und effektive Weise durchführen. Die Wägen besitzen auf der Oberseite eine Vertiefung, in welcher Zusatzmassen eingebracht werden können. Ebenfalls lassen sich mit an den Seitenflächen angebrachten Klettverschlüssen inelastische Stöße herstellen. Zur Gewährleistung einer möglichst geringen Reibung kommen die Hitcars ausschließlich bereits mit kugelgelagerten Rädern anstelle einer kostenaufwendigen Fahrbahn/Führungsschiene aus, sodass diese auf jedem glatten Terrain eingesetzt werden können.
Quelle: Judith Kühleitner, Fabian Damböck
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 16
Link hierzu: aeccp.univie.ac.at/lehrer-innen/fuer-den-unterricht/ - 3d-gedruckter Schussapparat
Diese kostengünstige Alternative zu handelsüblichen Schussapparaten lässt sich aus insgesamt sechs Teilen aus dem 3d-Drucker sowie weiterem Zubehör zusammenbauen und findet eine weitflächige Anwendung im Physikunterricht: Einerseits können – gemeinsam mit einer Videoanalysesoftware – zusammengesetzte Bewegungen dargestellt sowie zentrale wie dezentrale Stöße qualitativ und quantitativ ausgewertet und untersucht werden.
Quelle: Michael Lattner, Daniel Weikartschläger
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 18
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:4569907 - 3d-gedrucktes Resonanzmodell
Mithilfe des folgenden Resonanzmodells, welches in einem einzigen Stück mittels 3d-Drucker hergestellt wird und zwei Blattfedern besitzt, lassen sich Eigenschwingungen und Oberschwingungen darstellen, wobei auch die Knotenpunkte sowie Schwingungsmodel erkennbar gemacht werden. Dazu muss dieses nur per Bananenstecker mit einem Schwingungsgenerator verbunden werden.
Quelle: Magdalena Wiedemaier
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 20
Link hierzu: aeccp.univie.ac.at/lehrer-innen/fuer-den-unterricht/ - 3d-gedrucktes Kapillarmodell
Jenes Modell lässt sich mithilfe des 3d-Drucks kostengünstig herstellen und zeigt anhand von sieben linear in einem Gefäß angeordneten Zylindern, wie der Flüssigkeitsstand in miteinander verbundenen Röhrchen mit abnehmendem Durchmesser ansteigt. Neben dem Phänomen der Kapillarwirkung wird ebenfalls aufgegriffen, dass jene Gefäße, welche einen identen Durchmesser besitzen, denselben Wasserpegel aufweisen.
Quelle: Kerstin Lindmaier
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 21
Link hierzu: aeccp.univie.ac.at/lehrer-innen/fuer-den-unterricht/ - Demonstrationsmodell zum hydrostatischen Paradoxon
Dieser 3d-gedruckte Bodendruckapparat greift einleuchtend die oft vorherrschende Schüler*innenvorstellung auf, dass der hydrostatische Druck am Boden eines Gefäßes nicht nur von der Höhe sondern auch von der Form um dem Volumen des Gefäßes abhängig sei. Dazu werden in die Apparatur diverse Rohre unterschiedlicher Form sowie identer Grundfläche eingesetzt.
Quelle: Irene Baldauf & Maximilian Suppan
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 22
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:4492464 - Multifunktionelle Lochkamera
Ein 3d-gedruckter, schwarzer Aufsatz mit Schiebeplatte lässt sich an jeder handelsüblichen Chipsdose passgenau sowie robust montieren, um Versuche mittels einer Lochkamera durchzuführen, in denen Lochgröße und -form verändert und zusätzlich optische Linsen eingebracht werden können. Die Schiebeplatten besitzen Löcher unterschiedlicher Durchmesser (1.5, 4.0 und 10.0 mm) sowie unterschiedlicher Form (Kreis, Dreieck, Quadrat).
Quelle: Matthias Fasching
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 24
Link hierzu: aeccp.univie.ac.at/lehrer-innen/fuer-den-unterricht/ - 3d-gedrucktes Augenmodell mit akkommodationsfähiger Linse
Jenes Augenmodell kommt durch zusätzliche Bemalung der Außenseite einem realen Auge aufgrund seiner Form und Gestaltung sehr nahe. Mithilfe einer variablen, mit Wasser füllbaren Linse lassen sich die Akkommodationsfähigkeit des Auges sowie Sehfehler wie Kurz- und Weitsichtigkeit anschaulich behandeln. Dazu können Versuche mit weiteren Objekten wie Sammel- und Zerstreuungslinsen durchgeführt werden.
Quelle: Anna Kaiser
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 26
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:4517062 - 3d-gedrucktes Rutherford-Streuexperiment
Mithilfe eines 3d-gedruckten Modells, welches durch S’Cool LAB am CERN entworfen wurde, lassen sich die Grundprinzipien von Streuexperimenten – wie beispielsweise das Goldfolienexperiment von Geiger, Marsden und Rutherford – auf anschauliche Art und Weise darstellen. Jener 3d-Druck besteht aus einer Grundplatte mit winkelabhängigen Auffangtaschen sowie unterschiedlichen, aufsetzbaren Streuobjekten, auf welche Stahlkugeln von einer Kugelrampe gelenkt werden. Zusätzlich lässt sich der Aufbau mithilfe eines Deckels für didaktische Zwecke verdecken.
Quelle: Julia Woithe
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 28
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:3136549 - 3d-gedruckte Versuchsanordnungen zur modernen Physik
Ein Michelson-Interferometer sowie ein Mach-Zehnder-Interferometer werden auf der Website des S’Cool LAB des CERN zum 3d-Druck und unterrichtlichen Einsatz angeboten. Ersteres Experiment besteht u. a. aus sechs Grundhaltern und einem Laserpointer, wodurch sich das Michelson-Morley-Experiment veranschaulichen lässt. Zweiteres Experiment lässt sich ähnlich zum ersteren aufbauen und benötigt zudem Polarisationsfilter, wodurch die Eigenschaft eines Quantenradierers aufgezeigt werden kann. Die Messdaten beider Experimente lassen sich durch Schnittstellen wie Arduino Uno sowie Microsoft Datastreamer erfassen.
Quelle: Fabian Bernstein, Thomas Wilhelm, Sascha Schmeling
Zu lesen in: Plus Lucis (4/2020), S. 33
Link hierzu: cern.ch/laserlab3d - 3d-gedrucktes Boot zur Demonstration der Auftriebskraft
In einen 3d-gedruckten Quader lassen sich beliebig viele Münzen in dazu vorgesehene Einkerbungen platzieren. Dadurch lässt sich das Phänomen der Auftriebskraft nicht nur theoretische berechnen, sondern ebenfalls praktisch veranschaulichen.
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:525369 - 3d-gedruckte Libelle zur Demonstration des Massenschwerpunktes
Mit wenig Material- sowie Kostenaufwand lässt sich folgendes Objekt einfach mithilfe eines 3d-Druckers herstellen. Dies eignet sich dazu, um einen verblüffenden Effekt des Massenschwerpunktes aufzuzeigen. Das Modell könnte beispielsweise mehrfach gedruckt und an alle Schüler*innen ausgeteilt werden.
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:750181 - 3d-gedrucktes Planetarium
Mithilfe dieses 3d-gedruckten Modells lassen sich die Umlaufbahnen der sechs inneren Planeten unseres Sonnensystems sowie die Rotation des Mondes um die Erde nachstellen. Die Zahnräder samt Planeten werden durch das Betätigen einer Drehscheibe mit einem Finger in Rotation versetzt. Eine Umdrehung der Drehscheibe entspricht etwa 14 Tagen im Schnelldurchlauf.
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:4613061 - 3d-gedruckter Stirlingmotor (Alpha-Konfiguration)
Durch einen 3d-Druck lassen sich abgesehen von Schrauben und einem Verbindungsschlauch sowie Spritzen alle nötigen Teile herstellen, welche zusammengebaut einen voll funktionsfähigen Stirlingmotor ergeben.
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:2778891 - 3d-gedruckter Krafttisch
Die Schlüsselkomponente dieser Vorrichtung bildet eine einfache empfindliche Rolle, über welche eine Schnur mit angehängten, variablen Massestücken gespannt wird. Mithilfe weiterer baugleicher Rollenanordnungen lassen sich mechanische Gegebenheiten wie beispielsweise das Kräftegleichgewicht zeigen.
Quelle: Francisco Vera, Manuel Ortiz, Jaime Villanueva, Francisco Antonio Horta-Rangel
Zu lesen in: The Physics Teacher 59, 700 (2021)
Link hierzu: www.thingiverse.com/thing:5019204 - 3d-gedrucktes Rad
Mithilfe eines 3d-gedruckten Rads, welches eine kontante Masse besitzt, die auf verschiedene Arten am Rad verteilt werden kann, lassen sich unterschiedlich große Trägheitsmomente simulieren. Weiters lässt sich das Zusammenspiel zwischen Trägheitsmoment, Drehmoment und Rotationsenergie erkunden.
Quelle: The Physics Teacher 56, 535 (2018)
Link hierzu: aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.5064565 - 3d-gedruckter Fidget-Spinner
Dieses 3d-gedruckte Modell lässt sich leicht zusammenbauen sowie replizieren. Es dient im Physikunterricht zur Veranschaulichung und Demonstration der Erhaltung des Drehimpulses.
Quelle: Physics Education, Volume 55, Number 1
Link hierzu: iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6552/ab538a - 3d-gedruckte „Mystery Boxes"
Mithilfe sogenannter „Mystery Boxes“ oder Rätselkästchen soll im Unterricht die Fähigkeit zum wissenschaftlichen Argumentieren und Begründen gefördert werden. Als Basiselement dient ein zylindrischer Körper mit verschließbarem Deckel und Hohlraum. Das Herzstück bildet die Bodenplatte, welche verschiedenförmige Erhöhungen (z.B. Rechteck, Dreieck, Kreis, Einzelspalt, usw.) in Richtung des Innenraums besitzt, wovon insgesamt 11 mögliche 3D-Druckvarianten online zur Verfügung stehen.
Indem eine Stahlkugel in die jeweilige Form gelegt und der Deckel verschlossen wird, sollen Schüler*innen durch Schütteln, Drehen und Bewegen der Box samt Kugel darin herausfinden sowie vorhersagen und begründen, welche Form die jeweilige Unterplatte wohl hat.
Die Versuchsanordnung kann als Einzel-, Partner- und Gruppenarbeit realisiert werden und fördert neben spielerischem Lernen ebenfalls die wissenschaftliche Kommunikation.
Link hierzu: https://scoollab.web.cern.ch/3d-printable-mystery-box