7. Ilmenauer Physiksommer - 10. - 14. September 2007

Leitung: Prof. Dr. Gerhard Gobsch

(Ein Sommerkolleg für Schülerinnen und Schüler der gymnasialen Oberstufe, insbesondere aus Physik-Leistungskursen oder aus naturwissenschaftlichen Spezialklassen, aus Thüringen und darüber hinaus.)

In diesem Jahr findet an der TU Ilmenau zum siebten Mal der Ilmenauer Physiksommer statt. Das Institut für Physik veranstaltet vom 10. bis 14. September diese einwöchige Kompaktveranstaltung unter dem Thema:

"Physik im Reich der Töne - Von der Stimmgabel bis MP3".

Konzeption

Einführung
Der Ilmenauer Physiksommer soll die generelle Bedeutung der Physik für das moderne Leben darstellen und dadurch das Interesse der Schülerinnen und Schüler für ein physik- oder ein technikorientiertes Studium wecken. Hierfür bietet das Institut für Physik der TU Ilmenau ein einwöchiges Sommerkolleg an, in welchem wissenschaftliche Aspekte eines übergeordneten Themas in Vorlesungen vorgestellt, durch Praktika vertieft sowie durch kleinere Projektarbeiten von Schülergruppen unter Anleitung durch wissenschaftliche Mitarbeiter und studentische Tutoren erarbeitet werden. Das Programm wird durch abendliche Rahmenveranstaltungen abgerundet.
Die Unterbringung der auswärtigen Teilnehmerinnen und Teilnehmer in der Ilmenauer Jugendherberge sowie die gemeinsame sportliche Betätigung auf der Ilmenauer Sommerrodelbahn fördern das gegenseitige Kennenlernen und bieten weitere vielfältige Gelegenheiten zu einer intensiven fachlichen Diskussion.
Der Ilmenauer Physiksommer 2007 steht unter der Leitung von Prof. Dr. Gerhard Gobsch.
Die Präsidentin des Thüringer Landtages, Frau Prof. Dr. Dagmar Schipanski, hat für die diesjährige Veranstaltung die Schirmherrschaft übernommen.

Finanzierung und Unterstützung
Der Ilmenauer Physiksommer 2007 wird dank einer großzügigen Förderung durch die Marga und Kurt Möllgaard-Stiftung, das Thüringer Kultusministerium, die ersol Solar Energy AG Erfurt, den Verein Freunde und Förderer der Natuwissenschaften in Ilmenau e.V. sowie durch private Sponsoren ermöglicht. Außerdem ist vorgesehen, dass sich die teilnehmenden Schülerinnen und Schüler mit einem Unkostenbeitrag von 30 € beteiligen.
Die hohe Qualität und der hohe Anspruch des Ilmenauer Projektes werden neben der finanziellen Unterstützung vor allem durch die fachlichen Inhalte garantiert. Institute der TU Ilmenau, das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie, das Goethe-Gymnasium Ilmenau, das Albert-Schweitzer-Gymnasium Erfurt, die Musikschule Ilmenau, die Jakobuskirche Ilmenau, die "Lindenlichtspiele" Ilmenau mit dem IOSONO-Soundsystem, der Rat der Stadt Ilmenau sowie studentische Tutoren höherer Semester aus dem Institut für Physik der TU Ilmenau gestalten und begleiten das Ilmenauer Projekt.

Zielgruppe
Das Programm wendet sich an naturwissenschaftlich interessierte Schülerinnen und Schüler der gymnasialen Oberstufe, insbesondere aus Physik-Leistungskursen oder aus naturwissenschaftlichen Spezialklassen. Die Teilnehmerzahl ist aufgrund der Seminar- und Praktikumsarbeit auf etwa 65 beschränkt. Unter den Bewerbern wird eine Auswahl nach der Originalität und dem wissenschaftlichen Inhalt eines Essays (etwa eine Seite) zum Thema, mit dem sie sich für den Ilmenauer Physiksommer bewerben, getroffen.

Ort und Zeit
Der Ilmenauer Physiksommer wurde erstmals im Jahr 2001 am Institut für Physik der Technischen Universität Ilmenau durchgeführt. Die Veranstaltung findet seitdem jährlich mit wechselnden Themen im September statt, in diesem Jahr vom 10. bis 14. September.

Konzept
Das oben genannte übergeordnete Thema dient den Veranstaltungen als "roter Faden". Es ist aktuell und soll das Interesse der Schüler fesseln und auf vielfältige Art die Anwendung physikalischer und technischer Prinzipien aufzeigen. Dies ermöglicht es, viele Aspekte der modernen Physik kohärent darzustellen und die Bedeutung physikalischer und technischer Fragestellungen für die moderne Gesellschaft von den Teilnehmern themenzentriert erarbeiten zu lassen.

Das Sommerkolleg besteht aus drei Haupteinheiten: Vorlesungen, Praktika und Projektarbeiten (Seminararbeiten). Diese Aufteilung erlaubt es, die Schüler fortschreitend von der Rezeption des Lehrstoffs über eigenes Experimentieren zum selbständigen Erarbeiten von Inhalten unter Nutzung moderner Medien anzuleiten. Auf diese Weise soll das Selbstvertrauen der Schülerinnen und Schüler gestärkt werden, auch komplizierte Zusammenhänge selbst durchdringen und verstehen zu können. Dieses Programm wird durch abendliche Rahmenveranstaltungen ergänzt. Eine zentrale Abschlussdiskussion fasst die erarbeiteten Ergebnisse zusammen und ermöglicht es, Rückmeldungen und Verbesserungsvorschläge für die zukünftigen Ilmenauer Physiksommer zu sammeln.

Die bisherigen Themen waren:
2001: Mobil telefonieren - wie funktioniert das?
2002: Zukunft der Energie - Energie der Zukunft
2003: Welle oder Teilchen oder was? – vom Laser zum Quantencomputer
2004: Selbstorganisation, Fraktale, Chaos: Alles in Ordnung?
2005: Einstein ins Rollen bringen
2006: Von der Glühlampe zum Quantencomputer - Physik in Erfindungen.

Das diesjährige Thema „Physik im Reich der Töne – Von der Stimmgabel bis MP3“ ist der physikalischen Akustik, der Erzeugung und Rezeption von Tönen, deren Übertragung und Speicherung gewidmet.
Die Akustik spielt im täglichen Leben eine herausragende Rolle. Trotz dieser Bedeutung wird sie jedoch in der Physikausbildung an Schulen als auch an Hochschulen häufig recht stiefmütterlich behandelt. Es ist deshalb eine zentrale Aufgabe des diesjährigen Physiksommers, einen Überblick über das breite Gebiet der Akustik zu vermitteln; dementsprechend werden sowohl theoretische und experimentelle Aspekte als auch moderne Anwendungen behandelt. Die Themenvielfalt reicht dabei von den akustischen Schwingungen und Wellen über moderne Speicherverfahren mittels CD oder MP3 bis zur Wahrnehmung von Tönen im Gehirn.
Die Vermittlung der relevanten Grundlagen und die selbst durchzuführenden praktischen Arbeiten sind anspruchsvoll; Ausgangspunkt dabei ist aber stets das in der gymnasialen Oberstufe vermittelte mathematisch-naturwissenschaftliche Wissen.

Vorlesungen
Die (Experimental)-Vorlesungen bestreiten ca. 30% des zeitlichen Umfangs. Sie legen die Grundlagen für das Verständnis der verschiedenen thematischen Aspekte und sollen die Faszination der Schüler für die Physik wecken sowie die Rolle der Physik im alltäglichen Leben und insbesondere für den technologischen Wandel aufzeigen.
In diesem Jahr werden folgende Vorlesungen bzw. Demonstrationen stattfinden:

• Prof. Dr. Stapf, Ilmenau: Grundlagen der Physikalischen Akustik
• Prof. Dr. Haueisen, Ilmenau: Musikwahrnehmung durch das Gehirn, untersucht mittels EEG und MEG
• Prof. Dr. Brandenburg, Ilmenau: Von MP3 zu IOSONO – Digitale Audiotechnik
• Prof. Dr.Dr.h.c. Brödel, Dresden: Mathematische Ordnung im Reich der Töne
• "Lindenlichtspiele" Ilmenau: Demonstration von IOSONO - Ein innovatives Soundsystem auf der Basis der Wellenfeldsynthese
  

Praktika
Die Praktika werden am Mittwochvormittag durchgeführt. Es soll den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, unter Anleitung moderne experimentelle Techniken und Methoden der Physik mit Relevanz zum Thema kennen zu lernen und auf Fragestellungen des Sommerkollegs anzuwenden. Die Versuche, die im weitesten Sinne speziell auf das Thema ausgerichtet sind, werden hauptsächlich am Institut für Physik (IfP) durchgeführt; wenige Versuche auch am Institut für Werkstofftechnik (IWT). Das Praktikum soll auch gezielt genutzt werden, um eine eventuell vorhandene Scheu vor anspruchsvoller Technik abzubauen.

Die Praktikumsversuche des diesjährigen Physiksommers sind:

1. Debye-Sears-Effekt – Beugung von Licht an Schallwellen (IfP)
   
2. Kundtsches Rohr – Stehende Schallwellen in Gasen (IfP)
   
3. Musikübertragung mittels Laser – Amplitudenmodulation von Licht (IfP)
   
4. Doppler-Effekt – Messung und Vergleich mit der Theorie (IfP)
   
5. Schallgeschwindigkeit – Direkte Messung (IfP)
   
6. Resonanz – Untersuchung des Phänomens am Pohlschen Drehpendel (IfP)
   
7. Cladnische Klangfiguren – Experiment und Theorie (IfP)
   
8. Lichtbeugung an einer CD als Gitter – Bestimmung von deren Spurweite (IfP)
   
9. Fourieranalyse verschiedener Töne und Klänge (IfP)
   
10. Schallgeschwindigkeit in festen Medien (IWT)
    
11. Fehlerprüfung mittels Schallechoverfahren (IWT)
    

Projektarbeiten
Die Arbeit in kleinen Seminargruppen steht mit knapp 50 % des zeitlichen Umfangs im Zentrum des Ilmenauer Physiksommers. Hier werden kleinere Projekte zu interessanten Teilaspekten des Themas theoretisch und/oder experimentell bearbeitet. Die Schülergruppen (à 6 Personen) werden dabei von studentischen Tutoren angeleitet. Zur Informationsbeschaffung soll neben der Suche im Internet auch das Literaturangebot der Universitätsbibliothek genutzt werden. Gegen Ende des Kollegs tragen die Gruppen ihre Ergebnisse in Form eines Referates dem Plenum vor und stellen sich der Diskussion. Auf diese Weise ergibt sich ein Überblick über die verschiedenen physikalischen, technischen und gesellschaftlichen Aspekte des zentralen Themas.

Folgende Projektthemen stehen in diesem Jahr zur Auswahl:

1. Photoakustischer Effekt (Optoakustischer Effekt) (IfP)
   
2. Untersuchung der akustischen Wahrnehmung des Gehirns mittels EEG (Institut für Biomedizinische Technik und Informatik)
   
3. Moderne Datenträger (CD, DVD, ..) – Aufbau und Funktion (IfP)
   
4. Untersuchung des Klangverhaltens von Orgelpfeifen mittels Fourieranalyse (gemeinsam mit Jakobuskirche Ilmenau)
5. Informationsübertragung durch Glasfasern mittels Laserlicht (IfP)
   
6. Optische und rasterelektronenmikroskopische (REM) Charakterisierung von Schallplatte, CD und DVD (IfP)
   
7. Debye-Sears-Effekt (Akustooptischer Effekt) (IfP)
   
8. Experimenteller Vergleich der Musik von Schallplatte, CD und MP3 (IfP)
   
9. Hörtest – Grundlagen und Durchführung (IDMT, Hörlabor Helmholtzbau)
10. Synchronisation in Natur und Technik (IfP, gemeinsam mit Musikschule Ilmenau)
    
11. Das Ohr – Aufbau und Funktion (IfP)
    
12. Ultraschall in der Materialprüfung (incl. Ultraschallmikroskop im ZMN, Dr. Drüe)
    

Preisverleihung
Die Schülergruppe mit der besten Projektpräsentation wird zum Abschluss des Ilmenauer Physiksommers ausgezeichnet und mit einem Preis geehrt.

Freizeitveranstaltungen
Auch die Freizeitveranstaltungen, z. B. sportliche Betätigung auf der Ilmenauer Sommerrodelbahn, sowie die gemeinsame Unterbringung in der Ilmenauer Jugendherberge dienen dem gegenseitigen Kennenlernen und sollen durch gemeinsame Diskussionen den Austausch zwischen Schülern, Studierenden und Lehrenden befördern.