530 Physik
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The presented study was motivated by the dynamic phenomena observed in basic catalytic surface reactions, especially by bi- and tristability, and the interactions between these stable states. In this regard, three reaction-diffusion models were developed and examined using bifurcation theory and numerical simulations.
A first model was designed to extend the bistable CO oxidation on Ir(111) to include hydrogen and its oxidation. The differential equation system was analyzed within the framework of bifurcation theory, revealing three branches of stable solutions.
One state is characterized by high formation rates (upper rate state, UR), while the other two branches display low formation rates (lower rate (LR) \& very low rate (VLR) states).
The overlapping branches form the shape of a `swallowtail', the curve of saddle-node bifurcations forming two cusps. Increasing the temperature leads to a subsequent unfolding and hence decreases the system complexity.
A series of numerical simulations representing possible experiments was conducted to illustrate the experimental accessibility (or the lack) of said states. Relaxation experiments show partially long decay times. Quasistatic scanning illustrates the existence of all three states within the tristable regime and their respective conversion once crossing a fold.
A first attempt regarding the state dominance in reaction-diffusion fronts was done. While UR seems to dominate in 1D, a 2D time-evolution shows that LR invades the interphase between UR and VLR.
Subsequently, a generic monospecies mock model was used for the comprehensive study of reaction-diffusion fronts. A quintic polynomial as reaction term was chosen, derived by the sixth-order potential associated with the `butterfly bifurcation'. This ensures up to three stable solutions($u_{0}$,$u_{1}$,$u_{2}$), depending on the four-dimensional parameter space.
The model was explored extensively, identifying regions with similar behaviors.
A term for the front velocity connecting two stable states was derived, depending only on the relative difference of the states' potential wells.
Equipotential curves were found, where the front velocity vanishes of a given front. Numerical simulations on a two-dimensional, finite disk using a triangulated mesh supported these findings.
Additionally, the front-splitting instability was observed for certain parameters. The front solution $u_{02}$ becomes unstable and divides into $u_{01}$ and $u_{12}$, exhibiting different front velocities. A good estimate for the limit of the front splitting region was given and tested using time evolutions.
Finally, the established mock model was modified from continuous to discrete space, utilizing a simple domain in 1D and three different lattices in 2D (square, hexagonal, triangular).
For low diffusivities or large distances between coupling nodes, fronts can become pinned, if the parameters are within range of the equipotential lines. This phenomenon is known as propagation failure and its extent in parameter space was explored in 1D. In 2D, an estimate was given for remarkable front orientations respective to the lattice using a pseudo-2D approximation. Near the pinning region, front velocities differ significantly from the continuous expectation as the shape of the curve potential becomes significant. Factors that decide the size and shape of the pinning regions are the coupling strength, the lattice, the front orientation relative to the lattice, and the front itself. The bifurcation diagram shows a snaking curve in the pinning region, each alternating branch representing a stable or unstable frozen front solution. Numerical simulations supported the observations concerning propagation failure and lattice dependence.
Furthermore, the influence of front orientation on the front velocity was explored in greater detail, showing that fronts with certain lattice-dependent orientations are more or less prone to propagation failure. This leads to the possibility of pattern formation, reflecting the lattice geometry. An attempt to quantify the front movement depending on angular front orientation has shown reasonable results and good agreement with the pseudo-2D approach.
Rivers play an important role in the global water cycle, support biodiversity and ecological integrity. However, river flow and thermal regimes are heavily altered in dammed rivers. These impacts are being exacerbated and become more apparent in rivers fragmented by multiple dams. Recent studies mainly focused on evaluating the cumulative impact of cascade reservoirs on flow or thermal regimes, but the role of upstream reservoirs in shaping the hydrology and hydrodynamics of downstream reservoirs remains poorly understood. To improve the understanding of the hydrodynamics in cascade reservoirs, long-term observational data are used in combination with numerical modeling to investigate the changes in flow and thermal regime in three cascade reservoirs at the upper reach of the Yangtze River. The three studied reservoirs are Xiluodu (XLD), Xiangjiaba (XJB) and Three Gorges Reservoir (TGR). In addition, the effects of single reservoir operation (at seasonal/daily time scale) on hydrodynamics are examined in a large tributary of TGR. The results show that the inflow of TGR has been substantially altered by the two upstream reservoirs with a higher discharge in spring and winter and a reduced peak flow in summer. XJB had no obvious contribution to the variations in inflow of TGR. The seasonal water temperature of TGR was also widely affected by the upstream two reservoirs, i.e., an increase in winter and decrease in spring, associated with a delay in water temperature rise and fall. These effects will probably be intensified in the coming years due to the construction of new reservoirs. The study also underlines the importance of reservoir operation in shaping the hydrodynamics of TGR. The seasonal dynamics of density currents in a tributary bay of TGR are closely related to seasonal reservoir operations. In addition, high-frequency water level fluctuations and flow velocity variations were observed in response to periodic tributary bay oscillations, which are driven by the diurnal discharge variations caused by the operation of TGR. As another consequence of operation of cascade reservoirs, the changes in TGR inflow weakened spring thermal stratification and caused warming in spring, autumn and winter. In response to this change, the intrusions from TGR occurred more frequently as overflow and earlier in spring, which caused a sharp reduction in biomass and frequency of phytoplankton blooms in tributary bays of TGR. This study suggests that high-frequency bay oscillations can potentially be used as an efficient management strategy for controlling algal blooms, which can be included in future multi-objective ecological conservation strategies.
The three biodegradable polymers polylactic acid (PLA), polyhydroxybutyrate (PHB) and polybutylene adipate terephthalate (PBAT) were coated with hydrogenated amorphous carbon layers (a-C:H) in the context of this thesis. A direct alignment of the sample surface to the source was chosen, resulting in the deposition of a robust, r-type a-C:H. At the same time, a partly covered silicon wafer was placed together with the polymers in the coating chamber and was coated. Silicon is a hard material and serves as a reference for the applied layers. Due to the hardness of the material, no mixed phase occurs between the substrate and the applied layer (no interlayer formation). In addition, the thickness of the applied layer can be estimated with the help of the silicon sample.
The deposition of the layer was realized by radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (RF-PECVD). For the coating the samples were pre-treated with an oxygen plasma. Acetylene was used as precursor gas for the plasma coating. Coatings with increasing thickness in 50 nm steps from 0-500 nm were realised.
The surface analysis was performed using several techniques: The morphology and layer stability were analyzed with scanning electron microscopy (SEM) measurements. The wettability was determined by contact angle technique. In addition, the contact angles provide macroscopic information about the bond types of the carbon atoms present on the surface. For microscopic analysis of the chemical composition of the sample and layer surfaces, diffuse reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (DRIFT) as well as synchrotron based X-ray photon spectroscopy (XPS) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) were used.
All coated polymers showed several cases of layer failure due to internal stress in the layers. However, these were at different layer thicknesses, so there was a substrate effect. In addition, it is visible in the SEM images that the coatings of PLA and PHB can cause the applied layer to wave, the so-called cord buckling. This does not occur with polymer PBAT, which indicates a possible better bonding of the layer to the polymer. The chemical analyses of the layer surfaces show for each material a layer thickness dependent ratio of sp² to sp³ bonds of carbon, which alternately dominate the layer. In all polymers, the sp³ bond initially dominates, but the sp² to sp³ ratio changes at different intervals. Although the polymers were coated in the same plasma, i.e. the respective layer thicknesses (50 nm, 100 nm, ...) were applied in the same plasma process, the respective systems differed considerably from each other. A substrate effect is therefore demonstrably present. In addition, it was found that a change in the dominant bond from sp³ to sp² is an indication ofan upcoming layer failure of the a-C:H layer deposited on the polymer. In the case of PLA, this occurs immediately with change to sp² as the dominant bond; in the case of PHB and PBAT, this occurs with different delay to increased layer thicknesses (at PHB 100 nm, at PBAT approx. 200 nm.
Overall, this thesis shows that there is a substrate effect in the coating of the biodegradable polymers PLA, PHB and PBAT, since despite the same coating there is a different chemical composition of the surface at the respective layer thicknesses. In addition, a layer failure can be predicted by analyzing the existing bond.
In this bachelor thesis a code for astrophysical self-gravitating fluid
simulation is developed. The code runs mainly on the GPU. Minimal
simplifications of the physical model and some parameters for accuracy
and tuning allow simulations to be performed at interactive framerates
on most modern consumer grade computers that feature a dedicated
graphics card. It is used to simulate the birth of stars from a turbulent
molecular cloud. Multiple features of star formation, like accretion
discs and fragmentation, can be observed in the simulation, even when
low particle counts are used.
Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Verbesserung von Lehren und Lernen im Physikunterricht. Damit fügt sie sich in den Bereich physikdidaktischer Forschung ein, die eine forschungsbasierte Entwicklung und Evaluation von Unterricht zum Gegenstand hat, sich also auf die empirische Lehr-Lern-Forschung konzentriert. Die Motivation dazu basiert dabei auf drei in der aktuellen physikdidaktischen Diskussion prioritären Defiziten: Die mangelnde Fähigkeit deutscher Lernender zur Anwendung ihres physikalischen Wissens in neuen Kontexten, die Realitätsferne der Aufgaben und Inhalte des deutschen Physikunterrichts sowie die unzureichende Einbindung der auf diesen Erkenntnissen basierenden Konzepte in den Physikunterricht. Diese Defizite stellen die physikdidaktische Forschung vor drei grundlegende Aufgaben: Initiierung stärker schüler- und anwendungsorientierter Lehr-Lernprozesse, Hervorhebung der Bedeutung einer neuen "Aufgabenkultur" im Rahmen authentischer Problemstellungen sowie Entwicklung von Konzepten zur nachhaltigen Implementation neuer Erkenntnisse in den Physikunterricht. Der Anspruch dieser Arbeit ist die Reduktion der analysierten Defizite. Dazu erfolgt die Ausrichtung auf drei Ziele hin: Die theoriegeleitete Entwicklung praktikabler und flexibler Lernmedien im Rahmen aufgabenorientierter Lernumgebungen, die Implementation und detaillierte empirische Untersuchung des entwickelten Ansatzes sowie die Bildung einer "Learning Community" zur Unterrichtsentwicklung. Dazu wird basierend auf dem instruktionspsychologischen "Anchored Instruction"-Ansatz theoriegeleitet das Konzept einer Modifizierten "Anchored Instruction" (MAI) entwickelt. Dieses greift die Vorzüge der originären Rahmentheorie auf und behebt zudem die damit verbundenen Probleme durch die Umsetzung von drei Leitlinien: "Praktikabilität", "Flexibilität" und "empirische Forschung". Dies wird hier durch die Entwicklung und theoretische Einbettung von "Zeitungsaufgaben" als authentisch wirkendes Lernmedium zur Verankerung des Wissens an realitätsnahen Lerngegenständen verdeutlicht. Die Effektivität der Implementation von "Zeitungsaufgaben" als Lernmedium im Physikunterricht im Sinne des MAI-Ansatzes bildet dabei den ersten Untersuchungsschwerpunkt. Es wird Breitenwirkung und Robustheit des Ansatzes hinsichtlich Lerneffekt und Motivation im Rahmen einer Interventionsstudie mit 911 Lernenden, 15 Lehrkräften und in insgesamt 39 Schulklassen an zehn verschiedenen Schulen untersucht. Die durch Mehrebenenanalysen erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass "Zeitungsaufgaben" themenübergreifend zu größerer Motivation und Leistungsfähigkeit der Lernenden führen als "traditionelle" Aufgaben und dass diese Überlegenheit zudem auch wenigstens mittelfristig Bestand hat (Motivation: p < 0.001; Cohens d = 0.87; Leistung: p < 0.001; Cohens d = 1.13). Zudem wurden vielfache Einflüsse von Moderatorvariablen auf die Motivations- und Lerneffekte geprüft (Lehrkraftmerkmale, Geschlecht, Thema, Schulart, Physik-Vorleistung, Intelligenz und Textverständnis). Es zeigt sich, dass die positive Wirkung von "Zeitungsaufgaben" auf die Motivation der Lernenden weitgehend unempfindlich gegenüber diesen Einflussfaktoren ist. Hingegen wird die Lernleistung neben der großen, positiven Wirkung von "Zeitungsaufgaben" zudem noch durch die Physik-Vorleistung sowie durch die Ausprägung des Interesses der Lehrkräfte am Unterrichten von Physik beeinflusst, und zwar in praktisch bedeutsamen Ausmaß. Neben Breitenwirkung und Robustheit des MAI-Ansatzes stellt dessen Optimierung im Rahmen einer Interventionsstudie den zweiten Untersuchungsschwerpunkt dar. Diese Detailuntersuchung resultiert aus dem Zusammenhang zwischen Authentizität und Komplexität einerseits und kognitiver Belastung andererseits. Bezogen auf das MAI-Lernmedium " Zeitungsaufgabe" steht dabei die Optimierung des Instruktionstextes " also des Zeitungsartikels " im Zentrum der Untersuchung. Es wird nachgewiesen, dass "Zeitungsaufgaben" mit mittelschweren Zeitungsartikeln sowohl Motivation als auch Lernleistung besser fördern als "Zeitungsaufgaben" mit leichten oder schweren Zeitungsartikeln. Dagegen sind Motivation und Leistung bei der Arbeit mit "traditionellen Aufgaben" umso geringer je schwieriger der Aufgabentext ist. Zudem wird im Rahmen von Pfadanalysen ein Wirkgefüge modelliert, das kausale Zusammenhänge zwischen verschiedenen Variablen darstellt, die die positive Wirkung von "Zeitungsaufgaben" auf Motivation und Leistungsfähigkeit beeinflussen. Dieses Kausalmodell verdeutlicht, dass die positive Wirkung von "Zeitungsaufgaben" am stärksten davon abhängt, wie stark die laut Theorie für ein MAI-Lernmedium erforderlichen Merkmale auch tatsächlich von den Lernenden als solche wahrgenommen werden (Motivation: p < 0.001; b = 0.40; Leistung: p < 0.001; b = 0.30). Ein Konzept zur Einbindung der auf Erkenntnissen der Lehr-Lern-Forschung basierenden Maßnahmen in den Physikunterricht stellt den Abschluss dieser Arbeit dar.
Das Just-in-Time - Verfahren ist ein neues Unterrichtskonzept aus den USA (auch in D. schon z.T. eingesetzt), bei dem ein oder zwei Tage vor der Unterrichtsstunde Fragen hauptsächlich zu qualitativem und konzeptuellem Verständnis an die SchülerInnen gestellt und von diesen per eMail beantwortet werden. Aus den Lösungen wird dann von der Lehrkraft eine Folie mit falschen und richtigen Vorschlägen erstellt (i.a. anonym), die dann in der Klasse diskutiert werden. Die besonderen Vorteile des Verfahrens sind: Adaptiver Unterricht mit kurzfristiger ("just-in-time") Reaktionsmöglichkeit auf Präkonzepte und andere Lernschwierigkeiten; Förderung der Selbsttätigkeit und Eigenverantwortung für die eingesendeten Beiträge; Schaffung einer schriftlichen (eMail-Beitrag) und mündlichen (Diskussion) Gelegenheit zur Spracharbeit an fachlichen Inhalten. Das Lernarrangement Die über Webspace verfügende Lehrkraft lädt eine themenrelevante Aufgabe ins Internet. Diese Aufgabe ist von den SchülerInnen ihres Kurses am Computer zu Hause zu bearbeiten; die Bearbeitung wird über ein Formularfenster als Mail an die Lehr-kraft gesendet. Mit den Statements ihrer SchülerInnen im Kopf begibt sich die Lehrkraft nun an die Planung der folgenden Unterrichtsstunde: Insbesondere werden die interessantesten Statements auf TLP-Folie kopiert . Sie bilden den roten Faden der in Planung befindlichen Unterrichtsstunde. Die Schülerantworten sind also zum einen Planungsgrundlage für die folgende Unterrichtsstunde, zum anderen werden sie zu einem besonderen Unterrichtsmedium des JiTT-Verfahrens (Folie o.ä. mit den interessantesten Statements). Der Unterrichtsverlauf enthält Phasen, in denen die Schüleraussagen gelesen, erörtert und diskutiert werden sowie Phasen, in denen die Gruppe mit üblichen Unterrichtsmedien und -methoden (Arbeitsblätter, Versuche) arbeitet. Im Idealfalle reduziert sich die Rolle des Lehrers in der Diskussionsphase auf die eines Moderators. Fachdidaktische und instruktionspsychologische Begründung JiTT kann als besondere Form des Adaptiven Unterrichts aufgefasst werden: Der Lehrkraft ist es möglich, insbesondere auf vorhandene Präkonzepte und andere Lernschwierigkeiten in adäquater Form zu reagieren und ihren Unterricht zu gestalten. Das Verfahren kann des weiteren auf der Ebene der Motivation wirksam sein, indem Selbstbestimmung (Mitgestaltung des Unterrichtes!) und soziale Einbindung (Diskussion der Schülerbeiträge in der Gruppe!) in besonderer Weise gefördert und gefordert werden. Selbstbestimmung und soziale Einbindung sind aber (zusammen mit Kompetenz) Hauptfaktoren in einer der führenden Theorien der Motivationspsychologie (Selbstbestimmungstheorie nach DECI & RYAN). Bemerkungen zum Design der Feldstudie In den Hauptteil der Feldstudie des Projektes zur Evaluation des Verfahrens waren zwei Physik-Leistungskurse eines rheinland-pfälzischen Gymnasiums (Teilgebiete "Mechanik" und "Elektrodynamik") eingebunden, ein Ergänzungsteil wurde im Rahmen einer Mechanik-Vorlesung des Lehramtsstudiums Physik an einer rheinland-pfälzischen Universität realisiert. Das erhobene Datenmaterial wurde insbesondere mit Hilfe des Verfahrens der multivariaten, hierarchischen Regressionsanalyse evaluiert. Ergebnis der Feldstudie und Diskussion Ein relevanter Effekt des JiTT-Verfahrens auf die Performanz der Lernenden kann nicht nachgewiesen werden. Im Hinblick auf mögliche Erklärungsmuster erscheinen folgende Aspekte von Bedeutung: Im Zuge der adäquaten Berücksichtigung von Schülervorstellungen ist es ausreichend, die "Mainstream-Päkonzepte" der Lernenden zu kennen. Detaillierte-res Wissen führt zu keinem signifikant erfolgreicheren Unterricht; Die vergleichsweise offen gestalteten JiTT-Phasen des Unterrichts scheinen insbesondere die leistungsschwächeren Lernenden zu überfordern; Ein eventuell doch vorhandener, auf JiTT zurückführbarer Einfluss auf die Performanz wird durch die Effizienz des im Unterricht eingesetzten methodischen Werkzeugs der Modellbildung überdeckt. Im Hinblick auf die motivationalen Einstellungen der Lernenden erscheint bemer-kenswert, dass man in JiTT zwar durchaus eine Bereicherung für den Unterricht sieht, dem gewachsenen zeitlichen Druck sowie den erweiterten Kontrollmöglichkeiten seitens der Lehrkraft jedoch kritisch gegenübersteht. Somit ist zweifelhaft, ob es durch den Einsatz des Verfahrens tatsächlich zu einer Verstärkung der autonom regulierten Varianten der Motivation kommt.
In der vorliegenden Arbeit werden vom Autor entwickelte und in der Schulpraxis bzw. Lehrerausbildung erprobte Unterrichtskonzepte zum selbstständigen Wissens- und Könnenserwerb an Lernstationen und für den lehrerzentrierten Frontalunterricht für den Themenbereich "Photovoltaik" vorgestellt (siehe Anhang A, S. 147). Es wird mit dieser Arbeit ein Beitrag zur aktuellen Kompetenzforschung geleistet. Die wesentlichen Resultate sind: - Es wird gezeigt, dass die Legitimation der Unterrichtsthematik "Photovoltaik" aus gesellschaftlicher, bildungstheoretischer und fachdidaktischer Sicht begründbar ist. - Es wird nachgewiesen, dass das Teilchenmodell für die Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise der Solarzelle im Physikunterricht geeignet ist (Elementarisierung des Leitungsvorganges in Halbleitern). - Die Analysen der Vorerfahrungen der Schülerinnen und Schüler zur Photovoltaik lassen erkennen, dass diese phänomenologischer Natur sind. Über konkrete Vorkenntnisse zur Solarzelle verfügen die Schülerinnen und Schüler nicht. - Die empirischen Untersuchungen belegen, dass sowohl im Frontalunterricht als auch beim Lernen an Stationen ein großer Lernzuwachs nachweisbar ist. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Lernenden der 10. und 11. Klasse in der Lage sind, sich neues Wissen und Können anzueignen (Abschnitt 6.2, S. 94). - Die empirischen Untersuchungen weisen nach, dass die Urteilsfähigkeit der Schülerinnen und Schüler (Kompetenz: Bewertung) im Nachtest signifikant überzeugender (Nutzung von wissenschaftlich gesicherten Argumenten) ist als im Vortest (Abschnitt 6.4, S. 101). - Die Aufgabenstellungen der einzelnen Stationen wurden hinsichtlich der Kompetenzanforderungen vom Autor und von Experten analysiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Zuordnung der Aufgabenstellungen zu den vier Kompetenzbereichen (Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung) von den meisten Experten einheitlich erfolgt. Große Unterschiede treten bei der Zuordnung der Aufgabenstellungen zu den Auforderungsbereichen auf. Die Hauptursachen sieht der Autor in den unzureichenden Erläuterungen der Bildungsstandards zu den Auforderungsbereichen und den Erfahrungen der Experten bei der Bewertung von Kompetenzen (Abschnitt 7.4, S. 120).