10. – 11. Schuljahr

Raimund Girwidz und Bianca Watzka

Musik im richtigen Licht

Bau eines Licht-Theremin mit dem Arduino

Eine Möglichkeit, den Physikunterricht zu Halbleiterwiderständen wie LDR oder zu Spannungsteilerschaltungen für Schülerinnen und Schüler interessanter zu gestalten, ist die Einbindung dieser Themen in einen motivierenden Kontext. Dieser Beitrag zeigt, wie das Lernen über LDR, Bestrahlungsstärke, Spannungsteiler und/oder Piezo-Elemente an eine einfache Abwandlung eines elektronischen Musikinstrumentes namens Theremin geknüpft werden kann.
Effekte im Unterricht nutzen
Staunen, Begeisterung und Erfolgserlebnisse sind Gewürze für einen attraktiven Physikunterricht. Hierzu lässt sich die Tonausgabe mit einem sog. Theremin nutzen. Ein elektronisches Musikinstrument, das berührungs- und kontaktfrei gespielt wird, reizt den Spieltrieb und regt zu Fragen nach seinem Funktionsprinzip an.
Der methodische Dreiklang „Erleben, Verstehen, Anwenden [1] lässt sich dabei im Unterricht weiter ausbauen: Nach dem Vorstellen und Erleben der hör- und sichtbaren Effekte erfolgt das Erarbeiten und Erläutern der physikalischen Grundlagen samt Aufbau und Funktionsprinzip eines Licht-Theremins. Anschließend sind weitere Optimierungen und Variationen möglich. Hier können Schülerinnen und Schüler eigene Ideen einbringen sowie bei deren Umsetzung ihr Vertrauen in ihre physikalischen Fähigkeiten weiter ausbauen [2].
Grundlagen: das Theremin und seine Abwandlung
Leon Theremin entwickelte 1920 ein elektronisches Musikinstrument, das basierend auf einem kapazitiven Abstandssensor elektrische Schwingkreise variiert und so Töne erzeugt. Das Faszinierende dabei: Berührungslos und nur durch freie Handbewegungen lässt sich dieses Musikinstrument spielen.
Das Licht-Theremin und seine Funktionsweise
Bei den „Arduino Starter Kit Projects ist als Projekt Nr. 6 die Realisierung eines sog. Licht-Theremins beschrieben [3]. Mit geringem Aufwand lässt sich nach dieser Anleitung ein elektrisches Musikinstrument bauen, das eindrucksvoll, nur durch Bewegung der Hände, Tonfolgen erzeugt.
Physikalisch basiert dieses Licht-Theremin in Abweichung vom ursprünglichen Theremin allerdings auf Helligkeitsmessungen: Ein LDR dient als veränderlicher elektrischer Widerstand (s. Kasten 1).
Kasten 1|Informationen: LDR (Light Dependent Resistor)
Kasten 1|Informationen: LDR (Light Dependent Resistor)
Ein LDR (auch Fotowiderstand genannt) ist ein Halbleiterbauelement (s. Abb. 1 ), dessen elektrischer Widerstand sich abhängig von der Bestrahlung mit Licht ändert. Der Widerstand variiert von einigen kΩ bei Dunkelheit bis zu einigen 100 Ω bei intensiver Bestrahlung. Physikalisch betrachtet ist er ein gutes Beispiel, wie durch Photoneneinfall die Zahl der Ladungsträger in einem Halbleiter erhöht werden kann und sich dadurch seine Leitfähigkeit verbessert.
Aufbau
Die lichtempfindlichen Schichten von Fotowiderständen bestehen oft aus Cadmiumsulfid (CdS) oder Cadmiumselenid (CdSe). Sie haben etwa die gleichen Farbempfindlichkeitskurven wie das menschliche Auge. Über die Halbleiterschicht werden Leiterkämme (aus Kupfer) gelegt, die ineinander verzahnt sind, um die Austauschlänge und damit die Empfindlichkeit des Widerstands zu verbessern.
Bezug
Fotowiderstände sind im Elektronikhandel für wenige Cent zu bekommen, z.B. 10 Stück für 2 €.
Das Licht-Theremin ist damit elementar und mit einfachen schulischen Grundlagen zur Halbleiterphysik verständlich. Die Funktion des variablen, lichtempfindlichen Widerstandes ist augenscheinlich, und auch die Tonausgabe über einen einfachen Piezo-Tongeber lässt sich gut mit Grundlagen aus der Elektrostatik erklären (s. Kasten 2 und Abb. 3).
Kasten 2|Informationen: Piezo-Tongeber
Kasten 2|Informationen: Piezo-Tongeber
Piezo-Tongeber (s. Abb. 2 ) sind in vielen elektronischen Geräten eingebaut, z.B. in Smartphones oder Kopfhörern.
Aufbau und Funktionsweise
Quarzkristalle haben eine sechseckige Struktur, wobei...

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