Versuch: Funkuhr Jahrgangsstufe 12 Ziel: Demonstration des Funktionsprinzips einer Funkuhr http://de.wikipedia.org/wiki/Funkuhr

Thematische Einordnung Elektrik Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen Kontext: physikalische Grundlagen der drahtlosen Nachrichtenübertragung

Grundlagen Schwingungen Wellen Fadenpendel evtl. Funktionsweise der einzelnen Geräte (Mikrofon, Verstärker, Zähler etc.) http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle

Funkuhren Funkuhren synchronisieren sich nach Signal eines Lang- wellensenders in Mainflingen Bei Frankfurt/M. Das Signal wird dort codiert und gesendet, dann von Empfänger in Quarzuhr empfangen und decodiert. Gangfehler der Uhr werden so automatisch ausgeglichen. http://de.wikipedia.org/wiki/Funkuhr

DCF77 (77.5 kHz / 50 kW) Langwelle: 30 - 300 kHz / 1.000 - 10.000 m 200 m hoch / 1.500 bis 2.000 km Reichweite Bodenwelle + Raumwelle (nachts) evtl. Auslöschung (600 – 1.100 km) Rufzeichen wurde dreimal pro Stunde gemorst Betreut von der PTB Braunschweig / Telekom (Zeitgesetz / drei Cäsiumuhren) http://de.wikipedia.org/wiki/Raumwelle

Codierung (1) DCF77 sendet konstant mit 77.5 kHz. Jede Sekunde wird Amplitude auf 25% verringert. Binärcode mit 59 Stellen: 100 ms → 0 200 ms → 1 0-14: Betriebsinformation / Katastrophenschutz 15-19: Rufbit / MESZ / Schaltsekunde 20-59: Zeitinformation

Codierung (2) 20: Startbit (ist immer 1) 21-27: Minute (1, 2, 4, 8, 10, 20, 40) 28: Parität Minute (0/1, je nach even/odd parity) 29-34: Stunde (1, 2, 4, 8, 10, 20) 35: Parität Stunde 36-41: Monatstag (1, 2, 4, 8, 10, 20) 42-44: Wochentag (1, 2, 4) 45-49: Monat (1, 2, 4, 8, 10) 50-57: Jahr (1, 2, 4, 8, 10, 20, 40, 80) 58: Parität Datum

Beispiel (even parity) 1 0011001 1 111010 0 000010 110 10100 01100000 1 52 17 10 Mittwoch Mai 06 …wäre also dann: Mittwoch, 10. Mai 2006, 17:52 Uhr

Materialien Metronom Fadenpendel (selbst konstruieren) Lichtschranke Mikrofon zwei Digitalzähler el. Leistungsverstärker Glühbirne / Phototransistor ggf. optische Bank mit zwei Linsen (~50mm) und Halterungen div. Kabel

Der Versuch (1) B. Eckert: Low Cost – High Tech, Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln 2000

Der Versuch (2) Linsen zur Signalverstärkung helfen, das Signal über eine längere Strecke zu verbreiten.

Versuchsdurchführung Metronom einschalten (2 Hz) und Pendel schwingen lassen Zähler vergleichen Schwingungsdauer des Pendels angleichen (durch Längenvariation) Zähler erneut vergleichen Alles wiederholen, bis Pendel und Metronom in einem Takt schwingen

Probleme Stark vereinfachtes Prinzip der Funkuhr / Signalübertragung → SuS auf Komplexität der realen Situation hinweisen! Ausrichtung der einzelnen Teile teilweise Filigranarbeit → Viel Zeit nehmen! Störgeräusche beeinflussen das Mikro sehr stark → Absolute Ruhe! Viel Platz benötigt → Darauf achten, dass versuch nicht unübersichtlich wird! Synchronisation ist relativ genau, aber nicht perfekt → am besten mit stark verschiedenen Frequenzen anfangen! Synchronisation ist Frickelarbeit → Etwas Übung sorgt dafür, dass der Versuch nicht zu langwierig wird!

Ergänzungen Die Durchführung des eigentlichen Versuches dauert weniger als 15 Minuten. Bei der Einstellung des Signalverstärkers sollte darauf geachtet werden, dass die Verstärkung nicht zu hoch ist, da sonst sehr leicht das Glühlämpchen durchbrennt. Wir hatten etwa 4 bis 5-fache Verstärkung eingestellt. Um bei der Synchronisation die Höhe des Pendels nicht verstellen zu müssen, wurde vorgeschlagen, ein dickeres Seil zu verwenden. Den SuS sollte deutlich gemacht werden, dass in der Realität die Synchronisation durch ständiges Neustellen der Funkuhr läuft, im Versuch jedoch nur die Geschwindigkeit der Uhr angepasst wird. Im Zusammenhang mit diesem Versuch wäre es interessant, das tatsächliche Signal aus Braunschweig aufzufangen, nicht jedoch zu entschlüsseln, da dies zu lange dauern würde. Um das Signal zu empfangen dürften ein modifizierter Langwellenempfänger und ein Oszilloskop ausreichen. So könnte man zumindest die Frequenz von 77,5 kHz von DCF 77 nachweisen.