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Naturwissenschaftliche Grundlagen

Modulbezeichnung: Naturwissenschaftliche Grundlagen
Studiengang: Wirtschaftsingenieurwesen / Produktionsmanagement, Bachelor, ASPO 01.10.2021
Code: DBWI-130
SWS/Lehrform: -
ECTS-Punkte: 5
Studienjahr: 1
Pflichtfach: ja
Arbeitssprache:
Deutsch
Prüfungsart:
• Benotete Modulklausur (Dauer 120 Min., 100 Pkt.)
  o Die Klausur wird im 1. Semester (Block 1B) gemäß Prüfungsplan geschrieben.
 
• Unbenotete Studienleistung „Chemielabor“
  o 1 Laborbericht / Versuchsprotokoll (Abgabe: 2 Wochen nach Versuchsdurchführung)
 
• Unbenotete Studienleistung „Physiklabor“
  o 2 Laborberichte / Versuchsprotokolle (Abgabe: 2 Wochen nach Versuchsdurchführung)

[letzte Änderung 11.08.2021]
Verwendbarkeit / Zuordnung zum Curriculum:
DBMAB-130 Maschinenbau / Produktionstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2021, 1. Semester, Pflichtfach
DBWI-130 Wirtschaftsingenieurwesen / Produktionsmanagement, Bachelor, ASPO 01.10.2021, 1. Semester, Pflichtfach
Arbeitsaufwand:
Der Gesamtaufwand des Moduls beträgt 150 Arbeitsstunden.
Empfohlene Voraussetzungen (Module):
Keine.
Sonstige Vorkenntnisse:
Keine.

[letzte Änderung 11.08.2021]
Als Vorkenntnis empfohlen für Module:
Modulverantwortung:
Prof. Dr.-Ing. Jan Christoph Gaukler
Dozent: Prof. Dr.-Ing. Jan Christoph Gaukler

[letzte Änderung 11.06.2021]
Lernziele:
Allgemeine Chemie:
 
Die Studierenden verfügen über die wesentlichen Grundlagen der allgemeinen Chemie, bestehend aus Atomaufbau, Periodensystem der Elemente, chemischer Bindung, Aggregatzuständen und chemischen Reaktionen. Sie verstehen den Zusammenhang von Elektronenkonfiguration der Atome, Aufbau des Periodensystems und die sich daraus ableitenden Eigenschaften der Elemente. Sie können die chemische Bindung von Stoffen beschreiben, Summenformeln und bei kovalent gebundenen Stoffen auch die Strukturformeln aufstellen und Struktur-Eigenschaft-Beziehungen ableiten – bei Bedarf auch unter Berücksichtigung von Van-der-Waals-Kräften und Wasserstoffbrücken. Die Studierenden sind mit den Grundprinzipien chemischer Reaktionen (Reaktionsgleichung, Stöchiometrie, Gleichgewichts-, Redox und Säure-Base-Reaktionen) vertraut und können diese zur Deutung einfacher chemischer Prozesse
 
anwenden. Hierzu gehört auch die Anwendung einfacher, chemischer Berechnungen.
Das Modulelement „Allgemeine Chemie“ dient der Erweiterung und der Stärkung der fachlichen Kompetenz „Wissen und Verstehen“ (Wissensverbreiterung) und der instrumentalen Kompetenz.
 
Chemielabor:
 
Mittels Experimenten erfahren und erarbeiten die Studierenden in Partnerarbeit selbstständig die wesentlichen Grundlagen der allgemeinen Chemie. Sie sind in der Lage, elementare, chemische Experimente aufzubauen und durchzuführen. Ausgehend von Beobachtungen und bereits vorhandenem Wissen, können sie Schlussfolgerungen ableiten und mit den Inhalten zur Vorlesung „Allgemeine Chemie“ verknüpfen (= reflektierendes Denken und Lernen). Ergänzend sind die Studierenden in der Lage, Laborberichte / Versuchsprotokolle zu erstellen, deren Aufbau sich i.d.R. gliedert in Thema / Fragestellung, Vermutung, verwendete Materialien, Versuchsaufbau und -durchführung, Beobachtung mit Messwerten und Auswertung (Deutung, Erklärung, Interpretation, ggf. Fehleranalyse).
Das Chemielabor dient der Erweiterung und der Stärkung der instrumentalen und der kommunikativen
Kompetenz.
 
Experimentalphysik:
 
Die Studierenden verfügen über die wissenschaftlichen Grundlagen der Dynamik eines Massenpunktes
und von Systemen von Massenpunkten. Sie kennen die grundlegenden Begriffe, Phänomene und Konzepte und verstehen physikalischen Zusammenhänge. Dieses Wissen befähigt die Studierenden, einfache, ingenieurwissenschaftliche Probleme auf physikalische Grundprinzipien bzw. Fragestellungen zu reduzieren, diese physikalischen Fragestellungen unter Anwendung mathematischer Methoden selbstständig zu beantworten, und somit zielgerichtet eine Lösung für das eigentliche, ingenieurwissenschaftliche Problem zu finden.
Das Modulelement „Experimentalphysik“ dient der Erweiterung und der Stärkung der fachlichen Kompetenz „Wissen und Verstehen“ (Wissensverbreiterung) und der instrumentalen Kompetenz sowie dem Aufbau der systemischen Kompetenz, Probleme unter Berücksichtigung naturwissenschaftlichtechnischer, ethischer, gesellschaftlicher und ökologischer Sachverhalte zu lösen.
 
Physiklabor:
 
Mittels Experimenten erarbeiten die Studierenden in Partnerarbeit selbstständig die wesentlichen, physikalischen Grundlagen zur Mechanik starrer und realer (Flüssigkeiten, Gase) Körper sowie zu Wellen, Optik, Atom- und Quantenphysik. Sie können grundlegende, physikalische Experimente aufbauen, Versuchsreihen und Messungen durchführen und unter Berücksichtigung der Fehlerrechnung auswerten. Sie sind in der Lage, Schlussfolgerungen nach kritischer Beurteilung der Messergebnisse abzuleiten, und Laborberichte / Versuchsprotokolle zu erstellen, deren Aufbau sich i.d.R. gliedert in Thema / Fragestellung, Vermutung, verwendete Materialien, Versuchsaufbau und -durchführung, Beobachtung mit Messwerten und Auswertung (Deutung, Erklärung, Interpretation, ggf. Fehleranalyse).
Das Physiklabor dient der Erweiterung und der Stärkung der instrumentalen Kompetenz „Wissen und
Verstehen“ (Wissensverbreiterung) und der kommunikativen Kompetenz.

[letzte Änderung 11.08.2021]
Inhalt:
Allgemeine Chemie:
 
• Atomaufbau und Periodensystem der Elemente: Klassische Elementarteilchen, Struktur von
Atomen, Isotope, Orbitalmodell, Elektronenkonfiguration, Aufbau des Periodensystems
 
• Chemische Bindung: Ionenbindung, kovalente Bindung (Valenzstrichschreibweise, Molekülorbitale, Elektronegativität, Dipolcharakter, Molekülgeometrie, Übergänge zwischen Ionen- und
kovalenter Bindung, Hybridisierungskonzept, Mehrfachbindungen), Metallbindung (Metallgitter
und Elektronengas), Van-der-Waals-Kräfte (Dispersions-, Induktions- und Dipol-DiploWechselwirkung), Wasserstoffbrücken, Struktur-Eigenschaft-Beziehungen
 
• Aggregatzustände: Gase (ideale Gase, Gesetze von Boyle, Gay-Lussac und Avogadro, ideale
Gasgleichung), Flüssigkeiten, Festkörper (kristalline und amorphe Strukturen, Nah- und Fern-
ordnung, diskrete Schmelztemperatur versus Glasübergang, Strukturprinzipien idealer Kristalle,
Koordinationszahl, Bravais-Gitter, metallische Gitterstrukturen, Packungsdichte, Millersche Indizes, Gitterlücken und deren Bedeutung für die Legierungsbildung)
 
• homogene Mischungen (Gasgemische und Daltonsches Gesetz, Lösungen [Arten, Gehalt,
Konzentration, Molalität], einphasige Legierungen), heterogene Mischungen (Phasengrenze,
Mischungsarten), Zustandsänderungen
 
• Chemische Reaktionen: Reaktionsgleichung und Stöchiometrie, Gleichgewichtreaktionen, Redoxreaktionen, Säure-Base-Reaktionen, Ampholyte, pH-Wert, Salze
 
Chemielabor:
 
• Labor- und Sicherheitsbestimmungen
 
• Versuche zu Energetik (exotherme und endotherme Reaktionen), chemischer Bindung, Reaktionsgeschwindigkeit und chemischem Gleichgewicht
 
Experimentalphysik:
 
• Vertiefung und Anwendung mathematischer Grundlagen auf physikalische Probleme und Fragestellung zur Stärkung der instrumentalen Kompetenz:
• Maßeinheiten, Messen physikalischer Größen und Fehlerrechnung
 
• Mechanik eines Massenpunktes: Ein- und mehrdimensionale Bewegung, mittlere Geschwindigkeit, momentane Geschwindigkeit, mittlere Beschleunigung, momentane Beschleunigung, Geschwindigkeits-Zeit- und Weg-Zeit-Gesetz, freier Fall, schräger Wurf, gleichförmige Kreisbewegung, Winkelgeschwindigkeit, Zentripetal- und Zentrifugalbeschleunigung, Newtonsche Axiome, Impuls, Gravitationskraft, Federkraft, Normalkraft, Reibungskraft, Luftwiderstand, Arbeit und Leistung in konservativen und nicht konservativen Kraftfeldern, kinetische Energie, potentielle Energie der Gravitation nahe der Erdoberfläche und im Allgemeinen, potentielle Energie der Feder, Gesamtenergie eines Massenpunktes, Energieerhaltung, überlagerte Kraftfelder
 
• Mechanik eines Systems von Massenpunkten: Massenschwerpunkt, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, Impuls und Impulserhaltung, Systeme mit veränderlicher Masse (Schubkraft und Geschwindigkeit einer Rakete; Raketengrundgleichung), Stoßprozesse (Impuls-, Energie- und Drehimpulserhaltung, Stoßarten [elastisch, inelastisch, superelastisch], Elastizitätszahl)
 
• Bezugssysteme: Galilei-Transformation, beschleunigte Bezugssysteme, Überlagerung von
Gravitations- und Zentrifugalkraft, Zentrifuge, Geschwindigkeit von Satelliten und Raumstationen, Corioliskraft
Physiklabor
 
• Maßeinheit, Messen physikalischer Größen und Fehlerrechnung
 
• Versuche zur Mechanik starrer und realer Körper insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen,
 
• Versuche zur Optik (geometrische und Wellenoptik)
 
• Versuche zur Atom- und Quantenphysik

[letzte Änderung 11.08.2021]
Weitere Lehrmethoden und Medien:
Vorlesungen: Vortrag (darbietend), Demonstration (darbietend), Frage- und Impulsunterricht (erarbeitend), Bearbeitung konkreter Problemstellungen in Gruppenarbeit (erarbeitend), Unterrichtsgespräch
(erarbeitend) insbesondere zur ganzheitlichen Betrachtung einer Problemstellung aus naturwissenschaftlich-technischer, ethischer, gesellschaftlicher und ökologischer Sichtweise
Übungen: Bearbeitung konkreter Problemstellungen in Gruppenarbeit (erarbeitend)
Labore: Selbsterarbeitung und -erfahrung der naturwissenschaftlichen Zusammenhänge mittels in
Partnerarbeit durchgeführter Versuche / Experimente

[letzte Änderung 11.08.2021]
Sonstige Informationen:
Verwendung des Moduls in anderen Studiengängen:
 
Das Modul wird im Studiengang „Maschinenbau – Produktionstechnik““ und im Studiengang „Wirtschaftsingenieurwesen – Produktionsmanagement“ verwendet. Unter Beachtung der maximalen Gruppengrößen kann die Vorlesung maximal zweizügig, die Übung maximal vierzügig und die Labor maximal achtzügig pro Studienjahr angeboten werden

[letzte Änderung 11.08.2021]
Literatur:
• J. Hoinkis, E. Lindner: Chemie für Ingenieure (Wiley-VCH)
• P. W. Atkins, J. de Paula: Physikalische Chemie (Wiley-VCH)
• P. A. Tipler, G. Mosca: Physik für Wissenschaftlicher und Ingenieure (Springer)
• D. Gross, W. Hauger, J. Schröder, W. Wall: Technische Mechanik 3: Kinetik (Springer)
• R. C. Hibbeler: Technische Mechanik 3 – Dynamik (Pearson)

[letzte Änderung 11.08.2021]
[Wed Oct  5 10:47:49 CEST 2022, CKEY=ang, BKEY=aswwing, CID=DBWI-130, LANGUAGE=de, DATE=05.10.2022]