Unterrichtsmaterialien Atomkraft: Ganze Werke Seite 2/4
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Physik
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Physik der flitzenden Teilchen
Große Teilchenbeschleuniger wie der LHC am CERN faszinieren durch ihre gigantischen Ausmaße und die verheißungsvolle Forschung, die an ihnen betrieben wird. Auf der Suche nach neuen Elementarteilchen, aber auch für Materialforschung und Medizin werden schnelle Teilchen benötigt. Neben dem Zyklotron behandelt dieser Beitrag das Synchrotron sowie die Anwendung in Forschung und Technik.
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Atommodelle
Atome sind winzige Teilchen − diese Vermutung hatte schon der griechische Philosoph Demokrit (450 v. Chr.). Deshalb gab er diesen Teilchen den griechischen Namen „atomos“ − das Unteilbare. Seine „Atomvorstellung“ hielt sich bis in das 18. Jahrhundert − erst dann wurden seine Gedanken wieder aufgegriffen und mit dem „Dalton’schen Atommodell“ erstmals modifiziert. Es sollten aber noch fast 200 Jahre vergehen, bis mit den ab den 1920er-Jahren gewonnenen Erkenntnissen der modernen Quantenphysik das heutige „Quantenphysikalische Atommodell“ entstehen konnte.
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Energie aus dem Atom
Wie funktioniert die Energiegewinnung bei einer Kernspaltung? Und können wir bei der Energieerzeugung durch Kernfusion, bei der nach dem Vorbild der Sonne Atome miteinander verschmolzen werden, den Herausforderungen des Klimawandels begegnen? Ihre Schülerinnen und Schüler wiederholen auf spielerische Weise wichtige Grundbegriffe zur Atom- und Kernphysik und setzen sich mit den Themen Kernspaltung und Kernfusion auseinander.
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Der lineare Potenzialtopf
Sobald der Aufenthaltsbereich eines Elektrons räumlich begrenzt wird, kann dieses nur noch ganz bestimmte Geschwindigkeiten annehmen – die Energie des Elektrons ist gequantelt. Mithilfe des einfachen Modells des linearen Potenzialtopfes nähern sich Ihre Schüler diesem erstaunlichen Phänomen, das weitreichende Konsequenzen für die Physik der kleinsten Teilchen hat.
Verwandte Themen
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Hochenergetische Strahlung
Hochenergetische Strahlung spielt in der Natur und Technik eine große Rolle. Um die Wirkung von kosmischer Strahlung bzw. medizinisch genutzter hochenergetischer Strahlung zu erklären, werden Kenntnisse aus verschiedenen Teilgebieten der Physik benötigt. Hier werden zwei Klausuren auf Abiturniveau vorgestellt, die Aufgaben aus den Themenbereichen Radioaktivität, Teilchenphysik, Relativitätstheorie und Elektrodynamik am Kontext kosmischer Strahlung bzw. Strahlentherapie beinhalten.
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Geiger-Müller-Zählrohr
Radioaktivität führt zu einer unsichtbaren Strahlung mit erheblichen Auswirkungen auf den Organismus. Mithilfe eines Geiger-Müller-Zählrohrs lassen sich die Zerfallsprozesse radioaktiver Isotope messen und in akustische Signale umwandeln. Der Film stellt die Wirkungsweise ebenso vor wie die Entstehung radioaktiver Strahlung. Das Bonusmaterial zeigt Experimente, die im Physikunterricht angewendet werden können. Lernziele: 1. Die Schüler:innen kennen die Wirkungsweise eines Geigerzählers; 2. Die Schüler:innen führen eigene Experimente durch und evaluieren diese kritisch.
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Kernphysik am CERN
In diesem Beitrag für den Physikunterricht der gymnasiale Oberstufe werden zwei Klausuren auf Abiturniveau vorgestellt, deren Aufgaben sich mit verschiedenen Experimenten des Kernfoschungszentrums CERN beschäftigen. Sie motivieren Ihre Klasse mit faszinierenden Fragestellungen zu Teilchenbeschleunigern. Verbinden Sie die unterschiedlichen Teilgebiete der Elektrodynamik, Elementarteilchenphysik und der Relativitätstheorie miteinander durch anwendungsorientierte Klausuraufgaben. Mit realitätsnahen Rechenbeispielen bereiten Sie Ihre Klasse ideal auf das Abitur vor.
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Eine Einführung in die Atomphysik
Aufbauend auf der historischen Entwicklung des Atombegriffs werden die grundlegenden Versuche zur Abschätzung der Größenordnungen des Atoms vorgestellt. Ausgehend von diesen Versuchen wird die Entwicklung der Atomvorstellung präsentiert bis hin zum modernen Atommodell. Der erarbeitete Stoff wird durch eine Reihe von Aufgaben gefestigt und im Anschluss durch ein Beispiel einer Lernerfolgskontrolle überprüft.
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Ein Spaziergang durch die Kernphysik – Atommodelle und Kernreaktionen
The Large Hadron Collider (LHC) ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Er besteht aus einem 27 Kilometer langen Ring aus sehr guten Magneten und einer hohen Zahl von Beschleunigungsstrukturen, um die Teilchen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. In diesem Beitrag setzen sich Ihre Schüler mit Atommodellen, Zerfallsprozessen, Radioaktivität, Kernspaltung und Kernfusion auseinander und erwerben so die Grundlagen, um zu verstehen, welche Prozesse im Teilchenbeschleuniger ablaufen (die ggf. Teil eines weiteren Beitrags sind).
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Mondrover Lunochod
Ende 1970, nicht lange nach der Mondlandung der amerikanischen Astronauten, brachte die damalige Sowjetunion ein fahrbares Labor auf den Mond. Der ferngesteuerte Rover mit dem Namen Lunochod lieferte wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse über den Mond, indem er das Mondgestein mithilfe der Röntgenfluoreszenzmethode analysierte. Als Wärmequelle für die empfindlichen Geräte im Rover diente eine Radionuklid-Heizung, die das Isotop Polonium-210 enthielt. Diese Themen bieten beste Möglichkeiten, Unterrichtsinhalte für die Abiturvorbereitungen zu vertiefen.
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Das Energiespektrum der Betastrahlung
Die Tatsache, dass die Betastrahlung ein kontinuierliches Energiespektrum aufweist, bereitete den Kernphysikern anfangs des 20. Jahrhunderts einiges Kopfzerbrechen. Den gängigen Kernmodellen zufolge erwartete man nämlich diskrete Energiewerte, so wie man es bei der Alpha- und Gammastrahlung gemessen hatte. Wie wurde das Rätsel gelöst?
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CERN - der Large Hadron Collider
Mehr als 11 000 Wissenschaftler erforschen heute am CERN, dem weltgrößten Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik, die fundamentalen Gesetze des Universums. Der Large Hadron Collider, um den es in diesem Beitrag geht, ist ein großer Teilchenbeschleuniger für z. B. Protonen.
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Welle, Teilchen und Wahrscheinlichkeit
Die Welt des Mikrokosmos ist geheimnisvoll. Die Gesetzmäßigkeiten, die wir aus unserer alltäglichen Erfahrung ableiten, verlieren hier ihre Gültigkeit und müssen durch die entsprechenden Gleichungen der Quantenphysik ersetzt werden. Welle oder Teilchen - führen Sie Ihre Schüler schrittweise an das anspruchsvolle Thema Quantenphysik heran. Ein Spiel rundet den Beitrag ab.
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Vom Urknall in die Zukunft - eine kosmologische Zeitreise Stand: Nov. 2018
Die SuS werden in die Geheimnisse der Entstehung des Kosmos und die teilweise nicht leicht zu verstehenden, da theoretischen physikalischen Zusammenhänge eingeführt, indem sie Begriffe wie Singularität, Materie und Antimaterie, Galaxien und Sonnensystem besprechen und Versuche durchführen. Mit dem Material wird ein Blick in die Zukunft, insbesondere unseres Sonnensystems geworfen. Die didaktischen Erläuterungen unterstützen die Lehrkraft bei der Planung, Durchführung und Reflexion des Unterrichts. Lösungen sind im Anhang enthalten.
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Natürliche radioaktive Strahlung in Boden und Luft Ein permanenter Begleiter Stand: Oktober 2018
Radioaktive Strahlung ist in der Umwelt überall anzutreffen - kein Mensch kann sich ihr entziehen, jeder wird von ihr beeinflusst. In diesem Beitrag beschäftigen sich die SuS mit natürlichen Strahlenbelastungen, ihren verschiedenen Ursachen und Wirkungen. Dabei festigen und vertiefen sie ihr Wissen über die Grundlagen der Radioaktivität, beispielsweise Energiedosis, Äquivalentdosis und Aktivität.
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Künstliche Strahlenbelastung und die moderne Medizin Stand: Oktober 2018
Atomphysik ist nicht nur im Bereich der Energieversorgung und Waffenentwicklung ein zweischneidiges Schwert. Auch in der Medizin hat die Nutzung radioaktiver Stoffe sowohl zu neuen Belastungen als auch zu neuen Behandlungsmöglichkeiten geführt. Die Schüler mit der Auswirkung ionisierender Strahlung auf das menschliche Gewebe und sie lernen belastende Auswirkungen der modernen Medizin sowie ihre Vorzüge und neuen Behandlungsmethoden kennen. Dabei wenden sie ihr Wissen über Energiedosis, Halbwertszeit und Aktivität in einem spannenden und aktuellen Kontext an.
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Identifizierung von Alpha- und Betastrahlung
Durch die Lorentzkraft und die Ausnutzung geschickter geometrischer Anordnungen kann man die Geschwindigkeit von Alpha- und Betastrahlung messen und sie von der ungeladenen Gammastrahlung unterscheiden. In diesem Beitrag untersuchen Ihre Schüler dieses Konzept. Das Material erläutert die Grundlage für Geschwindigkeitsfilter und führt Ihren Schülern gleichzeitig die Bedeutung der relativistischen Masse nach Einstein vor Augen.
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Radioaktive Strahlung
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, radioaktive Strahlung nachzuweisen. Die Schüler vergleichen und bewerten verschiedene Messgeräte in dieser Einheit. Sie nähern sich zudem den typischen Wechselwirkungen von radioaktiver Strahlung mit Materie, also Compton-Effekt, Photoeffekt und Paarbildung. Damit eignet sich diese Einheit ideal für die Abiturvorbereitung und die Wiederholung der Grundlagen der Kernphysik.
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Teilchenerzeugung Proton-Proton-Stoß (Word, PDF) Stand: 08/2018
Antimaterie ist ein grundsätzlich spannendes Forschungsfeld. In Teilchenbeschleunigern entstehen jeden Tag unbekannte Teilchen und Materie, die sich gegenseitig wieder vernichten. Mit diesen Aufgaben nähern sich die SuS der Bedeutung von Einsteins Relativitätsformel und der daraus resultierenden Entstehung von Materie aus Energie. Es wird ebenfalls geübt, Ergebnisse zu bewerten und zwischen Laborsystem und Schwerpunktsystem zu wechseln. Lösungen zu den Aufgaben sind enthalten.
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Rund um den radioaktiven Zerfall (Word, PDF) Stand: 08/2018
Mit diesem Übungsmaterial werden die Grundlagen der Kernphysik für den Physikunterricht gelegt. Die SuS wiederholen und festigen Aktivität, Halbwertszeit sowie Abschirmung und wenden ihre Kompetenz dann bei spezielleren und schwierigeren Aufgaben an. Unter anderem nehmen die SuS hierbei die Kalium-Argon-Dotierung unter die Lupe und üben ebenfalls, graphische Darstellungen zu interpretieren und selbst zu erstellen. Lösungen zu den Aufgaben sind enthalten.
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Kernfusion heute
Der Traum der Wissenschaftler von einer nahezu unbegrenzten Energieerzeugung soll irgendwann einmal Realität werden. Dieser Beitrag für den Physikunterricht beschreibt, unterstützt durch Beispiele und Übungsaufgaben, die physikalischen Grundlagen und Möglichkeiten der Kernfusion. Ausgehend von den Abläufen in der Sonne werden die Überlegungen – aber auch die bisherigen Grenzen – der Energieerzeugung durch Fusion am Beispiel des Forschungsreaktors ITER ebenso erläutert wie die schon längst mögliche militärische Anwendung der Fusion in Form der Wasserstoffbombe.
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Quantenphysik
Wurden Sie auch schon einmal gefragt, wie lange es noch dauert, bis man Beamen kann wie bei "Raumschiff Enterprise"? Quantenphysik ist für viele Schülerinnen und Schüler ein sehr faszinierendes, gleichzeitig aber auch ein schwieriges und verwirrendes Thema des Physikunterrichts. Dieses Heft gibt Ihnen einen Überblick über die wichtigsten schulrelevanten Inhalte der Quantenphysik sowie zu geeigneten Möglichkeiten für deren Didaktisierung, aber auch Hinweise zu den vielfältigen Tücken und Holzwegen beispielsweise einer zu "klassisch" verstandenen Anschaulichkeit. Neben einer grundlegenden Orientierung im Thema bietet Ihnen dieses Heft u. a.: Tipps und kritische Hinweise zu schulgeeigneten Experimenten, Anregungen zu einer schultauglichen Elementarisierung der Quantenphysik mithilfe des Zeigermodells sowie Unterrichtskonzepte mit unterschiedlichen Schwerpunkten.
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Das Manhattan-Projekt und seine verheerenden Folgen
Die Entdeckung der Kernspaltung lag noch nicht einmal 7 Jahre zurück, als am 6.8.1945 von den USA die erste Uranbombe auf die japanische Stadt Hiroshima abgeworfen wurde. Nur drei Tage später, am 9.8., folgte die Plutoniumbombe, die Nagasaki traf. Erläutern Sie den Schülern mithilfe dieses Beitrags, dass technischer Fortschritt verheerende Auswirkungen haben kann, wie sie sich durch den Einsatz von Atombomben ergeben. Stellen Sie einen aktuellen Bezug zum Nordkorea-Konflikt her.
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66 Spielideen Physik
Spielerisch Physik lernen Spaß im Physikunterricht? Na klar! Mit dieser Sammlung praxiserprobter, unkompliziert einsetzbarer Spielideen, gelingt es Ihnen, im Physikunterricht das Interesse Ihrer Schüler zu wecken und Motivation für den Lernstoff zu schaffen. So kommt im Physikunterricht sicher keine Langeweile auf. Ideenfundus für das Fach Physik Dank der Spiele dieses Bandes schaffen Sie es mühelos, die Schüler zu fesseln, sie zum Kommunizieren anzuregen und sie so für den Physikunterricht zu begeistern. Bei den Spielen werden Interaktion und Kommunikation groß geschrieben, wodurch die Leistungsbereitschaft der Schüler gesteigert wird. Nachhaltig lernen im Fach Physik Damit die Spiele für den Physikunterricht leicht in der Praxis einzusetzen sind, liefert Ihnen der Band für jedes Spiel eine Klassenstufenzuordnung sowie Angaben zu Material und Zeitbedarf. So klappt die Durchführung in Ihrem Unterricht im Handumdrehen! Die Themen: - Spielerische Einstiege - Spielerische Arbeitsmethoden - Spiele mit einem hohen Grad an Handlungsorientierung -Spielerisch sichern, wiederholen und üben - Spielerischer Meinungsaustausch - Kartenspiele - Bewegungsspiele
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