Unterrichtsmaterialien Atomphysik: Ganze Werke Seite 2/7
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Physik
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Sensoren und Transistoren im Alltag
Sensoren und Transistoren finden in den verschiedensten elektronischen Geräten unseres Alltags Verwendung. So finden sich Sensoren beispielsweise in Rauchmeldern, Waschmaschinen und Smartphones ebenso wie in Autos und Flugzeugen. Auch moderne Industrieanlagen sind ohne Sensoren heute kaum mehr vorstellbar. Mit der fortschreitenden Digitalisierung wird moderne Sensorik zur Voraussetzung von Automatisierungsprozessen. Doch wie funktionieren Sensoren und wie werden sie eingesetzt? In dieser Unterrichtseinheit erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler die physikalischen Grundlagen zu Sensoren und Transistoren. Mithilfe von Experimenten vertiefen und hinterfragen sie die Funktionsweise von technischen Alltagsgegenständen.
Gesamtwerk
Quantenphysik
Methodenwerkzeuge unterstützen nicht nur die fachliche und fachsprachliche Arbeit im Physikunterricht, sondern initiieren und fördern außerdem eine hohe Aktivität der Schülerinnen und Schüler. Dieser Beitrag gibt Ihnen für das Teilgebiet der Quantenphysik verschiedene Methodenwerkzeuge an die Hand, um sie auch unter dem Aspekt der individuellen Förderung unmittelbar in Ihrer Klasse einzusetzen. Sie bieten so durch die selbstständige Auseinandersetzung mit fachlichen Inhalten und die Kommunikation innerhalb der Lerngruppe vielfältige Möglichkeiten, Physik zu verstehen. Letzten Endes sichern auch diverse Wiederholungen und Übungsaufgaben den langfristigen Lernerfolg.
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Untersuchung von Röntgenspektren
Ist das Bohrsche Atommodell geeignet, um die charakteristischen Linien im Spektrum einer Röntgenröhre zu berechnen? Diese und weitere Fragen stellen sich im Physikunterricht der Oberstufe, nachdem man das Bohrsche Atommodell für das Wasserstoffatom behandelt hat. Mit den Materialien dieses Beitrags führen Sie die Lernenden Schritt für Schritt zum Moseley-Gesetz und zeigen ihnen, in welchem Rahmen dieses praktisch anwendbar ist und brauchbare Ergebnisse liefert. Dabei wiederholen Sie zunächst Grundlagen und lassen die Schülerinnen und Schüler Übungsaufgaben bearbeiten. Am Ende der Einheit steht eine Hausaufgabe zur Festigung des Erlernten bereit.
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Photovoltaik und ihre Anwendungen
Gerade in Zeiten der Klimaerwärmung liegt ein großer Fokus in Forschung und Entwicklung auf der Erzeugung von Energie aus „sauberen“ Ressourcen wie Windkraft und Sonnenlicht. Besonders die Erzeugung von elektrischer Energie aus Solar besitzt ein großes Potenzial. Ihre Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich Grundwissen zur Solarzelle. Sie erhalten einen Einblick in den Aufbau, den Wirkungsgrad und die physikalischen Grundlagen. Mithilfe experimenteller Anwendungen erlernen die Schülerinnen und Schüler wichtige Messwertprozesse.
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Atomkernmodelle
Im Vergleich zur Atomhülle sind Aufbau und Funktion von Atomkernen wesentlich komplexer. Auf die im Inneren eines Atomkernes vorhandenen Bestandteile wirken die elektrostatische Coulombkraft und die starke und schwache Wechselwirkung, natürlich auch die Gravitationskraft. Eine bestätigte Theorie zur Beschreibung aller Wechselwirkungskräfte existiert bis heute nicht – vielmehr behilft man sich mit aufwendigen Modellen, von denen jedes einzelne für sich bestimmte Eigenschaften der Atomkerne gut beschreiben kann. Kein Modell ist in der Lage, alle auftretenden Eigenschaften hinreichend genau zu beschreiben. Die gängigsten und hilfreichsten Modelle (wie etwa Tröpfchenmodell, Potentialtopfmodell und Schalenmodell) werden in diesem Beitrag hinsichtlich ihrer historischen Entwicklung und physikalischen Bedeutung vergleichend beschrieben und erläutert.
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Erdbeobachtung
Sentinel, englisch für Wächter, heißen die Erdbeobachtungssatelliten des europäischen Copernicus-Programmes. Diese bilden jedoch nur einen kleinen Teil des gesamten „Verkehrs“ auf den unterschiedlichen Orbits. Tausende Satelliten kreisen heute auf ihren Bahnen um die Erde und senden uns kontinuierlich Daten aus dem All über den Zustand unseres Heimatplaneten. Unsere Erde verändert sich permanent. Wie empfindlich das Gleichgewicht auf unserem Planeten ist und wie die Menschheit dieses Gleichgewicht stören kann, können wir mit Hilfe von Erdbeobachtungsdaten aus dem All erfahren.
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Von Hubble zu James Webb
Von Hubble zu James Webb
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Lernstrategien und Arbeitstechniken für MINT-Studiengänge
Sie sind neu im MINT-Studium und haben das Gefühl, von den vielfältigen Anforderungen überrannt zu werden? Sie studieren schon eine Weile, die Zeit rennt Ihnen aber immer noch davon? Sie wissen einfach nicht, wie Sie Ihr Studium effizienter organisieren können? Wenn Sie mindestens eine der Fragen mit „ Ja“ beantwortet haben, bearbeiten Sie die einzelnen Themen in diesem Buch, und Sie werden erfolgreich Schwierigkeiten lösen. Sie erfahren, wie Lernen allgemein funktioniert und wie Sie sich auch in schwierigen Phasen individuell positiv darauf einstimmen können. Sie erproben effektive, vielfach bewährte Lernstrategien und Arbeitstechniken speziell für die MINT-Fächer – für Ihre Vorlesungen, Tutorien oder Praktika, für das Erschließen von Fachliteratur, für die Prüfungsvorbereitung oder Ihr Zeitmanagement. Über viele Jahre von Studierenden erprobte Strategien und Techniken, Erfahrungen, Tipps, Tricks und authentische Praxisbeispiele unterstützen Sie dabei, Ihren eigenen Weg und Ihre persönliches Best of-Repertoire zu finden.
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Einstieg in die Atomphysik
Häufig werden wir mit Begriffen, die das Wort Atom enthalten, konfrontiert. Seien es atomare Vorgänge, atomare Bedrohung, atomare Abrüstung oder Wirkungen bis in das kleinste Atom. Dabei fehlt meist eine konkrete Vorstellung, worüber man im physikalischen Sinne spricht. Dieser Beitrag beleuchtet die Entwicklung der verschiedenen Atommodelle aus unterschiedlichsten Epochen. Gehen Sie mit Ihrer Klasse auf Entdeckungstour und vermitteln Sie ihr ein breites, fundiertes Atomverständnis. Am Ende dieser auf selbstentdeckendem Lernen basierenden Einheit steht eine Lernerfolgskontrolle bereit, anhand derer die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen testen können.
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Physik & Technik
Das Motto „Vom Wissen zum nachhaltigen Handeln“ des BundesUmweltWettbewerbes könnte auch das Motto dieses Heftes sein, so praxisorientiert und gleichzeitig physiknah sind die Beispiele. Schülerinnen und Schüler haben bei allen hier vorgestellten Unterrichtsgängen und -ideen die Möglichkeit, die Welt zu erforschen – aber auch die Möglichkeit, mit Physik und Technik die Zukunft selbst zu gestalten. Das ist ein wesentlicher Schritt für den modernen Physikunterricht. Denn der Physikunterricht sollte ein Ort sein, an dem die jungen Menschen sachliche Hintergründe ihrer Sorgen erkennen, ihre Handlungsspielräume erweitern und gestärkt hervorgehen können. Und die eigenen Handlungsspielräume lernt man in der Kombination von Physik und Technik am besten kennen. Der Themenschwerpunkt des Heftes gliedert sich in vier Kapitel: Technische Geräte als Unterrichtsgegenstand; Technikeinsatz im Physikunterricht; Technik & Umwelt; Technik & Weltraum. Einige Beispiele aus dem vielfältigen Themenspektrum der Unterrichtsideen sind: Synchronmotor des Elektroautos - mit Augmented Reality besser verstehen; Magnetresonanztomographie; Videoanalyse des Drohnenfluges; Robotor-Modellexperimente zu nachhaltiger Landwirtschaft; Technische Aspekte der Marsrover. Neben dem Schwerpunktthema gibt es auch Beiträge zur Elektronenbeugung und zur Differenzierung sowie die Versuchskartei mit Experimente zu Luft- und Glaslinsen unter Wasser und zur freien Konvektion von Flüssigkeiten.
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Der Rutherford'sche Streuversuch
Mit dieser Unterrichtseinheit zum Rutherford'schen Streuversuch wird ein klassischer Unterrichtsinhalt des Chemie- und Physikunterrichts der Sekundarstufe I praktisch durchgeführt. Während es bereits einige gute Animationen und auch Filme zu diesem Versuch gibt, fehlte bisher eine Möglichkeit, Schülerinnen und Schüler das Experiment selbstständig erfahrbar zu machen und ihnen so im Rahmen des naturwissenschaftlichen Erkenntnisweges ein Werkzeug an die Hand zu geben, eigene Überlegungen zur Erweiterung ihrer Atomvorstellung anzustellen.
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Die Kernphysik
Woraus besteht die Materie im Universum und welche Kräfte wirken zwischen den Bestandteilen? Die moderne Physik geht der Ursache auf den Grund und findet immer neue Elementarteilchen, welche die Grundstruktur von allem, was wir kennen, darstellen. Wir richten unseren Blick auf das Kleinste im Universum – die Elementarteilchen im Bereich der Kernphysik.
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Quantenphysik
Um die Quantenphysik und darauf aufbauende Eigenschaften richtig verstehen und herleiten zu können, sind Eine-Ladung-Systeme wie Wasserstoff und einfach ionisiertes Helium von enormer Bedeutung. In diesem Beitrag lernen Ihre Schülerinnen und Schüler diese und weitere Systeme sowie damit einhergehend wichtige Formeln der Quantenphysik kennen. Das erlangte Verst├ñndnis wird anhand von entsprechenden Übungaufgaben gefestigt. Des Weiteren werden Darstellung und Anwendung von Energieschemata eingeführt und wichtige physikalische Rückschlüsse aus dem Spektrum des Wasserstoffs gezogen.
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Materiewellen
Materiewellen gehören zu den faszinierendsten Phänomenen der modernen Physik. Dieser Beitrag thematisiert verschiedene Experimente, welche die Hypothese des theoretischen Physikers Louis de Broglie eindrucksvoll bestätigen. Neben dem Doppelspaltversuch von Jönsson, der inzwischen Eingang in die Oberstufen-Lehrpläne gefunden hat, werden weniger bekannte, aber hochinteressante Beugungsversuche mit langsamen Neutronen vorgestellt. Somit ergeben sich für den Unterricht im Grund- und Leistungskurs vielfältige Möglichkeiten, das Thema kontextorientiert und differenziert zu bearbeiten.
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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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Navigation – Wie wir uns mit und ohne Satelliten in der Welt zurecht finden
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Fragen
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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.
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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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Teilchenphysik
Elementarteilchen – ein Thema, das viele Menschen fasziniert. Die Fragen nach dem Woher und Wohin des Universums sowie nach den elementaren Bausteinen und Wechselwirkungen der Materie sind die Triebfeder für aufwendige Experimente. Die Erforschung der Elementarteilchen bedeutet, zum Allerkleinsten vorzudringen, zugleich Einblick in die Vergangenheit des Universums zu gewinnen sowie heutige Boten aus dem Weltall zu vermessen. Dennoch bleiben ungeklärte Fragen, welche die Elementarteilchenphysik zu einem dankbaren Thema machen, um die Neugier der Jugendlichen anzuregen und ihnen neue Welten zu eröffnen. Dieses Heft liefert Ihnen Fachinformationen und Ideen, um Aspekte der Teilchenphysik im Unterricht kompetent und interessant zu unterrichten Sie finden in diesem Heft u.a. fundierte fachliche Informationen zur Teilchenphysik, Betrachtungen zu Potenzialen der Teilchenphysik für den Unterricht, didaktische Ideen zu Aspekten der theoretischen und der experimentellen Teilchenphysik (Feynman-Diagramme und Neutrinooszillationen) sowie vielfältige und erprobte Unterrichtskonzepte, -materialien und -elemente zu verschiedenen Bereichen der Teilchenphysik. Darüber hinaus bietet Ihnen dieses Heft auch Ideen für Experimente zu Solarzellen sowie zu akustischen Schwingungen.
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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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Halbleiter und ihre Eigenschaften
Ohne Smartphone, Laptop, Tablet & Co. ist für die meisten von uns der Alltag heute kaum mehr vorstellbar. Die Elektronikindustrie entwickelt ihr Produktportfolio stetig weiter, hin zu immer kleineren und leistungsfähigeren Produkten. In dieser Unterrichtseinheit beschäftigen sich Ihre Schüler mit den Grundlagen der Halbleitertechnologie, ohne die diese rasanten Fortschritte nicht denkbar wären. In zahlreichen Schülerversuchen gehen die Lernenden der Materie anwendungsorientiert auf den Grund. Kleine digitale LearningApps runden die motivierende Einheit als Lernzielkontrolle ab.
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