Unterrichtsmaterialien Physik: Ganze Werke Seite 2/18
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Physik
Gymnasium
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Die Rotation der Sonne und anderer Sterne
Ihre Schülerinnen und Schüler bestimmen die Rotationsgeschwindigkeit der Sonne mithilfe der Rot- und Blauverschiebung von Spektrallinien des rechten und linken Sonnenrandes, wobei auch die differenzielle Rotation der Sonne thematisiert wird. Sirius ist der hellste Stern am Nachthimmel. Seine Spektrallinien zeigen eine deutliche Verbreiterung, die vor allem durch seine Rotation bedingt wird, was eine interessante Möglichkeit eröffnet, die Drehgeschwindigkeit des Sterns abzuschätzen. Im Weiteren wird das Rotationsverhalten zweier spektroskopischer Doppelsternsysteme näher untersucht. Eine Lernerfolgskontrolle rundet das Thema ab.
Gesamtwerk
Seismologie und Erdbebenphysik
Immer wieder kommt es auf der Erde zu Erdbeben oder Vulkanausbrüchen, die uns Menschen zeigen, dass wir nicht alles kontrollieren können. Dynamische Kräfte aus dem Erdinneren, die die in einzelne Platten zerbrochene Erdkruste bewegen und deformieren, verändern die Oberfläche unserer Erde ständig. Diese Bewegungen geben Energie frei, die in Form von seismischen Wellen die Erdoberfläche erschüttern lässt. Gerade in dicht besiedelten Regionen der Erde werden Erdbeben für den Menschen zur Katastrophe. Doch was geschieht physikalisch betrachtet bei der Energiefreisetzung während eines Erdbebens? Und inwieweit lassen sich Erdbeben vorhersagen?
Gesamtwerk
Physik des Radfahrens
In dieser Einheit lernen die Schülerinnen und Schüler, wie das Radfahren bei detaillierter Betrachtung von den Gesetzmäßigkeiten der Physik, insbesondere der klassischen Mechanik, bestimmt wird. Den Lernenden begegnen intuitive und eingängliche Praxisbeispiele für Zentripetal-, Zentrifugal- und Reibungskräfte. Außerdem setzen sie mechanisch zentrale Begriffe wie Drehimpuls und Drehmoment in einen für das Radfahren relevanten Kontext. In zahlreichen Übungsaufgaben festigen die Lernenden ihr erworbenes Wissen.
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Gesamtwerk
Grundlegendes Wissen der Kinematik
In dieser Einheit erarbeiten Ihre Lernenden die grundlegenden Konzepte der Kinematik. Begleiten Sie Ihre Klasse auf dem Weg zu einem fundierten naturwissenschaftlichen Verständnis der geradlinigen, gleichförmigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit. Unterstützen Sie den Lernprozess durch alltagsnahe Aufgabenstellungen und eine abschließende Lernerfolgskontrolle.
Gesamtwerk
Das physikalische Prinzip des Auftriebs
U-Boote können sinken, während Schiffe schwimmen: Viele technische Errungenschaften der Menschheit basieren auf dem Wissen des Auftriebs. Durch dieses physikalische Prinzip können wir mit Flugzeugen um die Welt fliegen, den Meeresgrund erforschen oder Waren mit Schiffen über den Globus transportieren. Doch wie entsteht der Auftrieb bei diesen Objekten? Gibt es ein physikalisches Gesetz? Die Antwort finden Ihre Lernenden in diesem Beitrag.
Verwandte Themen
Gesamtwerk
Schwingungsdiagramme
Kommunikation ist alles – auch in der Physik. Die vorliegenden Aufgaben trainieren sowohl die Kommunikationskompetenz als auch die Medienkompetenz Ihrer Lernenden. Sie lernen Diagramme von mechanischen Schwingungen mithilfe der charakteristischen Größen zu beschreiben und interpretieren. Sie recherchieren Rechenwege und Definitionen und beurteilen Erklärungen und Quellen im Internet, wie zum Beispiel Antworten von KI-Systemen wie ChatGPT. Ihre Erkenntnisse bereiten sie unter Verwendung von angemessener Fachsprache auf.
Gesamtwerk
Atome und Elektronen
Die Entwicklung der Atommodelle und der Modelle des Elektrons ist ein beeindruckender Einblick in die Geschichte für die Entdeckungen und das Verständnis des Aufbaus der Elemente und der Materie. Es begann mit philosophischen Ideen und endete mit Modellen der Quantenphysik, deren Beschreibung anspruchsvolle mathematische Methoden erfordern. Mit diesem Material spannen Sie den Bogen von der Philosophie von Demokrit bis zu den Regeln der Quantenwelt von Pauli, Schrödinger und Heisenberg. Dabei bietet das Material abwechslungsreiche Aufgaben, von denen viele zum gegenseiti-gen Austausch in Partnerarbeit und zur Stärkung der Kommunikationskompetenz Ihrer Klasse geeignet sind.
Gesamtwerk
Bombenzyklon
Wichtige Inhalte der Physik an Alltagsphänomene zu knüpfen, motiviert Lernende und hilft, physikalisches Wissen und Kompetenzen langfristig zu verankern. Wetter und Klima sind dabei zwei Themen, die nicht nur alltägliche Erscheinungen, sondern auch hinsichtlich des anthropogen verursachten Klimawandels von wesentlicher gesellschaftlicher Relevanz sind. Ein wichtiger Baustein beim Verständnis von Wetter- bzw. Klimaerscheinungen ist der Druck, hier Luftdruck. Als motivierender Einstieg dient das Wetterphänomen des „Bombenzyklons“. Wie entsteht ein Bombenzyklon? Wie kommt es zu dem starken Druckabfall? Und was ist überhaupt Druck?
Gesamtwerk
Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle gilt als klimafreundliche Technologie. Sie hat das Potential, eine wichtige Rolle im Bereich Verkehr, Heizen und Stromversorgung einzunehmen. Doch wie funktionieren Brennstoffzellen? Wie wird Wasserstoff erzeugt und gespeichert? Und wie entsteht aus Wasserstoff elektrischer Strom? In dieser Einheit erlernen die Schülerinnen und Schüler die theoretischen Grundlagen des Baus der Brennstoffzelle. Darüber hinaus werden sie selbst aktiv beim Bau einer Brennstoffzelle und führen eigene Experimente durch.
Gesamtwerk
Von der Kreisbewegung zur Schwingung
In dieser Einheit wiederholen die Lernenden die Grundbegriffe und Formeln zu den beiden wichtigen Themengebieten „Kreisbewegungen“ und „Schwingungen“. Sie finden eine Formel für die Zentripetalkraft und vergleichen Einflussgrößen von Kreisbewegungen und ungedämpften, harmonischen Schwingungen. Mithilfe anschaulicher Animationen lernen die Schülerinnen und Schüler, Schwingungen mathematisch zu beschreiben und sie interpretieren Diagramme unterschiedlicher schwingungsfähiger Systeme.
Gesamtwerk
Elektrische Schaltungen in Serie, parallel und kombiniert
Kenntnisse über grundlegende elektrische Schaltungen, wie Serienschaltung und Parallelschaltung, sowie Kombinationen dieser Schaltungen sind in der ganzen Elektrotechnik von fundamentaler Bedeutung. Dabei kommt es darauf an, aus der Kenntnis von Widerstandswerten und gemessenen Spannungen bzw. Stromstärken andere berechnen zu können und damit einen kompletten Überblick über die vorliegende Schaltung zu erhalten. Gegebenenfalls muss man Widerstandswerte entsprechend anpassen, um gewünschte Stromstärken oder Spannungen an bestimmten Bauteilen der Schaltung zu bekommen.
Gesamtwerk
Vertikaler Wurf mit Reibung
Was hoch fliegt, kommt auch wieder runter - eine der einfachsten Anwendungen der Physik. Doch gerade im erdnahen Bereich kommt auch der Faktor der Reibung mit der Atmosphäre ins Spiel. In diesem Material untersuchen die Schülerinnen und Schüler, wie sich Weg, Geschwindigkeit und Zeit eines kleinen Körpers verhalten, der senkrecht nach oben geworfen wird und vergleichen, welche Unterschiede sich durch die Berücksichtigung der Luftreibung ergeben.
Gesamtwerk
Was sind Farben
Die Wahrnehmung von Farben bot uns früher und bietet uns heute wichtige Informationen. Diese Informationen reichen vom Erkennen reifer Früchte anhand roter oder gelber Farbe, der Warnung vor Gefahren durch auffällige Zeichen bis zur Codierung einer Größe durch unterschiedliche Farben, z. B. wenn die Geländehöhen auf Landkarten verschiedenfarbig dargestellt werden. In diesem Beitrag wird das Farbensehen und Farbenerzeugen, z. B. auf Bildschirmen oder im Vierfarbdruck, qualitativ anhand einfacher Modelle erklärt. Leicht durchführbare Versuche sollen das Phänomen der Farbwahrnehmung veranschaulichen. Als Anwendung des Gelernten werden noch Methoden für Geheimschriften und 3D-Bilder vorgestellt.
Gesamtwerk
Wärmepumpe
Im März 2023 hat die Bundesregierung angekündigt, den Ausbau von Wärmepumpen massiv erhöhen zu wollen. Ab 2024 sollen pro Jahr mindestens 500.000 neue Wärmepumpen installiert werden, sodass bis zum Jahr 2030 mindestens sechs Millionen Wärmepumpen in Betrieb sind. Doch nach welchem physikalischen Prinzip funktioniert eine Wärmepumpe? Und welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad?
Gesamtwerk
Fotovoltaik und Solarthermie
Der Begriff "Energiewende" ist zurzeit in aller Munde. Dabei geht es nicht nur darum, einer drohenden Energiekrise entgegenzuwirken, sondern auch, die Schülerinnen und Schüler für eine kritische Auseinandersetzung mit der Energiegewinnung aus konventionellen und regenerativen Energiequellen zu sensibilisieren. Nur exaktes Wissen über Fakten und Zusammenhänge kann es den Jugendlichen ermöglichen, kompetent zu argumentieren und sich entsprechend bei eigenen zukünftigen Entscheidungen zu orientieren.
Gesamtwerk
Aufbau und Funktionsweise einer Röntgenanlage
Am 8. November 1895 entdeckte der Physiker Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg durch Zufall die unsichtbaren X-Strahlen, wie er sie nannte. Er erhielt für seine Entdeckung den 1901 erstmals verliehenen Nobelpreis für Physik. Die später als Röntgenstrahlen bezeichneten Strahlen revolutionierten die medizinische Diagnostik und Therapie.
Gesamtwerk
Wärme, Temperatur und Energieübertragung
Was ist Wärme physikalisch betrachtet? Und welche Formen und Auswirkungen der Wärmeübertragung gibt es? Verschiedene Gruppenpuzzles und einfache Experimente führen motivierend in das Thema ein. Dabei wird sowohl auf die verschiedenen Temperaturskalen als auch auf Ausdehnung bei Temperaturerhöhung, Änderung der thermischen Energie und weitere Effekte der Wärmelehre eingegangen.
Gesamtwerk
Lotus- und Salvinia-Effekt in Natur und Technik
Die Blätter der Lotusblume weisen eine besondere Oberfläche auf, die das Wasser tropfenweise abperlen lässt, selbst im strömenden Regen. Beim Salvinia-Effekt, benannt nach einer Pflanzenart aus der Gattung der Schwimmfarne, bildet sich auf der Oberfläche eines untergetauchten Farns ein dünner Luftfilm, der die Pflanze über einen längeren Zeitraum trocken hält. Den Lotus- und Salvinia-Effekt machen sich bestimmte Pflanzen zunutze, aber auch Tiere wie zum Beispiel Geckos. Was versteht man genau unter dem Lotus- und dem Salvinia-Effekt? Und wie lässt er sich in der Technik nutzen?
Gesamtwerk
Einstein auf dem Prüfstand
Zeitdilatation, Massenzunahme, die Äquivalenz von Energie und Masse – die Vorhersagen der Relativitätstheorie scheinen absurd und dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen. In den letzten Jahrzehnten wurden daher zahlreiche Experimente durchgeführt, um diese theoretischen Aussagen zu beweisen. Ihre Schülerinnen und Schüler bearbeiten in dieser Einheit einige der Experimente, die sich im Unterricht als didaktisch besonders geeignet erwiesen haben.
Gesamtwerk
Optische Dichte und Lichtbrechung
Ein Schwimmbecken sieht immer flacher aus, als es wirklich ist, weil das vom Boden des Beckens kommende Licht an der Oberfläche gebrochen wird. Bei der Brechung des Lichts erfolgt eine Richtungsänderung der Strahlen. Die Ursache für diese Richtungsänderung ist im Gegensatz zur Reflexion der Übergang des Lichts von einem Medium in ein anderes, z. B. von Luft in Glas oder Wasser oder umgekehrt. Bei der Lösung der Aufgaben zur Brechung spielen trigonometrische Betrachtungen (Winkelbeziehungen) beim Übergang des Lichts zwischen optisch unterschiedlichen Medien eine wichtige Rolle.
Gesamtwerk
Fahrerassistenzsysteme
Moderne Fahrzeuge enthalten eine Vielzahl sogenannter Fahrerassistenzsysteme. Dies sind automatische Steuerungen z. B. des Scheibenwischers, des Motor-Start/Stopp-Systems oder eines Warnsystems. Doch wie arbeiten Fahrerassistenzsysteme? Und welcher Zusammenhang besteht zwischen den technischen Steuerungen wie den Fahrerassistenzsystemen und der Boole’schen Logik? Die Schülerinnen und Schüler machen sich mit der Theorie zur Boole’schen Algebra und dem Aufbau elektrischen Schaltungen vertraut. In abwechslungsreichen Sozialformen erarbeiten sie sich die Grundlagen und entwickeln Lösungen für technische Herausforderungen.
Gesamtwerk
Physik des Radfahrens
In dieser Einheit begegnen ihren Lernenden intuitive und eingängliche Praxisbeispiele für Zentripetal-, Zentrifugal- und Reibungskräfte. Außerdem setzt Ihre Klasse mechanisch zentrale Begriffe wie Drehimpuls und Drehmoment in einen für das Radfahren relevanten Kontext.
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Savonius-Rotor zur Stromerzeugung
Der Savonius-Rotor kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Er funktioniert bei geringen Windgeschwindigkeiten. Der Savonius-Rotor ist unkompliziert aufgebaut und kann überall dort montiert werden, wo Luftströmungen entstehen. Die vorliegende Einheit ist ein Upcycling-Projekt. Die Lernenden erweitern ihr Wissen in den Bereichen CO2-Einsparung, Generatorprinzip, Reibung in Lagern, Stromerzeugung durch Energieumwandlung und trainieren ihre Fertigkeiten beim Bau eines Unterrichtsmodells.
Gesamtwerk
Geradlinige Bewegungen
Kennen Sie die Aussagen ""Warum ist da jetzt ein Minus?"" oder ""Aber meine Formel stimmt doch!"" von Ihrer Klasse? Bei vielen Heranwachsenden herrscht ein regelrechtes Formel-Chaos im Kopf. Es wird wild geraten, stur auswendig gelernt und unflexibel angewendet. Doch nun ist endlich Schluss damit. In den Materialien lernen die Jugendlichen, wie und warum die Formeln der gleichförmigen Bewegung und konstant beschleunigten Bewegung zustande kommen und insbesondere auch welche Rolle das frei wählbare Bezugs- und Koordinatensystem dabei spielt. Durch das erworbene tiefere Verständnis gewinnen die Lernenden wieder Spaß an Physik.
Gesamtwerk
EVA
Keine Angst vor der Relativitätstheorie! Mithilfe dieser Materialien erarbeiten sich die Jugendlichen die Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie spielerisch einfach. Schritt für Schritt erklären sie sich Einsteins Welt selbst. Sie lernen Einsteins Postulate kennen und werden von verrückten und gleichzeitig genialen Gedankenexperimenten in den Bann gezogen. Mithilfe der ""Lichtuhr"" und mathematischen Werkzeugen erschließen sie sich die Zeitdilatation und Längenkontraktion in Teamarbeit.
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