Unterrichtsmaterialien Physik: Ganze Werke
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Physik
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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
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
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.
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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
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.
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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.
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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
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
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.
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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
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
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
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.
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