Arbeitsblätter für Physik: Lichtgeschwindigkeit
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Folgende Themen werden mit Praxisbezug vorgestellt: Graphen, erdähnliche Planeten, Mathematik in der Politik, Ausbildung zum Fluglotsen, Neudefinition des Kilogramms durch eine Siliziumkugel, die Vermessung der Welt, moderne Labortechnik, kollaboratives Arbeiten mit digitalen Medien, Projekttag zur Demenzform Alzheimer, MINT-Schülerwettbewerbe, Dynamikum, Lehrergesundheit und Astronauten.
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.
Zwei Klausuren motivieren die SuS mit Fragestellungen zu Teilchenbeschleunigern und verbinden unterschiedliche Teilgebiete der Elektrodynamik, Elementarteilchenphysik und der Relativitätstheorie miteinander.
Die spezielle Relativitätstheorie gehört zu den Inhalten des Physikunterrichts der Sekundarstufe II. Oft fällt es schwer, die Inhalte des Themas so weit zu reduzieren, dass alle Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit haben, ihre Grundlagen komplett zu verstehen. Diese Unterrichtssequenz bietet hierfür eine streckenweise untypische Möglichkeit. Durch Erklärungen an Abbildungen und mithilfe von Textlücken sind die Grundgedanken der speziellen Relativitätstheorie gut nachvollziehbar. Es existieren viele mögliche Pfade für Sequenzen, je nachdem, wie tief man in das Thema eindringen möchte. Ferner kann eine Differenzierung zwischen Grund- und Leistungskursen gemacht werden.
Die SuS lernen Eigenschaften des Lichts und dessen Ausbreitung kennen, indem sie selbstständig Versuche durchführen und protokollieren, eine Lochkamera bauen und zum Thema recherchieren. Didaktische Erläuterungen und Lösungen für die Lehrkraft sind in der Einführung und im Anhang enthalten.
M1 Ereignisse; M2 Raum-Zeit-Diagramm; M3 Bewegungen graphisch darstellen; M4 Weltlinien und Relativitätsprinzip; M5 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: Experimente; M6 Das Äthersystem; M7 Relativitätsprinzip und sein Bezug zur Äthertheorie; M8 Experimenteller Test der Äthertheorie; M9 Gleichzeitigkeit; M10 Weg des Lichts; M11 Relativität der Gleichzeitigkeit; M12 Galilei-Transformationen; M13 Korrektur der Galilei-Transformationen; M14 Lorentz-Transformation; M15 Koordinatenwechsel mit Transformationen; M16 Geometrische Deutung der Galilei-Transformation;
M17 Lorentz-Transformation geometrisch 1; M18 Lorentz-Transformation geometrisch 2; M19 Weltlinien von Lichtstrahlen; M20 Relativität der Gleichzeitigkeit; M21 Relativität der Kausalität; M22 Schneller als das Licht; M24 Die Lorentz-Kontraktion 1; M25 Die Lorentz-Kontraktion 2; M26 Die Zeitdilatation 1; M27 Die Zeitdilatation 2; M28 Das Zwillingsparadoxon 1; M29 Das Zwillingsparadoxon 2; M30 Energie und Masse; M31 Veränderung der Masse durch Bewegung; M32 Tippkarten;
In diesem Beitrag zeigen wir, wie Visualisierungen aus der Ich-Perspektive bei einer ersten Einführung in die Spezielle Relativitätstheorie eingesetzt werden können. Vorkenntnisse in Relativitätstheorie werden dabei nicht vorausgesetzt. Die SuS sollten mit dem Begriff der Geschwindigkeit, mit der Sender-Empfänger-Vorstellung des Sehens sowie mit der Geradlinigkeit der Lichtausbreitung bereits vertraut sein. Sie lernen das Phänomen der Längenkontraktion kennen und vertiefen ihr Verständnis des Sehvorgangs, indem sie die Sender-Empfänger-Vorstellung im neuen Kontext fast lichtschneller Bewegungen anwenden.
Röntgenabsorption ist kein Standardthema der Schulphysik. Das Gebiet bietet aber viele Möglichkeiten, um u. a. Analogien zu nutzen und ihre Grenzen zu erkennen, Methoden der Erkenntnisgewinnung zu erfahren, Theorievergleiche anzuwenden und Theorien zu erweitern sowie experimentelle Methoden fortzuentwickeln. Dieser Artikel möchte die Potenziale aufzeigen und so zu einer unterrichtlichen Behandlung dieses eher ungewöhnlichen Themas ermutigen.
Die SuS führen selbstständig Versuche durch, dokumentieren und werten sie aus. Sie verwenden eine Stativstange als Spaltersatz zur Darstellung der Na-D-Absorptionslinie und untersuchen hydrostatischen Druck mithilfe des Smartphones in der Taucherglocke. Die Erklärungen und Hinweise dienen der Unterstützung der Lehrkraft.
Im Folgenden wird eine experimentelle Unterrichtssequenz vorgestellt, in der ein Übertrag der Modellierung auf den Farbstoff ß-Carotin erfolgt und mit den Ergebnissen eigener unterrichtlicher Absorptionsmessungen von Schülerinnen und Schüler verglichen wird.
Die Aufgabe dient dazu, bekanntes Wissen und vertraute Auswertungsverfahren anzuwenden (auch in neuen Kontexten) sowie Fachinformationen auszuwerten. Die Aufgaben wurden mehrfach als Abiturvorbereitung verwendet, also in einer Klausur nach Art und Dauer des Abiturs. Sie enthält auch Aufgabenteile, die eine innerfachliche Bewertung oder einen einfachen Anwendungsbezug enthalten. Die Lerngruppe muss neben den Fachmethoden auch mit dem Abfassen längerer begründender Textpassagen vertraut sein, außerdem mit nur annähernd gültigen Werten umgehen können.
Das Material umfasst Versuchsbeschreibung zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit mit Schokolade und Mikrowellen und zu Versuchen zur MIR-Strahlung. Neben einer Auflistung der benötigten Materialien sind Lösungen und Hinweise für die Lehrkraft enthalten.