Unterrichtsmaterialien Mechanische Schwingungen und Wellen: Ganze Werke Seite 2/5
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Physik
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Gesamtwerk
Elektrischer Schwingkreis
Warum schwingt ein System aus Kondensator und Spule? Und was genau schwingt da eigentlich hin und her? In diesem Beitrag lernen die Schülerinnen und Schüler den idealen LC-Schwingkreis kennen und untersuchen seine ungedämpfte, harmonische Schwingung. Dabei skizzieren sie Spannungs-, Strom- und Energieverläufe. Schritt für Schritt leiten die Jugendlichen anschließend die Differentialgleichung der Ladung her und lösen sie innerhalb eines Gruppenpuzzles.
Gesamtwerk
Akustik
Klingelt es bei Ihren Schüler:innen? Oder haben viele die letzte Klassenarbeit vergeigt? Klänge sind nicht nur in unserer Sprache zu finden, akustische Phänomene spielen auch in unserem Alltag eine große Rolle: Wir reden, hören Musik, messen Lärm und nutzen oder beeinflussen akustische Phänomene in technischen Anwendungen. Von dieser Alltagsnähe der Akustik lebt der Themenschwerpunkt dieser Ausgabe. Die Autor:innen schlagen Unterrichtseinheiten und -elemente zu einem breiten Spektrum schülernaher Themen vor - damit es bei Ihren Schüler:innen Klick macht Diese Ausgabe bietet Ihnen neben Hintergrundinformationen für den Unterricht zur Akustik u.a.: Materialien für ein Lernen an Stationen zu Musikinstrumenten; Vorschläge, mit digitalen Tools Sprache und Klänge zu erkunden; Experimente rund ums Hören und zu Hörbeeinträchtigungen; Ideen für Unterricht zur Echoortung bei Fledermäusen und in der Technik; Anregungen für Experimente zur technischen Gestaltungen unserer auditiven Umwelt. Daneben finden Sie auch Informationen zu AR-Apps zum Thema Stromkreise sowie Experimente aus der Wellenoptik und der Mechanik.
Gesamtwerk
Relativitätstheorie
Schwarze Löcher, Raumkrümmung, Gravitationswellen – solche Themen finden sicher auch viele Ihrer Schüler:innen spannend und wollen mehr darüber wissen. Begeben Sie sich gemeinsam mit den Jugendlichen auf eine faszinierende Reise: Erforschen Sie (scheinbare) Paradoxa bei zueinander bewegten Bezugssystemen oder gekrümmte Räume. Fliegen Sie fast mit Lichtgeschwindigkeit über den Marktplatz einer Stadt – oder gleich in ein Schwarzes Loch. Diese Reise zu einem modernen Weltbild lohnt sich: Am Ende werden Ihre Schüler:innen unser Universum auf neue Weise sehen. Zur Planung dieser „Reise“ bietet Ihnen diese Ausgabe Hintergrundinformation und Unterrichtskonzepte zur Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie. Vorgestellt werden Ideen zu einem breiten Themenspektrum, u.a.: „Gleichzeitigkeit“, Zeitdilatation und Längenkontraktion; Äquivalenzprinzip; Lichtablenkung und Raumkrümmung; Raumkrümmung durch Massen und Gravitationswellen. Daneben finden Sie Informationen zum diesjährigen Physik-Nobelpreis und Experimentiervorschläge für eine „Tarnkappe“ aus zerkratzten Scheiben sowie für eine einfache Bestimmung der Solarkonstanten.
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Gesamtwerk
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.
Gesamtwerk
Untersuchung von Materiewellen
Elektronen besitzen sowohl einen Wellen- als auch einen Teilchencharakter. In diesem Beitrag beleuchten Sie mit Ihren Schülerinnen und Schülern zunächst die Experimente und Erkenntnisse von de Broglie, Davisson und Germer. Anschließend haben die Lernenden die Möglichkeit, ihr Wissen anhand von zahlreichen Übungsaufgaben zur Quantenphysik zu festigen. Der Beitrag schließt mit einem ausführlich gestalteten Lösungsteil. Tauchen Sie mit Ihrer Klasse in diese Materie ein und schwimmen Sie mit ihr auf der Welle des Lernerfolgs.
Gesamtwerk
Schwingungen und Rückstellkräfte
Ob in Wanduhren, bei Federpendeln oder einer Schaukel: Schwingungen besitzen eine zentrale Rolle im alltäglichen Geschehen. Neben ihren physikalischen Besonderheiten können Schwingungen auch mathematisch mit Differentialgleichungen beschrieben werden. In diesem Beitrag lernen die Schülerinnen und Schüler, wie man solche Gleichungen aufstellt und anschließend zielführend damit umgeht. Sie erhalten außerdem Einblick in den Zusammenhang zwischen harmonischen Schwingungen und Rückstellkräften. Schließlich erstellen die Lernenden eigenständig eine Animation zu einem Fadenpendel, um ein tieferes Verständnis für die Thematik zu entwickeln.
Gesamtwerk
Von der Kreisbewegung zur Schwingung
Was haben Kreisbewegungen mit Schwingungen gemeinsam? In diesem Beitrag wiederholen die Lernenden die Grundbegriffe und Formeln zu diesen beiden wichtigen Themengebieten, finden eine Formel für die Zentripetalkraft und vergleichen Einflussgrößen von Kreisbewegungen und ungedämpften, harmonischen Schwingungen. Mit anschaulichen Animationen lernen die Schülerinnen und Schüler, Schwingungen mathematisch zu beschreiben und interpretieren Diagramme unterschiedlicher schwingungsfähiger Systeme. Eine weitere Herausforderung für die Lernenden in Form einer Klassenarbeit rundet die Einheit ab.
Gesamtwerk
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.
Gesamtwerk
Untersuchung von Gasspektren
Wasserstoff ist das mit Abstand am häufigsten vorkommende Element im gesamten Universum. Sein Emissionsspektrum zeigt einige diskrete Linien im sichtbaren Bereich, für die Johann Jakob Balmer eine einfache Formel für die Berechnung der Wellenlängen herleiten konnte. Es zeigte sich schnell, dass die Untersuchung von Linienspektren einen wichtigen Baustein zum Verständnis des Aufbaus der Materie darstellt. Aber wie kann man diese diskreten Wellenlängen bestimmen? In diesem Beitrag finden Sie Aufgaben zum verwendeten, relativ einfachen Versuchsaufbau und zu den physikalischen Grundlagen einer zu dieser Fragestellung passenden Messung. Den Schwerpunkt bildet eine umfangreiche Sammlung von Fotos anhand derer Ihre Schülerinnen und Schüler die Bestimmung und die Auswertung der Wellenlängen der Balmer-Serie üben können.
Gesamtwerk
Dynamik
Nicht umsonst gilt der Kraftbegriff als einer der schwierigsten Begriffe im Physikunterricht. Das ist vielleicht die schlechte Nachricht. Die gute aber ist, dass nicht nur die Untiefen des Dynamikunterrichts inzwischen gut erforscht sind, sondern auch Mittel und Wege, diese zu umgehen. Im Dynamikunterricht laden wir die Lernenden ein, die ihnen vertraute Welt durch eine physikalische Brille zu sehen. Hierfür bietet dieses Heft verschiedene Unterrichtsideen sowie Experimente und Aufgaben rund um das Thema Dynamik und newtonsche Gesetze. Sie finden in diesem Heft u. a.: Fachdidaktische Aspekte zu Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten in der Dynamik; Vielfältige und erprobte Unterrichtskonzepte für den Dynamikunterricht; Selbstbauexperimente mit Anleitungen; Aufgaben und Versuche zu den newtonschen Gesetzen. Neben dem Themenschwerpunkt finden sich im Heft auch Anregungen für den Einsatz von Sketchnotes im Physikunterricht sowie Experimente zur Verwendung von Videoanalyse und dem Nachweis von Wechselspannung mit einem Nabendynamo.
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Beugung am Spalt, Doppelspalt und Gitter
Viele Eigenschaften des Lichts lassen sich mit dem Wellenmodell erklären. Insbesondere bei der Beugung des Lichts an Hindernissen tritt der Wellencharakter deutlich in Erscheinung. Die Beugung spielt nicht nur bei Licht, sondern auch in anderen Bereichen (z. B. Akustik, Quantenphysik) eine große Rolle. Ihre Schülerinnen und Schüler sollten daher unbedingt das Phänomen der Beugung kennenlernen.
Gesamtwerk
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.
Gesamtwerk
Kondensatoren mit variabler Kapazität
Kondensatoren zählen zu den wichtigsten Bauelementen der Elektrotechnik. Sie speichern elektrische Ladung und elektrische Energie. Die einfachste Bauform hat der Plattenkondensator. Da sein elektrisches Feld (nahezu) homogen ist, ist seine mathematische Beschreibung vergleichsweise einfach, weshalb er gerne im Schulunterricht behandelt wird.
Gesamtwerk
Navigation – Wie wir uns mit und ohne Satelliten in der Welt zurecht finden
Navigation – Wie wir uns mit und ohne Satelliten in der Welt zurecht finden
Gesamtwerk
Mechanische Schwingungen
Zeitliche Schwingungen spielen eine zentrale Rolle, nicht nur in der Physik und Technik. Sie bilden auch das Fundament, um Wellenausbreitungen (zeitliche und räumliche Schwingungen) verstehen zu können. In dem vorliegenden Unterrichtsmaterial wiederholen die Schülerinnen und Schüler die wichtigsten Begriffe der Schwingungslehre. Es werden die ungedämpften und die gedämpften Schwingungen kurz angesprochen, bevor die Schüler Übungsaufgaben zu diesem Themenbereich bearbeiten.
Gesamtwerk
Die elastische Schraubenfeder
Die Schüler lernen den vielfältigen Einsatz von Schraubenfedern in der Praxis kennen. Dieser erlaubt verschiedene physikalische Sichtweisen, wie z. B. die Wirkungsweise in Form von Diagrammen aufzuzeigen, Berechnungen hinsichtlich ihrer Dehnbarkeit zuzulassen, aber auch Betrachtungen über damit verbundene Energieumwandlungen anzustellen. Schraubenfedern lassen sich miteinander kombinieren und können auch als schwingungsfähige Elemente dargestellt und behandelt werden.
Gesamtwerk
Optische Speicher und Lichtleiter
Die Unterrichtsreihe zur Optik für den Physikunterricht in der Sekundarstufe I beschäftigt sich mit unterschiedlichen Möglichkeiten der optischen Signalverarbeitung. Sie sensibilisieren Ihre Klasse für Fragestellungen zur Funktionsweise technischer Alltagsgegenstände wie CDs und DVDs. Motivieren Sie Ihre Klasse durch den Schülerversuch dieses Beitrags, sich mit Gesetzmäßigkeiten der Optik auseinander zu setzen. Mit anwendungsbezogenen Fragestellungen begeistern Sie die Lernenden für die MINT-Fächer.
Gesamtwerk
Bewegungen analysieren
Der Beitrag zur Analyse von Bewegungen im gymnasialen Physikunterricht kommt der Forderung nach Digitalisierung in der Lehre nach. Es werden unterschiedliche Bewegungsformen mithilfe einer kostenlosen Smartphone-App untersucht. Für die Lernenden ist es ausgesprochen motivierend, ihr eigenes Smartphone im Unterricht einzusetzen und dabei verschiedene Sensoren sinnstiftend als Messgerät zu verwenden. Der Beitrag zeigt ebenso Möglichkeiten auf, als digitale Alternative zum Präsenzunterricht viele Experimente auch von zu Hause aus eigenständig durchzuführen.
Gesamtwerk
Tonaufzeichnung
Jeder kennt sie: externe Speichermedien für Aufzeichnungsgeräte aller Art sowie für PCs und Laptops. Sie sind aus unserer heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Ab dem späten 19. Jahrhundert gelang es Klänge einzufangen, um sie haltbar zu machen und bei Bedarf wiederzugeben. In diesem Film geht es um die Erfindungen und Leistungen der Menschen die dieses Wunder möglich gemacht haben. Der Phonautograph ein Gerät, das Schallwellen sichtbar machen sollte, über das von Emil Berliner erfundene Grammophon bis zum MP3-Player werden vorgestellt und in ihrer Wirkungsweise erklärt. In Verbindung mit dem umfangreichen Zusatzmaterial (klassische und interaktive Arbeitsblätter, Glossar, Testfragen) lässt sich das Medium hervorragend im Unterricht verwenden. Glossar, interaktive Aufgaben und Testfragen wurden mit H5P erstellt und können ohne weitere Software verwendet werden.
Gesamtwerk
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.
Gesamtwerk
Schallwandler
Die Unterrichtsreihe für den gymnasialen Physikunterricht beschäftigt sich mit der Funktionsweise von Mikrofonen und Lautsprechern als wichtige Bestandteile von technischen Alltagsgegenständen. Mithilfe von einfachen Experimenten und dem Selbstbau eines Mikrofons vermitteln Sie den Lernenden den grundlegenden Bezug zwischen Schall als akustischem Phänomen und dessen Umwandlung in elektrische Signale. Sie trainieren die Fähigkeit Ihrer Schülerinnen und Schüler, physikalische Erkenntnisse zu verbalisieren, zu präsentieren und fördern außerdem ihre Bereitschaft, sich mit elektronischen Bauelementen näher auseinanderzusetzen. Mit abwechslungsreichen Experimenten begeistern Sie Ihre Klasse für die Welt der Elektrotechnik.
Gesamtwerk
Digitale Bildung
Die Situation an Schulen aufgrund der COVID-19-Pandemie zeigte, wie dringlich digitale Erweiterungen des Unterrichts sind. Dabei wird Digitalisierung üblicherweise als Erweiterung der bestehenden und bewährten unterrichtlichen Methodenvielfalt verstanden. Digitale Bildung zielt hier auf einen reflektierten Umgang mit diesen neuen Methoden ab. Dies zieht sich wie ein roter Faden durch dieses Heft und die darin vorgestellten Unterrichtsideen. Im Basisartikel findet sich eine Übersicht über digitale Kompetenzen und deren Umsetzungsmöglichkeiten im Physikunterricht. Ergänzende Basisartikel zeigen, wo Lehrkräfte verständlich beschriebene Forschungsergebnisse zum Thema finden können und in welchen Unterrichtssituationen der Einsatz welcher Endgeräte sinnvoll erscheint. Ein Glossar hilft bei der Orientierung. Die Unterrichtsvorschläge umfassen ein weites Spektrum an Gelegenheiten zum Erwerb digitaler Kompetenzen: Einsatz von Simulationen auf Tablets in der Wellenlehre; Messwerterfassung am Smartphone in einer Unterrichtseinheit zum Thema Elektromobilität; digital gestützte Schülerexperimente zur Messung der Periodendauer eines Fadenpendels und zur Bestimmung des Ortsfaktors; Experimente mit Augmented Reality zur Förderung des Konzeptverständnis in der Wärmelehre; Unterrichtseinheiten zum Thema Energie mit einer digitalen Lehr-Lernplattform; Online-Seminare mit außerschulischen Fachleuten am Beispiel der Überprüfung des eigenen Hörvermögens; Videoanalysen zum Beutefang von Chamäleons unter Einbeziehung von "Open Data" und "Citizen Science"-Konzepten. Weitere Beiträge beschreiben Schüler-Experimentierkisten, Modellexperimente zum Funkeln der Sterne, Experimente zur Fotoretusche mit Farbfiltern sowie einen Versuch zur Energieumwandlung mit der Whitingröhre.
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Die Physik des Fadenpendels
Ein Foucault‘sches Pendel ist ein langes, sphärisches Pendel mit einer großen Pendelmasse, mit dessen Hilfe ohne Bezug auf Beobachtungen am Himmel die Erdrotation nachgewiesen werden kann. Es geht auf den französische Physiker Léon Foucault (1819–1868) zurück. In diesem Beitrag setzen sich Ihre Schüler mit den Gleichungen auseinander, die die Physik des Fadenpendels beschreiben. Sie lösen Übungsaufgaben, in denen sie die Gleichungen anwenden. So erarbeiten sie sich die Grundlagen, um zu verstehen, wie Foucault seinerzeit die Erdrotation gemessen hat.
Gesamtwerk
Informationsverarbeitung mit Licht
Wer Musik, Fotos oder Filme unveränderbar speichern will oder diese im Handel erwirbt, wählt CDs, DVDs oder Blu-ray-Discs als Medium. Um schnelles Internet zu ermöglichen, wurden die meisten Telekommunikationsnetze auf Glasfaserkabel umgerüstet. Glasfaserkabel und die genannten Datenträger haben eine Gemeinsamkeit: Daten werden mithilfe von Licht verarbeitet. In dieser Einheit werden die Grundlagen zur Verarbeitung von Daten vermittelt, mithilfe von Experimenten vertieft und ein Hinterfragen der Funktionsweise technischer Alltagsgegenstände angeregt.
Gesamtwerk
Vorkurs Physik für Ingenieure
Der perfekte Einstieg in die Welt der Physik. Kenntnisse der Physik sind eine Grundvoraussetzung für ein erfolgreiches ingenieurwissenschaftliches Studium. In dem Vorkurs wird das nötige Grundwissen der Physik für ein ingenieurwissenschaftliches (oder naturwissenschaftliches) Studium präsentiert. Zu jedem Thema gibt es eine ausführliche Hinführung, viele Abbildungen, durchgerechnete Beispiele und Musteraufgaben. Lösungsschemata werden kompakt aufbereitet und strukturiert dargestellt. Wer dieses Buch durchgearbeitet hat, ist bestens für die Physik-Vorlesung präpariert, auch wenn Schüler:innen das Fach in der Schule abgewählt hatten.
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