Lichtablenkung in der Nähe Schwarzer Löcher

Grundlage der Unterrichtseinheit ist ein vom Autor programmiertes und frei verfügbares Simulationsprogramm zur Allgemeinen Relativitätstheorie (ART). Es ermöglicht Simulationen zu verschiedenen Aspekten der Theorie, die Albert Einstein (1879-1955) im Jahr 1915 veröffentlichte und die ihm zu so großer Popularität verhalf. In der Unterrichtseinheit gehen die Schülerinnen und Schüler unter anderem der Frage nach, wie ein Schwarzes Loch aus der Nähe aussehen würde. Lehrpersonen finden im Bereich "Mein LO" detaillierte Lösungen zu den hier vorgeschlagenen Aufgaben. Zur Behandlung des Themas in der Schule eigenen sich auch die hervorragenden Computergrafiken und -animationen der Webseite "Tempolimit Lichtgeschwindigkeit".

Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

• den Schwarzschildradius mithilfe der zweiten kosmischen Geschwindigkeit herleiten können.
• den Schwarzschildradius verschiedener Himmelskörper berechnen können.
• erfahren, dass Lichtstrahlen unter bestimmten Voraussetzungen ein Schwarzes Loch umkreisen können.
• mithilfe der Computersimulation das Verhalten von Lichtstrahlen in der Nähe Schwarzer Löcher spielerisch untersuchen und die angegebene Formel verifizieren können.
• mithilfe der Computersimulation verstehen lernen, wie ein Schwarzes Loch vor dem Hintergrund eines sternenübersäten Himmels für eine Beobachterin oder einen Beobachter aussehen würde.

Kurzinformation

Didaktisch-methodischer Kommentar

Phänomene der ART
Neben der hier vorgestellten Simulation zur Lichtablenkung in der Nähe Schwarzer Löcher bietet die Simulation zu den Phänomenen der Allgemeinen Relativitätstheorie die Möglichkeit, drei wissenschaftsgeschichtlich wichtige Beobachtungen beziehungsweise Experimente für den "Beweis" der Allgemeinen Relativitätstheorie darzustellen und zu besprechen: die Lichtablenkung von Sternenlicht am Sonnenrand, die Periheldrehung der Merkurbahn und die Shapiro-Verzögerung von Radarsignalen bei der Reflexion an der Venusoberfläche.

Nischen für die ART in der Schule
Als Physiklehrer, der seit vielen Jahren in der Oberstufe unterrichtet, ist dem Autor durchaus bewusst, dass die Nischen für die Behandlung der Allgemeinen Relativitätstheorie im normalen Unterricht extrem rar geworden sind. Aber vielleicht bieten Arbeitsgemeinschaften (Physik, Astronomie), Projekttage oder die in Nordrhein-Westfalen geplanten Projektkurse der neuen Oberstufe Möglichkeiten, Aspekte der Allgemeinen Relativitätstheorie zu thematisieren und den Schülerinnen und Schülern eine Vorstellung davon zu vermitteln, mit welch faszinierenden Ideen Albert Einstein sich dem Phänomen der "Gravitation" genähert hat.

• Hintergrundinformationen
  Was ist der Schwarzschildradius? Was bedeutet "knife-edge-orbit" und wie sieht ein Schwarzes Loch aus der Nähe aus?
• Informationen zum Programm
  Das Programm "Phänomene der Allgemeinen Relativitätstheorie" ermöglicht den Vergleich der Vorhersagen von Einstein und Newton zur Gravitation.
  
• Hinweise zum Einsatz im Unterricht und Arbeitsblatt
  Die Simulationen können Vorträge per Beamer-Präsentation unterstützen und ermöglichen - mit entsprechenden Arbeitsaufträgen - Partnerarbeiten im Computerraum.

Download

Lösungen

• lichtablenkung_SL_aufgaben_mit_loesung.pdf
  Damit Ihre Schülerinnen und Schüler die Lösungen auch tatsächlich selbst erarbeiten, stellen wir den Lösungsvorschlag nur im geschlossenen Bereich "Mein LO" zur Verfügung.

Internetadresse

• Phänomene der Allgemeinen Relativitätstheorie
  Auf der Homepage von Matthias Borchardt können Sie das Programm herunterladen. Die Datei ist direkt ausführbar und muss nicht installiert werden.

Zusatzinformationen

Im Web

• Tempolimit Lichtgeschwindigkeit
  Visualisierung und Veranschaulichung der Relativitätstheorie: Hier finden Sie Artikel, Bilder, Filme und Bastelbögen.

Literatur

• Edwin F. Taylor, John A. Wheeler
  Exploring Black Holes. Addison Wesely, Longman, Inc., 2000

Informationen zum Autor

Matthias Borchardt ist Lehrer für Physik und Mathematik am Tannenbusch-Gymnasium Bonn. Auf seiner Homepage und in zahlreichen Artikeln in didaktischen Zeitschriften zum Physik- und Astronomieunterricht hat er Computersimulationen und Unterrichtsmaterialien zur Physik der Oberstufe veröffentlicht.

• Mehr Infos im Autorenverzeichnis
  Hier können Sie Kontakt mit Herrn Borchardt aufnehmen. Zudem finden Sie hier eine Liste mit allen Lehrer-Online-Beiträgen des Autors.

Kommentare zu dieser Unterrichtseinheit

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