In dieser Unterrichtseinheit zum Thema bildgebende Verfahren wird anhand eines Videos der Nutzen des elektromagnetischen Wellenspektrums für die Weltraum-Teleskopie deutlich gemacht. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich dabei anhand praktischer Beispiele und methodisch variierend einen Überblick über die verwendeten bildgebenden Verfahren. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.Die Schülerinnen und Schüler werden in mehreren Lernrunden mit dem elektromagnetischen Wellenspektrum und dessen Nutzen für die Weltraum-Teleskopie vertraut gemacht. Speziell erarbeiten sie dazu den Unterschied zwischen sichtbarem und infrarotem Licht. Darüber hinaus werden die historischen Erkenntnisse mit aktuellen Forschungsaktivitäten in Verbindung gesetzt. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier "Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht" . Das Thema "bildgebende Verfahren" im Unterricht Das Thema bildgebende Verfahren auf der Basis des Wellenspektrums ist nicht leicht zu fassen und lässt sich daher durch das Beispiel der Weltraum-Teleskopie besser erläutern. Vor allem die Unterschiede zwischen dem sichtbaren und infraroten Wellenspektrum können somit verdeutlicht und deren Nutzen für die aktuelle Wissenschaft aufgezeigt werden, um zum Beispiel den Urknall besser zu verstehen. Vorkenntnisse Die Unterrichtseinheit setzt keine speziellen Kenntnisse der Lernenden voraus. Hilfreich können jedoch Grundkenntnisse zu Wellen sein. Didaktische Analyse Das Arbeitsmaterial zu bildgebenden Verfahren in der Weltraum-Teleskopie ist als erste fachliche Konfrontation der Schülerinnen und Schüler mit dem Thema konzipiert. Die Lernenden erhalten einen Überblick über den Nutzen bildgebender Verfahren in der Teleskopie sowie Grundkenntnisse in den physikalischen Grundlagen zu elektromagnetischen Wellen im sichtbaren und infraroten Bereich. Methodische Analyse Durch die methodische Aufbereitung der Unterrichtssequenz wird eine hohe Schüleraktivität erreicht. Der Einstieg wie auch das Erklärvideo als Medium sollen das Interesse und die Diskussionsbereitschaft der Lernenden schon zu Beginn der Sequenz wecken. Schwierige Arbeitsaufträge werden durch Partner- und Gruppenarbeiten methodisch aufgefangen. Eine Internetrecherche hat die Doppelfunktion, dass historische und aktuelle Bezüge verknüpft und ein hoher Grad an Schülerselbsttätigkeit erreicht werden kann. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können verschiedene elektromagnetische Wellen benennen und deren Eigenschaften aufzeigen. können unterschiedliche Arten der Weltraum-Teleskopie benennen und deren Vor- und Nachteile erläutern. können aktuellste Technik für die Weltraum-Teleskopie benennen und deren Funktion erläutern. können die historisch gewachsenen Erkenntnisse zu bildgebenden Verfahren in aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen wiedererkennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können den Informationsgehalt eines Erklärvideos erfassen, strukturiert und aufgabengenbezogen wiedergeben und anwenden. recherchieren Hintergrundinformationen im Internet. spielen Videoclips sequentiell ab. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konstruktiv in Teams zusammen. setzen sich mit den Arbeitsergebnissen anderer Gruppen konstruktiv auseinander. entwickeln Fachwissen zu aktueller Technik, welche auf die physikalischen Grundkenntnisse abgebildet werden kann, und können dieses auch gegenüber anderen erläutern. Hier können Sie sich das Video zur Unterrichtseinheit "Bildgebende Verfahren in der Weltraum-Teleskopie" anschauen.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Aufnahmen der Erde aus dem Weltraum lernen die Schülerinnen und Schüler die geographische Beschaffenheit der Erde anhand von Bildern aus dem Weltall kennen.In dieser Unterrichtseinheit wird den Schülerinnen und Schülern die Fernerkundung der Erde vom Weltraum aus vorgestellt. Die Lernenden führen dabei vom Boden aus gemachte Aufnahmen verschiedener Landschaften (Gebirge, Seen, Flüsse, Städte, Inseln und Wüsten) mit Aufnahmen derselben Orte zusammen, die von Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation und von Erdbeobachtungssatelliten gemacht wurden. Sie lernen dabei, warum Beobachtungssatelliten der Erde nützlich sind und welche Bedeutung die Aufnahmen aus dem All für uns Menschen haben, schärfen aber auch ihr Verständnis für neue Perspektiven und verbessern ihre Fähigkeit, anhand mehrerer Kriterien verschiedene Objekte zu assoziieren. Durch den Vergleich der Bilder, die auf der Erde gemacht wurden und den Bildern, die aus dem Weltall von der Erde gemacht werden, erkennen die Schülerinnen und Schüler die Wichtigkeit dieser Aufnahmen. Viele Merkmale und die Gesundheit des Planeten lassen sich mit Bildern aus dem Weltall überprüfen: Durch die Bilder lassen sich beispielsweise detailliert Karten herstellen und sie helfen dabei, die Vegetation und Verschmutzung zu überwachen. Auch bei der Wettervorhersage sind Bilder aus dem Weltall eine wichtige Hilfe. Bei diesen Ressourcen wurden insbesondere Aufnahmen von Sentinel-1 und Sentinel-2 verwendet. Diese Missionen wurden von der ESA als Teil des Copernicus-Programms entwickelt. Die Schülerinnen und Schüler erlernen und üben mithilfe dieser Unterrichtseinheit das zu behandelnde Thema aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. So entdecken sie Unterschiede zwischen den Perspektiven, aus denen die Aufnahmen der Erdoberfläche gemacht wurden. Durch diese neuen Betrachtungspunkte aus der Vogelperspektive lernen sie, welche Aussagen sich aufgrund der Beschaffenheit der Erdoberfläche treffen lassen und wie diese Aufnahmen überhaupt gemacht wurden. Des weiteren wird die Beobachtungsgabe und die Analysefähigkeit geschult, da nach Betrachtung der Aufnahmen darauf aufbauend Schlüsse gezogen werden. Die Zusammenarbeit der Schülerinnen und Schüler wird im letzten Teil der Unterrichtseinheit erprobt, da die verschiedenen Analysen zusammengetragen und verglichen werden. Altersgruppe: 8 bis 12 Jahre Schwierigkeitsgrad: leicht Zeitbedarf: 45 Minuten Kosten pro Klasse: 0 bis 5 Euro Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich verschiedene Betrachtungspunkte, von denen aus man einen Gegenstand beobachten kann. erkennen den Unterschied zwischen Aufnahmen, die vom Boden aus aufgenommen wurden und Aufnahmen, die aus dem Weltraum gemachte wurden. sehen, wie Seen, Flüsse, Gebirge, Wüsten und Städte aus dem Weltraum aussehen. erfahren die Nützlichkeit von Aufnahmen der Erde aus dem Weltraum. lernen, dass Erdbeobachtungssatelliten existieren und weshalb diese nützlich sind. verbessern ihre Fähigkeit Bilder zu analysieren und einschlägige Informationen zu vermitteln, sowie anhand mehrerer Kriterien verschiedene Objekte zu assoziieren. verstehen neue Perspektiven. schulen sich in ihrer Fähigkeit mit anderen zusammenzuarbeiten und Schlussfolgerungen zu teilen.

Mit der Unterrichtseinheit wird ein mathematisches Verfahren vorgestellt, mit dem Näherungslösungen bei Antrieb und Flug von Raketen zu exakten Lösungen werden. Wegen des dafür nötigen Wissens zur Differential- und Integralrechnung werden nur interessierte Schülerinnen und Schüler mit den entsprechenden Kenntnissen angesprochen. Ziel der Unterrichtseinheit ist die Anwendung der Raketengrundgleichung, die vom russischen Mathematiker und Raumfahrttheoretiker Konstantin Ziolkowski erstmals im Jahr 1903 aufgestellt wurde.Ausgehend von den Vorkenntnissen ( Grundlagen der Raketenphysik ) werden die Schülerinnen und Schüler mit den Gesetzmäßigkeiten zur Differential- und Integralrechnung Schritt für Schritt an die exakte Berechnung von Raketenbewegungen herangeführt. Nach der Herleitung der Raketengrundgleichung und der daraus resultierenden Raketengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Flugzeit sind die Lernenden in der Lage, nach weiteren Herleitungen die Höhe des Raketenfluges in Abhängigkeit der Zeit sowie die maximal erreichbare Höhe nach Ablauf der Brenndauer des Raketenantriebes abzuleiten. Raketenphysik für Interessierte Die große Bedeutung von Impuls und Impulserhaltungssatz kommt gerade beim Raketenflug im Weltraum voll zum Tragen. So kann gezeigt werden, dass Bewegungen im luftleeren Weltraum allein durch die im Impulserhaltungssatz enthaltenen Gesetzmäßigkeiten ablaufen – auch ohne die uns so vertrauten irdischen Kräfte wie etwa der Reibungskraft, die für eine Fortbewegung beim Gehen oder Fahren unbedingt nötig sind. Lehrkräfte sollten gut vorbereitet sein, um auf daraus resultierende Fragen sachkompetent eingehen und antworten zu können. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können dahingehend vorausgesetzt werden, dass Impuls und Impulserhaltungssatz im Unterricht in der Regel im Unterricht bereits ausführlich behandelt wurden. Die Anwendung der Gesetze im Weltraum stellt eine interessante Ergänzung dar. Didaktische Analyse Das Rückstoßprinzip für den Antrieb von Raketen – in ähnlicher, aber nicht gleicher Weise den meisten beim Vortrieb von Flugzeugen bekannt – zeigt sehr schön die Möglichkeiten der Fortbewegung im luftleeren Raum auf. Sie bildet die Grundlage für prinzipielle Möglichkeiten zu Raketenflügen über große Distanzen, wobei allerdings die Grenzen der technischen Möglichkeiten beim Verlassen – etwa des Sonnensystems – nicht übersehen werden dürfen. Methodische Analyse Die Annäherung an die exakten Vorgänge beim Antrieb von Raketen mithilfe des an Näherungslösungen angelegten Iterationsverfahrens ist eine ideale Möglichkeit dar, auf relativ einfache Art den Lernenden das Rückstoßprinzip nahezubringen. Mit den deutlich schwierigeren Gesetzmäßigkeiten bei der mathematisch exakten Beschreibung wird es schließlich möglich, Bewegungsgleichungen für exakte Lösungen herzuleiten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen die exakten Abläufe bei Raketenflügen in das Weltall. können die unterschiedliche Fragestellungen mit mathematisch präzisen Formeln unterlegen. wissen um die Bedeutung von Differential- und Integralrechnung für die Raketenphysik. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.

In dieser Unterrichtseinheit wird anhand verschiedener Beispiele zu ein- und mehrstufigen Raketen aufgezeigt, wie es zum einen möglich wird, Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen und zum anderen, welche Voraussetzungen gegeben sein müssen, um den Anziehungsbereich der Erde – beispielsweise für Flüge zum Mond – zu verlassen. Dazu werden die kosmischen Geschwindigkeiten herangezogen, wobei die 3. kosmische Geschwindigkeit es auch ermöglicht, die Anziehungsbereiche von Erde und Sonne zu verlassen. Dieses Material ist eine direkte Anknüpfung an die Unterrichtseinheit "Raketenphysik: Herleitung der Raketengrundgleichung" . An verschiedenen Beispielen mit ein- bis dreistufigen Raketen wird den Lernenden gezeigt, wie man die Raketengrundgleichung für die verschiedenen Aufgabenstellungen anwenden kann. Dabei lernen die Schülerinnen und Schüler neben machbaren und bereits vielfältig durchgeführten Missionen mit Raketen zum Mond und auch zum Mars die Grenzen der Raumfahrt kennen. So erfahren sie, dass interstellare Missionen mit Raketen in die tiefen und extrem weit entfernten Bereiche des Weltalls auch in Zukunft – trotz ständig sich verbessernder technischen Möglichkeiten – aufgrund physikalischer Gegebenheiten wohl nicht möglich sein werden. Raketenphysik: Bedeutung für den Unterricht Die große Bedeutung von Impuls und Impulserhaltungssatz kommt gerade beim Raketenflug im Weltraum voll zum Tragen. So kann gezeigt werden, dass Bewegungen im luftleeren Weltraum allein durch die im Impulserhaltungssatz enthaltenen Gesetzmäßigkeiten ablaufen – auch ohne die uns vertrauten irdischen Kräfte, wie zum Beispiel die Reibungskraft, die für eine Fortbewegung beim Gehen oder Fahren unbedingt nötig sind. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden können insofern vorausgesetzt werden, dass die Nutzung des Weltraums durch stationäre und uns permanent umkreisende Satelliten ebenso bekannt sein sollte – zum Beispiel die internationale Raumstation ISS , die unsere Erde in einem 90-minütigen Turnus umkreist. Didaktische Analyse Die Möglichkeit der Fortbewegung im luftleeren Raum durch Raketen bildet die Basis für prinzipielle Möglichkeiten zu Raketenflügen über große Distanzen. Allerdings dürfen die physikalischen Grenzen und damit verbundenen technischen Möglichkeiten beim Verlassen – etwa des Sonnensystems – nicht übersehen werden. Methodische Analyse Flüge zum Mond wurden nur möglich durch den Bau mehrstufiger Raketen wie der über 100 m hohen Saturn V Rakete der amerikanischen NASA – mit einstufigen Raketen wäre der Mond nicht zu erreichen gewesen. Diese physikalischen Notwendigkeiten genau zu erläutern, ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der physikalischen Gegebenheiten und Unterschiede zwischen dem Aussetzen von erdnahen Satelliten und Flügen, mit denen man die Anziehungskraft der Erde und eventuell auch der Sonne überwinden muss. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen die Abläufe und Unterschiede bei Raketenflügen in die verschiedenen Regionen des Weltalls. können die unterschiedlichen Fragestellungen mit mathematisch präzisen Formeln unterlegen. wissen um die Bedeutung von Differential- und Integralrechnung für die Raketenphysik. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Grundlagen der Raketenphysik" wird die Fortbewegung von Raketen im Weltraum thematisiert. Diese Art der Fortbewegung ist deshalb besonders, weil im Gegensatz zu den uns auf der Erde bekannten Fortbewegungsmöglichkeiten wie etwa dem Gehen, Fahren oder auch Fliegen im Weltraum außerhalb der Lufthülle der Erde das Medium zum Abstoßen (Boden oder Luft) fehlt. Dass der Flug von Raketen trotzdem möglich ist, liegt an der Art des Antriebes von Raketen – der von der Rakete ausgestoßene verbrannte Treibstoff sorgt aufgrund des Rückstoßprinzips für die Vorwärtsbewegung der Rakete.Anhand eines einfachen Beispiels in Form eines Raketenwagens wird den Schülerinnen und Schülern das auf der Impulserhaltung basierende Rückstoßprinzip vorgestellt und Schritt für Schritt erläutert. Dabei reicht es zum Verstehen für die Lernenden zunächst völlig aus, den Ausstoß der "Treibstoffmasse" in kleinen Einzelportionen zu simulieren und die Ergebnisse für Berechnungen wie etwa die Geschwindigkeit des Raketenwagens mittels der Gesetze zur Impulserhaltung zu verwenden. Dieses sogenannte "Iterationsverfahren" macht es durch Verkleinerung entsprechender Parameter wie Masse oder Zeit möglich, Näherungslösungen zu finden, die der tatsächlichen Geschwindigkeit immer näherkommt. Für eine exakte Bestimmung der Geschwindigkeit benötigt man im weiteren Verlauf des Unterrichts dann die Gesetzmäßigkeiten der Differential- und Integralrechnung. Grundlagen der Raketenphysik: auf dem Weg in den Weltraum Die seit Jahren verstärkt zunehmenden Aktivitäten – auch von finanzstarken Privatunternehmen – zeigen deutlich, welche Rolle Raketen für den Transport einer Vielzahl von Satelliten in erdnahe Umlaufbahnen oder auch zur Erforschung weit entfernter Himmelsobjekte (Stichwort: Marsmission ) haben. Die dafür notwendige Technik und damit auch die dahinterstehende Physik ist zwar – im Detail betrachtet – äußerst kompliziert und aufwendig, kann aber im Rahmen der speziellen Möglichkeiten der Oberstufenphysik des Gymnasiums gut besprochen werden. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden können nur in der Weise vorausgesetzt werden, dass unter anderem die von jedem Jugendlichen benutzten Smartphones sehr von stationären Satelliten abhängen und mithilfe von Raketen in ihre Umlaufbahn gebracht werden müssen. Weitere Kenntnisse über Bau und Funktion von Raketen sollten eher die Ausnahme sein. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas kann man davon ausgehen, dass das Rückstoßprinzip, das bei Raketen, aber auch bei Flugzeugen in ähnlicher Weise den Vortrieb ermöglicht, von den meisten Lernenden, die Physik in der Oberstufe gewählt haben, problemlos verstanden werden kann. Methodische Analyse Die Annäherung an die exakten Vorgänge beim Antrieb von Raketen mithilfe des an Näherungslösungen angelegten Iterationsverfahrens stellt eine gute Möglichkeit dar, auf relativ einfache Art den Lernenden das Rückstoßprinzip nahezubringen. Damit können die Voraussetzungen für die besonders interessierten Schülerinnen und Schüler geschaffen werden, auch die deutlich schwierigeren Gesetzmäßigkeiten bei der mathematisch exakten Beschreibung zu verstehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Abläufe bei Raketenflügen beschreiben und erläutern. kennen die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, mit denen Raketenflüge möglich werden. wissen um die Bedeutung des Iterationsverfahrens für das grundlegende Verständnis für die näherungsweise Berechnung der Raketengeschwindigkeit. verwenden den Impulserhaltungssatz, um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.

Mithilfe dieser Unterrichtseinheit zur Erde-Mond-Gravitation erkennen die Schülerinnen und Schüler die Auswirkungen differentieller Gravitation und die Wechselwirkungen im Kräftesystem Erde-Mond. In dieser Unterrichtseinheit befassen sich die Schülerinnen und Schüler mit den folgenden Fragen: Wie beeinflusst der Mond die Erde – und wie die Erde den Mond? Was wäre, wenn sich der Mond viel näher um die Erde drehen würde – oder viel weiter weg? Und wieso trifft der Mondschatten die Erde so selten? Die Unterrichtsmaterialien sind im Rahmen des Projektes "Columbus Eye – Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht" entstanden. Das übergeordnete Projektziel besteht in der Erarbeitung eines umfassenden Angebots an digitalen Lernmaterialien für den Einsatz im Schulunterricht. Dieses Angebot umfasst interaktive Lerntools und Arbeitsblätter, die über ein Lernportal zur Verfügung gestellt werden. Das Projekt Columbus Eye wird von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 50 JR 1703 gefördert. Anhand der Unterrichtsmaterialien "Gravitation im Erde-Mond-System" mit dazugehöriger App beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler experimentell mit der Veränderung des Erde-Mond-Abstandes. Mit dem Smartphone nehmen sie die Position des Mondes ein und können aus dem Weltraum heraus experimentieren. So finden sie heraus, was passiert, wenn sie der Erde immer näher kommen – sowohl auf der Erde, als auch auf dem Mond. Mit der Mondschatten-Simulation und dem Video einer Mondfinsternis aus dem All ermitteln sie nicht nur, warum Mond- und Sonnenfinsternisse so selten sind, sondern erhalten auch ein Verständnis für die Größenverhältnisse im Weltraum. Die Unterrichtsmaterialien eigenen sich für den Einsatz im Physik- und Astronomie-Unterricht der Sekundarstufe II. Ausführliche Informationen für Lehrkräfte, inklusive thematischer Hintergrund-Informationen, eines Stundenverlaufsplans und Musterlösungen zu den Arbeitsblättern finden sich bei den Downloads. Die Schüler und Schülerinnen erkennen die Auswirkungen differentieller Gravitation erkennen. erkennen Wechselwirkungen im Kräftesystem Erde-Mond. wählen physikalische Größen begründet aus und verarbeiten sie deduktiv in einer Hypothese führen ein Gedankenexperiment durch.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Nutzpflanzen lernen die Schülerinnen und Schüler die verschiedenen Bestandteile von Pflanzen kennen und erfahren, welche davon essbar sind. Außerdem werden die verschiedenen Wachstumsbedingungen einzelner Pflanzen vorgestellt. Die Unterrichtseinheit ist dabei sowohl handlungsorientiert als auch problemorientiert angelegt: Am Ende der Einheit können die Lernenden entschieden, welche der Pflanzen sich als gute Nahrungsquellen für Astronautinnen und Astronauten auf Weltraum-Missionen eignen würden.Die Unterrichtseinheit "AstroFood: Nutzpflanzen für zukünftige Weltall-Missionen auswählen" wurde im Rahmen der Projekte ESERO Germany und "Columbus Eye - Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht" an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt.In dieser Übungsreihe zu Nutzpflanzen lernen die Schülerinnen und Schüler die verschiedenen Komponenten von Pflanzen kennen. Sie erfahren, welche Teile bekannter Pflanzen essbar sind und lernen den Unterschied zwischen einem Gemüse, einer Frucht (Obst) und einem Samen kennen. Dabei fertigen sie auch Zeichnungen der einzelnen Teile von den Pflanzen an. Außerdem werden die verschiedenen Wachstumsbedingungen und die unterschiedlichen Erträge einzelner Pflanzen vorgestellt. Schließlich wird entschieden, welche der Pflanzen sich aufgrund ihrer Eigenschaften hinsichtlich des Ertrags und der Wachstumsbedingungen als gute Nahrungsquellen für Astronautinnen und Astronauten eignen. Die Schülerinnen und Schüler lernen, dass Zeichnungen das Verständnis sowie das Entwickeln und Teilen von Ideen unterstützen können. Außerdem wird die Fähigkeit der Diskussion gefördert und die Erkenntnis, dass verschiedene Antworten auf eine Frage richtig sein können. Durch die Frage, welche der Pflanzen für einen Einsatz im Weltraum infrage kommen, werden die Schülerinnen und Schüler vor eine Entscheidung gestellt und dazu angeregt, ihre Meinung mit Pro- und Contra-Argumenten zu begründen. Dies wird sich positiv in ihrer Kommunikationskompetenz niederschlagen und sorgt für einen angeregten und interessanten Unterrichtsverlauf.Die Schülerinnen und Schüler lernen die Grundstrukturen von typischen Pflanzen kennen. identifizieren und benennen verschieden Pflanzenarten. verstehen, dass Lebewesen auf viele verschiedene Weisen kategorisiert werden können. verstehen, dass Menschen die richtige Art und Menge an Nährstoffen benötigen und diese durch ihre Nahrung aufnehmen. verstehen, dass Lebewesen voneinander abhängig sind und Pflanzen als Nahrungsquelle dienen. erkennen, dass Fragen auf unterschiedliche Weise beantwortet werden können. verstehen, dass Zeichnen beim Entwickeln und Teilen von Ideen hilfreich sein kann.

In dieser Unterrichtseinheit für den fächerverbindenden Unterricht in den Naturwissenschaften und Kunst beziehungsweise Werken analysieren die Schülerinnen und Schüler die Bedeutung von Schutzräumen auf der Erde und im Weltall. Sie vergleichen die Umweltbedingungen auf der Erde und auf dem Mond und entwerfen einen eigenen Schutzraum für den Mond. Die European Space Agency (ESA) arbeitet an neuen Missionen zum Mond, um die dortige Umwelt zu erforschen und neue Technologien zu entwickeln, die eines Tages bei der Etablierung einer Mondbasis helfen könnten. Vielleicht werden schon in den nächsten zwei Jahrzehnten Astronauten auf dem Mond leben. In der Projektreihe "Mond-Unterschlupf: Schutzräume auf der Erde und im All" analysieren die Schülerinnen und Schüler, wie wichtig es ist, Schutzräume auf der Erde und im Weltraum zu haben. Sie vergleichen die Umweltbedingungen auf der Erde und auf dem Mond und entwerfen einen eigenen Schutzraum für den Mond. Diesen können sie dann aus Materialien, die mit dem Mondboden vergleichbar sind, nachbauen. Altersklasse : 8- bis 12-Jährige Material : Arbeitsblätter Schwierigkeitsgrad : mittel benötigte Unterrichtszeit : insgesamt 90 Minuten Durchführungsort : Klassenzimmer benötigte Materialien : Bastelmaterial (wie Sand, Lehm, Schaumstoff, Plastik, Ballons) Kosten pro Klasse : gering (0-10 Euro) Thematischer Hintergrund: Leben auf dem Mond Der Weltraum außerhalb unseres Heimatplaneten ist eine extrem feindselige Umgebung für den Menschen. Im Gegensatz zur Erde hat der Mond keine Atmosphäre (er befindet sich im Vakuum), das heißt, es gibt keine Luft zum Atmen. Darüber hinaus besteht wegen der mangelnden Atmosphäre nicht einmal Schutz vor der Kollision mit kleinsten Meteoroiden (wie Staub und Gestein, die im gesamten Sonnensystem vorhanden sind) oder vor der schädlichen Strahlung der Sonne. Ein Tag auf dem Mond dauert 27,3 Erdtage. Es gibt also immer 14 Tage Tageszeit, gefolgt von 14 Tagen Nachtzeit. Die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht sind extrem. Die Temperatur kann je nach Standort tagsüber bei +123 °C und bis zu -233 °C in der Nacht liegen. Der Bau einer Infrastruktur auf dem Mond würde bedeuten, dass viele Materialien von der Erde genommen werden müssten, was enorme Transportkosten bedeuten würde. Daher untersuchen Ingenieure neue Bautechniken, zum Beispiel den 3D-Druck mit lokalen Materialien wie Mondboden (Regolith). Methodische Hinweise In dieser Unterrichtseinheit untersuchen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Schutzräume auf der Erde und stellen sich vor, wie ein zukünftiger Schutz auf dem Mond aussehen könnte. Die Aufgaben und Übungen bieten eine Einführung in die Umweltbedingungen auf dem Mond und vergleichen sie mit den Bedingungen, die auf unserer Erde herrschen. Die Schülerinnen und Schüler erfassen die Bedeutung der Erdatmosphäre und die Herausforderungen der Weltraumforschung. Vertiefende methodische Hinweise finden Sie im Dokument mondunterschlupf-schutzraeume-erde-all-alle-materialien.pdf, das am Ende dieser Seite kostenlos heruntergeladen werden kann. Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung von Zufluchtsorten für den Schutz vor der Umwelt. stellen eine Beziehung zwischen Umweltbedingungen und bekannten Unterschlupfarten her. verstehen, dass die Atmosphäre für das Leben auf der Erde wichtig ist. erkennen, dass die Erde und der Mond sehr unterschiedliche Umweltbedingungen haben. führen die Identifikation einiger notwendiger Merkmale eines Schutzraums auf dem Mond durch. bauen die Fähigkeit aus, in einer Gruppe zu arbeiten und kreativ zu denken.

In dieser Unterrichtseinheit für den fächerverbindenden Unterricht in den Naturwissenschaften und Kunst / Werken bauen die Schülerinnen und Schüler eine bionische Hand aus Pappe und setzen sich dabei mit den Funktionen der Hand, der Finger und des Daumens sowie der Knochen, Muskeln, Sehnen und Bänder auseinander. In dieser Übungsreihe basteln die Schülerinnen und Schüler eine bionische Hand aus Pappe, Schnur, Strohhalmen und Gummiband. Durch die Verknüpfung zwischen bionischen und ihren eigenen Händen können sie die Funktion der Finger und die Bedeutung des Daumens, zum Greifen und Halten von Gegenständen verschiedener Formen nachvollziehen. Sie lernen außerdem, dass es nicht möglich wäre die menschliche Hand zu bewegen, wenn sie nur aus Knochen bestünde. Die Schülerinnen und Schüler verstehen durch den Vergleich der Materialien, die sie bei der bionischen Hand nutzen, um deren Finger zu bewegen, wie Knochen, Muskeln, Sehnen und Bänder arbeiten. Die Übungsreihe ist, abhängig vom Alter der Lernenden, für 60 bis 90 Minuten konzipiert. Es bietet sich jedoch ebenfalls an, sie in eine Projektarbeit einzubetten, die andere Fächer und Themen wie Kunst, Sprache und den menschlichen Körper umfasst. Altersklasse: 8- bis 12-Jährige Material: Arbeitsblätter Schwierigkeitsgrad: einfach/mittel benötigte Unterrichtszeit: 60-90 Minuten Durchführungsort: Klassenzimmer benötigte Materialien: Bastelmaterial (Pappe, Scheren und gegebenenfalls Cuttermesser, Heißklebepistole) Kosten pro Klasse: gering (0-10 Euro) Thematischer Hintergrund: Bionik Bionik ist die Anwendung von Designs und Konzepten aus der Natur auf die Entwicklung von Systemen und Technologien. In der Medizin ermöglicht die Bionik den Ersatz oder die Verstärkung von Organen und anderen Körperteilen durch vom Menschen entwickelte künstliche Versionen. So ermöglichen bionische Prothesen Menschen mit Behinderungen zum Beispiel, einige verlorene Fähigkeiten wiederherzustellen. Ein anderes Beispiel für Bionik sind humanoide Roboter, die die Funktionsweise des Menschen oder des menschlichen Körpers nachahmen. Humanoide Roboter sollen Menschen in gefährlichen Jobs ersetzen, die zu Verletzungen oder zum Tod führen können. Der Weltraum ist wahrscheinlich eine der für den Menschen gefährlichsten und schädlichsten Umgebungen. Tatsächlich werden deshalb bereits viele Roboter zur Erkundung und Nutzung des Weltraums eingesetzt. Es ist zu erwarten, dass in naher Zukunft Besatzungen bestehend aus Astronauten und humanoiden Robotern gemeinsam daran arbeiten werden, das Weltall zu erkunden. Dafür werden sie höchstwahrscheinlich beide bionische Hände benutzen. Bionische Hände ermöglichen Robotern Objekte für den menschlichen Gebrauch zu benutzen. Die Astronauten werden einen Vorteil durch den Nutzen von bionischen Händen haben, da der Gebrauch von Gegenständen im Vakuum des Weltalls mit den Handschuhen eines Raumanzuges schwierig und ermüdend ist. Die ESA (European Space Agency) hat die bionische Hand DEXHAND entwickelt, die von Robotern und eventuell sogar von Astronauten genutzt werden wird. Thematischer Hintergrund: die menschliche Hand Die menschliche Hand hat eine sehr komplizierte Struktur; sie enthält 27 Knochen und 34 Muskeln, daneben noch zahlreiche Sehnen, Bänder, Nerven und Blutgefäße, welche von einer dünnen Hautschicht umgeben sind. Jeder Finger besteht aus drei Knochen (Phalangen), die nach dem Abstand zur Handfläche benannt sind: die proximalen, mittleren und distalen Phalangen (Singular: Phalanx). Die Sehnen verbinden die Muskeln mit den Knochen, während die Bänder Knochen mit Knochen verbinden. Die Sehnen, die uns helfen unsere Finger zu bewegen, sind mit 17 Muskeln verbunden, welche in der Handfläche zu finden sind und mit 18 Muskeln in unseren Unterarmen. Die zwei Hauptbewegungen der Finger – beugen und strecken – werden durch Beuge- und Streckmuskeln ausgeführt. Beugemuskeln befinden sich auf der Unterseite und Streckmuskeln auf der Oberseite des Unterarms. Methodische Hinweise Diese Übungsreihe wurde unter Verwendung der IBSE-Methodik (Inquiry-based Science Education) konzipiert. Vertiefende methodische Hinweise finden Sie im Dokument bionische-hand-alle-materialien.pdf, das am Ende dieser Seite kostenlos heruntergeladen werden kann. Abhängig von den jeweiligen Lehrplänen und vom Alter der Schülerinnen und Schüler können die Übungen als Einzelmodule durchgeführt oder in ein Unterrichtsprojekt integriert werden. Ein Beispiel für ein Unterrichtsprojekt mit drei (oder mehr) Unterrichtsstunden wäre: 1. Die Lernenden untersuchen selbst, wie die menschliche Hand funktioniert und welche Rolle Knochen, Muskeln und Sehnen spielen, indem sie das Internet, Videos, Fotos oder andere Ressourcen verwenden. 2. Bau der bionischen Hand durch die Schülerinnen und Schüler 3. Projektabschluss mit dem Besuch eines Naturkundemuseums, um die Unterschiede zwischen menschlichen Händen und Tierpfoten zu untersuchen Um das Thema Bionik tiefergehend zu erkunden, kann diese Übungsreihe mit anderen aus dem Moon Camp-Paket, wie dem Roboterarm und dem menschlichen Körper, erweitert und kombiniert werden. Für ein umfassenderes Projekt über den menschlichen Körper können die Schülerinnen und Schüler auch an der Mission X: Trainiere wie ein Astronaut -Herausforderung teilnehmen. Die Schülerinnen und Schüler verstehen, wie die menschliche Hand funktioniert. verstehen, dass die Wissenschaft und die Medizin bionische Prothesen nutzen, um Teile des menschlichen Körpers, die fehlen oder nicht richtig funktionieren, zu ersetzen oder zu ergänzen. lernen, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den menschlichen Körper als Inspiration und Vorlage nutzen, um Werkzeuge wie Hände und Arme zu bauen, die sie in feindseligen Umgebungen wie dem Weltall oder der Tiefsee einsetzen können. erkunden und testen gemeinsam Ideen für den Bau einer simplen Maschine (bionische Hand).

In dieser Unterrichtseinheit untersuchen die Schülerinnen und Schüler unter Einbezug von Grundlagen der Mechanik die Geschwindigkeitsänderung einer Rakete.Das Prinzip der Impulsübertragung und -erhaltung spielt in der Raumfahrt eine große Rolle. Nach diesem Prinzip funktioniert der Antrieb einer Rakete, die beispielsweise in den Weltraum geschossen wird. Die Schülerinnen und Schüler schauen sich an, wie eine Rakete konstruiert werden muss, um die Impulsübertragung bestmöglich gewährleisten zu können. Des Weiteren werden zum besseren Verständnis und zur Einordnung der benötigten Antriebskraft beziehungsweise des Impulses verschiedene Vergleichsrechnungen mit impulsabhängigen Abläufen in der Natur und Technik angestellt. Außerdem überlegen die Schülerinnen und Schüler, welche Voraussetzungen geschaffen werden müssen, damit die Rakete nicht nur die Erde verlässt, sondern auch navigationsfähig und kontrollierbar bleibt. Dabei wird unter anderem auch die Erdanziehungskraft mit einbezogen. Um sich fortzubewegen, stößt eine Rakete heiße Gase mit hoher Geschwindigkeit aus. Dadurch verliert sie Masse und eine Erhöhung der Geschwindigkeit wird bewirkt. Die Beschleunigung einer Rakete geht aus der Impulserhaltung hervor. Der Impuls eines Systems (zum Beispiel eine Rakete) beschreibt, wie es sich zu einem Zeitpunkt t bewegt. Die Formel lautet: p = m • v mit m als Masse und v der Geschwindigkeit. Vor dem Start ist die Rakete mit ihrem Treibstoff gefüllt und bewegt sich nicht. Die Rakete mit ihrem Treibstoff haben keinen Impuls, der Gesamtimpuls ist also Null. Wird der Treibstoff jedoch gezündet, strömt er am unteren Ende der Rakete raus und hat demnach einen nach unten gerichteten Impuls. Dadurch wird ein entgegengesetzter Impuls an die Rakete gegeben, was dafür sorgt, dass sie von der Erde abhebt.Das Arbeitsblatt passt in den Physikunterricht im Zusammenhang mit Impuls und Kraft zum "Basiskonzept Wechselwirkung". Die Schülerinnen und Schüler sollten über Grundlagen der Mechanik verfügen (Zusammenhang von Geschwindigkeit, Strecke, Zeit, Beschleunigung). Nach verständlicher Einführung durch die Lehrkraft oder durch eigenständiges Erarbeiten der beigefügten Grundlagen/Einführung kann das Arbeitsblatt als Hausaufgabe erarbeitet werden. Dieses Projekt kann als inhaltliche Vorbereitung für ESA Wettbewerbe wie die "Moon Camp Challenge" benutzt werden. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Erhaltung von Impulsen und den Aufbau einer Rakete kennen. untersuchen die Geschwindigkeitsänderung am Beispiel einer Rakete. tauschen sich über die Schwierigkeiten von Weltraummissionen aus.