Dieses Unterrichtsmaterial regt die Lernenden zum Bau einer Rakete aus zwei Plastikflaschen, Natron und Essig an. An diesem Experiment wird neben der Problematik um den Plastikmüll zum Umweltschutz in der Schule der Antrieb einer Rakete durch das Rückstoßprinzip sowie die chemische Reaktion von Säure und Natriumhydrogencarbonat erläutert.Mit diesem Unterrichtsmaterial lernen die Schülerinnen und Schüler am Beispiel einer Rakete das Rückstoßprinzip als praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms sowie die chemische Reaktion von Backpulver und Essig kennen. Sie bauen angeleitet durch ein Video selbstständig eine Rakete, erkennen ihren Antrieb und vertiefen die Phänomene der Chemie und Physik durch begleitende Arbeitsblätter. Gleichzeitig soll das Experiment auf den seit Jahren steigenden Verbrauch von Plastikflaschen aufmerksam machen, die nur zum Teil recycelt werden, während der Rest in Müllverbrennungsanlagen oder in der Umwelt landet. Das Material eignet sich je nach Lehrplan für den fächerverbindenden Unterricht in Chemie und Physik der Sekundarstufen I und II. Das Thema "Eine Rakete aus Plastikflaschen bauen: Upcycling in Chemie und Physik" im Unterricht Am Beispiel einer Rakete erarbeiten die Lernenden mit diesem Unterrichtsmaterial weitgehend selbstständig und praxisorientiert den Antrieb in einem Experiment. Diese Form der experimentellen Erarbeitung des Rückstoßprinzips im Unterricht eignet sich in besonderer Weise, um den Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufen nachhaltig aufzuzeigen, warum Raketen eigentlich fliegen. Vorkenntnisse Zu den wesentlichen Voraussetzungen zur Durchführung dieser Unterrichtseinheit zählt, dass die Lernenden mit Lehrvideos arbeiten sowie ein chemisches beziehungsweise physikalisches Experiment aufbauen, durchführen und auswerten können. Didaktische Analyse In diesem Unterrichtsmaterial erarbeiten die Lernenden mit dem Rückstoßprinzip und einer chemischen Reaktion Phänomene der Fächer Physik und Chemie: Während das Rückstoßprinzip in Natur und Technik als praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms ein physikalisches Phänomen ist, das in der Natur und Technik zur Fortbewegung dient, gilt die Verbindung von Backpulver mit Essig (Säure mit Natron) als ein Beispiel für eine Reaktion der Chemie. Darüber hinaus setzen sich die Schülerinnen und Schüler zum Umweltschutz mit ökologischen Problemen, die beim Recycling von Plastikflaschen entstehen, auseinander und lernen ein Experiment selbstständig vorzubereiten, durchzuführen und auszuwerten. Methodische Analyse Die Auswertung der Filme geschieht sowohl im Plenum als auch in Partnerarbeit. Die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung des Experiments erfolgt in Partner- oder Gruppenarbeit, sodass die Lernenden möglichst eigenverantwortlich und selbstständig arbeiten können. Die Lehrkraft steht in diesen Phasen beratend zur Verfügung und sollte nur unterstützend eingreifen, wenn Fragen auftauchen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bereiten ein Experiment im Chemie- oder Physikunterricht selbstständig vor und führen es nach Anleitung durch. lernen das Rückstoßprinzip sowie die chemische Reaktion von Natron und Essig kennen. unterscheiden ökologisch sinnvolles Recycling von Plastikflaschen von unsinniger Müllverwertung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entnehmen einem Video im Unterricht die wesentlichen Informationen für den Bau einer Rakete. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konzentriert und zielführend kooperativ im Team zusammen.

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.

Die Unterrichtseinheit vermittelt grundlegende Informationen zum Thema Elektromobilität. Darin setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit den Vorteilen von Elektrofahrzeugen als auch mit künftigen Herausforderungen im Bereich Elektromobilität auseinander. Neu sind Materialien zur Energiegewinnung und Ladetechnologien. Ausgehend von der historischen Entwicklung von Fahrzeugen ohne Verbrennungsmotor lernen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Antriebs- und Ladetechnologien von Elektrofahrzeugen kennen. Dabei entwickeln sie Ideen einer elektromobilen Gesellschaft und setzen sich, vor dem Hintergrund staatlicher Unterstützungsmaßnahmen sowie anhand des aktuellen Entwicklungsstandes, mit der Frage auseinander, inwieweit ein Elektroauto auch für sie infrage kommen würde. Didaktisch-methodischer Kommentar Elektromobilität gilt als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Vor dem Hintergrund der Endlichkeit fossiler Energieträger werden mit der Elektromobilität große Hoffnungen verbunden. Das haben auch Forschung, Wirtschaft und Politik erkannt. So ist es das Ziel der Bundesregierung, dass bis 2030 mindestens sieben Millionen Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren sollen. Wissen über die Vorteile und Herausforderungen, die mit einer elektromobilen Gesellschaft verbunden sind, ist deshalb elementar. Umsetzung der Unterrichtseinheit Die Unterrichtseinheit ermöglicht Schülerinnen und Schülern einen fächerübergreifenden Zugang zum Thema Elektromobilität. Dazu setzen sie sich in einem ersten Schritt mit der Geschichte von Fahrzeugen ohne Verbrennungsmotor auseinander und erfahren, dass Elektrofahrzeuge keine Erfindungen des 21. Jahrhunderts sind. Darauf aufbauend lernen sie verschiedene Antriebs- und Ladetechnologien von Elektrofahrzeugen sowie ihre Vor- und Nachteile kennen. Hier befassen sie sich auch mit der Energiegewinnung von Elektrofahrzeugen. So lernen sie die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos sowie Brennstoffzellen für Wasserstoffautos kennen und setzen sich mit den Vor- und Nachteilen der verschiedenen Konzepte auseinander. Anhand von textlichen und grafischen Informationen zu staatlichen Unterstützungsmaßnahmen sowie dem aktuellen Entwicklungsstand reflektieren sie anschließend das Zukunftspotenzial von Elektrofahrzeugen für die Gesellschaft und den eigenen Alltag. Hierfür nutzen sie auch das Video Elektroniker-Azubis: Wie stehen sie zu Elektroautos? . Einsatzmöglichkeiten Die Unterrichtseinheit kann aufgrund ihres Bezuges zu den Lehr- und Bildungsplänen in allen deutschen Bundesländern in der Sekundarstufe II eingesetzt werden. Dabei bilden die Fächer Physik, Technik und Sozialkunde den fachlichen Bezugspunkt. Vertiefungen in den Fächern Deutsch und Kunst sind denkbar und finden besonders in der Projektphase Anknüpfungspunkte. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass Elektrofahrzeuge keine Erfindungen des 21. Jahrhunderts sind. reflektieren die Vor- und Nachteile von Elektrofahrzeugen. kennen verschiedene Antriebs- und Ladetechnologien und erschließen darauf aufbauend die damit verbundenen Vor- und Nachteile. wissen, wie ein Lithium-Ionen-Akkus bei Elektrofahrzeugen sowie eine Brennstoffzelle bei Wasserstoffautos funktioniert. reflektieren die Vor- und Nachteile der verschiedenen Möglichkeiten der Energiegewinnung bei nicht-benzinangetriebenen Fahrzeugen. beschreiben anhand von aktuellem Datenmaterial die Entwicklungen im Elektrofahrzeug-Sektor. diskutieren aktuelle und denkbare staatliche Maßnahmen, um Elektromobilität noch attraktiver zu machen. nehmen zu Aussagen bezüglich der künftigen Bedeutung von Elektrofahrzeugen Stellung. setzen sich mit den technologischen, klimapolitischen und gesellschaftlichen Herausforderungen für eine elektromobile Gesellschaft auseinander. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren einen Videobeitrag zielgerichtet entsprechend einer Aufgabenstellung. trainieren das selbstständige Erschließen von Themen und Inhalten sowie das Recherchieren im Internet. üben sich im eigenständigen Analysieren und Interpretieren von Grafiken, Schaubildern und Zahlenmaterial. bereiten eigene Ideen und Visionen schriftlich und gestalterisch auf. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- oder Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Personen. lernen, Diskussionen argumentativ und rational zu führen. schulen im Rahmen von Diskussionen und Präsentationen die eigene Ausdrucksfähigkeit und aktives Zuhören. trainieren das kreative Entwickeln und Ausformulieren eigener Ideen.

In dieser Materialsammlung finden Sie Unterrichtsmaterialien rund um Energie und Impuls, die Newtonschen Gesetze, geradlinige Bewegungen, Wurf- und Kreisbewegungen, Gravitation sowie zu mechanischen Wellen und Schwingungen.Die von Isaac Newton bereits im 17. Jahrhundert abgeleitete klassische Mechanik mit ihren Teilgebieten " Kinematik " und "Dynamik" wird an allen Schularten unterrichtet und ist als Spezialfall sowohl in der Relativitätstheorie als auch in der Quantenmechanik enthalten. Die Kinematik beschreibt geradlinige Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit und Bewegungen unter dem Einfluss von Beschleunigungen, ohne dabei Masse und Kräfte zu berücksichtigen; werden die Wirkungen von Masse und Kräften auf Bewegungen miteinbezogen, spricht man von Dynamik . Dabei wird das Kräftegleichgewicht bei ruhenden Körpern als Statik bezeichnet, während die Kinetik Krafteinwirkungen behandelt, die den Bewegungszustand verändern. Kräfte wie etwa Gewichtskräfte, Reibungskräfte, Antriebskräfte oder Bremskräfte spielen eine große Rolle. So wäre beispielsweise Fliegen mit einem Airbus A-380 (Startmasse 560 Tonnen) unmöglich, wenn nicht immense Antriebskräfte durch die Triebwerke an den Flügeln eine Auftriebskraft erzeugen würden, die sowohl das Abheben als auch einen Flug zu einem anderen Kontinent ermöglichen. Kräfte beeinflussen Bewegungen wie horizontale, schräge und senkrechte Würfe. Bei Kreisbewegungen entsteht gleichzeitig mit der sie erzeugenden Zentripetalkraft auch eine als Zentrifugalkraft wirkende Scheinkraft, die man etwa aus schnellen Kurvenfahrten mit dem Auto kennt. Aus Kräften folgen wichtige mechanische Größen wie Arbeit, potentielle und kinetische Energie sowie der Impuls mit den zugehörigen Energie- und Impulserhaltungssätzen , die eine Umwandlung verschiedener Größen ermöglichen. Mithilfe der Gesetze zur Gravitation lassen sich die Bewegungsabläufe in der Raumfahrt bis hin zu den Vorgängen bei Planetenumläufen um die Sonne oder anderen Abläufen im Weltall beschreiben. Schwingungen, die nach dem Zusammendrücken oder Dehnen einer Feder entstehen, lassen sich in ähnlicher Form beschreiben wie die Bewegungsabläufe nach Auslenkung eines Pendels – sie werden als mechanische Schwingungen mit den Spezialformen harmonische Schwingungen sowie freie, gedämpfte und erzwungene Schwingungen beschrieben. Wirft man hingegen einen Stein in ein ruhendes Gewässer, so kann man die Ausbreitung einer kreisförmigen Störung beobachten, was in der Physik als mechanische Welle bezeichnet wird.

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.

Klimaneutralität ist das zentrale Ziel der Luftfahrt, das mit technischen Innovationen und alternativen Antrieben erreicht werden soll. Wie realistisch sind die verschiedenen Ideen und was ist bereits Realität? Diesen und weiteren spannenden Fragen gehen die Lernenden in dieser Einheit auf den Grund. Die Unterrichtseinheit kann im MINT-Unterricht der Klassenstufen 9 bis 13 in den folgenden lehrplanrelevanten Kontexten, idealerweise fächerverbindend, eingesetzt werden: Geographie: Verkehr und Umwelt, Ballungsräume – Probleme und Chancen; Flugbewegung, Flugrouten, Navigation Chemie: Treibstoffe: Eigenschaften, Herstellung, Verwendung, Ökobilanz; alternative Treibstoffe (fossiles Kerosin durch nachhaltigen Flugkraftstoff ersetzen, E-Fuels, synthetisches Kerosin, Brennstoffzellen, Batterien) Technik : Das Flugzeug der Zukunft (Antriebstechnologie, Design etc.) Weitere Fachanbindungen, etwa ans Fach Deutsch , sind beispielsweise durch das Schreiben eines Kommentars zum Thema Flugscham unter Berücksichtigung dessen charakteristischen Aufbaus gegeben. Auch lassen sich naturwissenschaftsbezogene Kompetenzen für den Lernbereich Globale Entwicklung im Themenbereich "Mobilität und Verkehr" fördern. Der Luftfahrtsektor auf dem Weg zur Nachhaltigkeit Die Anzahl der Flugreisen wächst seit Jahren kontinuierlich. Abgesehen vom markanten Corona-Einbruch im Jahr 2020 ist der Trend sehr deutlich. Bis 2040 wird sich die Zahl der Flugpassagiere mehr als verdoppeln, so eine Prognose des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Neue Treibstoffe, neue Antriebe, neue Flugzeugentwürfe und modernere Navigation sind hierbei entscheidende Faktoren. Die Luftfahrtindustrie forscht mit Hochdruck an zukunftsfähigen und nachhaltigen Technologien . Das Unterrichtsmaterial gibt einen Einblick in aktuelle Entwicklungen. Vorkenntnisse Die Fähigkeit zur Informationsausnahme aus Texten, Schaubildern, Grafiken, Videos und weiteren Quellen sollte eingeübt sein. Themenbezogene Fachbegriffe und Abkürzungen werden gesondert in einem Glossar erklärt. Selbstständige Arbeit in (Klein-)Gruppen sollte vorausgesetzt werden können. Aufbau der Unterrichtseinheit und fächerverbindender Ansatz Die Einheit gliedert sich in insgesamt fünf Kapitel. Zu jedem Kapitel gibt es ein Arbeitsblatt und gegebenenfalls Materialblätter mit zusätzlichen Informationen, die zur Bearbeitung der Aufgaben benötigt werden. Die einzelnen Kapitel und Arbeitsblätter bauen aufeinander auf und sollten idealerweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchlaufen werden. Um die Unterrichtszeit für den Austausch und die Ergebnisbesprechung optional zu nutzen, können viele Aufgaben als unterrichtsvorbereitende Hausaufgabe aufgegeben werden. Der letzte Baustein "Berufsfelder" kann ausgeklammert oder im Rahmen der Berufsorientierung aufgegriffen werden. Insgesamt lässt sich die gesamte Einheit mit allen Arbeitsblättern in circa 10 Unterrichtsstunden bearbeiten. Die genaue Zeit variiert je nach Zeitbedarf für die Präsentationen sowie die Diskussionen im Anschluss an die Arbeitsphasen. Ideal ist die Erarbeitung im MINT-Fächerverbund, vor allem die Fächer Geographie, Chemie und Technik lassen sich wunderbar miteinander verbinden. Methodische Hinweise Der vorgeschlagene Unterrichtsablauf ist gekennzeichnet von methodischer Varianz: In einer Motivationsphase werden die Schülerinnen und Schüler für das Thema interessiert. Bist du selbst schon geflogen? Welche Verkehrsmittel nutzt du und für welchen Anlass? Dabei werden Vorkenntnisse in Erinnerung gerufen. In zahlreichen Fachphasen erfolgt in Einzelarbeit oder in Paar- oder Kleingruppen die weitgehend selbstständige Bearbeitung der Arbeitsblätter. Eine Ergebnisbesprechung und Ergebnispräsentation erfolgt meist im Plenum. Expertengruppen werden in der Sequenz 3 "Klimafreundlicher Luftverkehr" gebildet, die Kleingruppenarbeit erfolgt zu den Schwerpunkten "Das Flugzeug der Zukunft" , alternative Treibstoffe und effizientere Flugführung. Das Thema "Klimafreundlicher Luftverkehr" wird somit aus verschiedenen Perspektiven mithilfe der in jeder Gruppe vertretenen Fachexperten erarbeitet und anschließend im Plenum in einer Präsentations- und Diskussionsphase vorgestellt und diskutiert. Sequenz 4 bietet die Möglichkeit zur kreativen Umsetzung: Wie stellst du dir das Fliegen im Jahr 2050 vor? Hier sind der digitalen oder analogen Darstellung keine Grenzen gesetzt. MINT-Fachkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler erkennen, beschreiben und bewerten die individuelle, gesellschaftliche und historische Bedeutung von Transport und Verkehr in der globalisierten Welt. beschreiben und bewerten aktuelle Entwicklungen der Mobilität. analysieren mithilfe von Grafiken und Studien die Klimaverträglichkeit verschiedener Verkehrsmittel. Kernkompetenzen des Lernbereichs Globale Entwicklung Erkennen Die Schülerinnen und Schüler können Informationen aus Prognosen, Modellen und Zukunftsszenarien verarbeiten (1.3). zeigen anhand der Zukunft des Luftverkehrs Verknüpfungen zwischen gesellschaftlichen Entwicklungen und Erkenntnissen der Naturwissenschaften auf (3.5). Bewerten Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden zwischen beschreibenden oder erklärenden (naturwissenschaftlichen) und normativen (ethischen) Aussagen (6.1). Handeln Die Schülerinnen und Schüler entwerfen Lösungsstrategien für Zielkonflikte auf dem Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung und sondieren Umsetzungsmöglichkeiten (10.4).

Mit der Neuordnung der Elektroberufe ist der Unterricht lernfeldorientiert. Eine berufstypische Tätigkeit ist das Lesen von Datenblättern. In der Lernsituation nutzen die Schülerinnen und Schüler Online-Kataloge eines Motorenherstellers und eines Herstellers von Schutzeinrichtungen.Ausgangspunkt der Lernsituation ist ein betrieblicher Auftrag: Schülerinnen und Schüler sollen einen Asynchronmotor für ein Rührwerk einer Wasseraufbereitungsanlage bei einem Zulieferer bestellen. Die Anforderungen für den Betrieb des Antriebsmotors liegen vor. Nachdem ein erster Motor ausgewählt wurde, werden im nächsten Schritt ökologische und ökonomische Gesichtspunkte in die Entscheidungsfindung einbezogen.In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler, Datenblätter zu lesen. Sie erkennen, dass die Datenblätter nur interpretiert werden können, wenn die technischen Hintergründe beherrscht werden. Die Schüler begründen die Auswahl der Betriebsmittel in jedem Punkt des Anforderungskatalogs. Lernsituation Die Aufgabenstellung ist praxisnah und für die Schülerinnen und Schüler motivierend. Sie führen eine vollständige berufliche Handlung aus. Lernschritte In vier Lernschritten werden Unterrichtsmaterialien und die Online-Quellen eines Zulieferbetriebs eingesetzt. Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Asynchronmotor und eine Motorschutzeinrichtung unter Berücksichtigung technischer Anforderungen aus Hersteller-Katalogen auswählen Betriebskosten mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms berechnen und Diagramme erstellen Schaltpläne erstellen erkennen, dass sich ökonomisches und ökologisch verantwortliches Handeln vereinen lässt. Die Schüler berechnen in MS-Excel oder OpenOffice-Calc die Betriebskosten von Motoren unterschiedlicher Wirkungsgradklassifizierungen und stellen die Ergebnisse in einem Diagramm vergleichend dar. Sie wählen einen passenden Motorschutzschalter aus dem Online-Katalog eines Herstellers von Schutzeinrichtungen. Alternativ setzen sie den Online-Assistenten des Herstellers ein. Der Online-Assistent schlägt den Schülern nach Eingabe der Motordaten einen Motorschutzschalter vor. Die Schüler vervollständigen die Dokumentation der Planungsabteilung und erstellen Schaltpläne von der Unterverteilung bis zum Motor. Thema Asynchronmotor: Arbeiten mit Herstellerkatalogen Autor Markus Asmuth Fach Elektrotechnik Zielgruppe Elektroberufe, 2. Lehrjahr Lernfeld Antriebssysteme auswählen und integrieren Zeitraum 8 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang, Webbrowser, MS-Excel oder OpenOffice-Calc Planung Verlaufsplan Asynchronmotor Lernvoraussetzungen Vorausgesetzt wird, dass die Schülerinnen und Schüler die technischen Grundlagen Betriebsverhalten, Betriebsart, Polpaarzahl, Isolierung, Bauform, Schutzart und Motorschutz verstehen Berechnungen in MS-Excel oder OpenOffice-Calc durchführen können und Diagramme erstellen können Lernsituation Die Aufgabenstellung ist praxisnah und für die Schülerinnen und Schüler motivierend. Gegenstand ist der Antrieb eines Rührwerks einer Wasseraufbereitungsanlage eines Chemiewerks. Die Lernenden bearbeiten eine vollständige berufliche Handlung. Diese umfasst neben technischen und methodischen Aspekten zusätzlich ökonomische und ökologische Aspekte. Ein wichtiges Grundprinzip beruflicher Handlungen ist, negative Einflüsse auf die Umwelt zu minimieren. In der Lernsituation lernen die Schüler, dass sich Ökonomie und Ökologie miteinander vereinen lassen. Die Schüler setzen moderne Arbeitsmittel wie Online-Kataloge der Hersteller und Tabellenkalkulationsprogramme zur Lösungsfindung ein. Eine wichtige Kompetenz ist das Lesen von Datenblättern. Interpretiert werden können die Produkttabellen nur, wenn die fachlichen Inhalte beherrscht werden. Auswahl des Motors Zunächst müssen die sprachlich formulierten Anforderungen an die Schutzart und Betriebsart mithilfe des Tabellenbuches und des Fachbuches in Kennzeichnungen übertragen werden. Diese Kennzeichnungen können dann mit den Angaben im Online-Katalog verglichen werden. Außerdem ist mittels der Polpaarzahl und der Netzfrequenz die Drehfelddrehzahl zu berechnen. Nicht alle Anforderungen finden sich in den Datenblättern. Die Schülerinnen und Schüler müssen die technischen Erläuterungen hinzuziehen. Dort wird die standardmäßige Schutzart und Isolierstoffklasse für die Motoren des Herstellers genannt. Berechnung der Betriebskosten Die Betriebskosten werden über die elektrische Arbeit und den Strompreis berechnet. Zur Berechnung der elektrischen Arbeit bestimmen die Schülerinnen und Schüler die zugeführte Leistung des Motors mittels im Datenblatt angegebenen Wirkungsgrad und der ebenfalls notierten abgegebenen Leistung. Die Betriebszeit des Rührwerks fließt in die Berechnung ein. Die Berechnungen werden direkt im Tabellenkalkulationsprogramm durchgeführt. Für jeden Tag werden über den Zeitraum von zwei Jahren die bis zu diesem Tag angefallenen Stromkosten in jeweils einem separaten Tabellenfeld berechnet. Rentabilität Die Schülerinnen und Schüler berechnen die Betriebskosten für den im Schritt 1 ausgewählten Motor der Wirkungsgradklassifizierungen EFF2 und für das etwas teurere Modell mit der besseren Wirkungsgradklassifizierung EFF1. Die benötigten Daten finden sie auch diesmal im Online-Katalog des Motorenherstellers. Ein zu erstellendes Diagramm, das die Differenz der Betriebskosten über die Tage aufträgt, verdeutlicht, ab wann ein Motor der Klassifizierung EFF1 rentabel ist. Auswahl des Motorschutzschalters Zunächst dimensionieren die Schülerinnen und Schüler den Motorschutzschalter. Dem Datenblatt entnehmen sie den Bemessungsstrom für den im Schritt 2 ausgewählten Motor. Der Motor wird ohne ein zusätzliches Anlassverfahren direkt an die Netzspannung gelegt. Der Überlastschutz des Motorschutzschalters wird auf den Bemessungsstrom des Motors eingestellt. Alternativ kann auch der Online-Assistent von Moeller eingesetzt werden, der nach Auswahl des Motors, einen Motorschutzschalter vorschlägt. Erstellung der Schaltpläne Als Teil der vollständigen beruflichen Handlung erstellen die Schülerinnen und Schüler Schaltpläne. Diese werden der Planungsabteilung zur Vervollständigung der Dokumentation ausgehändigt. Die Schüler zeichnen Schaltpläne von der Unterverteilung bis zum Motor in einpoliger und in mehrpoliger Darstellung. Entsprechend der Betriebsbedingungen ist den Schaltplänen ein TN-S-Netzsystem zugrunde zu legen. Im Tabellenbuch oder in den Fachbüchern finden die Lernenden die Schaltsymbole für den Motorschutzschalter und die Schaltsymbole für den Sicherungslasttrennschalter mit NH-Sicherung.

Mithilfe der Unterrichtseinheit entwerfen und beschreiben die Schülerinnen und Schüler ein Zukunftsmobil. So setzen sich Schülerinnen und Schüler künstlerisch-kreativ mit den Themen Zukunft der Mobilität sowie Nachhaltigkeit und Umweltschutz auseinander. Aufbauend auf den Entwürfen und positiven Ergebnissen aus dem Wettbewerb "Powergirl mit Zukunftsmobil gesucht" setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit der Frage auseinander, welche Visionen sie vom Automobil der Zukunft haben. Dafür zeichnen sie ihre eigenes Zukunftsmobil und beschreiben seine Merkmale und Besonderheiten. Ihre Entwürfe präsentieren sie in einer eigenen Ausstellung im Schulhaus. Smartphone, Internet oder Spielkonsole: Bereits Grundschulkinder wachsen ganz selbstverständlich mit Technik auf. Gleichzeitig machen sie sich vermehrt Gedanken zum Schutz ihrer Umwelt und haben sie ein klares Bild davon, wie sie in Zukunft leben möchten. Die Unterrichtseinheit "Mein Zukunftsmobil" greift all diese Aspekte auf, verknüpft sie miteinander und sensibilisiert Schülerinnen und Schüler für die Themen Umweltschutz und Nachhaltigkeit. Dabei findet die Auseinandersetzung in solchen Fächern statt, die vermeintlich wenig mit dem Thema Technik zu tun haben. Umsetzung der Unterrichtseinheit Die Unterrichtseinheit ermöglicht Schülerinnen und Schülern kreativen Zugang zum Thema Zukunft des Automobils und der Mobilität. Ausgehend von den zentralen Merkmalen, den damit verbundenen Stärken und Schwächen aktueller Automobile entwickeln die Schülerinnen und Schüler eine Vision eines Automobils der Zukunft. Dafür schauen sie sich die PowerPoint-Präsentation ausgewählter Entwürfe eines Zukunftsmobils aus dem Wettbewerb "Powergirl mit Zukunftsmobil gesucht" an. Anschließend tragen sie Ideen für ihre eigenes Zukunftsmobil zusammen. Seitens der Lehrkraft ist darauf zu achten, dass die Schüler sich vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit und des Umweltschutzes zum Design, zum Kraftstoff, zum Antrieb und zu den verwendeten Materialien Gedanken machen. Ihre Ideen setzen sie zeichnerisch um und halten die zentralen Merkmale ihre Zukunftsmobils schriftlich fest. Abschließend präsentieren sie ihre Ergebnisse in der Klasse und im Rahmen einer Schulausstellung. Einsatzmöglichkeiten Die Unterrichtseinheit eignet sich insbesondere für den fachübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht. Die Schwerpunkte liegen dabei auf Kunst, Deutsch und Sachkunde. So werden Grundlageninformationen zum Thema Automobil in Gegenwart und Zukunft im Fach Sachkunde gelegt. Die zeichnerische Umsetzung erfolgt im Fach Kunst und die Erstellung der textlichen Beschreibungen der Zukunftsmobile sowie die die Präsentation kann im Fach Deutsch erfolgen. Darüber hinaus kann die Unterrichtseinheit auch im Rahmen der Projektarbeit, z.B. in einer Projektwoche realisiert werden, da die Erstellung der Zukunftsmobile eine gewisse Zeit beansprucht. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen die zentralen Bestandteile und Merkmale eines aktuellen Automobils. reflektieren die Stärken und Schwächen von derzeitigen Automobilen. diskutieren die Bedeutung von Nachhaltigkeit und Umweltschutz im Rahmen des Designs eines Zukunftsmobils. erschließen sich geeignete Materialien, Lade- und Antriebstechnologien für ein Automobil der Zukunft. arbeiten unter Berücksichtigung der Aspekte Nachhaltigkeit und Umweltschutz ein Design für ein Automobil der Zukunft heraus. beschreiben zentrale Merkmale eines Zukunftsmobils. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren das selbstständige Erschließen von Themen und Inhalten. bereiten eigene Ideen und Visionen schriftlich und gestalterisch auf. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- beziehungsweise Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Personen. lernen Diskussionen argumentativ und rational zu führen. schulen im Rahmen von Diskussionen und Präsentationen die eigene Ausdrucksfähigkeit und aktives Zuhören. trainieren das kreative Entwickeln und Ausformulieren eigener Ideen.

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.

Der Beitrag zeigt, wie es mithilfe von physikalischen Grundprinzipien wie dem Auftrieb und den Strömungseigenschaften der Luft, also den Gesetzen der Aerodynamik, der Mechanik und der Thermodynamik, Flugzeugen ermöglicht wird, sich durch die Luft bis hinauf in große Höhen zu bewegen und über viele Stunden hinweg Menschen und Fracht über Tausende von Kilometern in nahezu alle Gegenden unserer Welt zu transportieren. Die Faszination des Fliegens reicht tief in die menschliche Natur und Kultur hinein. Sie verbindet technische, emotionale und philosophische Aspekte, die das Fliegen zu einer einzigartigen Erfahrung und einer Besonderheit machen. Seit der Antike zeugen Mythen wie die von Ikarus oder Daedalus von der Sehnsucht der Menschen, wie Vögel frei durch die Lüfte zu gleiten. Erst durch das Fliegen in der Neuzeit wurde es möglich, in weit entfernte Länder in relativer kurzer Zeit zu gelangen, um deren Kulturen zu entdecken, bis dahin war dies nur mit Schiffen über extrem lange Zeiträume und verbunden mit großen Gefahren möglich. Im Anschluss an diese Unterrichtseinheit können Sie nahtlos die Einheit "Physik des Fliegens – von der Steuerung bis zum Triebwerk" anschließen. Das Thema behandelt den Weg vom Auftrieb bis hin zum Gleitflug, etwa bei Segelflugzeugen. Im Gegensatz zum Auftrieb bei Start und Horizontalflug, für den eine Antriebskraft nötig ist, nutzt der Gleitflug eine leichte Abwärtsneigung, bei der ein Teil der potentiellen Höhenenergie in Bewegungsenergie umgewandelt wird und damit die Vorwärtsbewegung ohne eigene Antriebskraft ermöglicht. Diesen relativ einfachen und leicht darstellbaren Zusammenhang können Schülerinnen und Schüler gut nachvollziehen und somit auch das allen bekannte Segelfliegen verstehen. Vorkenntnisse Vorkenntnisse sind aufgrund der bekannten physikalischen Zusammenhänge bei den – vermutlich – meisten Lernenden vorhanden. Die zugehörigen Gesetze beinhalten keine komplizierten Zusammenhänge. Didaktische Analyse Bei der Besprechung des Themas "Fliegen" sollten neben den technischen und naturwissenschaftlichen Aspekten in der Diskussion mit den Schülerinnen und Schülern auch ökologische und ethische Perspektiven berücksichtigt werden. Es bietet sich die Möglichkeit, neben der Vermittlung von Wissen auch gesellschaftliche und globale Herausforderungen anzusprechen. So lässt sich eine Balance zwischen Faszination und kritischer Auseinandersetzung für ein differenziertes Herangehen an das Thema ermöglichen. Methodische Analyse Die Thematik "Fliegen" lässt sich gut verständlich und nachvollziehbar vermitteln. Zudem ist es möglich, anhand einfachster Modelle wie etwa selbst gefaltete Papierflieger oder auch anderer einfacher Flugmodelle die Funktionsweise, wie ein Flugzeug prinzipiell zum Fliegen kommt, zu verstehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die entscheidende Bedeutung von Auftrieb und Strömung für das Fliegen. können die verschiedenen Kräfte, die auf ein Flugzeug in den unterschiedlichsten Flugsituationen wirken, beschreiben und ihr Ineinandergreifen genau zuordnen. können anspruchsvolle Übungsaufgaben lösen und damit auch Belastungen für Passagier in Verkehrsflugzeugen, aber auch Extremsituationen für Piloten in Militärjets näher verstehen. 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 Partnerarbeit und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit unter anderem anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.