Diese Unterrichtseinheit behandelt die Bernoulli-Experimente und die Bernoulli-Kette, welche in den Lehrplänen der Abschlussklassen verschiedener Schulformen stehen. Mit Hilfe derartiger Experimente lassen sich, auch rund um den Fußball, viele Gegebenheiten modellieren. Nach Vorstellung der Begriffe, der Idee zur Bestimmung von Wahrscheinlichkeiten und dem Kennenlernen der Binomialverteilung werden viele Fragen im Zusammenhang mit Fußball erörtert und Wahrscheinlichkeiten bestimmt. In der Unterrichtseinheit "Die Binomialverteilung und der Fußball" werden das Bernoulli-Experiment und die Bernoulli-Kette vorgestellt, sowie die Idee der Binomialverteilung präsentiert. Die erste Einheit befasst sich mit dem Bernoulli-Experiment und wenigen Durchführungen hintereinander. Abgerundet wird der erste Teil mit Übungen und Aufgaben mit Fußballbezug , denn viele Beobachtungen im Fußball können mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten eintreten. In der zweiten Einheit werden längere Bernoulli-Ketten betrachtet – wieder mit vielen Beispielen aus dem Fußballbereich. Der Binomialkoeffizient wird kurz wiederholt, um die Idee der Binomialverteilung zu erarbeiten. Die abschließenden Übungen mit Fragen rund um den Fußball benötigen die Idee der Bernoulli-Ketten. Den Schülerinnen und Schülern werden in den Übungen stets Rückmeldungen zur Verfügung gestellt. Die Einheit wird abgerundet mit der Verwendung von Exceldateien zum Bestimmen von Wahrscheinlichkeiten – mit welcher Wahrscheinlichkeit ist eine Fußballmannschaft in einem Elfmeterschießen erfolgreich? Hier geht es zu den interaktiven Übungen ! Die Pfadregel und die Baumdarstellung bei mehrstufigen Experimenten werden in dieser Unterrichtseinheit als bekannt vorausgesetzt. Wahrscheinlichkeiten für Bernoulli-Experimente werden sowohl für Laplace als auch nicht-Laplace Experimente betrachtet. Die Erweiterung zu Bernoulli-Ketten wird mit Hilfe von Baumdarstellungen verdeutlicht. Nach kurzer Wiederholung des Binomialkoeffizienten-Begriffes wird die Binomialverteilung erarbeitet. Mit interaktiven Übungen und einer Vielzahl von Fragen werden die Inhalte, angelehnt an Fußballthemen, geübt. Auch für den "Nichtfußballprofi" sind die Aufgaben verständlich dargestellt. Versteckt in Anwendungen findet sich auch die Idee zum Hypothesentest, dieser wird aber nicht explizit thematisiert. Fachbezogene Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler lernen die Idee des Bernoulli-Experimentes kennen. begreifen die Erweiterung zur Bernoulli-Kette. lernen die Binomialverteilung zu Fragenstellungen aus dem Fußballbereich kennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet. setzen mobile Endgeräte im Unterricht ein. nutzen Excel. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler steigern ihr Selbstwertgefühl und Eigenverantwortung (Rückmeldungen zu Antwortmöglichkeiten). haben die Möglichkeit in Teamarbeit Hilfsbereitschaft zu zeigen. lernen auf vielfältige Fragestellungen aus dem Bereich Wahrscheinlichkeitsrechnung adäquat einzugehen.

Die entwickelte Unterrichtsreihe nutzt den eukaryotischen Organismus S. cerevisiae (Bäckerhefe), aufgrund seiner einfachen Kultivierungsbedingungen, zum Wissensaufbau zu biologischen Schlüsselbegriffen in den Themen Fermentation und mikrobielle Kinetik. Übergeordnetes Ziel ist das Erlernen von methodischen Strukturen zum wissenschaftlichen Arbeiten, bei der mithilfe von Versuchsreihen der Einfluss eines Parameters auf ein biologisches System untersucht wird. Dieser systematische Umgang mit Variablen innerhalb einer Versuchsreihe trägt zur Kompetenzförderung im Bereich Erkenntnisgewinnung im Rahmen der naturwissenschaftlichen Grundbildung bei.Wie gelingt der beste Pizzateig? Dieser Frage folgt das Unterrichtskonzept mit spannenden und einfachen Experimenten mit Hefe zu den Themen Fermentation und mikrobielle Kinetik . Der Versuchsaufbau ist für alle Hefe-Experimente identisch, kann aber in unterschiedlicher Komplexität durchgeführt und ausgewertet werden. Dadurch ist die Unterrichtsreihe sowohl in der Sekundarstufe 1 als auch 2 einsetzbar. Die Experimente bauen auf einen Grundversuch auf und können durch weitere Untersuchungen und Variation von Parametern ein vertiefendes Wissen innerhalb des Themas Enzymkinetik ermöglichen. Nach einer thematischen Einführung wird im Grundversuch die allgemeine grundlegende Aussage getroffen, dass Hefe ein wässriges Medium mit einem Substrat (Saccharose) und spezifisch günstige Temperaturbedingungen zwischen 35 °C bis 45 °C zum Wachstum benötigt. Diese Annahme wird mithilfe einer Versuchsreihe zu den Auswirkungen der Parameter Temperatur und Substrat auf das Hefewachstum untersucht. In der darauffolgenden Unterrichtsstunde folgen drei aufbauende Experimente (Versuch 1 bis 3), welche das Wissen zu Enzymen , deren Funktion und Kinetik als Biokatalysatoren erweitern. Bezüglich den Schwerpunkten Temperaturabhängigkeit, Substratspezifität und Substratkonzentration werden Datensätze mit den Experimenten generiert, die analytisch in einer Nachbereitungsstunde ausgewertet werden. Die beobachteten Reaktionen werden mit der Michaelis-Menten-Kinetik veranschaulicht. Dies ist möglich, da die Hefezellen vereinfacht als Biokatalysator angesehen werden können. In den Experimenten wird über die Bildung des Schaums (beziehungsweise des Kohlenstoffdioxids) auf das Wachstum geschlossen. Eine höhere Schaumbildungsrate liegt einer höheren $$CO_2$$ - Bildung zugrunde, was folglich ein verstärkter Stoffwechsel und mehr Zellen bedeutet. Die Hefe-Aktivität wird somit durch die Ausdehnung der Ansatzvolumina messbar und muss über einen Zeitraum von circa 10 Minuten in regelmäßigen Abständen dokumentiert werden. In Zusatzversuchen (Versuche 4 bis 6) können weitere Parameter wie der Einfluss unterschiedlicher Lösemittel (Wasser und Öl), die Auswirkung beim Zusatz von Salz und die Enzymkonzentration (Menge an Hefe) untersucht werden. Der Kontext zum Pizzabacken oder Backen von Hefeteigprodukten bietet alltagsnahen und altersgerechte Einstiegsmöglichkeiten für die Bildungsgänge der Sekundarstufe 1 und 2 dar. Mit der Plattform "Kniffelix" kann die Unterrichtsreihe durch ein digitales Lernangebot mit dem "Pizza-Rätsel" erweitert werden. Diese digitale Begleitung der Hefeversuche stellt Ergänzungen in Form von weiteren praktischen Aufgaben, Lernvideos, interaktiven digitalen Aufgaben zu den Versuchsreihen bereit. Das Thema "Hefe" im Biologie-Unterricht Die Stoffwechselleistung der Hefe macht sich der Mensch schon seit Jahrtausenden zunutze, beispielsweise beim Bierbrauen und Brotbacken. Heute gehört der Mikroorganismus Hefe zu den "Fabriken der Zukunft" und steht im Interesse der Forschung und Industrie zur Produktion von biotechnologischen Produkten wie Impfstoffe, Medikamente oder Chemikalien. Die Relevanz der Thematik steckt somit in der historisch wachsenden Bedeutung der Hefe in vielfältigen Forschungsfeldern sowie in der Jahrtausendlangen Verwendung zur Herstellung von Teigwaren in der heimischen Küche und alkoholischen Getränken. Vorkenntnisse Spezifische Vorkenntnisse der Lernenden sind nicht notwendig. Die theoretischen Hintergründe zu den Experimenten schaffen grundlegendes Wissen, wodurch sich die Experimente als Einstiegsthema zur Enzymkinetik eignen. Vorkenntnisse zur Zellatmung und alkoholischen Gärung können vorteilhaft sein und können durch wesentliche Erkenntnisschritte in der analytischen Auswertung der Experimente verdeutlicht werden. Didaktisch-methodische Analyse Die Experimente folgen einem forschungsorientierten methodischen Vorgehen und stehen im Zuge der Entwicklung der Experimentierkompetenz der Schülerinnen und Schüler im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung. Die kontrollierte Variation der Untersuchungsparameter und der systematische Umgang mit Variablen fördert das Erlernen von methodischen Strukturen zum wissenschaftlichen Arbeiten im Rahmen der naturwissenschaftlichen Grundbildung. Die Experimente werden in Gruppenarbeit oder Partnerarbeit, je nach Klassen- oder Kursgröße, durchgeführt. Somit steht der Austausch mit Peers im Vordergrund, indem sich die Lernenden gegenseitig unterstützen und selbstständig den Experimentierprozess leiten. Besonderheit aller Experimente ist, dass alle verwendeten Geräte, Gebrauchs- und Verbrauchsmaterialien kostengünstig in Drogerien oder Lebensmittelgeschäften erhältlich oder sogar schon im Haushalt zu finden sind. Aufgrund dessen, durch die digitale Begleitung der Inhalte auf der Plattform "Kniffelix" und durch Videomaterial auf der Homepage des Lehrgebiets BioVT der TUK können die Experimente auch einfach von zu Hause durchgeführt werden und im Setting "Remote Learning" Einsatz finden. Eine zusätzliche Unterstützungsmöglichkeit bei der Durchführung des Unterrichtskonzepts ist die besondere methodische Herangehensweise in Experimentierkisten , welche nicht nur als Transportmedium für alle Materialien und Geräte dient, sondern auch den Wissenstransfer zwischen Universität und Schule symbolisiert und den Transport von Wissensgut ermöglicht. Für Lehrkräfte aus Rheinland-Pfalz und aus der Metropolregion Hamburg besteht die Möglichkeit diese Experimentierkisten auszuleihen. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten dazu in der Lage sein, die Unterrichtsreihe gezielt durch digitale Medien zu untermauern. Beispielsweise ist es möglich ein digitales Laborbuch zu den Versuchsreihen anzulegen und die Datenanalyse mit einer Softwarelösung vorzunehmen. Das digitale Laborbuch kann zur Dokumentation aber auch als Interaktionstool genutzt werden und im Rahmen eines kollaborativen Dokumenten-Tools umgesetzt werden. Die Lehrkraft soll so in der Lage sein, die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, digitale Medien im Rahmen der Gruppenarbeiten zu nutzen, um die Kommunikation und Kooperation innerhalb der Lerngruppe zu verbessern. Die Lernenden können in der Form des digitalen Laborbuchs experimentelle Erkenntnisse und Fortschritte dokumentieren, diese kommunizieren und gemeinsam Auswertungen und Diskussionspunkte erarbeiten. Sicherzustellen sind Internetzugang und die Verfügbarkeit von Endgeräten für die Lerngruppe. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler führen exemplarisch Untersuchungen zu physiologischen Fragestellungen zu dem Zusammenhang von Kohlenstoffdioxidproduktion, Wachstum und Enzymkinetik, durch. erschließen sich Wechselwirkungen zwischen Lebensraum, dessen charakteristischen Faktoren (zum Beispiel Temperatur, Substrate) und dem artspezifischen angepassten Wachstum von Organismen. stellen auf Grundlage der Analyse der Experimente zu Enzymkinetik erste Zusammenhänge zur Michaelis-Menten-Kinetik da. Methodenkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden im Experimentierprozess zur Erkenntnisgewinnung die kontrollierte Untersuchung der Variablen an, identifizieren die Störvariable, halten deren Auswirkungen gering und kontrolliert, um den Einfluss der abhängigen Variable zu untersuchen. nutzen naturwissenschaftliche Arbeitsweisen (zum Beispiel Experimentieren, Beobachten, Messen). Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stehen in der Gruppenarbeit im Austausch mit der Peer-Gruppe, wodurch ein Peer-Coaching explizit erfordert wird. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler zeigen Kreativität bei dem Lösen der Problemstellungen der Experimente. analysieren die aus den Experimenten gewonnenen Daten, interpretieren und bewerten sie, um kritisch Rückschlüsse auf die Themen Enzymkinetik und Kultivierungsbedingungen zu ziehen.

Am Beispiel der Fußball Europameisterschaft werden in dieser Unterrichtseinheit die Wahrscheinlichkeiten zusammengesetzter Ergebnisse und Ereignisse bestimmt, denn auch im Fußball unterliegt vieles dem Zufall. Nach Beschreibungen der Begriffe "Ergebnis" und "Ereignis" sowie des Wahrscheinlichkeitsbegriffs werden interaktive Übungen mit Fragen rund um das Thema Fußball bearbeitet. Die Fußball Europameisterschaft findet alle vier Jahre statt. In dieser Unterrichtseinheit werden Grundlagen zur Wahrscheinlichkeitsrechnung erarbeitet und umfassend geübt. Das erste Arbeitsblatt befasst sich zunächst mit möglichen, aber auch unmöglichen Ereignissen. Auch auf einfache Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen zu einstufigen Ergebnissen wird ausführlich eingegangen. Eine Unterscheidung von Laplace-Experimenten und Experimenten, bei welchen Statistiken zu Vorhersagen verwendet werden, findet statt. Abgerundet wird der erste Teil mit einer großen Anzahl von Übungsaufgaben mit Fußballbezug. Auf dem zweiten Arbeitsblatt werden dann mehrstufige Experimente betrachtet. Auch hier werden wieder viele Beispiele aus dem Fußballbereich genutzt. Eine kurze Wiederholung zur Bestimmung von Anzahlen von Kombinationsmöglichen am Ende der Einheit erweitern die Möglichkeiten, Betrachtungen im Fußball mathematisch durchzuführen. Zum Schluss stehen erneut interaktive Übungen bereit. Dem Übenden werden in diesen Übungen stets Rückmeldungen zur Verfügung gestellt. Die Einheit kann auch außerhalb einer Fußball Europameisterschaft eingesetzt werden. Bei Bedarf können die Ländernamen der Mannschaften ausgetauscht werden. Alle Unterrichtssequenzen beinhalten außerdem interaktive Übungen , bei denen die Lernenden ihr Wissen noch einmal anwenden und vertiefen können. Ein Grundlagenwissen aus der Kombinatorik ist Voraussetzung für diese Unterrichtseinheit. Eine kurze Wiederholung hierzu auf dem zweiten Arbeitsblatt soll ermöglichen, umfangreiche Probleme stochastisch auch mit Hilfe von Statistiken bearbeiten zu können. Die Unterscheidung der Begriffe "Ergebnis" und "Ereignis" wird durch Beispiele aus dem Fußballbereich verständlich erklärt. Ebenso der Unterschied zwischen Laplace-Experimenten und Experimenten, wo Statistiken für Wahrscheinlichkeitsvorhersagen hilfreich sind. Mit interaktiven Übungen und einer Vielzahl von Fragen werden Grundlagen geübt. Diese sind angelehnt an Fußballthemen, die aber auch für den "Nichtfußballprofi" verständlich dargestellt werden. Fachbezogene Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler gewinnen Erkenntnisse zu Laplace Experimenten. können Laplace Experimente von anderen Zufallsexperimenten unterscheiden. lernen mathematische Betrachtungen am Beispiel eines Fußballturniers kennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet. setzen mobile Endgeräte im Unterricht ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler steigern ihr Selbstwertgefühl und ihre Eigenverantwortung (Rückmeldungen zu Antwortmöglichkeiten). haben die Möglichkeit, in Teamarbeit Hilfsbereitschaft zu zeigen. lernen auf vielfältige Fragestellungen aus dem Bereich Wahrscheinlichkeitsrechnung adäquat einzugehen.

Mit diesem Unterrichtsmaterial prüfen die Lernenden durch ein wissenschaftliches Experiment, inwiefern Wärme, Licht, Wasser und Erde das Keimen von Samen beeinflussen. Dabei beschreiben sie die Veränderungen in der Natur von Winter zu Frühling und knüpfen an ihr Wissen über Frühblüher an. In dieser Unterrichtseinheit für den Unterricht in Biologie der Sekundarstufe I beschreiben die Schülerinnen und Schüler die Veränderungen in der sie umgebenden Natur von Winter zu spätem Frühling und erweitern damit ihr Wissen über Frühblüher. Durch die Erinnerung an die Frühblüher und den Unterschied Blumenzwiebel – Blumensamen kommt die Frage auf, was Samen brauchen, damit sie keimen können (und warum sie dies erst deutlich später tun als die Frühblüher). Ausgehend von dieser Fragestellung planen sie gemeinsam ein Experiment, mit dem sie die Keimungsbedingungen für Samen zum Beispiel von Kresse oder Bohnen herausfinden können. Sie führen das Experiment durch und beobachten die Entwicklung über mehrere Tage, um anschließend die Beobachtungen auszuwerten. Dadurch, dass sie arbeitsteilig in Gruppen den Samen jeweils keine Wärme, kein Licht, keine Erde und kein Wasser zuführen, erkennen sie, welche Bedingungen Samen zum Keimen brauchen. Das Thema Keimung von Samen im Unterricht Das Thema Wachstumsbedingungen von Pflanzen ermöglicht einen hohen Alltagsbezug und Eigenaktivität der Lernenden. Durch Anknüpfung an bereits bekannte Inhalte und Beobachtung der eigenen Umwelt entstehen Fragestellungen, die in relativ einfach durchzuführenden Experimenten beantwortet werden können. Vorkenntnisse Die Lernenden kennen den Aufbau von Blumenzwiebeln und wissen, warum Frühblüher schon sehr früh im Jahr blühen können. Didaktische Analyse Als Keimungsbedingungen werden in dieser Unterrichtseinheit Wärme, Licht, Wasser und Erde untersucht. Andere Faktoren wie benötigte Nährstoffe bleiben dabei aus Gründen der didaktischen Reduktion außen vor, um den Lerngegenstand zu reduzieren. Gegenüber einem wissenschaftlich durchgeführten Versuch gibt es zwar viele Fehlerquellen, die Ergebnisse reichen aber aus, um Rückschlüsse zu ziehen. Einige Fehlerquellen können im Unterricht während der Durchführung des Experiments angesprochen werden. Da die Schülerinnen und Schüler in den einzelnen Phasen des Unterrichts immer in der Gruppe agieren, werden Schwierigkeiten und Unsicherheiten aufgefangen. Methodische Analyse Angeregt durch einen Impuls (gekeimte Samen) machen sich die Lernenden Gedanken zum Wachstum von Pflanzen, den Unterschied zu Frühblühern und der Jahreszeitenrhythmik. Sie äußern diese Gedanken im Unterrichtsgespräch und werden zur Fragestellung der Stunde geleitet. Der anschließende Rundlauf dient schon der Planung der Experimente. In der Besprechung kann die Lehrkraft passende Ideen benennen und auswählen, damit der Materialbedarf zu dem passt, was an der jeweiligen Schule vorhanden ist. In der Gruppe bereiten die Lernenden das Experiment dann mithilfe weniger Arbeitsanweisungen selbstständig vor und können bei Bedarf durch die Lehrkraft unterstützt werden. Umgang mit Fachwissen Die Schülerinnen und Schüler können Bedingungen in Lebensräumen benennen und ihren Einfluss erläutern. beobachten kriteriengeleitet die Keimung von Pflanzen. Kommunikation Die Schülerinnen und Schüler zeichnen Beobachtungen übersichtlich auf. geben ihre Beobachtungen adressatengerecht weiter. Bewertung Die Schülerinnen und Schüler ziehen aus den Beobachtungen des Experiments Rückschlüsse auf optimale Keimungsbedingungen.

In dieser Unterrichtseinheit zum kleinen Wasserkreislauf werden die Kinder spielerisch an die Thematik der Naturkreisläufe im Regenwald herangeführt. Sie lernen spannende Eigenschaften des Wassers kennen und entwickeln ein Verständnis dafür, wie sich Wasser in der Natur verhält. Die Unterrichtseinheit "Der kleine Wasserkreislauf" enthält sowohl Informationen zum Wasserkreislauf als auch eine Fülle an Experimenten mit Wasser. Diese ermöglichen es den Kindern, die verschiedenen Eigenschaften von Wasser zu erleben und selbst herauszufinden, wie sich das Elixier des Lebens in unterschiedlichen Situationen verhält. Zudem erleben die Kinder spielerisch, wie der kleine Wasserkreislauf im Regenwald funktioniert (auch übertragbar auf unsere Naturkreisläufe). Der Wasserkreislauf ist eine der zentralsten Funktionen des Ökosystems Erde. Dementsprechend ist es wichtig, dass auch Kinder dieses grundlegende Konzept zu verstehen lernen. Zum Glück ist der kleine Wasserkreislauf nicht allzu komplex und kann somit auch bereits im Kindergarten behandelt werden. Auch ein Bezug zum Leben der Kinder ist gegeben, denn Regen hat schließlich jeder schon einmal erlebt. Wo er jedoch herkommt, ist eine andere Frage. Gerade kleine Experimente eignen sich hervorragend um dieses Wissen zu vermitteln, da sie alles auf eine anschaulich-mitreißende Art vermitteln. Die Experimente zum kleinen Wasserkreislauf in dieser Unterrichtseinheit werden dabei nicht unnötig komplex oder lösen Verständnisprobleme bei den Schülerinnen und Schülern aus. Vorkenntnisse der Lehrkraft sind nicht nötig, alle relevanten Informationen sind auf den Arbeitsblättern vorhanden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler werden an den kleinen Wasserkreislauf herangeführt. lernen, wie sich Wasser unter verschiedenen Gegebenheiten verhält. bauen unter Aufsicht kleine Experimente zum Wasserkreislauf auf. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler werden an die Idee eines wissenschaftlichen Experimentes herangeführt .

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.

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten mithilfe eines interaktiven Lerntools die für die Hintereinanderschaltung zweier Widerstände geltenden Gesetzmäßigkeiten. Zur Konsolidierung ihres Wissens lösen die Lernenden im Anschluss an die Arbeit mit dem virtuellen Experiment verschiedene Anwendungsaufgaben. Neben dem selbstgesteuerten Arbeiten wird durch gestaffelte Hilfen auch eine innere Differenzierung ermöglicht. Das interaktive Experiment, die Anwendungsaufgaben wie auch die Hilfen werden den Lernenden dabei in Form eines Selbstlerntools zur Verfügung gestellt, das mit der Software ?Mediator? realisiert wurde. Das virtuelle Experiment ? eine interaktive Flash-Animation - wurde an der Physik-Didaktik der Universität Bayreuth entwickelt. Unterrichtsverlauf und Materialien Hinweise zum Ablauf der Unterrichtseinheit. Ein Screenshot vermittelt einen Eindruck vom virtuellen Messplatz. Alle Materialien können Sie hier auch einzeln herunterladen. Besonderheiten der Unterrichtseinheit Ein virtuelles Experiment wird dem Realexperiment vorgezogen Die Schülerinnen und Schüler sollen wissen, dass bei zwei hintereinander geschalteten Widerständen die Summe der Teilspannungen der Gesamtspannung entspricht. die Berechnungsgleichung des Gesamtwiderstandes bei zwei in Reihe geschalteten Teilwiderständen kennen. wissen, dass sich bei einer Reihenschaltung von zwei Widerständen die anliegenden Teilspannungen wie die entsprechenden elektrischen Widerstände verhalten. wissen, dass ein elektrisches Gerät, das eigentlich für eine kleinere Spannung ausgelegt ist, mithilfe eines geeigneten Vorwiderstandes dennoch betrieben werden kann. die Größe des zum Betrieb eines Bauteils notwendigen Vorwiderstandes bestimmen können. den Einsatz von Vorwiderständen unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Faktoren bewerten können. Thema Reihenschaltung von Widerständen Autor Patrik Vogt Fach Physik Zielgruppe Klasse 8-10 Zeitraum mindestens 2 Stunden Technische Voraussetzungen Beamer, Präsentationsrechner, Computer in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit), 9-Volt-Batterie, 3,8-Volt-Lampe mit Fassung, Auswahl an Widerständen, Experimentierkabel Planung Reihenschaltung von Widerständen Einstieg in das Thema - die Beamer-Lampe Zur Entwicklung der Problemfrage der Unterrichtseinheit stellt die Lehrperson folgenden Sachverhalt dar: "In Beamern werden Halogenlampen verwendet, die für eine Spannung von 24 Volt ausgelegt sind." Auf die Frage, ob eine solche Lampe unmittelbar an das Stromnetz (230 Volt) angeschlossen werden könne, wird eine Schülerin oder ein Schüler aufgrund des Vorwissens antworten, dass dies nicht möglich sei. Im Unterrichtsgespräch wird die Lösung des Problems von den Lernenden erarbeitet beziehungsweise von den Lernenden genannt: Mithilfe eines Widerstandes, den man mit der Lampe in Reihe schaltet, "verringert" man die Spannung und "schützt" somit die Lampe. Berechnung des Vorwiderstandes Dieser Hinweis führt unmittelbar zur Problemfrage der ersten Unterrichtsstunde, die an der Tafel fixiert wird: "Wie kann man die Größe eines Vorwiderstandes berechnen?" Zur visuellen Unterstützung kommt in dieser Phase eine Folie zum Einsatz ("reihenschaltung_r_einstieg.pdf", Präsentation per Beamer oder Overheadprojektor). Den Lernenden wird das Experimentiermaterial für ein Analogieexperiment vorgestellt (das später von zwei Lernenden als Demonstrationsexperiment vorgeführt wird). Die Lehrperson informiert die Schülerinnen und Schüler über folgende Punkte: Vorstellung des Lerntools und seiner Funktionen (per Beamer) Hinweise zum Umgang mit den Hilfen und Lösungen aus dem Lerntool Zielvorgabe für die erste Unterrichtsstunde ("reihenschaltung_r_arbeitsblatt.pdf", Aufgabe 1) Zeitvorgabe (Erarbeitung bis zehn Minuten vor Ende der ersten Unterrichtsstunde) Wo finden die Lernenden die Simulation? - Mitteilung von Dateipfad und -name (Reihenschaltung.exe) Virtuelles Experiment - Einzel- oder Partnerarbeit Die Lernenden führen das virtuelle Experiment durch ("reihenschaltung_r_selbstlerntool.zip", Start des Programms durch "Reihenschaltung.exe"), protokollieren ihre Ergebnisse (reihenschaltung_r_arbeitsblatt.pdf) und erarbeiten daraus die Gesetzmäßigkeiten für die Reihenschaltung von Widerständen. Aus dem Bauteilkasten können verschiedene Widerstände in die Schaltung hineingezogen und per Klick auf das Tintenfass die jeweiligen Messwerte protokolliert werden. Die Messwerte erscheinen im "Ausdruck" des virtuellen Druckers. Eine Kurzbeschreibung der Funktionalitäten des virtuellen Messplatzes zur Reihenschaltung von Widerständen finden Sie auf der Website der Universität Bayreuth, die noch weitere interaktive Materialien zu bieten hat. Beachten Sie, dass die Programme auf der Homepage der Didaktik der Physik auf lange Sicht aktualisiert werden. Besprechung der Schülerergebnisse Im Unterrichtsgespräch werden die Ergebnisse des interaktiven Experiments besprochen. Die Schülerinnen und Schüler nennen die aufgestellten Gleichungen, welche von der Lehrperson an der Tafel fixiert und von den Lernenden gegebenenfalls korrigiert werden ("reihenschaltung_r_tafelbild.pdf", Tafelbild A). Zur Beantwortung der Ausgangsfrage wird die Lösung zu Aufgabe 1 (siehe "reihenschaltung_r_arbeitsblatt.pdf) von einer Schülerin oder einem Schüler vorgestellt und ebenfalls an der Tafel fixiert ("reihenschaltung_r_tafelbild.pdf", Tafelbild B). Auf der Grundlage des berechneten Vorwiderstandes führen nun zwei Lernende das Analogieexperiment als Demonstrationsversuch vor. Reflexion: Sind Vorwiderstände immer sinnvoll? Unter Nutzung ihres physikalischen Fachwissens bewerten die Schülerinnen und Schüler den Einsatz von Vorwiderständen. Dabei sollen sie ökonomische und ökologische Faktoren berücksichtigen. In der zweiten Unterrichtsstunde bearbeiten die Schülerinnen und Schüler die restlichen Aufgaben. Durch die bereitgestellten Hilfen können sie völlig selbstständig arbeiten und ihr Lerntempo frei bestimmen. Lediglich offene Fragen werden abschließend im Unterrichtsgespräch diskutiert und beantwortet. Möchte man im Unterricht die Hintereinanderschaltung zweier Widerstände im Realexperiment in Partner- oder Gruppenarbeit untersuchen lassen, so stößt man erfahrungsgemäß auf zwei große Schwierigkeiten: In den meisten Physiksammlungen sind nicht ausreichend Spannungsmessgeräte vorhanden. (Um zügig arbeiten zu können, benötigt jede Gruppe mindestens zwei Spannungsmesser!) Das Auswechseln der Widerstände und das Messen der Spannungen würde viel Zeit in Anspruch nehmen, so dass die zur Verfügung stehende Zeit kaum ausreichen würde. Wichtig: Abgrenzung des virtuellen vom realen Experiment Wurden noch keine virtuellen Experimente im Physikunterricht eingesetzt, müssen diese von den Qualitäten des Realexperiments deutlich abgegrenzt werden: Im Gegensatz zum virtuellen Experiment, das eine Frage an die der Programmierung zugrunde liegende Mathematik richtet, stellt das Realexperiment stets eine Frage an die Natur. Es ist also unmöglich, aus einem virtuellen Experiment eine Theorie abzuleiten oder zu bestätigen, diese wurde schließlich bereits "einprogrammiert". Allein das Realexperiment kann Prüfstein von naturwissenschaftlichem Wissen sein. Diese herausragende Rolle des "echten" Experiments innerhalb des physikalischen Erkenntnisprozesses muss den Lernenden immer wieder bewusst gemacht werden. Dennoch hat das interaktive Experiment seine Berechtigung, und zwar immer dann, wenn Versuche zu schnell oder zu langsam ablaufen oder - wie auch in diesem Fall - wenn das notwendige Experimentiermaterial nicht verfügbar ist. Im Fokus: Erfassung und Auswertung von Daten Nicht zuletzt rechtfertigt sich der Einsatz des virtuellen Experimentes in der hier vorgestellten Unterrichtseinheit auch dadurch, dass die Erfassung und die Auswertung von Datenmaterial im Zentrum des Unterrichtsgeschehens stehen. Hierbei handelt es sich um Kompetenzen, die von den Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss gefordert werden und die mit der eingesetzten Simulation ausgezeichnet vorangetrieben werden können. Durch die Bereitstellung der verschiedenen Hilfestellungen können alle Lernenden beziehungsweise alle Teams die Lösungshinweise - entsprechend ihren Fähigkeiten - selbstständig abrufen, wodurch neben der Realisierung von selbstgesteuertem Arbeiten eine innere Differenzierung erreicht wird. Während der Lernsequenz ist es nicht zwingend notwendig, dass alle Schülerinnen und Schüler das komplette Aufgabenpensum abarbeiten, woraus sich eine weitere Differenzierungsmöglichkeit ergibt. Der Abruf der Hilfen aus dem Lerntool ist komfortabel, jederzeit wiederholbar und - da keine Kopien anfallen - kostenneutral.

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten die "goldene Regel der Mechanik" am Beispiel der schiefen Ebene mit einem dynamischen GeoGebra-Applet.?Maschine (griechisch mechane, Werkzeug), in der Technik ein Gerät zur Änderung der Stärke oder Richtung einer angewandten Kraft.? Gemäß diesem Lexikoneintrag ist ein als Rampe dienendes Brett die wohl einfachste Maschine der Welt. Denn um ein Bierfass über eine Rampe auf die Ladefläche eines LKW zu rollen, ist nur ein Bruchteil der Gewichtskraft des Fasses erforderlich. Doch leider ist im Leben nichts umsonst: Die Krafteinsparung muss man auf anderem Weg bezahlen. Wie? Das herauszufinden, ist Aufgabe der Schülerinnen und Schüler in dieser auf ein Computerexperiment gestützten Unterrichtseinheit. Und dabei springt zum Schluss noch ein wichtiges physikalisches (Abfall-)Produkt heraus, nämlich das aus Kraft und Weg: die Arbeit. Gestaltung und Einsatz der Materialien im Unterricht Fachliche Voraussetzungen sowie Hinweise zum Einsatz des virtuellen Experimentes (Eigenständige Bearbeitung ohne vorherige Behandlung im Unterricht, Vertiefung und Festigung, prägnante Wiederholung in höheren Jahrgangsstufen). Vorteile der Computersimulation und fachliche Hinweise Das virtuelle Experiment ermöglicht auch in großen Klassen selbstständiges Experimentieren und eine zeitsparende Konzentration auf die Auswertung und die Ergebnissicherung. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Zerlegung der Gewichtskraft in Normal- und Hangabtriebskraft bei der schiefen Ebene wiederholen. die Aufnahme und das korrekte Eintragen von Messdaten in eine Messtabelle planen und üben. erkennen und mathematisch begründen können, dass der Steigungswinkel und die Hangabtriebskraft nicht proportional sind. erkennen und über die Produktgleichheit mathematisch begründen können, dass Hangabtriebskraft und zurückgelegter Weg zur Überwindung eines bestimmten Höhenunterschieds indirekt proportional sind (bei konstanter Gewichtskraft). die "goldene Regel der Mechanik" verstehen, formulieren und erklären können. die Vorgehensweise zur Einführung einer neuen physikalischen Größe verstehen. Kenntnisse der direkten beziehungsweise indirekten Proportionalität von Größen mit Quotienten- beziehungsweise Produktgleichheit der Wertepaare bilden die mathematischen Voraussetzungen für den Kurs. Kräftezerlegung und -parallelogramm sollten bereits bekannt sein, können aber mit dem Applet am Beispiel der schiefen Ebene noch einmal interaktiv wiederholt werden. Für das computergestützte Experiment bieten sich verschiedene Einsatzmöglichkeiten an: Eigenständige Bearbeitung des Computerexperimentes ohne vorherige Behandlung im Unterricht Vertiefung und Festigung des bereits im Unterricht durchgeführten Experimentes, eventuell in Übungsstunden oder als Hausaufgabe prägnante Wiederholung des Stoffs in höheren Jahrgangsstufen Im Idealfall arbeiten ein bis zwei Schülerinnen und Schüler selbstständig an einem Computer. Das Experiment kann natürlich auch mit einem Beamer in einem fragend-entwickelnden Unterricht oder einem Lehrervortrag präsentiert werden. Zum Einstieg: erst "austoben lassen", dann "anleiten" Erfahrungsgemäß entdecken die Schülerinnen und Schüler bei einer selbständigen Bearbeitung des Computerexperimentes sehr schnell alleine die Bedienungsmöglichkeiten des Applets und erkennen, welche unabhängigen Objekte bewegt werden können, so dass auf ausführliche Bedienungshinweise verzichtet werden kann. Zu Beginn der Stunde hat sich bei computergestützten Unterrichtseinheiten eine "Austobphase" bewährt, in der die Lernenden etwa fünf Minuten lang einfach alle Knöpfe und Regler eines Programms ausprobieren dürfen, bevor sie dann (nach einem "Reset") zielgerecht die einzelnen Arbeitsanweisungen befolgen. Prägnante Texte Der Text der Webseiten wurde bewusst prägnant gehalten, um einen eigenständigen Hefteintrag zu erleichtern. Zur Gewährleistung eines möglichst linearen Lernablaufs wurden keine Hyperlinks eingesetzt. Hilfestellung zur Messtabelle In der Unterrichtspraxis zeigen sich oft Probleme der Schülerinnen und Schüler beim systematischen Anlegen der Messtabellen, insbesondere fehlende Sorgfalt bei der Notation von gerundeter Maßzahl und der Einheit physikalischer Größen. Als Hilfestellung sind deshalb die Tabellenstrukturen auf dem Arbeitsblatt vorgegeben. Die Computersimulation erlaubt auch bei Mangel an Versuchsmaterialien in Klassen mit mehr als 30 Lernenden selbstständiges Experimentieren. Auch lauern selbst bei simpel anmutenden Experimenten, wie dem zur schiefen Ebene, systematische Messfehler, die das Erkennen der gewünschten physikalischen Gesetzmäßigkeiten erschweren. Ein solches "Lernen aus Fehlern" ist didaktisch populär und durchaus sinnvoll, jedoch bei gegebenem Stoffdruck leider zeitlich oft nicht möglich. Das virtuelle Experiment umgeht diese systematischen Messfehler und erlaubt eine zeitsparende Konzentration auf die Auswertung des Experiments und die Sicherung der Ergebnisse für den Unterrichtsfortgang. Die Schülerinnen und Schüler können das Experiment jederzeit (zum Beispiel zur Prüfungsvorbereitung) zu Hause wiederholen. Das Beispielprotokoll einer Messung kann direkt aus dem Browser ausgedruckt und als Kontrolle verwendet werden. Die Goldene Regel der Mechanik Mit der Zuordnung Steigungswinkel - Hangabtriebskraft lernen die Schülerinnen und Schüler einen nichtproportionalen Zusammenhang von Größen kennen. Um spätere Unstimmigkeiten (zum Beispiel beim Begriff der Spannenergie oder des Wirkungsgrades) zu vermeiden, sind die präzisen Voraussetzungen der "Goldenen Regel der Mechanik" zu beachten: die Kraft ist konstant und wirkt längs des Weges, Reibungskräfte bleiben unberücksichtigt. Die Schülerinnen und Schüler sollten deshalb neben der saloppen Form "Was man an Kraft spart, muss man an Weg zulegen." auch den exakten Wortlaut der "Goldene Regel der Mechanik" formulieren können. Anschauliche Beispiele Für die "Goldene Regel" bei der schiefen Ebene bieten sich im Anschluss an die Erarbeitung viele veranschaulichende Beispiele zur Einübung des Gelernten an: Rampe für Rollstuhlfahrer, Zahnradbahn (zur Problematisierung der Reibung), Serpentinen, oder die Schraube als aufgewickelte schiefe Ebene. Zugang zum abstrakten Energiebegriff Aus der Konstanz des Produkts aus Kraft und Weg erwächst für Schülerinnen und Schüler erfahrungsgemäß leicht verständlich die Definition mechanischer Arbeit, welche dann wiederum einen guten Zugang zum abstrakten Energiebegriff bietet. Dieses in der Unterrichtspraxis bewährte Vorgehen erlaubt auch frühzeitig gut operationalisierbare Prüfungsaufgaben, die aufgrund der vielen geforderten Leistungserhebungen bei wachsenden Klassenstärken und nur einer oder zwei Wochenstunden notwendig sind.

Kurze Flash-Animationen (Flash-Folien), die im Rahmen des Unterrichtsgesprächs von der Lehrperson per Beamer projiziert werden, unterstützen bei den Schülerinnen und Schülern die Entwicklung einer anschaulichen Vorstellung zur Oberflächenspannung des Wassers.In der Bindungslehre wird das Wassermolekül als Beispiel für ein Molekül mit polarer Elektronenpaarbindung behandelt. Der Versuch zur Ablenkung eines Wasserstrahls dient dabei als Grundlage für die Erarbeitung der Dipoleigenschaft der Wassermoleküle. Zur Erklärung der Ablenkung werden zumeist einzelne Moleküle mit entsprechender Orientierung zum elektrisch geladenen Stab an der Tafel dargestellt. Mit den hier vorgestellten Flash-Folien lassen sich die Dipoleigenschaften der Wassermoleküle en bloc thematisieren und die Eigenschaften der Grenzschicht des Wassers zum Luftraum untersuchen. Ebenfalls per Beamer projizierte dynamische 3D-Moleküle können der Bildung von Wasserstoffbrücken im Wasser zu einer ?Plastizität? verhelfen, die durch zweidimensionale Abbildungen aus dem Schulbuch nicht erzielt werden kann. Nach dem Einsatz der Flash-Folien bietet sich im Fortgang des Unterrichts die Durchführung eines analogen Experiments zur Minderung der Oberflächenspannung an. Hinweise zum Einsatz der Materialien Informationen zum Aufbau, zur Steuerung und zu den Inhalten der einzelnen Flash-Folien mit Screenshots Wassermoleküle und Wasserstoffbrücken in 3D Während des Unterrichtsgesprächs per Beamer projizierte 3D-Moleküle verhelfen der Wasserstoffbrückenbildung im Wasser zu mehr "Plastizität". Die Schülerinnen und Schüler sollen die Organisation der Wassermoleküle im Stoff Wasser kennen lernen. erkennen, dass der Wasserkörper durch die Anziehungskräfte zwischen den Dipolmolekülen einerseits stabilisiert und zusammengehalten wird, andererseits aber auch die Fluidität des Stoffes Wasser gegeben ist. erkennen, dass die Wassermoleküle an der Wasseroberfläche von den Wassermolekülen im Inneren des Wasserkörpers angezogen ("festgehalten") werden. aus den animierten Versuchen (Experiment 1 und 2: "Schwimmversuche" mit einer Büroklammer) ableiten, dass die Anziehungskräfte zwischen den Wassermolekülen an der Wasseroberfläche einen "Anspannungszustand" (die Oberflächenspannung) bewirken, der bei mechanischen Einflüssen auf die Wasseroberfläche sichtbar wird. Funktionalitäten Das Abspielen und das Anhalten der Animationen wird über Start- und Stopp-Buttons mit den gängigen Symbolen gesteuert (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Alternativ kann dies auch ohne Maus über die "Space-Taste" erfolgen (sowohl "Start" als auch "Stopp"). Der Schieberegler kann von Hand (bei gedrückter linker Maustaste) nach rechts oder links gezogen und so als Funktion "Zeitraffer vor" beziehungsweise "Zeitraffer zurück" genutzt werden. Themenübersicht Das Flash-Paket bietet fünf Animationen. Über die Buttons des rechten Menüs kann zwischen den folgenden Flash-Folien gewechselt werden: Animation 1 Was hält die Wassermoleküle zusammen? Animation 2 Experiment 1: Was passiert an der Wasseroberfläche, wenn man sie mit der Spitze einer Büroklammer berührt und die Büroklammer loslässt? Animation 3 Erklärung zu Experiment 1 Animation 4 Experiment 2: Was passiert an der Wasseroberfläche, wenn man eine Büroklammer waagerecht auf die Oberfläche setzt und sie dann loslässt? Animation 5 Erklärung zu Experiment 2 Folie 1: Was hält die Wassermoleküle zusammen? Die erste Folie zeigt einen quaderförmigen Ausschnitt aus einem Gefäß mit Wasser (Darstellung auf der Teilchenebene). Das Realobjekt wird in einem kleinen Foto links oben gezeigt (siehe Abb. 1). Auf der submikroskopischen Ebene zeigen die Wassermoleküle Zitterbewegungen. Diese sind in der Animation vereinfacht dargestellt. Die Wassermoleküle liegen dicht nebeneinander und füllen den gesamten Raum vom Boden des Gefäßes bis zur Wasseroberfläche aus. Die Wasseroberfläche ist makroskopisch betrachtet glatt (Schwerkraftwirkung). Beim Abspielen der Flash-Folie wird die Frage nach dem Zusammenhalt der Wassermoleküle gestellt. Aus der Unterrichtssystematik ist das Wassermolekül als Dipolmolekül bereits bekannt. Die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen werden in dem Modell dargestellt (Abb. 2). (Das Verdampfen von Wassermolekülen in Abhängigkeit von der Temperatur lässt sich anschließend thematisieren.) Folie 2: Die untergehende Büroklammer Die zweite Flash-Folie zeigt das Verhalten der Wassermoleküle an der Wasseroberfläche beim senkrechten Aufsetzen einer Büroklammer (Abb. 3). Die Schülerinnen und Schüler beobachten, dass die Oberflächenschicht aus Wassermolekülen dabei zunächst folienartig eingedrückt wird, sich dann öffnet ("reißt") und - nach dem Untergang der Klammer - wieder schließt. Diesen Vorgang kann die Lehrperson über den Schieberegler vor und zurücklaufen lassen. Die Lernenden beschreiben ihre Beobachtungen und nehmen dabei gegebenenfalls Bezug auf ein zuvor durchgeführtes Schülerexperiment zum Thema "Kann eine Büroklammer schwimmen?". Folie 3. Erklärung des Experimentes Diese Animation zeigt erneut den Vorgang des Versinkens der senkrecht aufgesetzten Büroklammer aus der vorhergegangenen Flash-Folie. Der Vorgänge und die dabei wirkenden Kräfte werden hier jedoch per Text und Bild erläutert (Abb. 4) Folie 4: Die schwimmende Büroklammer Die vierte Animation zeigt das Verhalten der Wassermoleküle an der Wasseroberfläche beim waagerechten Aufsetzen einer Büroklammer. Starten Sie den Film über den Start-Button oder einfach ohne Mausaktion per "Space-Taste". Die Schülerinnen und Schüler beobachten, dass das Gewicht der Büroklammer auf eine maximale Fläche verteilt wird. Die Wasseroberfläche wird gleichmäßig eingedrückt und trägt die Klammer (Abb. 5). Folie 5. Erklärung des Experimentes Auch hier wird die Animation des vorausgegangenen Experimentes - waagerechtes Aufsetzen der Büroklammern auf die Wasseroberfläche - wiederholt. Der Vorgang und die dabei wirkenden Kräfte werden wiederum per Text und Bild erklärt (Abb. 6). 3D-Visualisierungen mit Molekülbetrachtern Die vorgestellten Flash-Folien unterstützen die Entwicklung einer anschaulichen Vorstellung von den bei der Oberflächenspannung wirkenden Kräfte. Wasserstoffbrücken spielen dabei eine zentrale Rolle. Die dritte Dimension wird dabei jedoch nur angedeutet. Diese Lücke kann durch so genannte Molekülbetrachter geschlossen werden (zum Beispiel Jmol ). Mithilfe dieses kostenfrei zur Verfügung stehendem Werkzeugs können 3D-Moleküle am Bildschirm mit dem Cursor bei gedrückter linker Maustaste "angefasst", gedreht und gewendet werden. Abb. 7 zeigt zwei Ausschnitte aus einer Animation von Eric Martz, die zu Beginn zwei Reihen ordentlich aufgereihter Wassermoleküle zeigt (Teilabbildung a). Nach dem Start der Animation sorgen die zehn Wassermoleküle per Wasserstoffbrückenbildung für eine Energieminimierung (Teilabbildung b). Während des gesamten Vorgangs können Sie das Molekül-Ensamble mit der Maus "anfassen", frei drehen und aus verschiedenen Perspektiven betrachten.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die Solarenergie kennen und wie diese genutzt werden kann, um Strom für den Verbrauch auf der Erde zu erzeugen. Solarenergie wird oft für Raumfahrtmissionen genutzt, da sie die einzige Energiequelle ist, die nicht mit dem Raumschiff gestartet werden muss und das Raumschiff mehrere Jahre lang mit Strom versorgen kann. In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler zwei physikalische Gesetze kennen, die das Design von Solarmodulen für Raumfahrtmissionen beeinflussen: das Abstandsgesetz (auch reziprokes Quadratgesetz oder quadratisches Entfernungsgesetz) und den Einfallswinkel. Die Lernenden führen zwei einfache Untersuchungen mit einer Photovoltaikzelle (Solarzelle) und einer Lichtquelle durch. Zuerst messen sie, wie sich die von den Solarzellen erzeugte Leistung mit der Entfernung von der Lichtquelle ändert und versuchen, das Abstandsgesetz für die Strahlungsintensität experimentell zu ermitteln. Die Lernenden führen dann ein zweites Experiment durch, um die Abhängigkeit der Leistung der Solarzelle vom Einfallswinkel zu untersuchen. Schließlich werden sie diese Konzepte auf echte ESA-Raumfahrtmissionen anwenden. Die Schülerinnen und Schüler erkennen in dieser Unterrichtseinheit den Nutzen von Solarenergie und verstehen die Abläufe, die bei der Umwandlung von Lichtenergie in Strom stattfinden. Dabei wird die Bedeutung des Einfallwinkels der Sonneneinstrahlung behandelt und wie deren Intensität zu berechnen wird. Anschließend wird der Aufbau und die Funktionsweise einer Solarzelle behandelt. Um das Erlernte zu verinnerlichen und anzuwenden, werden daraufhin Experimente zu den Themen Abstandsgesetz und Einfallswinkel durchgeführt. Zudem werden eigene Stromkreisläufe mit Solarzellen gebaut. Dabei machen sich die Schülerinnen und Schüler sich mit der elektrischen Spannung, der Stromstärke, der Leistung und der Strahlungsintensität vertraut. Zuletzt werden die Anforderungen an die Solarenergie in der praktischen Anwendung bei Weltraummissionen untersucht. Altersgruppe: 14-18 Jahre Schwierigkeitsgrad: mittel Vorbereitungszeit: Eine Stunde Kosten: gering Die Schülerinnen und Schüler verstehen, was Strahlungsintensität ist und lernen sie zu berechnen. erfahren den Aufbau und die Funktionsweise von Solarzellen. lernen die Bedeutung des Einfallswinkels kennen und führen Experimente dazu durch. führen Experimente zum Abstandsgesetz durch. analysieren Daten und stellen diese graphisch dar. bauen und gestalten eigene Stromkreise mit Solarzellen. machen sich mit der elektrischen Spannung, der Stromstärke, der Leistung und der Strahlungsintensität vertraut. untersuchen die Anforderungen an Solarenergie bei ihrem Einsatz bei Weltallmissionen.