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Gravitationswellen: erster indirekter Nachweis mit Pulsar

Unterrichtseinheit
14,99 €

Diese Unterrichtseinheit thematisiert den ersten indirekten Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 1974 durch Messung der Umlaufdauer eines Pulsars in einem Binärsystem. Die Ergebnisse stimmen mit großer Genauigkeit mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein überein. Zwei Neutronensterne, einer davon ist ein Pulsar, umrunden sich auf stark elliptischen Bahnen. Dieses System stellt ein ideales Testlabor für die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie dar, wobei zwei relativistische Effekte besonders stark zutage treten - zum einen die Drehung der Bahnellipse des Pulsars (Periastrondrehung) und zum anderen die Verringerung der Umlaufdauer des Pulsars aufgrund der Abstrahlung von Gravitationswellen. Beide Effekte werden in dieser Unterrichtseinheit thematisiert, wobei der Schwerpunkt auf dem Thema Gravitationswellen liegt. Die Lernenden berechnen mithilfe des dritten Keplergesetzes und Ergebnissen der Relativitätstheorie Umlaufzeiten und Abstände des Pulsars und erhalten so einen quantitativen Eindruck, wie das Doppelsternsystem im Laufe der Zeit aufgrund der Abstrahlung von Gravitationsenergie schrumpft. Zudem wird die beeindruckende Übereinstimmung der Messergebnisse mit den theoretischen Berechnungen deutlich. Das Thema Gravitationswellen berührt verschiedene Inhalte der Oberstufenphysik. Insbesondere sind Themen wie Gravitation, Kreisbewegungen und das Michelson-Interferometer von besonderer Relevanz – aber auch Grundkenntnisse der Physik Schwarzer Löcher und Neutronensterne spielen für das Verständnis des Phänomens Gravitationswellen eine wichtige Rolle. In den Lehrplänen ist die Allgemeine Relativitätstheorie und ihre Folgerungen gar nicht oder nur ansatzweise enthalten. Dennoch bieten viele schulinterne Curricula durchaus Möglichkeiten für die Bearbeitung besonderer Themen. Gut lässt sich die Thematik auch in Astronomie-Kursen der Oberstufe, Projektkursen oder Arbeitsgemeinschaften einbauen. Die Berechnungen zu Gravitationswellen beruhen auf der Allgemeinen Relativitätstheorie, was im schulischen Kontext im Detail nicht thematisiert werden kann. Stattdessen wird den Lernenden eine graphische Darstellung der originalen Messergebnisse präsentiert, über die die theoretische Vorhersagekurve aus der Allgemeinen Relativitätstheorie gelegt wurde. So wird die beeindruckende Übereinstimmung zwischen Theorie und Messung sichtbar. Die weiteren Berechnungen der Lernenden beruhen aber auf den Formeln der klassischen Physik (unter anderem drittes Gesetz von Kepler), wobei ein Wert (Zeitinkrement) aus der relativistischen Rechnung Verwendung findet. Methodische Analyse Ein Ziel dieser Unterrichtseinheit besteht darin, den Lernenden zu vermitteln, dass sie mithilfe oberstufenüblicher Inhalte aus Mathematik und Physik in der Lage sind, sich bestimmten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein zu nähern. Dies gelingt im Fall der Periastron-Verschiebung der Bahnellipse durch die Verwendung einer Computersimulation. Für die Berechnung der Umlaufdauer und des Abstandes der beiden Neutronensterne sowie des Energieverlustes aufgrund von Gravitationswellen werden Formeln der klassischen Physik (Newton) und ein Zahlenwert aus der Allgemeinen Relativitätstheorie bereitgestellt. Mithilfe von Daten aus Originalveröffentlichungen zur Physik des Neutronensternsystem PSR1913+16 sind die Schülerinnen und Schüler dann in der Lage, wichtige Größen des Systems vorauszuberechnen und mit der Prognose aus der Allgemeinen Relativitätstheorie zu vergleichen. Vorkenntnisse Die Lernenden sollten mit dem Gravitationsgesetz Newtons und der Physik der Kreisbewegungen vertraut sein und über Kenntnisse zu den Keplergesetzen verfügen. Die Berechnungen erfordern einen sicheren Umgang mit dem Taschenrechner, insbesondere die Behandlung von hohen Zehnerpotenzen und Zahlen mit vielen Nachkommastellen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… erkennen, dass die Drehung der Bahnellipse den Vorhersagen der Relativitätstheorie entspricht. berechnen physikalische Größen mit komplexen Formeln. werten Messwerte aus. interpretieren und bewerten Versuchsergebnisse. erklären physikalische Phänomene und Versuchsanordnungen im Sachzusammenhang. stellen die wissenschaftliche Bedeutung von physikalischen Erkenntnissen heraus. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die im Video dargestellten physikalischen Inhalte nach Relevanz filtern und strukturiert wiedergeben, sowie Informationen gezielt herausstellen. können Texte in gedruckter und digitaler Form (Internet) auf bestimmten Fragestellungen hin untersuchen und die relevanten Informationen herausarbeiten. recherchieren fachbezogen im Internet. arbeiten mit einer Computersimulation. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konstruktiv und kooperativ in Paar- oder Gruppenarbeit. diskutieren in Paar- oder Gruppenarbeit und äußern dabei ihre Meinung unter Nutzung ihrer fachlichen Kenntnisse. stellen Ergebnisse der Paar- und Gruppenarbeit angemessen und verständlich im Plenum dar.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe II

Addition üben: Zauberquadrate zum Rechnen im Zahlenraum bis 50

Kopiervorlage

Auf dem Arbeitsblatt "Addition üben: Zauberquadrate zum Rechnen im Zahlenraum bis 50" lösen die Lernenden der Grundschule knifflige Rechenaufgaben im Zahlenraum bis 50. Mit diesem Arbeitsblatt für den Mathematik-Unterricht der Grundschule fördern Sie logisches Denken, Konzentrationsfähigkeit und Rechenkompetenz. Das Unterrichtsmaterial zur Addition mit Zehnerzahlen bis 50 regt die Schülerinnen und Schüler zum Kopfrechnen und Problemlösen an. Je nach Lernstand der Klasse können die Aufgaben in den unteren Jahrgangsstufen, aber auch zur Wiederholung der Grundrechenarten in Klasse 3 eingesetzt werden. Die Zauberquadrate regen wie in einem kleinen Rätsel zum Üben der Addition, Nachdenken und Knobeln an. Die Rechenwege verlaufen dabei horizontal, vertikal und diagonal. Das Thema Zaubern dient zur Motivation und soll auch vermeintlich leistungsschwächere Schülerinnen und Schüler für das Rechnen begeistern. Darüber hinaus entwickeln die Lernenden am Beispiel Quadrat ganz nebenbei spielerisch eine erste Vorstellung von geometrischen Formen. Als Kopiervorlage ist das Arbeitsblatt ohne große Vorbereitung jederzeit auch spontan im Vertretungsunterricht einsetzbar. Dadurch, dass die Schülerinnen und Schüler die Aufgaben in Einzelarbeit lösen, können Sie die Zauberquadrate zwischendurch dazu nutzen, Ruhe in die Klasse zu bekommen und die Lernenden zu Konzentration aufzufordern. Lösungen zur Selbstkontrolle ermöglichen eigenverantwortliches Lernen. So können die Schülerinnen und Schüler beispielsweise auch in Partnerarbeit ihre Hefte tauschen und ihre Ergebnisse gegenseitig kontrollieren.

  • Mathematik / Rechnen & Logik
  • Primarstufe

Ein Gedicht über den Mond schreiben

Kopiervorlage

Auf diesem Arbeitsblatt zum Thema Lyrik verfassen die Kinder der Grundschule eigene kurze Gedichte rund um den Mond. Dabei erweitern sie auf kreative Weise ihren Wortschatz, üben die Schreibkompetenz und stärken ihr phonologisches Bewusstsein. Das Thema dieses Arbeitsblattes ist der Mond, dem viele Kinder der Grundschule Begeisterung entgegenbringen. Durch eine ansprechende Gestaltung mit kindgerechten Abbildungen des Mondes macht sich das Unterrichtsmaterial diese Faszination für das Weltall und seine Planeten zu Nutze, um die Motivation der Kinder zu steigern. Im Fach Lesen und Schreiben ermuntert es die Lernenden dazu, sich mit dem Wortfeld Mond auseinanderzusetzen. Dabei regt das Layout mit den Abbildungen die Fantasie der Kinder an, sich eigene Reimwörter für ihr Gedicht zu überlegen. Gleichzeitig unterstützen vorgegebene Reimwörter leistungsschwächere Schülerinnen und Schüler bei der Verfassung ihres Gedichts, um auch bei ihnen die Motivation für Sprache und das Reimen zu erhalten. Zur Förderung der Sprach- und Präsentationskompetenz können die fertigen Mond-Gedichte anschließend der Klasse vorgestellt werden. Spielerisch lernen die Schülerinnen und Schüler so ein neues Wortfeld rund um den Mond kennen und erweitern dabei ihren eigenen Wortschatz. Diese Entwicklung kann zusätzlich gefördert werden, wenn vor der Bearbeitung des Arbeitsblattes gemeinsam Worte zum Thema Mond gesammelt werden. Zudem stärkt die Beschäftigung mit Reimwörtern das phonologische Bewusstsein der Lernenden. Das Unterrichtsmaterial kann von den Schülerinnen und Schülern sowohl in Einzelarbeit als auch in Partnerarbeit ausgefüllt werden. Auch für Lernende aus dem Deutsch als Fremd- oder Zweitsprachen-Bereich ist das Material geeignet, um das Verständnis für die deutsche Sprache zu fördern sowie den Grundwortschatz zu erweitern.

  • Deutsch / Kommunikation / Lesen & Schreiben / DaF / DaZ
  • Spezieller Förderbedarf, Primarstufe

Australien: ein Steckbrief

Kopiervorlage

Auf diesem Arbeitsblatt zum Thema Australien fertigen die Lernenden einen Steckbrief des Kontinents an, indem sie beispielsweise Informationen über die Ureinwohner, Tiere und großen Stände zusammentragen. Australien als besonderer Kontinent ist vielen Schülerinnen und Schülern der Grundschule vor allem in Verbindung mit der einzigartigen Tierwelt und den Nachrichten über schlimme Buschbrände bekannt. Viele Kinder bewundern die australischen Tiere wie Känguru, Koala, Emu oder Schnabeltier im Zoo und fragen sich, was dieses fremde Land in Ozeanien darüber hinaus wohl zu bieten hat. Mit diesem Unterrichtsmaterial nähern sich die Schülerinnen und Schüler dem australischen Kontinent an, indem sie einen Steckbrief anfertigen. Dabei spielen die Aborigines ebenso eine Rolle wie bekannte große Städte oder der Bumerang als bekanntes australisches Wurfgerät. Die Lernenden aktivieren auf dem Arbeitsblatt ihre Vorkenntnisse und erarbeiten sich mit einem Atlas weitgehend selbstständig zusätzliches Wissen. Diese Form der Recherche fördert interkulturelle Kompetenzen durch Landeskunde. Darüber hinaus werden feinmotorische Fähigkeiten und Fantasie durch Zeichnungen einer Briefmarke sowie einer typischen australischen Erfindung geschult. Das Unterrichtsmaterial kann in der Grundschule im Fach Sachunterricht beispielsweise zum Thema Kontinente im Rahmen von "Ich und meine Welt", aber auch im Bereich "Natur und Umwelt" eingesetzt werden. Lösungen zur Selbstkontrolle erhöhen dabei den Grad der Eigenverantwortlichkeit und ermöglichen autonomes Lernen.

  • Geographie / Jahreszeiten
  • Primarstufe

Diminutiv: die Verkleinerungsformen -chen und -lein

Kopiervorlage

Auf dem Arbeitsblatt "Diminutiv: die Verkleinerungsformen -chen und -lein" lernen die Schülerinnen und Schüler der Grundschule die Verkleinerungsform als Verniedlichung von Nomen kennen und verbessern damit ihre grammatische Kompetenz im Deutschunterricht. Im Grammatikunterricht in der Grundschule sollen die Lernenden den Bau und die Struktur der deutschen Sprache verstehen und ein Sprachgefühl entwickeln. Um über die Grammatik hinaus ein Verständnis für andere Lernbereiche wie zum Beispiel die Rechtschreibung zu erleichtern, können grammatische Phänomene integrativ erarbeitet werden. Dafür eignet sich meist ein motivierender thematischer Hintergrund. Auf diesem Arbeitsblatt nähern sich die Schülerinnen und Schüler dem Diminutiv in Deutsch am Beispiel von -chen und -lein deshalb, indem sie diese Endsilben den Nomen anhängen und damit die Dinge für Zwerge verkleinern. Die Lernenden üben auf diese Weise die Verkleinerung von Nomen zur Verniedlichung am Beispiel von ihnen bereits bekannten Wörtern wie Brettchen, Töpfchen oder Körbchen. Sie erkennen dabei intuitiv, dass bei vielen Diminutiven der Stammvokal zu einem Umlaut wird und verbessern ihre sprachliche Kompetenz, indem sie ihr bereits vorhandenes Wissen aus dem Bereich der Deklination auf einen neuen Gegenstand übertragen. Sie erarbeiten sich damit selbst eine grammatische Regel und üben die strukturellen Besonderheiten der deutschen Sprache ein. Das Unterrichtsmaterial eignet sich für den Einsatz im Fach "Lesen und Schreiben" ebenso wie auch in besonderer Weise für den Unterricht in DaF und DaZ.

  • Deutsch / Kommunikation / Lesen & Schreiben / DaF / DaZ
  • Primarstufe

Eiskalt im Winter: Wörter finden mit EIS

Kopiervorlage

Auf diesem Arbeitsblatt für den Unterricht im Winter suchen die Kinder der Grundschule passend zur kalten Jahreszeit Komposita mit dem Wort Eis. Sie erweitern damit ihre Kenntnisse zur Wortbildung und lernen mit der Komposition eine strukturelle Besonderheit der deutschen Sprache kennen Wenn die Temperaturen sinken und den Winter ankündigen, warten die meisten Kinder in der Grundschule sehnsüchtig auf den ersten Schnee. Diese Vorfreude auf die kalte Jahreszeit und die Faszination an Frost und Schneeflocken nutzt dieses Unterrichtsmaterial zur Motivation: Die Lernenden werden im Fach Lesen und Schreiben auf dem Arbeitsblatt durch ein ansprechendes Layout mit Eisblumen und Wortauszügen dazu angeregt, Wörter zu notieren, die mit "Eis" beginnen oder enden wie zum Beispiel Eisbahn , Eisbär , Eisblume oder auch Schokoladeneis , Glatteis und Blitzeis . Es empfiehlt sich vorab den Hinweis zu ergänzen, dass die ursprüngliche Bedeutung von Eis auch erhalten bleiben soll und es mindestens zwei Komponenten im Wort geben muss, um Wörter wie Kreis auszuschließen. Anschließend sollen sich die Schülerinnen und Schüler über ihre Ergebnisse austauschen und ihre Eis-Wörter vergleichen. Gefördert werden damit neben den Kompetenzen in den Bereichen Wortschatz, Rechtschreibung und Grammatik auch das Sprechen. Die Kopiervorlage kann in einer spontanen Stunde zwischendurch zum Beispiel nach Weihnachtsferien zum Einstieg in den Unterricht eingesetzt werden, aber auch als Ausgangspunkt für eine Einheit zur Wortbildung als Teil der Linguistik dienen. In diesem Fall bietet es sich an, anhand der Ergebnisse die Unterscheidung von Grundwort und Bestimmungswort zu erläutern und die Komposition als ein spezifisches Phänomen des Deutschen herauszustellen. Die Benennung der Wortarten Nomen beziehungsweise Substantiv und Adjektiv kann zusätzlich auf der Grundlage dieses Material thematisiert, eingeführt oder wiederholt werden. Auch für Fremdsprachenlernende in Deutsch als Fremd- oder Zweitsprache kann die Suche nach einem Kompositum mit "Eis" verdeutlichen, wie flexibel deutsche Nomen und Adjektive zusammengesetzt werden können.

  • Deutsch / Kommunikation / Lesen & Schreiben / DaF / DaZ
  • Primarstufe
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