Die Schülerinnen und Schüler betrachten zunächst unter dem Mikroskop die Bewegung von Fetttröpfchen in Milch und untersuchen dann mithilfe von Animationen Teilchenbewegungen und -geschwindigkeiten.Die verbreitete Gleichung ?Einstein = Relativitätstheorie = Physik-Leistungskurs? beschreibt die schulische Relevanz der Einsteinschen Arbeiten nur unvollständig. Beispielhaft lässt sich diese Relevanz nämlich bereits im Mittelstufenunterricht anhand der Brownschen Bewegung aufzeigen. Die bereits 1827 von dem schottischen Botaniker Robert Brown (1773-1858) publizierte und nach ihm benannte Beobachtung erfuhr im Jahr 1905 durch Albert Einstein (1879-1955) ihre molekularkinetische Deutung. Das Phänomen kann mit einfachen Mitteln im Mikroskop sichtbar gemacht und am Computer auf Teilchenebene simuliert und veranschaulicht werden. Im Idealfall kann die Arbeit am Mikroskop und an den Rechnern im selben Raum in einer Unterrichtsstunde (mit Hausaufgabe) durchgeführt werden. Häufig wird jedoch ein Raumwechsel und damit eine Aufteilung des Entwurfs notwendig sein.Eine etwas genauere Teilchenvorstellung als im Daltonschen Modell sollte schon vorhanden, der Atom- und Molekülbegriff also bereits erarbeitet sein. Außerdem müssen die Schülerinnen und Schüler bereits erfahren haben, dass Atome und Moleküle in Abhängigkeit von ihrem Aufbau unterschiedliche Massen besitzen. Unter diesen Vorraussetzungen ist der hier vorgestellte Unterrichtsentwurf problemlos und flexibel im Anfangsunterricht der Fächer Chemie oder Physik (Wärmelehre) einsetzbar. Vorkenntnisse im Mikroskopieren wären zwar nützlich, sind aber keine Voraussetzung, da nur eine sehr einfache Arbeitstechnik angewandt wird. Unterrichtsverlauf und Arbeitsaufträge Infos zum Mikroskopierversuch und zum Einsatz der Simulationen mit Screenshots aus der verwendeten Software. Die Schülerinnen und Schüler sollen im Realversuch die Brownsche Bewegung erkennen und als Folge der regellosen Bewegung der kleinsten Teilchen interpretieren. durch eine Simulation zunächst eine gefestigte Vorstellung von "regelloser" (statistischer) Teilchenbewegung gewinnen. wissen, dass sich die Teilchen eines Körpers bei gegebener Temperatur mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. erkennen, dass bei einer Temperaturerhöhung der Anteil (!) der Teilchen mit höherer Geschwindigkeit zunimmt und dass die Teilchengeschwindigkeit darüber hinaus von der Teilchenmasse abhängt. die gewonnenen Erkenntnisse bei der Interpretation von Alltagsphänomenen anwenden können (Sieden einer Flüssigkeit). an einem einfachen Beispiel die Bedeutung von Albert Einstein für die moderne Naturwissenschaft kennen lernen. Thema Die Brownsche Molekularbewegung Autor Manfred Amann Fächer Chemie oder Physik (Wärmelehre) Zielgruppe Klasse 8-10 (Anfangsunterricht) Zeitraum 1-2 Stunden Geräte/Materialien Mikroskope, Objektträger, Milch/Wasser, Bechergläser, Pipetten, Computer, Drucker, Schere, Kleber Software WinFunktion Naturwissenschaften plus V.14 oder Schule total 2004/05 des bhv-Verlages ; alternativ können zum Teil auch Java-Applets aus dem Internet verwendet werden (siehe Zusatzinformationen zur Brownschen Molekularbewegung). Optimal wären Mikroskope mit 1.000facher Vergrößerung. Der Effekt - Zitterbewegung der Fetttröpfchen in verdünnter Milch - ist aber bei genauer Beobachtung schon unter 400facher Vergrößerung erkennbar. Das Arbeitsblatt enthält eine kurze Versuchsanleitung. Eventuell ist hier aber auch die Hilfestellung der Lehrkraft erforderlich, insbesondere wenn die Schülerinnen und Schüler im Mikroskopieren noch ungeübt sind. Die "möglichen Erklärungen" werden von den Lernenden zunächst mit Bleistift in das Arbeitsblatt eingetragen, bevor dann im Unterrichtsgespräch eine korrekte und verbindliche gemeinsame Formulierung gefunden wird. Zur Hinführung und Veranschaulichung hat sich übrigens das Beispiel eines aus mehreren Metern Entfernung beobachteten Ameisenhaufens bewährt (die Bewegung der von den Ameisen getragenen Pflanzenteile oder ähnlichem ist sichtbar, die verglichen damit schnellere Bewegung der Ameisen selbst aber nicht). Bewegungsmuster Die Software WinFunktion Naturwissenschaften plus V.14 enthält unter dem Menüpunkt "Brownsche Bewegung" eine Simulation, die die Regellosigkeit der Teilchenbewegung sehr schön darstellt. Die Applikation ist auch in dem kostengünstigen Programmpaket Schule total 2004/05 der bhv Software GmbH & Co. KG enthalten. Alternativ können Sie dazu auch Java-Applets aus dem Internet verwenden (siehe Brownsche Molekularbewegung zur Brownschen Molekularbewegung). Mit diesen können allerdings die Simulation zu den Teilchengeschwindigkeiten (siehe unten) nicht durchgeführt werden. Die Regellosigkeit der Teilchenbewegung zeigt sich in den Simulationen darin, dass auch bei unveränderten Parametern immer neue Teilchenbahnen entstehen. Zur optimalen Darstellung dürfen die Schülerinnen und Schüler ruhig ein bisschen experimentieren, sofern sie darüber nicht die vom Arbeitsblatt geforderte Beschäftigung mit dem Hilfetext aus dem Auge verlieren. Zügig erfolgt dann der Wechsel zum Menüpunkt "Molekülgeschwindigkeiten". Analyse der Teilchengeschwindigkeiten Besonders im Anfangsunterricht ist zunächst die Lehrerin oder der Lehrer zur grundlegenden Interpretation der durch die Software dargestellten Diagramme gefordert. Die Fragen zur Molekülgeschwindigkeit auf dem Arbeitsblatt sind - jedenfalls bei Durchführung sowohl des Versuchs als auch der Simulationen in derselben Unterrichtsstunde - als Hausaufgabe zu beantworten, die Ergebnisse werden in einer Folgestunde diskutiert. Der Bezug zu Albert Einstein wird im Arbeitsblatt hergestellt. Dieser Abschnitt ist von den Schülerinnen und Schülern zu lesen und sollte mit ihnen besprochen werden. Die hier zusammengestellten Links sind - abgesehen von den Infos auf der Website des Berliner Abendgymnasiums (BAG) - nicht unbedingt für den Einsatz im Anfangsunterricht geeignet. Sie erweisen sich aber bei einer Vertiefung des Themas im Oberstufenunterricht als hilfreich oder können für sehr interessierte Schülerinnen und Schüler der Mittelstufe als Grundlage für ein Referat dienen.

Mit einem kurzen Film, einem virtuellen Experimentallabor und Arbeitsblättern wird umfangreiches Wissen rund um die Glühbirne vermittelt.Vor mehr als 100 Jahren hat die Glühbirne ihren Siegeszug begonnen und ermöglicht es seither, die Nacht zum Tag zu machen. Ihre Lebensdauer währt etwa 1.000 Stunden. Warum Glühbirnen schließlich ?durchbrennen?, wird in dieser Unterrichtseinheit untersucht. Dabei wird auf umfangreiches Online-Material aus dem SWR-Angebot "Warum ... ist der Himmel blau?" zurückgegriffen. Das Angebot enthält neben zahlreichen Informationen auch ein virtuelles Experimentallabor und eine interaktive Grafik. Einführender Film Ein einführender Film motiviert, sich weiter mit dem Thema zu beschäftigen. Anhand konkreter Fragen wird der Film analysiert. Wissensvertiefung im interaktiven Glühlampenlabor In einem interaktiven Online-Labor können verschiedene Glühbirnen "getestet" werden. Dabei vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen. Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und die Funktion einer Glühbirne kennenlernen. anhand eines virtuellen Experiments herausfinden, welches Material am besten für den Glühfaden geeignet ist. Thema Warum brennen Glühlampen durch? Autoren Jürgen Spang, Hanspeter Hauke Fach Physik, Elektrizitätslehre Zielgruppe Klasse 8 bis 9 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Ein Präsentations-Rechner mit Beamer und RealPlayer (kostenloser Download) zur Präsentation eines Video-Films, Computer für je zwei Lernende mit Flash Player (kostenloser Download) Jürgen Spang ist als Schulnetzberater im Kreismedienzentrum für den Landkreis Waldshut tätig. Neben seiner Tätigkeit als Webmaster arbeitet er noch an der Realschule Tiengen als Lehrer in dem Unterrichtsfach Physik. Zur Einführung in das Thema wird den Schülerinnen und Schülern ein etwa dreiminütiger Film per Beamer vorgeführt. Szenen aus dem Ablauf der Glühbirnenproduktion werden dabei mit Informationen zur Technik der Glühbirne kommentiert: Wie heiß wird der Wolfram-Glühfaden? Warum wird die Luft in einer Glühlampe gegen ein Füllgas ausgetauscht? Warum brennen die Glühfäden trotz der Abwesenheit von Sauerstoff durch? Was ist das besondere an Halogenlampen? Arbeitsblatt Nach der Vorführung können sich die Schülerinnen und Schüler spontan zum Film äußern. Ziel soll es sein, dabei die Neugier auf weitere Informationen zu wecken. Um die Sammlung der Informationen zu systematisieren, wir ein Arbeitsblatt verwendet: Die Schülerinnen und Schüler sollen zunächst einige Minuten Zeit haben, um sich mit den Fragen vertraut zu machen und Verständnisfragen zu stellen. Danach kann der Film ein zweites Mal vorgeführt werden mit der Maßgabe, besonders darauf zu achten, dass anschließend die Fragen beantwortet werden können. In leistungsschwachen Klassen kann der Film auch nach kurzen Abschnitten, in welchen die zur Beantwortung der Fragen notwendigen Informationen enthalten sind, angehalten werden. Bevor der Film dann weiter vorgeführt wird, sollte Zeit für die schriftliche Beantwortung der Fragen gegeben werden. Bereits während der Vorführung des Films können sich die Schülerinnen und Schüler Notizen auf der Rückseite des Arbeitsblattes machen. Danach können die Fragen im Lehrer-Schüler-Gespräch ausgewertet und die Antworten mithilfe der entsprechenden Filmstellen analysiert werden. Parallel dazu sollen die Schülerinnen und Schüler ihre Notizen ergänzen. Die Schülerinnen und Schüler sollen zunächst Gelegenheit haben, sich frei und ohne Vorgaben auf den SWR-Internetseiten zum Thema "Warum brennen Glühlampen durch?" zu bewegen: Warum brennen Glühlampen durch? Online-Materialien zum Thema aus dem "Warum Physik"-Angebot des Südwestrundfunks (SWR). Glühlampen-Exploratorium Mithilfe des Glühlampen-Exploratoriums lernen die Schülerinnen und Schüler die Bauteile einer Glühbirne kennen. Anschließend wird per Beamer das virtuelle Experimentallabor vorgestellt. Danach können die Schülerinnen und Schüler in Partnerarbeit mit den Glühbirnen zu experimentieren. Sie können dabei die Versuchsreihen des Glühlampen-Erfinders, Thomas Alva Edison, nachvollziehen. Zum Experimentieren stehen sechs Glühfadenmaterialien mit verschiedenen Schmelztemperaturen zur Verfügung. Im ersten Teilexperiment kann man versuchen, die Glühfäden an Luft durch Stromfluss zu erhitzen. Im Versuchsverlauf wird klar, dass ein Erhitzen an Luft schon bei Rotglut zum Verbrennen des Glühdrahts führt. Erst im Vakuum machen sich die unterschiedlichen Schmelzpunkte der Metalle bemerkbar. Dabei können die jeweiligen Schmelztemperaturen ermittelt werden. Bei Glühfadentemperaturen unterhalb des Schmelzpunktes lässt sich zusätzlich im Zeitraffer die durchschnittliche Lebensdauer des Glühfadens ermitteln. Ein Vergleich mit handelsüblichen Glühlampen ließe sich daran anschließen. Die Erkenntnis, dass auch bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes Metallatome aus dem Glühfaden verdampfen und diesen somit schwächen, lässt sich bei der Arbeit mit der Lebensdauersimulation gewinnen. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Bedingungen für die längste Brenndauer herausfinden und Ihre Einzelergebnisse in eine Tabelle eintragen. Auf Zuruf kann festgestellt werden, wer gewonnen hat. Die Siegerin oder der Sieger darf dann seinen Versuch am Lehrer-Rechner per Beamer der Klasse vorstellen. Als Hausaufgabe kann den Schülerinnen und Schüler der Auftrag erteilt werden, sich über die Geschichte der Glühbirne und deren Erfinder "schlau" zu machen. Auf zwei bis drei DIN A 5-Kärtchen sollen die wichtigsten Fakten notiert werden, um sie dann in der nächsten Stunde nur mithilfe der Aufzeichnungen und Notizen vor der Klasse vortragen zu können. Jürgen Spang ist als Schulnetzberater im Kreismedienzentrum für den Landkreis Waldshut tätig. Neben seiner Tätigkeit als Webmaster arbeitet er noch an der Realschule Tiengen als Lehrer in dem Unterrichtsfach Physik.

In dieser Unterrichtseinheit zum Themenkomplex Temperatur und Energie unterscheiden die Lernenden mithilfe von Thermalbildern Oberflächen unterschiedlicher Temperatur voneinander. Dabei lernen sie den Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur, spezifischer Wärmekapazität und weiteren thermalen Objekteigenschaften kennen.Klimatisch unterscheiden sich Städte stark von ihrem Umland. Am Beispiel von Berlin sollen Lernende die Temperaturunterschiede in der Großstadt am Tag und in der Nacht erklären und bewerten. Eingebettet in diesen Kontext erkennen sie den Zusammenhang von Sonnenstrahlung und Wärmeenergie. Die von der Erde abgestrahlte Wärmeenergie wird von Satellitensensoren aufgenommen und in Thermalbildern visualisiert. Diese dienen den Schülerinnen und Schülern als Grundlage für ihre Untersuchungen. Darüber hinaus erhalten sie erste Einblicke in die Methodik der Fernerkundung (Kartenerstellung, Klassifikation). Die Unterrichtseinheit entstand im Rahmen des Projekts Fernerkundung in Schulen (FIS) am Geographischen Institut der Universität Bonn. FIS beschäftigt sich mit den Möglichkeiten zur Einbindung des vielfältigen Wirtschafts- und Forschungszweiges der Satellitenfernerkundung in den naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufen I und II.Diese Unterrichtseinheit zum Themenfeld Temperatur und Energie soll die klimatischen Besonderheiten einer Großstadt verdeutlichen. Als wissenschaftliche Grundlage dient eine Einführung in die Methodik der Fernerkundung, mit deren Hilfe die Schülerinnen und Schüler in der Lernumgebung Temperaturunterschiede bestimmen und erste Einblicke in die Erstellung von Karten gewinnen. Inhalte und Einsatz im Unterricht Hinweise zum Aufbau der Lernumgebung "Summer in the City". Screenshots veranschaulichen die Funktionen und die interaktiven Übungen zum Themenfeld Temperatur und Energie. Die Schülerinnen und Schüler können die Begriffe Spezifische Wärmekapazität, Reflexion und Absorption mit eigenen Worten erklären. können verschiedene Stoffe und Oberflächen anhand ihrer spezifischen Wärmekapazität einordnen. können die Erwärmung verschiedener Oberflächen im Tagesgang bewerten. können die Temperaturunterschiede verschiedener Oberflächen in Thermalbildern von Tag- und Nachtaufnahmen erkennen und benennen. können Thermalbilder auswerten, interpretieren und bewerten. Computereinsatz und technische Voraussetzungen Die Unterrichtseinheit bedient sich der Möglichkeiten des Computers, um den Themenkomplex Temperatur und Energie durch Animation und Interaktion zu vermitteln. Den Lernenden wird der Computer nicht als reines Informations- und Unterhaltungsgerät, sondern als nützliches Werkzeug nähergebracht. Die interaktive Lernumgebung "Summer in the City" ist ohne weiteren Installationsaufwand lauffähig. Auf Windows-Rechnern wird das Modul durch Ausführen der Datei "SummerInTheCity.exe", unter anderen Betriebssystemen durch Klick auf die Datei "SummerInTheCity.swf" gestartet. Dafür ist der Adobe Flash Player ( kostenloser Download ) notwendig. Der jeweils aktivierte Bereich wird auf der linken Leiste der Lernumgebung eingeblendet (Abbildung 1, Platzhalter bitte anklicken). Während der erste Teil einen Einblick in die Thematik Temperatur und Energie liefert und eine übergeordnete Aufgabestellung benennt, gliedert sich der Hauptteil in zwei thematische Sequenzen, die neue Aufgaben sowie Info-Boxen mit Hintergrundinformationen enthalten. Den Abschluss eines jeden Bereichs bildet ein Quiz. Erst nach dem Bestehen dieser kleinen Übung wird der jeweils folgende Teil der Lernumgebung zugänglich und erscheint in der Seitenleiste. Danach ist auch ein Springen zwischen den Teilbereichen möglich. Ergänzt wird das Modul durch Tutorials, die die Nutzung der Lernumgebung veranschaulichen. Arbeit in Zweierteams Der Ablauf der Unterrichtsstunden wird durch die Struktur des Computermoduls vorgegeben. In Zweierteams erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler die drei Teilbereiche der Lernumgebung. Der Unterricht beginnt jeweils mit einer Erläuterung des Moduls und gegebenenfalls der Aufgabenstellung. Dann folgt die selbstständige Erarbeitung und Überprüfung der Kenntnisse im Quiz (Partnerarbeit). Abschließend können die Ergebnisse jeder Stunde noch einmal im Plenum gebündelt werden. 1. Einstieg Der erste Bereich des Moduls wird nach dem Start automatisch geladen. Zu Beginn ist ein Professor zu sehen, der sich mit einem Getränk erfrischt, während er im Radio eine Hitzemeldung hört (siehe Abbildung 1). Mithilfe der Infobox (Abbildung 2) erhalten Schülerinnen und Schüler Hintergrundinformationen zum Thema "Spezifische Wärmekapazität". Ein kurzes Quiz schließt den einführenden Teil ab. Erst nach der Beantwortung der Fragen wird der folgende Bereich der Lernumgebung zugänglich. Der zweite Teil beginnt mit einem Tutorial, das die Lernenden in die Nutzung der Lernumgebung einweist. Inhaltlich beschäftigen sie sich mit der Darstellungsform von Thermalbildern und vergleichen die Temperaturunterschiede verschiedener Landoberflächen bei Tag. Ein Thermalbild sowie eine Landnutzungskarte können in das Hauptfeld gezogen und untersucht werden. Die Info-Box gibt Auskunft über die Besonderheit von Thermalbildern (Abbildung 3) und macht die Vorteile dieser Technologie deutlich. Ein Quiz schließt die Bearbeitung des Moduls ab und leitet zum letzten Teil der Lernumgebung über. Hier stehen den Lernenden neben den am Tag aufgenommenen Bildern auch Thermalbilder zur Verfügung, die dieselben Orte während der Nacht zeigen (Abbildung 4). Die Schülerinnen und Schüler sollen die Bilder vergleichen, mithilfe des Pipetten-Werkzeugs Flächen markieren und auf diese Weise unterschiedlich temperierte Flächen kartografisch herausarbeiten. Abschließend soll die übergeordnete Frage beantwortet werden, welcher Ort im Sommer als Aufenthaltsort am angenehmsten ist. Nach dem Absolvieren des Quiz haben die Lernenden das Modul erfolgreich beendet.