Astronomie: Willkommen im Fachportal

In dieser Unterrichtseinheit zum Teilchenmodell gehen die Lernenden durch einen Versuch Schuhkartons der Frage nach, wie kleine Teilchen aussehen und ob das überhaupt festzustellen ist, wenn diese Teilchen doch für uns nicht sichtbar sind. Dabei erkennen sie, dass ein Modell im Chemie-Unterricht wie das der kleinen Teilchen eine Hilfe zur Vorstellung ist, aber nicht die Wirklichkeit zeigt. Mit diesem Unterrichtsmaterial vertiefen die Schülerinnen und Schüler im Anschluss an die Einheit " Einführung in das Teilchenmodell: kleine Teilchen " ihre Kenntnisse zum Aufbau der Stoffe. Die Lernenden finden im "Karton-Versuch" so viel wie möglich über einen Gegenstand im Karton heraus, ohne dass sie diesen sehen können. Dabei merken sie, dass sie nach dem Versuch viel, aber nicht alles über diesen Gegenstand wissen. Ihre Beschreibung des nicht sichtbaren Teils stimmt nicht genau, aber sie reicht aus, um sich den Gegenstand genauer vorzustellen. Dieses Verständnis wird übertragen auf das Thema "Kleine Teilchen", um zu vermitteln, dass das Teilchenmodell im Chemie-Unterricht nicht zeigt, wie kleine Teilchen tatsächlich aussehen, sondern eine Hilfe für die Vorstellung sein soll. Es werden dazu verschiedene Gegenstände wie kleine und große Kugeln aus unterschiedlichem Material (zum Beispiel Würfel, ein kleiner quadratischer Karton, runde und eckige Stifte, Lineal…) in Schuhkartons versteckt. Wichtig ist, dass die Lernenden einige Eigenschaften der Gegenstände erkennen beziehungsweise vergleichen können (ungefähre Form, Masse, Länge…) und andere nicht (Farbe, Beschaffenheit der Oberfläche, genaue Form…). In Gruppen versuchen sie dann möglichst genau zu beschreiben, was sich wohl in dem Karton verbergen könnte. Die Schülerinnen und Schüler erkennen in dieser Einheit, dass alles aus kleinen Teilchen besteht. Im Anschluss an den Versuch zeichnen sie kleine Teilchen von Salz, Eisen und Wasser selbst auf einem Arbeitsblatt und vertiefen damit ihr Modell-Verständnis. Das Thema "Kleine Teilchen" im Unterricht Die Struktur der Materie begreiflich zu machen ist eine der schwierigen Aufgaben des Chemie-Unterrichts der Sekundarstufe. Die kleinen Teilchen können nur mit Modellen vorstellbar gemacht werden. Allerdings wird über die Vermittlung von Modellvorstellungen kontrovers diskutiert, unter anderem da bei den Lernenden Modelle und Wirklichkeit oft vermischt werden und die Modelle im Verlauf des Unterrichts stark verändert werden (müssen). Zumindest sollte also allen Lernenden klar sein, dass das Teilchenmodell nicht zeigt, wie diese Teilchen tatsächlich aussehen, sondern eine Hilfe für die Vorstellung sein soll. Dann ist es für den Anfangsunterricht im Fach Chemie ein brauchbares Modell. Vorkenntnisse Die Lernenden kennen verschiedene Eigenschaften von Stoffen und ihre Untersuchung. Didaktische Analyse Die selbst hergestellten Knet-Modelle der Einheit " Einführung in das Teilchenmodell: kleine Teilchen " motivieren die Lernenden dazu, herauszufinden, ob eines der Modelle der Wirklichkeit entspricht. Eine wissenschaftlich korrekte Antwort auf diese Frage ist zu diesem Zeitpunkt des Chemie-Unterrichts leider unmöglich, stattdessen muss jede Lehrkraft für sich überlegen, wie sie sich der Antwort nähern kann und gleichzeitig die Grenzen des Zeit- und Lehrplans nicht sprengt. Dieser Versuch mit Schuhkartons bringt den Lernenden daher näher, dass sie nicht sichtbare Dinge auch nicht vollständig beschreiben können, jedoch eine grobe Vorstellung entstehen kann. Diese Erkenntnis wird anschließend auf die Vorstellung der kleinen Teilchen übertragen. Methodische Analyse Die Knet-Modelle der oben genannten Einheit können als Einstieg dienen und die Erinnerung an das Ergebnis der vergangenen Stunde aktivieren. Daraus entsteht die Frage, wie die kleinen Teilchen von Zucker denn wirklich aussehen und ob eines der Knet-Modelle "richtig" ist. Der Versuch in dieser Stunde und die entsprechende Auswertung bringen eine Annäherung an die Antwort. Am Ende steht die Einigung auf ein Modell für die kleinen Teilchen, mit dem im Chemie-Unterricht vorerst gearbeitet werden kann, auch wenn es nicht vollständig der Wirklichkeit entspricht. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Phänomene und Vorgänge mit einfachen naturwissenschaftlichen Konzepten. verwenden bei der Beschreibung naturwissenschaftlicher Sachverhalte Fachbegriffe angemessen und korrekt. beobachten Phänomene nach vorgegebenen Kriterien und unterscheiden zwischen der Beschreibung und der Deutung einer Beobachtung. beschreiben einfache Modelle zur Veranschaulichung naturwissenschaftlicher Zusammenhänge und geben Abweichungen der Modelle von der Realität an. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lesen altersgemäße Texte mit naturwissenschaftlichen Inhalten wie die Informationen zum Thema "Kleine Teilchen" Sinn entnehmend und fassen sie sinnvoll zusammen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten bei dem "Karton-Versuch" mit einer Partnerin, einem Partner oder in einer Gruppe gleichberechtigt, zielgerichtet und zuverlässig zusammen.

In dieser Unterrichtseinheit zum Magnetismus lernen die Schülerinnen und Schüler in einfachen Experimenten die magnetische Wirkung, Magnetfelder sowie die Einsatzmöglichkeiten von Magneten im Alltag kennen. Das Thema Magnetismus kann im Physikunterricht durch diverse überraschende Experimente vermittelt werden. So erleben die Schülerinnen und Schüler mit dieser Einheit den Unterricht aktiv und lernen die Polgesetze, Magnetfeldlinien, das Magnetfeld der Erde sowie am Beispiel Kompass den Einsatz magnetischer Wirkung kennen. Sie entdecken die Kraft der Magnete im Alltag wie zum Beispiel bei der Magnetschwebebahn und sammeln in der Gruppe weitere Einsatzmöglichkeiten sowie Vorteile von Magneten. Desweiteren besprechen die Lernenden das Magnetfeld der Erde und probieren einen Kompass nach entsprechender Anleitung selbst aus, sodass sie die Grundlagen eines physikalischen Phänomens ganzheitlich erarbeiten. Ein Vorschlag für eine Leistungskontrolle als Test oder Klassenarbeit rundet die Einheit ab. Das Thema "Magnetismus mit Experimenten untersuchen" im Unterricht Das Thema Magnetismus spielt im Physikunterricht von der Grundschule bis zur Sekundarstufe eine große Rolle. Für das Verständnis der Lernenden ist es durchaus sinnvoll, grundlegende Experimente, die mit einfachen Mitteln eindrucksvoll und gut zu beobachten sind, bereits in niedrigen Klassenstufen durchzuführen. In dieser Unterrichtseinheit geht es daher zunächst im Ansatz darum, die magnetische Wirkung nachvollziehen zu können, um später auch zum Beispiel aktuelle technische Anwendungen wie die Datenspeicherung mit den Gesetzmäßigkeiten des Magnetismus erklären zu können. Didaktisch-methodische Analyse In dieser Unterrichtseinheit werden die Schülerinnen und Schüler zunächst mithilfe eines Videos in die Grundlagen des Magnetismus eingeführt, bevor sie diese dann in der anschließenden Experimentierphase vertiefen und dokumentieren. Die Ergebnisse werden in einem Handout zusammengefasst. Durch Versuche wie dem Magnetisieren einer Schere begreifen die Lernenden in der Gruppe die Elementarteilchen und ihre Ordnung. Das aktive Tun hilft im Sinne der Handlungs- und Produktionsorientierung dabei, Inhalte langfristig zu erinnern. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler experimentieren mit Magneten. lernen das Magnetfeld der Erde und den Kompass kennen. entdecken Vorteile von Magneten im Alltag und magnetisieren eine Schere. beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entnehmen einem Video wesentliche Informationen über Magnetismus. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler experimentieren in der Gruppe, sammeln gemeinsam Ideen und nehmen dabei Gedanken der anderen mit auf.

In der Unterrichtseinheit "Upcycling mit Plastiktüten und Strohhalmen: Warum fliegt ein Drache?" erarbeiten die Lernenden das physikalische Prinzip "dynamischer Auftrieb" als eine zentrale Größe in der Strömungslehre und reflektieren die Folgen durch Plastikmüll für die Umwelt. Sie bauen pünktlich zum Herbst selbst einen Drachen aus einer Plastiktüte und Plastik-Strohhalmen und nähern sich damit dem Thema Fortbewegung in der Luft. Ein Verbot von Plastiktüten und Plastik-Strohhalmen in Deutschland bis 2021 rückt näher, doch bis alle Produkte durch eine entsprechende EU-Verordnung aus den Regalen verbannt sind, wird es lange dauern. Viele Plastiktüten und Plastik-Strohhalme sind täglich im Umlauf und landen als Wegwerfprodukt nach einmaliger Anwendung in der Mülltonne oder in der Umwelt. Beide Produkte tragen damit erheblich zur Verschmutzung der Meere und zum Klimawandel bei. Um auch den Lernenden dieses Problem bewusst zu machen, gehören die Themen Umweltschutz und Nachhaltigkeit unbedingt auch in den Unterricht. Daher sollen die Schülerinnen und Schüler in dieser Unterrichtseinheit fächerübergreifend in Physik und Geographie auf die ökologisch negativen Wirkungen dieses Plastikmülls aufmerksam gemacht und für die Umwelterziehung sensibilisiert werden: Die Schülerinnen und Schüler bauen angeleitet durch ein Video einen Drachen aus Plastiktüten und Strohhalmen und hinterfragen seine Funktion. Die Kraft des dynamischen Auftriebs als physikalisches Grundprinzip für das natürliche Fliegen beispielsweise von Vögeln wird damit in besonderer Weise schülerorientiert erarbeitet. Das Thema "Upcycling mit Plastiktüten und Strohhalmen: Warum fliegt ein Drache?" im Unterricht Mit diesem Unterrichtsmaterial wird aufgezeigt, wie durch die physikalische Wirkung des dynamischen Auftriebs als Kraft im Bereich Mechanik die Plastik-Produkte in die Umwelt gelangen können. Nicht zuletzt soll dadurch im Unterricht für Alternativen zur Plastiktüte und zum Plastik-Strohhalm im Sinne von Nachhaltigkeit und verantwortungsbewusstem Handeln geworben werden. Das Thema eignet sich damit auch zum Beispiel für den Einsatz Rahmen eines Projektes zum Umweltschutz sowie zur Fortbewegung in Wasser und Luft. Darüber hinaus kann der selbst gebaute Drache insbesondere im Herbst auch vermeintlich leistungsschwächere Schülerinnen und Schüler zur Mitarbeit motivieren und für Physik oder Geographie begeistern. Je nach Schwerpunktsetzung kann das Material ohne großen Aufwand angepasst und im jeweiligen Fach eingesetzt werden. Didaktisch-methodische Analyse Angeleitet durch ein Video bauen die Lernenden weitgehend selbstständig einen Drachen. Mithilfe von Arbeitsblättern strukturieren sie die wesentlichen Informationen und eignen sich das Wissen über das physikalische Prinzip des dynamischen Auftriebs sowie die Problematik um den Plastikmüll eigenverantwortlich an. Nach dem Prinzip des Kooperativen Lernens Think-Pair-Share sichern sich die Lernenden in der Partnerarbeit zunächst im geschützten Raum ab, bevor sie ihre Ergebnisse im Plenum zur Diskussion stellen und gemeinsam Alternativen zur Verwendung von Einwegprodukten aus Plastik formulieren. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen Plastik-Strohhalme und Plastiktüten als ökologisches Problem. lernen das Prinzip dynamischer Auftrieb als physikalische Erklärung für den Drachenflug kennen. erarbeiten Alternativen zur Verwendung von Einwegprodukten aus Plastik im Sinne der Nachhaltigkeit. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entnehmen einem Video gezielt die wesentlichen Informationen und setzen die Anleitung zum Bau eines Drachen entsprechend um. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konzentriert und zielgerichtet mit einer Partnerin oder einem Partner zusammen, nehmen Vorschläge der anderen auf und formulieren gemeinsam Ideen für den Umweltschutz.

Mit diesem Unterrichtsmaterial zum Teilchenmodell beobachten die Lernenden, was mit einem Zuckerwürfel in einem Glas Wasser passiert. Dann modellieren sie kleine Teilchen aus Knete so, wie sie in ihrer Fantasie aussehen und entwickeln eine erste Vorstellung vom Aufbau der Stoffe. Diese motivierende und praxisnahe Einführung in das Teilchenmodell hilft den Schülerinnen und Schülern dabei, den Aufbau der Materie aus kleinen Teilchen im Chemie-Unterricht oder Physik-Unterricht zu begreifen. Die Lernenden beobachten bei einem Versuch, wie ein Zuckerwürfel in Wasser in immer kleinere Kristalle zerfällt und sich schließlich ganz auflöst. Vermutlich ist ihnen klar, dass der Zucker trotzdem noch im Glas ist, was man durch Probieren oder Eindampfen beweisen kann. Sie müssen nun überlegen, was mit dem Zucker passiert sein könnte. An dieser Stelle geht es darum, eine Vorstellung davon zu entwickeln, dass alles aus unsichtbaren Teilchen aufgebaut ist. Es ist hier zunächst nicht wichtig, ob es sich um Moleküle oder Atome handelt und wie diese genau aussehen. Dieses Wissen wird im weiteren Verlauf des Unterrichts schrittweise erarbeitet und ergänzt. Vielmehr wird also ein Grundverständnis vermittelt, dass alles aus "kleinen Teilchen" besteht. Durch die Einheit Kleine Teilchen im Modell: Vertiefung am "Karton-Versuch" kann diese Einführung sinnvoll im Unterricht fortgesetzt werden. Das Thema "Teilchenmodell" im Unterricht Die Struktur der Materie begreiflich zu machen ist eine der schwierigen Aufgaben im Chemie-Unterricht beziheungsweise Physik-Unterricht. Die kleinen Teilchen können immer nur mit Modellen erklärt werden. Diese Modelle entwickeln sich während des Chemie-Unterrichts und Physik-Unterricht zunehmend weiter und nähern sich der Wirklichkeit an. Damit die Lernenden diese Entwicklung nachvollziehen können, sollte das Teilchenmodell nicht zu schnell und abstrakt eingeführt werden. Vorkenntnisse Die Lernenden kennen verschiedene Stoffeigenschaften und ihre Untersuchung. Didaktische Analyse Die Lernenden schließen aus dem, was sie im Versuch sehen können, auf das, was passiert, auch wenn sie es nicht mehr sehen können. Dadurch kann ihre Vorstellung auf Beobachtungen aufbauen, anders als wenn das erste Teilchenmodel rein informierend eingeführt wird. Die Idee, dass der Zucker irgendwann nicht mehr zerfällt und seine "kleinen Teilchen" erreicht sind, kann spontan von den Lernenden kommen oder in der Besprechung von der Lehrkraft erwähnt werden. Durch das Darstellen der kleinen Teilchen mit Knete wird das Teilchenmodell wieder von einer abstrakten Idee auf eine konkretere Ebene gebracht und zudem bietet es einen Anknüpfungspunkt für die Weiterentwicklung des Teilchenmodells zu einem Kugelteilchenmodell in der folgenden Stunde. Mit diesem Modell kann im naturwissenschaftlichen Unterricht lange Zeit gearbeitet werden, um Sachverhalte zu erklären. Methodische Analyse Die Aussicht auf einen Versuch in der Gruppe motiviert die Lernenden erfahrungsgemäß ausreichend, sodass ein ausführlicher Einstieg in das Thema entfallen kann. Vielmehr stellt der Versuch ja schon einen Einstieg dar. In der Gruppe (und durch gezielte Anregungen und Denkanstöße durch die Lehrkraft) entsteht beim Beobachten eine Vorstellung davon, was beim Versuch passiert, auch wenn die Lernenden es nicht sehen können. Der Ideenaustausch in der Gruppe während des Versuchs stellt sicher, dass alle Lernenden mitbekommen, was passiert. Durch einen kurzen Eintrag im Heft wird der Sachverhalt geordnet dargestellt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Phänomene und Vorgänge am Beispiel des Teilchenmodells mit einfachen naturwissenschaftlichen Konzepten. begründen Vermutungen zu naturwissenschaftlichen Fragestellungen mithilfe von Alltagswissen und einfachen fachlichen Konzepten, indem sie überlegen, was mit dem Zucker im Wasser bei dem Versuch passiert sein könnte. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler benennen auf der Grundlage vorgegebener Informationen Handlungsmöglichkeiten. beschreiben naturwissenschaftliche Sachverhalte für andere nachvollziehbar.

Der Begriff "Repowering" steht generell für das Ersetzen alter Anlagen zur Stromerzeugung durch neue, effizientere Anlagen. Dieser Prozess spielt insbesondere bei der Nutzung der Windenergie eine große Rolle. In der Unterrichtseinheit kann der Schwerpunkt wahlweise auf physikalische oder sozialgeographische Aspekte gelegt werden. Doppelte Leistung und dreifacher Stromertrag bei halber Anlagenzahl, so lautet die Faustformel beim Repowering von Windkraftanlagen. Zusätzlich zu dieser enormen Leistungssteigerung kann mit der Verringerung der Anzahl von Windkraftanlagen auch das Landschaftsbild entlastet werden. Auch andere mögliche Quellen der Belästigung werden verringert: Die Anlagen laufen langsamer und leiser. Und sie lassen sich aufgrund technischer Weiterentwicklungen besser in das bestehende Stromnetz integrieren. Deshalb ist Repowering eine interessante Option zur Verbesserung der Stromversorgung und damit eine Gelegenheit, ein aktuelles Thema im Unterricht zu behandeln. Eine Einführung soll die Relevanz des Themas verdeutlichen und zur weiteren Beschäftigung motivieren. Anhand frei verfügbarer Datenbanken können sich die Lernenden mit Windkraftanlagen aus ihrer Region beschäftigen. Damit wird eine Verknüpfung zur persönlichen Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler geschaffen. Das Thema kann anschließend auf zwei verschiedene Arten vertieft werden: a) physikalischer Grundlagen der Nutzung der Windenergie: Ein Arbeitsblatt stellt eine didaktisch reduzierte Leistungsberechnung vor, die im zweiten Schritt für die Windkraftanlagen aus der Region der Lernenden angewendet werden soll. b) sozialgeografische Aspekten der Windenergienutzung: Dieses Arbeitsblatt thematisiert organisatorische und soziale Aspekte der Windenergienutzung. Diese sollen im Plenum diskutiert werden. Das kann auch in Form eines Rollenspiels stattfinden. Ablauf der Unterrichtseinheit Zum Einstieg sollen sich die Lernenden anhand frei verfügbarer Online-Daten mit Windkraftanlagen in ihrer Nähe beschäftigen. Anschließend kann eine Vertiefung zu physikalischen und/oder sozialgeographischen Aspekten stattfinden. Die Schülerinnen und Schüler bekommen ein Gefühl dafür, wie viel Strom durch Windkraft erzeugt und wie viele Haushalte damit versorgt werden können. erfahren, warum moderne Windkraftanlagen viel effizienter sind als ältere Anlagen. lernen, welche physikalischen Faktoren die Nutzung von Windenergie beeinflussen. sich damit auseinandersetzen, welche sozialgeographischen Aspekte beim Bau und Betrieb von Windkraftanlagen eine Rolle spielen. Viele Windkraftanlagen (WKA) sind veraltet, entsprechen nicht mehr dem neuesten Stand der Technik und haben zunehmend Ausfallzeiten aufgrund von Verschleiß. Vielfach lohnt sich die Investition in neue und effizientere Anlagen. "Doppelte Leistung und dreifacher Stromertrag bei halber Anlagenzahl", so lautet die Faustformel für das Repowering von Windkraftanlagen. Wie ist das möglich? Berechnungen Anhand einer übersichtlichen Formel zur Berechnung der Windleistung sollen sich die Schülerinnen und Schüler mit den Einflussfaktoren beschäftigen, die den Stromertrag einer Windkraftanlage beeinflussen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, Berechnungen für einen fiktiven Windpark in der eigenen Heimat durchzuführen. Die notwendigen Angaben hierfür finden sich in dem Arbeitsblatt selbst, bis auf die Daten zur mittleren Windgeschwindigkeit, die muss aus Karten des Deutschen Wetterdienstes für den jeweiligen Standort ermittelt werden müssen. Neben den technischen Aspekten von Windkraftanlagen gibt es auch organisatorische und soziale Aspekte, die bei Bauvorhaben berücksichtigt werden müssen. Hier bietet es sich an, dass sich die Schülerinnen und Schüler in Gruppen zusammenfinden und gemeinsam Ideen sammeln und verschriftlichen. Zur Unterstützung kann wieder die Broschüre des Bundesverbands WindEnergie e. V. hinzugezogen werden. Als Abschluss soll eine Diskussion mit der ganzen Klasse über die gesammelten Aspekte stattfinden. Denkbar ist auch, dass zum Abschluss ein kleines Rollenspiel durchgeführt wird. Zum Beispiel können folgende Rollen vergeben werden: Bürgermeisterin oder Bürgermeister Sieht die finanziellen Vorteile für die Gemeinde. Möchte seine Gemeinde fortschrittlich präsentieren. Bürgerinitiative "Gegen die Verspargelung" Die Mitglieder der Initiative argumentieren gegen die Verschandelung der Landschaft Beitreiber eines existierenden Windparks Ist mit zunehmenden Ausfällen der inzwischen veralteten Anlagen konfrontiert und befürwortet das Repowering. Bietet sich erneut als Betreiber an. Projektbüro Hat Erfahrungen aus anderen Projekten. Ist an der Durchführung schon allein deshalb interessiert, weil es dann seine Arbeitsleistung anbieten könnte. Naturschutzverband Hat einerseits Bedenken wegen der Gefährdung von Zugvögeln. Andererseits befürwortet der Verband den Ausbau der Erneuerbaren Energien. Einzelne Bürgerin / einzelner Bürger Ist interessiert an einer sicheren und kostengünstigen Stromversorgung.

Diese Unterrichtseinheit thematisiert die Berechnung der rätselhaften Drehung der Ellipsenachse des Planeten Merkur (Periheldrehung) sowie den Nachweis der Laufzeitverlängerung von Radarimpulsen zum Planeten Venus aufgrund der Raumzeit-Krümmung. Beide Experimente waren für die Bestätigung der Vorhersagen Albert Einsteins von großer Bedeutung. In dieser Unterrichtseinheit erfahren die Schülerinnen und Schüler, dass die minimale Drehung der Merkurellipse allein durch Störeffekte benachbarter Himmelskörper nicht erklärt werden kann, denn ein kleiner Betrag dieser Ellipsendrehung von 43 Bogensekunden pro Jahrhundert blieb lange Zeit völlig rätselhaft. Erst Albert Einstein konnte aus dem Formalismus seiner neuen Gravitationstheorie genau diese fehlende Winkeldifferenz herleiten. Dies war der erste "Beweis" der Allgemeinen Relativitätstheorie, dieser komplexen und völlig neuartigen Theorie, die Albert Einstein über viele Jahre hinweg erarbeitet hatte und 1915 zur Veröffentlichung frei gab. Ihre Schülerinnen und Schüler berechnen die Drehung der Ellipsenachse des Planeten Merkur und im Weiteren auch die eines Sterns, der das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße umrundet. Aufgrund der großen Masse des Schwarzen Lochs fällt die relativistische Drehung dort deutlich stärker aus und stimmt mit der Vorhersage der Relativitätstheorie bestens überein. Eine weitere, historisch wichtige Bestätigung der Relativitätstheorie stellt das Experiment des Astronomen Irvin Shapiro aus dem Jahr 1970 dar. Shapiro konnte mithilfe von Laufzeitmessungen von Radarimpulsen, die er zum Planeten Venus schickte, die Raumzeit-Krümmung in der Umgebung der Sonne bestätigen. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist nicht Inhalt der Physik-Lehrpläne. Dies liegt sicher daran, dass es sich um eine mathematisch ausgesprochen komplexe und abstrakte Theorie handelt, deren Möglichkeiten der Vereinfachung und Veranschaulichung Grenzen gesetzt sind. Dennoch lässt sich die Bedeutung dieser neuen Gravitationstheorie durchaus im Unterricht thematisieren, wobei sich die historischen "Beweise" der Theorie besonders eignen, da diese im schulischen Kontext gut zugänglich sind. In diesem Beitrag werden zwei dieser bedeutsamen Bestätigungen der Allgemeinen Relativitätstheorie thematisiert. Die Periheldrehung der Merkurellipse (1915) und die Shapiro-Zeitverzögerung. Beide Effekte hängen eng mit der Raumzeit-Krümmung zusammen, die vor allem im zweiten Arbeitsblatt zum Shapiro-Delay eine gewisse Veranschaulichung erfährt. Die beiden Arbeitsblätter beginnen jeweils mit einem Informationstext, woran sich dann konkrete Rechenaufgaben anschließen. Dazu sollen die Lernenden mithilfe vorgegebener Formeln aus der Relativitätstheorie bestimmte Effekte und Werte der Periheldrehung der Shapiro-Verzögerung berechnen und sie dann mit den Messungen der damaligen Zeit vergleichen und bewerten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… lernen das Problem der Periheldrehung von Planetenellipsen kennen und erfahren, dass die Allgemeine Relativitätstheorie dieses Phänomen exakt beschreibt und berechnet. berechnen die Drehung der Ellipsenachsen der Merkurbahn und des Sterns S2, der das galaktische Zentrum umrundet. vergleichen und bewerten die Messergebnisse mit ihren Berechnungen. erkennen, dass die Formeln der Relativitätstheorie die Messergebnisse reproduzieren können. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… können Texte in gedruckter und digitaler Form nach bestimmten Fragestellungen hin untersuchen. die relevanten Informationen herausarbeiten. 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.

Diese Unterrichtseinheit thematisiert die Sonnenfinsternis-Expedition im Jahre 1919, welche die Lichtablenkung von Sternenlicht am Rand der Sonne vermessen konnte. Damit gelang eine erste experimentelle Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie, was Alberst Einstein zu großer Popularität verhalf. Fast 100 Jahre später stand die Relativitätstheorie erneut im Fokus öffentlichen Interesses, denn mit dem direkten Nachweis von Gravitationswellen konnte eine weitere, wichtige Vorhersage der Theorie betätigt werden. Die Materialien nehmen Bezug auf ein Erklärvideo aus der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen (Mini-Lectures). Zu diesem Video wurden zwei weitere Unterrichtseinheiten ausgearbeitet, welche die erste indirekte Bestätigung von Gravitationswellen mithilfe eines Pulsars (1974) sowie den ersten direkten Nachweis dieser Wellen mithilfe von Laser-Interferometern (2015) zum Inhalt haben. Die Unterrichtseinheit nimmt die historischen Sonnenfinsternis-Expeditionen von 1919 (Principe und Sobral) als Ausgangspunkt, um ein zentrales Phänomen moderner Physik und Astronomie zu untersuchen: die Ablenkung von Sternenlicht im Gravitationsfeld der Sonne. Die Lernenden verstehen, warum diese Messkampagne als Entscheidungsexperiment gilt: Während die klassische Physik nach Newton grundsätzlich eine Lichtablenkung nahe großer Massen erwartet, sagt die Allgemeine Relativitätstheorie eine deutlich stärkere Ablenkung voraus. Genau diese Differenz macht die Expedition wissenschaftlich so bedeutsam. Im Zentrum steht nicht nur das "Was", sondern das "Wie" wissenschaftlicher Erkenntnis: Die Schülerinnen und Schüler recherchieren Hintergründe, Ablauf und Ergebnisse der Expedition, ordnen Quellen ein und arbeiten heraus, welche Rolle Messbedingungen, Auswertung und Unsicherheiten spielen. Darauf aufbauend leiten sie zunächst die klassische Betrachtung her und berechnen anschließend die erwarteten Ablenkwinkel nach Newton und nach der relativistischen Näherungsformel. So wird sichtbar, wie klein der Effekt tatsächlich ist – und warum die damalige Messung trotz ihrer Eleganz methodisch anspruchsvoll bleibt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der quantitative Auswertung: Mit Hilfe der Fernrohrbrennweite bestimmen die Lernenden Abbildungsmaßstäbe, berechnen die zu erwartende Verschiebung auf der Fotoplatte und werten Messdaten zu Sternpositionen grafisch aus. Abschließend diskutieren sie die Aussagekraft der Ergebnisse im Hinblick auf die Eingangshypothese und reflektieren, was ein "Beleg" in den Naturwissenschaften bedeutet. Als anschauliche Ergänzung wird das Gummituch-Modell genutzt, um die Idee der Raumzeitkrümmung und die "Linsenwirkung" von Massen niedrigschwellig zu visualisieren. Über den Einstieg mit einem Video zu Gravitationswellen wird zudem eine Brücke zu späteren Bestätigungen der Relativitätstheorie geschlagen und die Einheit in einen größeren physikalischen Kontext eingebettet. Die im Jahr 1919 durchgeführten Sonnenfinsternis-Expeditionen nach Principe (Westafrika) und Sobral (Brasilien) hatten den Charakter eines "Experimentum Crucis" – eines Entscheidungsexperiments. Auch die klassische Physik nach Newton sagt eine Ablenkung eines Lichtstrahls voraus, wenn dieser dicht an einer großen Masse, wie zum Beispiel die der Sonne, vorbeigeht. Einstein konnte aber aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie 1915 ausrechnen, dass die Lichtablenkung (in erster Näherung) doppelt so groß sein müsste, wie sie sich aus der klassischen Physik ergibt. Die experimentelle Bestimmung des Ablenkwinkels sollte also entscheiden, ob die Relativitätstheorie die allgemeingültige Beschreibung von Gravitation darstellt. Vom Standpunkt der Physikdidaktik stellt die damalige Situation ein Paradebeispiel dar, wie wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen und abgesichert werden. Die Materialien zu dieser Unterrichtseinheit sollen dies widerspiegeln. Die Idee, die Lichtablenkung mithilfe der Verschiebung der Sternpositionen bei einer Sonnenfinsternis nachzuweisen, ist bestechend einfach – die Durchführung allerdings aufgrund der extrem kleinen Effekte äußerst schwierig. Auch diese Problematik wird in den Arbeitsblättern thematisiert, indem die Lernenden berechnen, wie groß die Verschiebungen der Sternpositionen auf den Fotoplatten nach Einstein tatsächlich sein sollten. Nur so lässt sich ermessen, wie schwierig die Auswertung und Interpretation der Messungen seinerzeit waren. Methodische Analyse Ein Erklär-Plakat, das 1919 in einer populären Zeitschrift ( Illustrated London News) die physikalischen Hintergründe und Zusammenhänge der Expedition darstellte, dient den Schülerinnen und Schülern als Anlass, Informationen über die damalige Forschungsreise zu sammeln und zusammenzustellen. Aus heutiger Sicht ist es erstaunlich, wie gut man damals bereits in der Lage war, Wissenschaft journalistisch aufzuarbeiten und den Bürgern näher zu bringen. Im Weiteren rechnen die Lernenden den Ablenkwinkel am Sonnenrand konkret aus und werten die Positionen von sieben Sternen, die auf den Fotoplatten sichtbar wurden graphisch aus, um dann eine Entscheidung für oder wider die Hypothese von Einstein treffen zu können. Vorkenntnisse Die Lernenden sollten das Gravitationsgesetz von Newton kennen. Die Formel für die Lichtablenkung ist nicht schwierig und wird fertig angegeben. Allerdings stellt der Umgang mit den unterschiedlichen Begriffen bei der Berechnung von Winkeln (Bogensekunden, Grad, Radiant, Bogenmaß) die Schülerinnen und Schüler erfahrungsgemäß vor Probleme. Daher werden verhältnismäßig große Vorgaben diesbezüglich in den Materialien gemacht. Vermutlich ist aber auch Lehrkräfterhilfe an der einen oder anderen Stelle sinnvoll und notwendig. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… erkennen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie von der klassischen Physik abweicht, sobald die gravitativ wirkenden Massen groß oder die Abstände zu diesen klein werden. berechnen physikalische Größen. 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) nach bestimmten Fragestellungen hin untersuchen und die relevanten Informationen herausarbeiten. 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.

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.

Schwarze Löcher sind nicht vollständig unsichtbar, denn sie beeinflussen durch ihre extreme Gravitationswirkung das Licht in ihrer unmittelbaren Umgebung. Wie erscheint der beobachtenden Person die hell leuchtende Materie, die um ein solches Schwerkraftmonster kreist? Das erste Arbeitsblatt thematisiert die Herleitung des Schwarzschildradius (Ereignishorizont) eines Schwarzen Lochs. Die Lernenden wenden die Formel dann auf die Erde, die Sonne und das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße an. Aus Science-Fiction Filmen wie "Interstellar" sind simulierte Bilder von Schwarzen Löcher bekannt. Dabei wird meist das verzerrte Abbild der Akkretionsscheibe gezeigt – extrem heißes, hell leuchtendes Gas und Staub umkreisen das Schwarze Loch mit großer Geschwindigkeit. In der Mitte ist dann der sogenannte "Schatten des Schwarzen Lochs" zu erkennen. Inzwischen wurden sogar zwei reale Bilder supermassiver Schwarzer Löcher der Öffentlichkeit präsentiert – 2019 der Schatten des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 und 2022 das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Das zweite Arbeitsblatt dieses Beitrags thematisiert die Wirkung der Gravitation auf die Ausbreitung des Lichts der Akkretionsscheibe. Die Lernenden erarbeiten, wie sich die Akkretionsscheibe der beobachtenden Person optisch präsentiert und welche Radien außer dem Schwarzschildradius dabei eine Rolle spielen. Themen aus der Astronomie, speziell wenn es dabei um Schwarze Löcher geht, stoßen bei Schülerinnen und Schülern in der Regel auf sehr großes Interesse. Der Mechanik-Unterricht der Oberstufe bietet gute Möglichkeiten, diese Themen aufzugreifen, beispielsweise dann, wenn es im Unterricht um Fragen zur Gravitation geht. Die physikalischen und astronomischen Erkenntnisse bezüglich des Schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum sind wissenschaftlich topaktuell und werden in den kommenden Jahren an Umfang und Präzision weiter zunehmen. Die Herleitung des Schwarzschildradius erfolgt eigentlich aus der Allgemeinen Relativitätstheorie. Interessanterweise gelingt die Herleitung auch klassisch, wobei die Lichtgeschwindigkeit als absolute Grenzgeschwindigkeit eingeht. Die Berechnungen der Ereignishorizonte verschiedener Himmelsobjekte liefert überraschende Ergebnisse und bietet Anlass für Diskussion und Nachfragen. Allerdings sollte man im Unterricht unbedingt darauf hinweisen, dass die Herleitung des Ereignishorizonts von einem perfekt kugelsymmetrischen, nichtrotierenden Schwarzen Loch ausgeht. Dies ist in der Realität aber nicht der Fall. Vielmehr rotieren Schwarze Löcher teilweise mit erheblicher Geschwindigkeit um ihre eigene Achse. Bei einem massenreichen Stern wird nämlich in der Phase des Kollaps Drehimpuls auf das entstehende stellare Schwarze Loch übertragen. Der Ereignishorizont solcher rotierenden Schwarzen Löcher wird dann nicht mehr mit der Schwarzschild-Metrik berechnet, sondern mit der sogenannten Kerr-Metrik – benannt nach dem Astrophysiker Roy Kerr, der seine Theorie 1963 veröffentlichte. Die Rotation eines Schwarzen Lochs verzerrt die Raumzeit-Geometrie zusätzlich, was zu leicht asymmetrischen Wirkungen auf Licht und Materie in unmittelbarer Umgebung des Schwarzen Lochs führt. Im schulischen Kontext ist jedoch eine quantitative Behandlung der Kerr-Metrik kaum möglich. Um den Lernenden eine anschauliche Vorstellung von den Lichtwegen in der Nähe von Schwarzen Löchern und der Entstehung der verzerrten Abbilder ihrer Umgebungen zu ermöglichen, steht ihnen eine Computersimulation zur Verfügung. So werden Begriffe wie "Photonenradius" und "Schatten des Schwarzen Lochs" zugänglich und besser verständlich. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… verwenden die Formel der Zentripetalkraft und der zweiten kosmischen Geschwindigkeit, um den Schwarzschildradius eines Schwarzen Lochs herzuleiten. berechnen Schwarzschildradien von Erde, Sonne und Sagittarius A. wenden eine Computersimulation an, um die Lichtwege in der Umgebung eines Schwarzen Lochs abzubilden und die Entstehung und Bedeutung von Schatten und Photonenradius im Abbild eines Schwarzen Lochs zu verstehen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… können Texte in gedruckter und digitaler Form auf bestimmte Fragestellungen hin untersuchen. erarbeiten die relevanten Informationen heraus. 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.