Unterrichtsmaterialien → Astronomie Sekundarstufen

In dieser Unterrichtseinheit geht es darum, die Lernenden mit den Gegebenheiten der elektrischen Stromversorgung im Haushalt bekannt zu machen. In Form von Beispielen, Fragestellungen und Übungsaufgaben werden die Funktionsweisen des Drehstrom-Systems im Haushalt und deren vielfältige Anwendungsmöglichkeiten erläutert.Nach einer kurzen – eventuell auch wiederholenden – Besprechung des Wechselstrom-Versorgungssystems in Form von Drehstrom werden den Schülerinnen und Schülern die vielfältigen Möglichkeiten der Stromzuführung zu zahlreichen häuslichen Elektrogeräten anhand der Phasenleiter L 1 ..L 3 sowie die Stromrückführung über den gemeinsamen Nullleiter vermittelt. Mit diesem Wissen können die Lernenden auch die zahlreichen Stromkabel einer Überlandleitung nachvollziehen. Am Beispiel eines Phasenprüfers zum ungefährlichen Auffinden des Phasenleiters in der Steckdose wird gezeigt, wie man feststellen kann, ob Strom an der Steckdose vorhanden ist. Als typisches Beispiel für ein in jedem Haushalt vorhandenes Elektrogerät wird der schematische Aufbau und damit die unterschiedliche Funktionsweise von Herdplatten erläutert und mit konkreten Beträgen für entsprechende Leistungen durch ausführliche Berechnungen vertieft. Das Thema "Elektrizität im Haushalt" in der Schule Elektrizität im Haushalt ist aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken – wie sehr wir davon abhängig sind, bemerken wir immer dann, wenn der Strom einmal ausfällt. Schülerinnen und Schüler kennen Elektrizität in Form von Batterien und Akkus, die alle Geräte von den Smartphones bis zu den Taschenlampen speisen. Ebenso bekannt ist natürlich die Bedeutung der Steckdose für die Entnahme von Elektrizität – die dahinterstehende Technik dürfte allerdings für viele Lernende Neuland sein, nicht zuletzt wegen der nicht so einfach zu verstehenden Wechselstromtechnik. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können dahingehend vorausgesetzt werden, dass im Unterricht der Begriff des Wechselstroms anhand des Leiterschaukel-Versuchs in Verbindung mit der Lorentzkraft bereits besprochen sein sollte. Didaktische Analyse Die auf der Wechselstrom-Technik beruhende Drehstrom-Technik ist von entscheidender Bedeutung für die großtechnische Stromerzeugung mittels Generatoren, die unter anderem durch Wasserkraft, Windkraft oder auch Kernkraft angetrieben werden. Nur mit Gleichstrom aus Batterien wären die etwa in einem Haushalt notwendigen Elektrogeräte nicht zu betreiben. Die mit Drehstrom-Technik betriebenen Elektrogeräte werden in Deutschland mit einer Spannung von 230 Volt betrieben, die daraus resultierende Lebensgefahr bei einer eventuellen Berührung eines Phasenleiters muss im Unterricht intensiv besprochen werden. Nur über Geräte wie den Phasenprüfer kann gefahrlos festgestellt werden, wo sich der Phasenleiter befindet und ob somit Strom fließen kann. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung von Drehstrom für die häusliche Stromversorgung. kennen die verschiedenen Wege der Stromzuführung über die drei Phasen des Drehstroms. können Berechnungen anstellen, unter welchen Bedingungen ein Stromkreis belastet werden kann und gegebenenfalls auch überlastet wird. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbstständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freundinnen und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler Grundlagen zum Thema "Messunsicherheiten" mithilfe von fünf Erklärvideos und Übungsaufgaben kennen. Diese Unterrichtseinheit führt die Schülerinnen und Schüler in das Thema "Messunsicherheiten" ein und vermittelt, wie Messergebnisse richtig verglichen werden. Die Lernenden bearbeiten selbstständig fünf Schritte: Ursachen von Messunsicherheiten Relevanz und Bedeutung von Messunsicherheiten Berechnung und Bedeutung des Mittelwertes Berechnung und Bedeutung der Messunsicherheit Vergleich von Messergebnissen Jeder Schritt beginnt mit einem Video (2 bis 4 Minuten), gefolgt von praktischen Übungsaufgaben. Bei einer falschen Antwort erhalten die Schülerinnen und Schüler helfende Hinweise in Rot, bei einer richtigen Antwort eine zusätzliche Erklärung in Grün. Um die Messunsicherheit zu quantifizieren, wurde die Maximalunsicherheit gewählt, also der maximale Abstand zwischen dem Mittelwert und einem der Messwerte. Dies ist eine (große) Überschätzung der Messunsicherheit, aber mathematisch einfach. Auf diese Weise kann der Schwerpunkt auf die Bedeutung der Messunsicherheit und nicht auf die Berechnung gelegt werden. Diese Quantifizierung kann natürlich ein hervorragender Ausgangspunkt für eine Klassendiskussion und eine weitere Verfeinerung der Quantifizierung sein – vom Ausschluss von Ausreißern bis zur Berechnung der Standardabweichung. Diese Unterrichtseinheit wurde in einer wissenschaftlichen Studie erfolgreich erprobt und gibt den Lernenden alle Werkzeuge an die Hand, die sie benötigen, um zwei Messergebnisse korrekt zu vergleichen. Messunsicherheiten als Thema im Unterricht Die Beurteilung der Qualität von Daten und ihrer Bedeutung ist eine Kompetenz, die immer mehr an Bedeutung gewinnt. Dazu gehört die Fähigkeit, Messunsicherheiten abzuschätzen und zu berechnen und zwei Messergebnisse miteinander zu vergleichen. Der Vergleich zweier Messergebnisse ist jedoch ohne Berücksichtigung der Messunsicherheiten nicht möglich. Zwei Durchschnittswerte können sich numerisch unterscheiden, was aber nicht bedeuten muss, dass der eine tatsächlich (signifikant) größer ist als der andere. Nur die Überschneidung der Unsicherheitsintervalle (oder nicht) gibt eine entscheidende Antwort auf die Verträglichkeit der Messergebnisse (oder nicht). Messunsicherheiten sind jedoch ein Thema, mit dem viele Schülerinnen und Schüler Probleme haben. Nicht nur bei der Berechnung (oft wird die Standardabweichung verwendet), sondern vor allem bei der Interpretation. Messunsicherheiten werden explizit in den Bildungsstandards des Faches Physik genannt: "Im Bereich der Erkenntnisgewinnungskompetenz wird auf erhöhtem Anforderungsniveau vermehrt auf einen formalen Umgang mit Messunsicherheiten und auf die Reflexion über Vor- und Nachteile oder die Aussagekraft verschiedener Mess- und Auswertungsverfahren Wert gelegt." (aus KMK, IQB: Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 18.06.2020 S.13) Diese Kompetenzen treten im Bereich 2.2.3 "Erkenntnisprozesse und Ergebnisse interpretieren und reflektieren" und E7 "Die Lernenden berücksichtigen Messunsicherheiten und analysieren die Konsequenzen für die Interpretation des Ergebnisses" auf. Diese digitale Lernumgebung bietet einen Einstieg in die Thematik der Messunsicherheiten, insbesondere den Vergleich von Messergebnissen, wobei keine weitere Einführung notwendig ist. Die Lernumgebung ist für Schülerinnen und Schüler ab der 8. Klassenstufe geeignet. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen Lehrkräfte benötigen lediglich basale Kenntnisse im Umgang mit interaktiven Elementen auf Webseiten. Spezielle, darüber hinausgehende digitale Kompetenzen werden nicht benötigt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vergleichen eigene Daten mit Referenzwerten (zum Beispiel aus dem Schulbuch). schätzen die Qualität gemessener Daten durch Referenzwerte (zum Beispiel aus dem Schulbuch) ab. berechnen Mittelwert und Unsicherheit. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entnehmen wichtige Information aus einem Lernvideo. arbeiten mit einer interaktiven Lernumgebung. üben sich im Umgang mit digitalen Lernmedien. 21st-Century-Skills Die Schülerinnen und Schüler erlernen durch evidenzbasiertes Argumentieren auf der Basis von Messdaten das kritische Denken ("Wie sicher beziehungsweise unsicher sind meine Daten?"). üben sich im Treffen von Entscheidungen unter Angabe von Begründungen (Vergleich von Messungen und Ziehen von Schlussfolgerungen, ob sich Datensätze grundsätzlich unterscheiden).

In der folgenden Unterrichtseinheit wird der Einstieg in die Vektoraddition anhand von statischen Kräften für die Sekundarstufe I vorgestellt. Dabei wird ausgehend von einfachen Beispielen gezeigt, wie zwei oder mehrere an einem gemeinsamen Punkt angreifende Kräfte mittels einer vektoriellen Aneinanderreihung durch Kräfteparallelogramme zu einem resultierenden Kraftvektor zusammengefasst werden können.Die Unterrichtseinheit dient dem Einstieg in die Vektoraddition am Beispiel von Kräften im Physikunterricht der Klasse 8 bis 10. Mit einer zeichnerischen Lösung unter Zuhilfenahme gegebener Größen wie Länge der Kraftvektoren im entsprechenden Maßstab und den jeweiligen Winkeln zwischen den Kraftvektoren lernen Schülerinnen und Schüler den resultierenden Kraftvektor selbst zu konstruieren. Mit einer Computersimulation (Vorschläge siehe externe Links) lassen sich die eigenen Ergebnisse kontrollieren und durch Veränderung von Beträgen, Richtungen und gegebenenfalls der Zahl von Einzelkräften nahezu beliebig erweitern. Es wäre von großem Vorteil, wenn dazu jedem Lernenden ein Computer zur Verfügung stehen würde.Der Begriff der Kraft als vektorielle Größe kann mithilfe von Arbeitsblatt 01 eingeführt oder wiederholt werden. Kurze Beschreibungstexte und Abbildungen zeigen die Addition von gleichgerichteten Kräften, die Addition von entgegengesetzt gerichteten Kräften, dem Kräfteparallelogramm bei Kräften unterschiedlicher Richtung sowie die Zerlegung von Kräften. Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass zu einer Kraft sowohl der Betrag als auch die Richtung und die Orientierung längs der Richtung gehören. Sie haben bereits erläutert, wie sich zwei Kräfte zu einer Gesamtkraft zusammensetzen lassen, sehen aber in den Augen der Klasse immer noch jenes Flackern, welches untrüglich ein gewisses Maß an Unverständnis signalisiert? Dann ist der Zeitpunkt für den Einsatz dieser Unterrichtsstunde gekommen! Vereinbaren Sie für die nächste Physikstunde ein Treffen im Computerraum. "Freies Spielen" mit der Simulation Es ist wichtig, dass jede Schülerin und jeder Schüler einen eigenen PC zur Verfügung hat, weil sonst der gemeinsame Lernfortschritt nicht garantiert ist. Im einfachsten Fall gehen Sie auf die Website von PhET und lassen die Schülerinnen und Schüler mit der Simulation "spielen".Die Schülerinnen und Schüler können in einfachen Zusammenhängen Kräfte als Vektoren darstellen und Darstellungen mit Kraftvektoren interpretieren. stellen Daten (Summenkraft) in sinnvoll skalierten Diagrammen von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar.