Astronomie: Willkommen im Fachportal

Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit den physikalischen Phänomenen "Reibungselektrizität" und "Elektrische Influenz". An einfachen Beispielen aus dem täglichen Leben, wie etwa beim Kämmen von frisch gewaschenem Haar, kann man den Lernenden auf einfache Weise zeigen, wie es durch Reiben von zwei Nichtleitern aneinander zur Reibungselektrizität kommt. Dabei werden Elektronen von einem Stoff herausgelöst und fließen zum anderen mit der Folge, dass sich die Haare abstoßen.Zur Reibungselektrizität kommt es häufig, wenn zwei unterschiedliche Materialien aneinander gerieben werden – dabei bekommt ein Material zusätzliche Elektronen, während das andere Material Elektronen abgibt. Von elektrischer Influenz hingegen spricht man, wenn es bei einem Körper durch Annähern eines anderen geladenen Körpers zu einer Veränderung der Ladungsverteilung kommt. Elektrische Influenz kann man zum Beispiel mittels eines Elektroskopes zeigen, indem man eine geladene Kugel dem Elektroskop annähert: Je näher man mit der geladenen Kugel an das Elektroskop kommt, desto stärker werden sich die beweglichen Nadeln des Elektroskopes voneinander entfernen, weil sich die Ladung auf dem ungeladenen Elektroskop in Richtung der Nadeln verschiebt, mit dem Effekt, dass sich die beiden Nadeln abstoßen. Reibungselektrizität und elektrische Influenz Reibungselektrizität als Ablösung und elektrische Influenz als Verschiebung von elektrischen Ladungen bilden den Einstieg in den Bereich der Elektrostatik, die grundlegend sind für das Verständnis des elektrischen Feldes und den daraus resultierenden Begriffen wie elektrische Feldstärke, elektrische Spannung und Dielektrizität. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von den Lernenden sind in Hinblick auf Reibungselektrizität dahingehend zu erwarten, dass jede Schülerin und jeder Schüler sicher schon einmal einen "elektrischen Schlag" bekommen hat, wenn er oder sie über einen Teppich aus Kunststoff gelaufen ist und dann ein Eisengeländer berührt hat. Die elektrische Influenz hingegen bedeutet für die meisten Lernenden sicher Neuland, kann aber durch einfache und anschauliche Versuche ohne großen Aufwand erläutert werden. Didaktische Analyse Die Behandlung von Reibungselektrizität und elektrischer Influenz sind im Unterricht der Sek. I wichtig, weil sonst die Behandlung der doch anspruchsvollen Vorgänge und Gesetzmäßigkeiten im Rahmen der statischen Physik des elektrischen Feldes im Unterricht der Sek. II schwierig würde. Methodische Analyse Das Verständnis für die Vorgänge bei Reibungselektrizität und elektrischer Influenz kann durch viele, leicht durchführbare Versuche, die den Lernenden Spaß machen und die sie gefahrlos an sich ausprobieren können, schnell zu einem nachhaltigen Lernerfolg führen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können erklären, wie es zu positiv oder negativ geladenen Körpern kommt. kennen die Unterschiede zwischen Ladungstrennung und Ladungsverschiebung. wissen um die Gefährlichkeit von Ladungstrennung (zum Beispiel bei Gewittern). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig 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.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Gewicht und Masse erhalten die Schülerinnen und Schüler ein grundlegendes Verständnis für das Zusammenspiel und die Wechselwirkungen zwischen Gewicht und Masse in Bezug auf die Gravitation. Die Arbeitsblätter behandeln mehrere Themengebiete der Physik: Darunter befinden sich die einzelnen Themen wie Kraft, Druck, mechanische und innere Energie. Die Schülerinnen und Schüler lernen, dass das Gewicht eines Astronauten abhängig von dem Himmelskörper ist, auf dem dieser sich befindet. Zudem erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Eindruck vom Astronautentraining, insbesondere wie man auf der Erde für einen Aufenthalt auf dem Mond trainieren kann. Des Weiteren beschäftigten sich die Lernenden mit einer Olympiade auf dem Mond und wie diese unter den dort herrschenden Bedingungen ablaufen würde. Dabei befassen sich die Schülerinnen und Schüler mit den üblichen Sportarten wie Gewichtheben, Laufen, Hochsprung und Weitwurf. Für jede einzelne Sportart werden die Ergebnisse unter der geringeren Anziehungskraft des Mondes berechnet und mit denen auf der Erde verglichen. Die Aufgabenblätter für die beiden Themen "Die erste Mondolympiade: Physik auf dem Mond" und "Gewicht und Masse: Was wiegt ein Astronaut auf dem Mond" gibt es jeweils für die Klassenstufen 7-9 sowie 9-10. Gewicht und Masse: Was wiegt ein Astronaut auf dem Mond? Mithilfe der Formel für die Gravitation lässt sich das Gewicht eines Menschen oder von Gegenständen auf der Erde und auf den Mond berechnen. Da die Gravitation auf dem Mond nur 1/6 so groß ist wie auf der Erde, wiegen dort alle Objekte weniger. Vorkenntnisse Die Schülerinnen und Schüler sollten über die Grundlagen der Mechanik verfügen. Sie sollten wissen, was ein Impuls ist und den grundlegenden Zusammenhang zwischen Masse und Gewicht kennen. Didaktische Analyse Für die Lernenden ist ein hohes Maß an Abstraktionsvermögen nötig. Deshalb müssen Lehrkräfte sehr darauf achten, durch Abbildungen und Animationen den Sachverhalt anschaulich zu gestalten. Nach verständlicher Einführung durch die Lehrkraft oder durch eigenständiges Erarbeiten der beigefügten Grundlagen/Einführung kann das Arbeitsblatt als Hausaufgabe erarbeitet werden. Methodische Analyse Schritt für Schritt wird in der Einführung die Gleichung für die Gravitation beschrieben. Mit begleitenden Übungsaufgaben einschließlich sehr ausführlicher Lösungen werden die Lernenden mit den notwendigen Berechnungen für die verschiedenen Aufgaben vertraut gemacht. Die Schülerinnen und Schüler lernen den Zusammenhang zwischen Masse und Gewicht zu verstehen. können physikalische Gleichungen interpretieren und auswerten. erfahren die Anforderungen an Astronauten. verstehen Gravitation und ihre Eigenschaften. lernen die physikalischen Größen und Eigenschaften des Mondes kennen.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler Bewegungsabläufe kennen, die ihnen vom Autofahren oder Radfahren her bekannt sein sollten. Dabei werden zunächst nur geradlinige Bewegungen mit gleichbleibender Richtung besprochen, bei denen der Betrag der Geschwindigkeit konstant bleiben (geradlinig gleichförmige Bewegungen) oder aufgrund von Beschleunigungen oder Abbremsungen variieren kann (geradlinig ungleichförmige Bewegung).Ausgehend von Alltagserfahrungen werden die Lernenden mit einfachen Beispielen an die Bewegungsmöglichkeiten herangeführt, die immer die gleiche Bewegungsrichtung haben – im Gegensatz zu Kurven- oder Kreisbewegungen. Bewegungsabläufe werden dabei sowohl anhand von Schaubildern und Diagrammen dargestellt als auch mit den klassischen Formeln der Newtonschen Mechanik berechnet. Geradlinige Bewegungen als Unterrichtsthema Geradlinige Bewegungen kommen im Alltagsleben ständig vor und sind von den Lernenden aus eigenen Erfahrungen leicht nachvollziehbar. Die Darstellung anhand von Schaubildern und Diagrammen erleichtert das Verstehen der zugehörigen Bewegungsgleichungen – besonders wichtig bei Bewegungen mit einer Anfangsgeschwindigkeit v 0 ≠ 0. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können dahingehend vorausgesetzt werden, da jede Schülerin und jeder Schüler Erfahrungen in Form von Radfahren, Mitfahren im Auto oder Karussellfahren hat. Bei der Erarbeitung beziehungsweise Benutzung der Bewegungsgleichungen muss großer Wert darauf gelegt werden, welche Unterschiede sich ergeben, wenn ein Fahrzeug aus dem Zustand der Ruhe (v 0 = 0) im Vergleich zu einem Zustand mit Anfangsgeschwindigkeit (v 0 ≠ 0) beschleunigt wird. Didaktisch-methodische Analyse Bei der Behandlung des Themas kann man sehr gut auf die Gefahren von zu hohen Geschwindigkeiten hinweisen, sowohl beim Radfahren als auch vor allem beim Autofahren. Anhand von einfachen Berechnungen kann man leicht zeigen, was beispielsweise beim gefürchteten Sekundenschlaf von Autofahrenden passieren kann. Die unterschiedlichen Darstellungen in Form von Diagrammen und Schaubildern ermöglichen es in vielen Fällen, Berechnungen mit Bewegungsgleichungen auch als Flächenberechnung darzustellen und damit die Anwendung von Formeln zumindest teilweise verständlichen zu machen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, was man unter geradlinigen Bewegungen versteht. beschreiben und berechnen Bewegungsabläufe anhand von Schaubildern, Diagrammen und Bewegungsgleichungen. wissen um die Gefährlichkeit von hohen Geschwindigkeiten im Straßenverkehr. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.

Mit der Unterrichtseinheit zur quantenmechanischen Beschreibung des Wasserstoffatoms findet der Zyklus zur modellhaften Erklärung der Vorgänge in einem Atom seinen Abschluss. Ausgehend vom Bohrschen Atommodell mit den ersten quantenmechanischen Ansätzen zu Beginn des 20. Jahrhunderts wird das Potentialtopfmodell zum Wegbereiter für ein Wellenmodell mit stationären stehenden Wahrscheinlichkeitswellen, mit dem die Abläufe im einfachsten Atom – dem Wasserstoffatom – näherungsweise und halbwegs anschaulich beschrieben und berechnet werden können. Es wird benötigt für Schülerinnen und Schüler, die Physik als Leistungsfach und gegebenenfalls als Abiturfach gewählt haben. Alle weiteren Atome mit mehr als einem Elektron sind mit den Mitteln der Schulphysik nicht zu beschreiben. Anhand der beim Potentialtopfmodell gewonnenen Erkenntnisse wird den Schülerinnen und Schüler gezeigt, dass man das in einem Potentialtopf eingesperrte Elektron gut auf die Gegebenheiten im Wasserstoffatom übertragen kann. Hinzu kommen jetzt aber die Einflüsse des positiv geladenen Protons, das sich im Kern befindet und auf das Elektron eine anziehende Kraft (Coulombkraft) ausübt. Die nun folgende Herleitung zur Bestimmung der Größe des Kernradius für das Wasserstoffatom im Grundzustand setzt gute mathematische Kenntnisse voraus und kann somit nur im Rahmen eines Leistungskurses oder dergleichen angeboten werden. Erläuternde Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen ergänzen diese Unterrichtseinheit. Eine quantenmechanische Beschreibung des Wasserstoffatoms Mithilfe von Wahrscheinlichkeitsberechnungen sowie unter Einbeziehung des Coulombpotentials des im Kern befindlichen Protons können die möglichen Aufenthaltsorte von Elektronen für das einfachste Atom – das Wasserstoffatom – ebenso ermittelt werden wie die zugehörigen Energien. Vorkenntnisse Die aus der Erarbeitung von Potentialtopf und Wahrscheinlichkeit erworbenen Erkenntnisse finden nun ihre spezifische Anwendung für die Beschreibung des Wasserstoffatoms. Didaktische Analyse Für die Lernenden ist erneut ein hohes Maß an Abstraktionsvermögen nötig. Deshalb müssen Lehrkräfte sehr darauf achten, durch Abbildungen und Animationen den Sachverhalt anschaulich zu gestalten. Zudem muss der anspruchsvolle Stoff den Schülerinnen und Schüler vorbehalten bleiben, die Physik als Leistungsfach beziehungsweise Abiturfach gewählt haben. Methodische Analyse Schritt für Schritt werden die Gleichungen zur quantenmechanischen Beschreibung des Wasserstoffatoms hergeleitet. Mit begleitenden Übungsaufgaben einschließlich sehr ausführlicher Lösungen werden die Lernenden mit den notwendigen Berechnungen vertraut gemacht. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die komplexen Vorgänge in einem realen H-Atom. können Begriffe wie Wahrscheinlichkeitsdichte und Wellenfunktion beschreiben. lernen die auf das Elektron wirkende Gesamtenergie herzuleiten und daraus die Energieniveaus des H-Atoms zu berechnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig 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 und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Aufenthaltswahrscheinlichkeiten beim linearen Potentialtopf" werden die Schülerinnen und Schüler mithilfe des Potentialtopfmodelles an die tatsächlichen Vorgänge in einem Atom herangeführt. Dabei werden die Lernenden mit quantenmechanischen Beschreibungen konfrontiert, die ein nicht unerhebliches Abstraktionsvermögen verlangen. Allerdings können die notwendigen Gleichungen in Analogie zu bereits bekannten Herleitungen aus der Mechanik beziehungsweise Elektrodynamik abgeleitet werden. Es wird für Schülerinnen und Schüler benötigt, die Physik als Leistungsfach und gegebenenfalls als Abiturfach gewählt haben. In Anlehnung an die mechanische Wellenfunktion zur Beschreibung von Seilschwingungen oder Wasserwellen werden die Schülerinnen und Schüler zur Beschreibung der quantenmechanischen Wellenfunktion mit Begriffen wie Wahrscheinlichkeitsamplitude und Aufenthaltswahrscheinlichkeitsdichte vertraut gemacht. Den Lernenden wird an konkreten Beispielen erläutert, dass man solche als Wahrscheinlichkeitswellen bezeichnete Funktionen nicht wie Wasserwellen beobachten kann, sondern nur zur mathematischen Beschreibung eines quantenmechanischen Zustandes benutzen kann. Anhand konkreter Beispiele können dann entsprechende Wahrscheinlichkeiten berechnet werden, ein in einem Potentialtopf befindliches Elektron an einer bestimmten Stelle zu finden. Aufenthaltswahrscheinlichkeit beim linearen Potentialtopf Zum Verständnis der noch folgenden Unterrichtseinheit zur quantenmechanischen Beschreibung des Wasserstoffatoms sind Kenntnisse über quantenmechanische Grundprinzipien wie Welle-Teilchen-Dualismus und Wahrscheinlichkeitsberechnungen zu Aufenthaltsorten von Elektronen notwendig. Dies kann mithilfe des linearen und dreidimensionalen Potentialtopfes den Schülerinnen und Schülern sehr gut nahegebracht werden. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden können kaum vorausgesetzt werden. Allerdings helfen die aus der Mechanik und Elektrodynamik bekannten Beschreibungen von mechanischen und elektromagnetischen Wellen sehr bei der Einführung der abstrakten Wahrscheinlichkeitswellen. Didaktische Analyse Bei der für die Lernenden nicht ganz einfachen Herleitung von Wahrscheinlichkeitswellen ist Abstraktionsvermögen gefragt. Deshalb müssen Lehrkräfte sehr darauf achten, durch Abbildungen und Animationen den Sachverhalt möglichst anschaulich zu gestalten. Im Übrigen sollte der anspruchsvolle Stoff den Schülerinnen und Schülern vorbehalten bleiben, die Physik als Leistungsfach beziehungsweise Abiturfach gewählt haben. Methodische Analyse In einer schrittweisen Hinführung werden die Lernenden in die Berechnungen von Aufenthaltswahrscheinlichkeiten eingeführt. Ergänzende Übungsaufgaben erläutern und verfestigen das Gelernte mit dem Ziel, damit auch die realen Vorgänge in einem Wasserstoffatom verstehen zu können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die quantenmechanischen Vorgänge im atomaren Bereich mit den Methoden der klassischen Physik nicht beschrieben werden können. können Begriffe wie Wahrscheinlichkeitswelle und Aufenthaltswahrscheinlichkeit beschreiben. wissen, wie man Wahrscheinlichkeiten in der Quantenphysik herleitet und berechnet. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler überprüfen selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. lernen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin zu überprüfen und einzuordnen. 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 und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Die Unterrichtseinheit mit dem Thema "Der Potentialtopf als vereinfachtes Atommodell" macht die Schülerinnen und Schüler mit den tatsächlichen Abläufen in einem Atom bekannt. Dabei dient dieses Atom-Modell als ein Übergangsmodell – weg vom Bohrschen Bahnbegriff und hin zu einem Wellenmodell, das auf stationären stehenden Wellen beruht. Allerdings wird auch bei diesem Modell zum einfacheren Verständnis noch auf die anziehende Wirkung des Atomkernes und damit auf den Potentialbegriff verzichtet. Es wird für Schülerinnen und Schüler benötigt, die Physik als Leistungsfach und gegebenenfalls als Abiturfach gewählt haben.Mit dem Potentialtopf-Modell werden die Lernenden auf die quantenphysikalischen Gegebenheiten in einem Atom vorbereitet. Dabei müssen sich die Schülerinnen und Schüler gedanklich von den aus der klassischen Physik bekannten Abläufen verabschieden und sich mit abstrakten und nicht mehr direkt zugänglichen Vorgängen vertraut machen. Zunächst wird dabei der lineare Potentialtopf benützt, mit dem man in einer Dimension das in einem "Topf" eingesperrte Elektron beschreibt. Daran anschließend können die Erkenntnisse und sich ergebenden Gleichungen auf den dreidimensionalen Potentialtopf übertragen werden, der sich den in einer späteren Unterrichtseinheit folgenden realen Verhältnissen in einem Wasserstoff-Atom grob annähert. Der Potentialtopf als vereinfachtes Atommodell Dieses bewährte Modell bildet eine gute Möglichkeit, die Schülerinnen und Schüler auf ein quantenmechanisches Atommodell des Wasserstoffatoms vorzubereiten. Dabei wird es für die Lehrenden sehr wichtig werden, auf möglichst anschauliches und nachvollziehbares Unterrichtsmaterial zurückgreifen zu können. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können in der Weise vorausgesetzt werden, dass Schülerinnen und Schüler sowohl in der Mechanik als auch in der Elektrodynamik den Wellenbegriff bereits kennengelernt haben. Somit kann auf die entsprechenden Gleichungen – zumindest bis zu einem bestimmten Grad – zurückgegriffen werden. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas läuft man leicht Gefahr, die Lernenden gedanklich und mathematisch zu überfordern. Insbesondere dann, wenn man auch die schwer zu verstehenden Gleichungen herleiten will. Dies sollte man gegebenenfalls nur den sehr interessierten und mathematisch fortgeschrittenen Lernenden zumuten. Die Beschreibung der Vorgänge im Atom ist extrem komplex und schwierig. Selbst das einfachste Atom – das Wasserstoffatom – kann nur eingeschränkt beschrieben werden und erfordert gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse. Mit dem Potentialtopf-Modell können aber die wesentlichen Grundlagen vermittelt werden, so dass dann in einer späteren Unterrichtseinheit auch das Wasserstoffatom ausreichend gut beschrieben werden kann. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Komplexität der Beschreibung der Vorgänge im Atom. wissen, dass die Vorgänge im Atom einer direkten Beobachtung nicht zugänglich sind. können die modellartige Funktion des linearen und dreidimensionalen Potentialtopfs beschreiben und einordnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. überprüfen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin. 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, Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die Erfolge und die Mängel des Bohrschen Atommodells kennen. Das Atommodell von Niels Bohr, mit dem er im Jahr 1913 an die Öffentlichkeit ging, wird aus Sicht des heute allseits anerkannten quantenmechanischen Atommodells als Zwischenstation bei der Modellentwicklung betrachtet. Sowohl die anschaulichen Elektronenbahnen um den Kern als auch seine teilweise nicht begründeten Postulate sind zu kritisieren. Dennoch stellt das Bohrsche Atommodell mit der von Planck und Einstein übernommenen Quantisierung einen Meilenstein auf dem Weg zu den heutigen Erkenntnissen dar, den man Schülern und Schülerinnen nicht vorenthalten sollte.Atommodelle gibt es schon seit dem Altertum. Davon ausgehend werden die Schülerinnen und Schüler mit einem geeigneten Video oder in Form eines Referates in das Thema eingeführt. Die von Bohr aufgestellten Postulate sind zwar nur in Teilbereichen für das Wasserstoffatom experimentell bestätigt, sie sind aber durch entsprechende Gesetzmäßigkeiten und den daraus resultierenden Modellrechnungen aus dem Bereich der elektrischen Felder gut nachvollziehbar. Das Unterrichtsmaterial ist daher gut geeignet und auch verständlich für Schülerinnen und Schüler, die Physik nicht als Leistungs- und Abiturfach gewählt haben. Das Bohrsche Atommodell im Physik-Unterricht Das Bohrsche Atommodell mit seinen Erfolgen und Mängeln soll die Schülerinnen und Schüler in die komplizierte Beschreibung der Vorgänge in Atomen einführen. Am Beispiel des noch halbwegs "einfach" zu beschreibenden Wasserstoffatoms wird den Lernenden gezeigt, wie man sich die Vorgänge in der Atomhülle anschaulich vorstellen kann. Das Bohrsche Atommodell kann aufgrund der gut nachvollziehbaren Mathematik als Grundlage für die quantenmechanische Betrachtung des Wasserstoffatoms gesehen werden. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können insofern vorausgesetzt werden, dass im Rahmen der Elektrizitätslehre bereits die Gesetzmäßigkeiten in elektrischen Feldern einschließlich der Verläufe von Potentialen besprochen sind - und bei dieser Thematik wieder zum Tragen kommen. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas muss man darauf achten, dass die Erfolge und Mängel des Modells aufgezeigt werden. Die realistischen und experimentell in allen Bereichen bestätigten Abläufe können nur mittels der Quantenmechanik und der Einführung von Wahrscheinlichkeitswellen beschrieben und berechnet werden, was allerdings im Rahmen der für die Schule zur Verfügung stehenden mathematischen Mitteln nur eingeschränkt möglich ist. Anhand der aus der Elektrizitätslehre bekannten Abläufe in elektrischen Feldern und Potentialen können Gleichungen hergeleitet und angewendet werden, deren Ergebnisse in Teilen für das Wasserstoffatom auch experimentell bestätigt sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erhalten einen historischen Einblick in die Entwicklung der Atomvorstellung. wissen, dass das Bohrsche Atommodell nur in Teilen die Realitäten in einer Atomhülle widerspiegeln kann. können die Vorgänge in der Atomhülle des Wasserstoffatoms in grober Näherung beschreiben und berechnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. überprüfen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen ihrer Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.

In dieser Unterrichtseinheit untersuchen die Schülerinnen und Schüler, wie Radiowellen in Kommunikationssystemen verwendet werden und verstehen, wie diese im Rahmen eines CanSat Projekts eingesetzt werden können. Zuvor müssen sie allerdings die unterschiedlichen Arten und wichtigsten Eigenschaften von Radiowellen sowie deren Verortung im elektromagnetischen Spektrum begreifen.In den sechs Übungen dieser Lerneinheit erfahren die Lernenden, welche unterschiedlichen Arten von Radiowellen es gibt und welche unterschiedlichen Funktionen und Anwendungen diese haben. Die Schülerinnen und Schüler verstehen, wie Alltagsgeräte wie Smartphones, Router und Satelliten, mithilfe der Datenübertragung von Radiowellen, funktionieren. Zuvor wird in die wichtigsten Eigenschaften von Radiowellen sowie deren Verortung im elektromagnetischen Spektrum eingeführt. Um den Lernenden die Inhalte anschaulicher zu machen, wird im Rahmen eines einfach gehaltenen Projekts der praktische Ablauf dargestellt. Die Unterrichtseinheit wurde im Rahmen der Projekte ESERO Germany und "Columbus Eye - Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht" an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt. Radiowellen sind für die Funktion von vielen Alltagsgeräten notwendig. Sie sind ein Mittel, um Informationen übertragen zu können und zu verarbeiten. Diese Übungsreihe veranschaulicht den Lernenden, wie Radiowellen in Kommunikationssystemen verwendet werden. Als praktisches Beispiel dient hierfür das CanSat Projekt. Bei dem CanSat handelt es sich um einen "Satelliten" in der Größe einer Steckdose, der mehrere hundert Meter in die Luft geschossen wird und dann an einem Fallschirm zu Boden sinkt. Alle Daten, die für das wissenschaftliche Experiment notwendig sind, werden mittels Radiowellen von CanSat an die Bodenkontrollstation geschickt. Des Weiteren wird von den Schülerinnen und Schülern durch einen eigens geschriebenen Quelltext die Radiokommunikation erprobt und demonstriert. Altersgruppe: 14 bis 20 Jahre Unterrichtsfach: Naturwissenschaften (Physik, Elektronik, Technik) Schwierigkeitsgrad: Mittel Benötigte Zeit: 3 Unterrichtsstunden Die Schülerinnen und Schüler erwerben Grundlagenwissen über Wellen und das elektromagnetische Spektrum. verstehen, wie Modulation funktioniert und warum sie für die Übertragung von Informationen notwendig ist. verstehen die Zusammenhänge zwischen Frequenz, Wellenlänge und Funkwellenausbreitung. erlernen die für einen Kommunikationsprozess notwendigen Elemente zu identifizieren. sind in der Lage, zwischen unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen zu unterscheiden. programmieren ihre eigenen Radiomodule. bauen eine eigene Antenne und empfangen mit ihrer Hilfe Informationen.

In dieser Unterrichtseinheit erforschen die Schülerinnen und Schüler, wie die Luft, das Wasser, die Erde, die Temperatur und der Zugang zu Nährstoffen das Wachstum von Pflanzen beeinflussen. Die verschiedenen Faktoren werden anschließend auf das Wachstumsverhalten von Pflanzen im Weltall übertragen. In den sechs Übungen dieser Lerneinheit erforschen die Lernenden, welche verschiedenen Faktoren das Wachstum von Pflanzen beeinflussen. Die Schülerinnen und Schüler entdecken, dass Pflanzen Luft, Licht, Wasser, Nährstoffe und gleichbleibende Temperaturen benötigen, um wachsen zu können. Sie werden beobachten, was mit Pflanzen passiert, wenn einige dieser Faktoren variieren. Um die Mechanismen hinter dem Pflanzenwachstum und die biologischen Abläufe besser verstehen zu können und für die Lernenden anschaulicher zu machen, werden einfach gehaltene Versuche durchgeführt. Abschließend übertragen sie das Erlernte dann auf die Kultivierung von Pflanzen im All. Die Unterrichtseinheit wurde im Rahmen der Projekte ESERO Germany und "Columbus Eye - Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht" an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt. Pflanzen sind für die Ökosysteme unserer Erde wichtig. Sie sind eine Nahrungsquelle für Tiere und wandeln bei der Photosynthese Kohlenstoffdioxid in Sauerstoff um. Diese Übungsreihe veranschaulicht den Lernenden, was Pflanzen benötigen, um zu überleben und gesund zu sein. Die Hauptfaktoren Zugang zu Luft, Licht, Wasser, Nährstoffen, eine passende und nicht zu stark schwankende Temperatur werden in verschiedenen Experimenten selbst ermittelt. Des Weiteren werden die eigenen, gesammelten Messwerte und Erfahrungen anschließend zusammengefasst und auf die wichtigsten Voraussetzungen für ein Pflanzenwachstum auf dem Mond übertragen. Die Unterrichtseinheit kann im Klassenzimmer über einen längeren Zeitraum durchgeführt und immer wieder in den Unterricht eingebaut werden. Aufgrund der Wachstumszeit der Pflanzen bietet es sich an, in regelmäßigen Abständen auf das Projekt im Unterricht zu verweisen. Altersgruppe: 8 bis 12 Jahre Unterrichtsfach: Naturwissenschaften (Sachunterricht, Biologie, NAWI) Schwierigkeitsgrad: Mittel Benötigte Zeit: 3 bis 4 Unterrichtsstunden Benötigte Materialien: Kresse-Samen, Radieschen-Samen, Blumen mit weißen Blüten Die Schülerinnen und Schüler lernen, dass Pflanzen Wasser, Licht, Luft, Nährstoffe und passende Temperaturen benötigen, um zu wachsen. verstehen, dass die Umwelt sich verändern und gefährlich für lebendige Organismen werden kann. lernen, dass es möglich ist, Pflanzen ohne Erde anzubauen. führen einfache Tests beziehungsweise Experimente genau durch. erkennen Variablen und ändern diese bei Bedarf. interpretieren Beobachtungen und leiten Ergebnisse aus ihnen ab. lösen Probleme alleine oder in der Gruppe.