Astronomie: Willkommen im Fachportal

Die Unterrichtseinheit will den Blick auf die Möglichkeit richten, den Wind als kostengünstigen und umweltfreundlichen Energiespender zu nutzen. Auf kindgerechten Webseiten mit Arbeitsaufträgen und interaktiven Übungen wird das Wissen für Kinder verständlich vermittelt. Den Wind beziehungsweise bewegte Luft als Energiespender zu nutzen, ist den Kindern nicht unbekannt, wenngleich sie sich diese Tatsache nicht immer bewusst machen: Schon als Kleinkinder laufen sie gerne mit Windrädchen herum oder sie beobachten mit leuchtenden Augen, wie sich die Weihnachtspyramide dreht. Die Niederlande und Windmühlen gehören zusammen, auch das weiß jedes Kind. Neuer ist die moderne und umfangreiche Möglichkeit, den Wind als kostengünstigen und umweltfreundlichen Energiespender zu nutzen. Die Unterrichtseinheit will eben darauf die Aufmerksamkeit lenken und das Bewusstsein schärfen für das immense Potenzial der Windenergie. Die interaktive Lerneinheit dient als Plattform für die Internetrecherche, von der aus gezielt kindgemäße Webseiten zur Lösung der Arbeitsaufträge angeklickt werden können. Verschiedene interaktive Übungen und herkömmliche Arbeitsblätter runden die Arbeit ab. Jedes Kind hat schon einmal, bewusst oder unbewusst, die Kraft des Windes genutzt oder seine Auswirkungen gespürt: Drachensteigen im Herbst, die Weihnachtspyramide zum Christfest, das Windrädchen in den Händen lachender Kleinkinder. Der Wind bläst einem ins Gesicht, wenn man sich mit einem Karussell dreht oder mit dem Fahrrad fährt. Die Nutzung von Windenergie gehört also eigentlich zu ihrem Alltag. Die vorliegende Unterrichtseinheit will in einem multimedialen Ansatz den Blick auf diese Dinge richten, und außerdem zeigen, wie Windenergie erzeugt wird und wie die Kraft des Windes genutzt werden kann. Neben der Recherche im Internet arbeiten die Kinder mit herkömmlichen Medien wie Arbeitsblätter, Wörterbuch und Lexikon. Vorbereitung und Inhalte der Lernumgebung Diese Seite bietet einige Hintergrundinformationen zum Thema Windenergie und führt in die Nutzung der interaktiven Lernumgebung ein. Arbeitsmaterial zur interaktiven Lernumgebung Auf dieser Seite finden Sie Informationen zu den einzelnen Arbeitsblättern und Hinweise, wie sie im Unterricht eingesetzt werden können. Links zum Thema Internetadressen mit Informationen und weiterführenden Materialien zum Thema "Windenergie" und zu den Inhalten dieser Unterrichtseinheit. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen in den Fächern Sachunterricht, Deutsch, Englisch und Kunst Lernziele erreichen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen gezielte Recherchen im Internet durchführen und das World Wide Web als Informationsquelle nutzen. eine interaktive Lerneinheit am PC bearbeiten und dabei Erfahrungen mit dem Prinzip der Verlinkung machen. interaktive Übungen durchführen (Hot Potatoes-Zuordnung, Kreuzworträtsel). ein interaktives Puzzle durchführen und Erfahrungen mit Drag & Drop machen. eine Videodatei anschauen und Audiodateien anhören. Sozialkompetenzen Die Schülerinnen und Schüler sollen Absprachen zur Benutzung der PC-Arbeitsplätze treffen. sich als Partner über die Reihenfolge der Aufgaben einigen. sich gegenseitig helfen. Thema Windenergie Autorin Margret Datz, Agentur für erneuerbare Energien Fächer Sachunterricht, Deutsch, Englisch, Kunst Zielgruppe Klasse 3-4 Zeitraum Circa eine Woche Technische Voraussetzungen Computerraum / Medienecke mit Internetanschluss, Soundkarte, RealPlayer oder Windows Media Player, Kopfhörer Erforderliche Vorkenntnisse Genereller Umgang mit dem PC, Erfahrungen im Bereich der offenen Unterrichtsformen Planung Verlaufsplan "Windenergie" Die Schülerinnen und Schüler sollen einen Überblick über erneuerbare Energien erhalten. erfahren, was Wind ist und wie er entsteht. erfahren, dass Wind Kraft hat. überlegen, wie man diese Kraft nutzen kann. die Teile einer Windanlage erkennen. erfahren, wie eine Windanlage funktioniert. überlegen, welche Vorteile und Nachteile die Nutzung von Windenergie hat. erfahren, was ein Offshore-Windpark ist. Experimente zum Wind durchführen und beschreiben. Die Schülerinnen und Schüler sollen Lückentexte ergänzen. Rätselschriften entziffern. eine Tabelle vervollständigen. Abbildungen beschriften. Abbildungen vervollständigen. Worträtsel lösen. Redensarten vom Wind und ihre Bedeutung kennen lernen. ein Gedicht vom Wind lesen und abschreiben. biografische Daten von Heinrich Heine kennen lernen. zusammengesetzte Nomen mit "Wind" bilden. Lernwörter für ein Diktat üben. Verben zum Wind in Sätzen benutzen. Die Schülerinnen und Schüler sollen einen englischen Kinderreim kennen lernen. englische Wörter zu dem Reim kennen lernen und die Aussprache am Computer üben. Die Schülerinnen und Schüler sollen ein Windrad basteln. Ursachen für den Wind Wind ist nichts anderes als bewegte Luft. Hauptursachen für den Wind ist der unterschiedliche Luftdruck zwischen Luftmassen. Dabei fließt Luft aus dem Hochdruckgebiet so lange in das Tiefdruckgebiet, bis der Luftdruck wieder ausgeglichen ist. Je größer dabei der Unterschied zwischen den Luftdrücken ist, desto heftiger fließt die Luftmasse in das Tiefdruckgebiet nach und desto höher sind die messbaren Windstärken. Entstehung der Luftdruckunterschiede Die Sonne erwärmt die Erde und die Luft. Warme Luft hat eine geringere Dichte, ist also leichter und steigt auf. Aufgrund des entstehenden Unterdrucks strömt kalte Luft von der Seite nach: Die Luft bewegt sich und es ist Wind entstanden. Einteilung in Windstärken Wind wird gemessen in Windstärken von 0 bis 12. Bei Windstärken zwischen zwei und fünf spricht man von Böen. Bei Windstärke 6 spricht man von starkem, bei Windstärke 7 von steifem und Windstärke 8 von stürmischem Wind. Ab Windstärke 9 bezeichnet man den Wind als Sturm und bei Windstärke 12 als Orkan. Kraft des Windes Dass Wind ungeheure Kraft haben kann, wird spätestens nach einem Unwetter klar. Aber auch bei mäßigem Wind kann man seine Wirkung sehen: Er bewegt Blätter, Äste und Zweige oder dreht Wetterhähne auf Kirchtürmen. Diese Kraft des Windes wurde schon vor Jahrhunderten in Form von Windmühlen und Windräder nutzbar gemacht. Windenergie als Stromerzeuger Mittlerweile setzt man auch bei der Stromerzeugung auf Windenergie. Windkraftanlagen können in allen Klimazonen eingesetzt werden. Zudem ist er kostenlos, nicht schädlich und somit umwelt- und klimafreundlich. Da er weltweit zur Verfügung steht, gibt es keine Abhängigkeiten der Nationen untereinander. Sein großer Nachteil ist, dass er nicht jederzeit und in gleicher Stärke zur Verfügung steht und man ihn nicht speichern kann. Deshalb braucht man bei seinem Einsatz andere Energieformen, die gut speicherbar sind, als Partner. Wasser, das in Stauseen aufgefangen werden kann oder Biogas aus nachwachsenden Pflanzen sind die ideale Ergänzung und können zu so genannten Kombikraftwerken zusammengelegt werden. Umwandlung der Energien Eine Windkraftanlage wandelt die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um und führt sie dem Stromnetz zu. Die Windströmung trifft auf die Rotorblätter und versetzt den Rotor in eine Drehbewegung. Diese Rotationsenergie wird an einen Generator weitergeleitet, der sie in Strom verwandelt. Dieser wird durch den Turm in den Transformator geleitet und gelangt von dort aus in das öffentliche Stromnetz. Windparks Ein Windpark ist eine Ansammlung von Windkraftanlagen in besonders windreichen Regionen auf dem flachen Land oder an sanften Hügeln. In Deutschland wurde am 27. April 2010 der erste deutsche Offshore-Windpark 45 Kilometer nördlich der Insel Borkum in der Nordsee eröffnet. Die zwölf Windenergieanlagen stehen in 30 Meter tiefem Wasser und sind bis zu 180 Meter hoch. Strom aus einer solchen Anlage leistet einen wichtigen Beitrag zur deutschen Energie- und Klimapolitik, denn die hohen Windgeschwindigkeiten auf dem Meer versprechen einen hohen Energiegewinn und damit nicht nur eine Entlastung der Umwelt, sondern auch einen wirtschaftlichen Betrieb. Inhalte Die interaktive Lernumgebung besteht neben der Eingangsseite aus sechs weiteren Hauptseiten (Eine windige Sache/Windige Sprache/Windy Things/Windige Experimente/Impressum), einer Unterseite, fünf intern verlinkten interaktiven Übungen (Hot Potatoes-Übungen/Puzzle, Memo), einer Audio-Datei, zwei intern verlinkten Dateien der Agentur für Erneuerbare Energien und 41 externen Links. Die Arbeitsanweisungen auf den meisten (bis auf Nummer 13 und 14) Arbeitsblättern beziehen sich jeweils auf direkt aufrufbare Internetseiten, was natürlich einen Internetzugang voraussetzt, oder auf interne Links. Diese Arbeitsblätter sind besonders gekennzeichnet (durch einen Computer), auch auf dem Deckblatt. Die internen Links dagegen können auch offline bearbeitet werden. Zeitlicher Ablauf Organisation des Unterrichts und Zeitraum der Arbeit hängen von der Anzahl der jeweils vorhandenen PC-Arbeitsplätze ab und davon, ob sie in einem Netzwerk gemeinsamen Zugang zum Internet haben. Als sinnvoll hat sich auf jeden Fall Partnerarbeit erwiesen, da sich zum einen so die Zahl der auf einen Computer wartenden Kinder halbiert und zum anderen die Partner sich gegenseitig unterstützen können. Im Bedarfsfall können als zusätzliches Angebot weitere Arbeitsblätter zur Verfügung gestellt werden, die die in der Lerneinheit angesprochenen Themen vertiefen: zum Beispiel Sachbücher zum Thema anschauen, weitere Aufgaben zu zusammengesetzten Nomen, weitere Verben zum Thema Wind aus Wörterbüchern suchen, Schleichdiktat der Lernwörter schreiben. Die Unterrichtseinheit ist fächerübergreifend angelegt, als Fachlehrer haben Sie aber auch die Möglichkeit, nur die Sachthemen zu behandeln und die Fächer Deutsch, Englisch und Kunst auszuklammern, wenn der fächerübergreifende Ansatz aus stundenplantechnischen Gründen nicht oder nur sehr schwer durchführbar ist. Organisation des Ablaufs Wichtig ist außerdem die Organisation des Unterrichtsablaufs. Absprachen bezüglich der Computer-Nutzung müssen getroffen werden, da nicht alle gleichzeitig am Rechner sitzen können. Dabei sollten Vorschläge der Kinder aufgegriffen werden, weil sie erfahrungsgemäß die Einhaltung eigener Vorschläge auch selbst überprüfen. Außerdem ist festzulegen, ob die Arbeit als Partner- oder Gruppenarbeit erfolgen soll. Anschließend muss eine entsprechende Einteilung vorgenommen werden (freie Wahl, Zufallsprinzip durch Ziehen von Kärtchen oder vom Lehrer bestimmt). Es hat sich zudem bewährt, "Computer -Experten" zu wählen, die bei Schwierigkeiten mit dem Medium als erste Ansprechpartner fungieren sollen. So können die Kinder viele Fragen unter sich klären und selbstständig arbeiten. Die Kinder sollten an offene Unterrichtsformen gewöhnt sein. Kenntnisse im Umgang mit dem Internet sind nicht unbedingt nötig, da die Links direkt über die Lerneinheit angesteuert werden und keine Internetadressen eingegeben werden müssen. Jedes Kind heftet seine fertigen Arbeitsblätter und gelösten Aufgaben in einem Hefter ab, der nach Abschluss des Projekts eingesammelt und von der Lehrkraft überprüft werden kann. Für den Einstieg in das Thema können Sie diese Abbildung (zum Vergrößern anklicken, Download siehe wikipedia.org ) möglichst großformatig ausdrucken oder per Beamer an die Wand projizieren und die Schülerinnen und Schüler fragen, was da wohl abgebildet ist. Hier befindet sich eine kurze Einführung in die Arbeit mit der Lernumgebung. Die Kinder können auch zwischendurch davon Gebrauch machen, um sich Dinge ins Gedächtnis zu rufen. Lösung der Rätselschrift auf dem Arbeitsblatt: außerdem, denn, ihr, überall. (Zur Erleichterung dürfen die Kinder einen Spiegel benutzen.) Diktattext: Windenergie Die Vorräte an Öl, Gas und Kohle schrumpfen und werden eines Tages ganz erschöpft sein. Deshalb sollten wir vermehrt andere Energiearten nutzen. Wind ist dabei eine umweltfreundliche Möglichkeit, weil keine Abgase entstehen, die die Luft verschmutzen. Außerdem sind Windkraftwerke ungefährlich, denn bei ihrem Betrieb können keine größeren Unfälle passieren und sie erzeugen keinen schädlichen Müll. Die Nutzung von Windstrom verringert den Verbrauch an Öl, Gas oder Kohle, die meist teuer in anderen Ländern eingekauft und transportiert werden müssen. Wir werden also unabhängiger und sparen Kosten, weil es den Wind überall und umsonst gibt und wir unsern Strom selbst erzeugen. (100 Wörter) Windiger Spaß Beim interaktiven Rätsel können die Kinder ihr Wissen über Wind und erneuerbare Energien testen. Falls Sie keinen Drucker an die Computer angeschlossen haben, sollten Sie die Bastelanleitung und die Vorlage für das Windrad vorab ausdrucken. Ein Spiel (Zündholzschachtel pusten), ein interaktives Puzzle, ein interaktives Memo und ein Ausmalbild runden das Projekt ab.

Die Unterrichtseinheit stellt eine computergestützte Bestimmung der Erdbeschleunigung vor, für die ausschließlich Gegenstände aus dem Alltag benötigt werden: Zum Einsatz kommen neben einem Smartphone ein Mikrofon beziehungsweise ein Headset, ein weiches Kissen, ein Computer mit Soundkarte sowie kostenfreie Tonanalysesoftware.Bewegt sich eine Schallquelle relativ zu einem Beobachter, so nimmt dieser eine Frequenzverschiebung wahr. Der nach dem österreichischen Forscher Christian Andreas Doppler (1803-1853) benannte Effekt kann unter Verwendung von Alltagsgegenständen dazu genutzt werden, um die Erdbeschleunigung g mit guter Genauigkeit zu bestimmen. Hierzu lässt man ein Handy, welches einen Ton konstanter Frequenz emittiert, frei fallen und registriert den Frequenzverlauf mithilfe eines Mikrofons. Die beobachtbare Frequenzverschiebung nimmt mit der Fallgeschwindigkeit des Handys zu. Dieser Effekt lässt sich mit Freeware-Programmen auswerten und ermöglicht unter Berücksichtigung des Geschwindigkeit-Zeit-Gesetzes für gleichförmig beschleunigte Bewegungen die Berechnung der Erdbeschleunigung. Ein Stück Lebenswelt im Physikunterricht - das Smartphone Die Physik wird vonseiten der Schülerinnen und Schüler oftmals als eine Wissenschaft angesehen, die ausschließlich im Physiksaal wirkt und mit dem täglichen Leben nichts zu tun hat. Ursache hierfür ist eine zu geringe Anbindung der Lerninhalte an der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler. Für sie ist der traditionelle Unterricht geprägt von Handlungen, die im Alltag keine Rolle spielen sowie von Begriffen und Experimentiergeräten, die im täglichen Leben nicht benötigt werden. Um der beschriebenen Situation ein Stück weit entgegenzuwirken, wird durch das hier vorgeschlagene Experiment versucht, ein bei den Lernenden im Allgemeinen sehr beliebtes Medium sinnvoll in den Physikunterricht zu integrieren. Verknüpfung von Lerninhalten Dadurch, dass die Bestimmung der Erdbeschleunigung wie auch die Untersuchung des Dopplereffekts (optisch wie akustisch) völlig zu Recht schon seit langer Zeit den ihnen gebührenden Platz im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe gefunden haben, ermöglicht der hier beschriebene Versuch darüber hinaus eine vertikale Verknüpfung von Lerninhalten im Sinne eines spiralartig aufgebauten Curriculums: Der freie Fall und somit die Erdbeschleunigung werden in der Regel zu Beginn des Oberstufenunterrichts im Zuge der Kinematik behandelt, der Dopplereffekt dagegen erst am Ende des Mechanikunterrichts bei der Erarbeitung des Themas " Schwingungen und Wellen ". Aufbau und theoretischer Hintergrund des Experiments Der Versuchsaufbau und die mathematischen Zusammenhänge werden dargestellt. Ein Messbeispiel wird vorgestellt und die Nutzung der Software beschrieben. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen wissen, dass die bei einer Relativbewegung von einer tonaussendenden Quelle und einem Empfänger wahrnehmbare Frequenzverschiebung von der Ausgangsfrequenz f0 und der Relativgeschwindigkeit v abhängt. wissen, dass zwischen der Dopplerverschiebung ?f und der Ausgangsfrequenz f0 beziehungsweise der Relativgeschwindigkeit v ein proportionaler Zusammenhang besteht. Kenntnis darüber haben, dass die Dopplerverschiebung ?f - unabhängig davon, ob sich der Sender oder der Empfänger bewegt - näherungsweise mit der Gleichung ?f = f0 v/c beschrieben werden kann. ein Experiment zur Bestimmung der Erdbeschleunigung beschreiben und durchführen können. das Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz für gleichförmig beschleunigte Bewegungen ohne Anfangsgeschwindigkeit wiedergeben können. den Literaturwert der Erdbeschleunigung (g ? 9,81 ms-2) kennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen unter Nutzung einer geeigneten Tongeneratorsoftware Töne konstanter Frequenz erzeugen und als WAV-Datei speichern können. WAV-Dateien mittels Bluetooth oder USB-Kabel von einem Computer auf ein Smartphone übertragen können. mit der Tonanalysesoftware SPEAR erzeugte Spektrogramme (dynamische Spektren) interpretieren können. einen speziellen Frequenzverlauf mithilfe der Software SPEAR selektieren und als TXT-File exportieren können. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen in Kleingruppen zielgerichtet arbeiten können. Thema Bestimmung der Erdbeschleunigung mit dem Mobiltelefon Autoren Dr. Patrik Vogt , Dr. habil. Jochen Kuhn, Sebastian Müller Fach Physik Zielgruppe Qualifikationsphase Zeitraum 1 Stunde Technische Voraussetzungen Computer/Laptop mit Soundkarte, Handy mit MP3-Funktion, Software zur Tongenerierung (zum Beispiel Audacity , kostenfreier Download) und zur Tonanalyse (zum Beispiel SPEAR , kostenfreier Download) Dengler, R. (2003) Mobile Kommunikation - Experimente rund um eine weit verbreitete Hochfrequenztechnik. In: V. Nordmeier (2003), Didaktik der Physik. Beiträge zur Frühjahrstagung der DPG - Augsburg 2003. Berlin: Lehmanns. Falcão, A. E. G. Jr.; Gomes, R. A.; Pereira, J. M.; Coelho, L. F. S.; Santos, A. C. F. (2009) Cellular Phones Helping To Get a Clearer Picture of Kinematics. The Physics Teacher, 47, Seite 167-168 Hammond, E. C.; Assefa, M. (2007) Cell Phones in the Classroom. The Physics Teacher, 45, Seite 312 Müller, S., Vogt, P. & Kuhn, J. (zur Veröffentlichung eingereicht) Das Handy im Physikunterricht: Anwendungsmöglichkeiten eines bisher wenig beachteten Mediums. In: PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung, Hannover 2010 Villa, C. (2009) Bell-Jar Demonstration Using Cell Phones. The Physics Teacher, 47, Seite 59 PD Dr. habil. Jochen Kuhn ist als akademischer Oberrat in der Lehreinheit Physik der Universität Koblenz-Landau/Campus Landau tätig und habilitierte im Fachgebiet Didaktik der Physik. Seine Arbeitsgebiete in der Physikdidaktik sind die Entwicklung einer neuen Aufgabenkultur und fächerübergreifender Unterrichtskonzeptionen zum Physikunterricht sowie die theoriegeleitete empirische Lehr-Lern-Forschung in Schule und Hochschule. In jüngster Zeit beschäftigt er sich darüber hinaus mit der theoriegeleiteten Entwicklung neuer Schulversuche für die Sekundarstufe I und II. Sebastian Müller studiert die Fächer Physik und Mathematik für das Lehramt an Realschulen. Im Rahmen seiner Staatsexamensarbeit hat er sich mit Einsatzmöglichkeiten des Mobiltelefons im Physikunterricht beschäftigt und dabei insbesondere eine Reihe von Handyexperimenten entwickelt. Handy, Kissen, Computer und Freeware Emittiert ein frei fallendes Mobiltelefon einen Ton konstanter Frequenz f 0 , so lässt sich über die auftretende und mit der Fallgeschwindigkeit zunehmende Dopplerverschiebung die Erdbeschleunigung g recht genau bestimmen. Der Ton lässt sich mit einer geeigneten Software generieren - zum Beispiel mit Audacity oder Test-Tone-Generator (siehe "Internetadressen") - und via Bluetooth oder USB-Kabel auf das Handy übertragen. Das Mikrofon kann durch ein Headset oder ein weiteres Handy mit Diktierfunktion ersetzt werden. Zu beachten ist, dass das Mikrofon unmittelbar neben dem Auftreffpunkt des Handys positioniert sein muss und der freie Fall - um eine Schädigung des Geräts zu vermeiden - durch ein weiches Kissen abgefangen wird. Mathematischer Hintergrund Für die auftretende und mit dem Computer zu messende Dopplerverschiebung ? f gilt in guter Näherung ( v Fallgeschwindigkeit des Handys, c Schallgeschwindigkeit in Luft) und mit v = g ? t (? t Fallzeit). Ist die ausgesandte Frequenz konstant, so ist nach Gleichung (2) ? f näherungsweise proportional zu ? t und der Quotient kann als Steigung m einer Geraden angesehen werden. Nach Aufnahme der Messwerte und Bestimmung der Geradengleichung mittels linearer Regression kann die ermittelte Steigung zur Berechnung der Erdbeschleunigung herangezogen werden. Es gilt: Lineare Regression Im Einklang mit der Theorie ist die Frequenzänderung ? f offenkundig proportional zur Fallzeit ? t . Anwenden der linearen Regression führt auf die Geradengleichung mit einem adjustierten Bestimmtheitsmaß von 0,98 und einem Steigungsfehler von ±2 s -2 . Einsetzen der Zahlenwerte in die Berechnungsgleichung (4) ergibt mit einer Schallgeschwindigkeit in Luft von 344 Metern pro Sekunde (bei 20 Grad Celsius) die Fallbeschleunigung zu Es zeigt sich, dass mit dem beschriebenen Vorgehen die Erdbeschleunigung mit einer für den Schulunterricht ausreichenden Genauigkeit bestimmt werden kann. Der Literaturwert von 9,81 ms -2 liegt im Fehlerbereich der Messung. Auswertung ohne lineare Regression Die Durchführung einer linearen Regression bietet sich zur Auswertung des Datensatzes zwar an, allerdings wird dieses Verfahren nicht in allen Grund- und Leistungskursen eingeführt. Aufgrund der Proportionalität von Frequenzänderung und Zeit besteht jedoch die Möglichkeit, die Geradensteigung ganz elementar unter Nutzung zweier Messpunkte zu bestimmen, welche zur Verringerung des Fehlers natürlich eine möglichst große Zeitdifferenz zueinander aufweisen sollten. Im dargestellten Messbeispiel ergibt sich mit ? f 1 = 1,2 Hertz, ? f 2 = 57,9 Hertz, ? t 1 = 0,0125 Sekunden und ? t 2 = 0,5125 Sekunden die Steigung m zu woraus sich mit der zu ? f 1 gehörenden Ausgangsfrequenz von 4.014,6 Hertz die Erdbeschleunigung zu 9,7 ms -2 errechnet. Da die Dopplerverschiebung mit der Ausgangsfrequenz zunimmt (? f ~ f 0 ), sind zur Verringerung der Anforderungen an die Auswertesoftware sowie des relativen Fehlers möglichst hohe Frequenzen zu verwenden. Die Sendefrequenz wird jedoch vom Frequenzgang des Handylautsprechers und des verwendeten Mikrofons nach oben begrenzt, weshalb man sich - sofern keine Datenblätter vorliegen - experimentell an die für die Versuchsanordnung ideale Ausgangsfrequenz herantasten muss. Weitere ansprechende und für den Schulunterricht aufbereitete Handyexperimente werden von Müller, Vogt und Kuhn wie auch im Rahmen einer Serie unregelmäßig erscheinender Beiträge der amerikanischen Physikdidaktikzeitschrift "The Physics Teacher" beschrieben (siehe "Literatur"). PD Dr. habil. Jochen Kuhn ist als akademischer Oberrat in der Lehreinheit Physik der Universität Koblenz-Landau/Campus Landau tätig und habilitierte im Fachgebiet Didaktik der Physik. Seine Arbeitsgebiete in der Physikdidaktik sind die Entwicklung einer neuen Aufgabenkultur und fächerübergreifender Unterrichtskonzeptionen zum Physikunterricht sowie die theoriegeleitete empirische Lehr-Lern-Forschung in Schule und Hochschule. In jüngster Zeit beschäftigt er sich darüber hinaus mit der theoriegeleiteten Entwicklung neuer Schulversuche für die Sekundarstufe I und II. Sebastian Müller studiert die Fächer Physik und Mathematik für das Lehramt an Realschulen. Im Rahmen seiner Staatsexamensarbeit hat er sich mit Einsatzmöglichkeiten des Mobiltelefons im Physikunterricht beschäftigt und dabei insbesondere eine Reihe von Handyexperimenten entwickelt.

Schülerinnen und Schüler lernen den Unterschied zwischen der in der Sonne ablaufenden und der technisch kontrollierten Kernfusion sowie die damit verbundenen verschiedenen Reaktortypen kennen. Vorgänge auf der Teilchenebene werden anhand einer Flash-Animation des Max-Planck Instituts für Plasmaphysik visualisiert. Auf der Grundlage der im Physikunterricht erworbenen Kenntnisse über Atomkerne sollen sich die Schülerinnen und Schüler ein Bild von der Kernfusion machen. Sie lernen die Chancen und Risiken dieser Technologie kennen und erfahren, welche Hindernisse Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler überwinden müssen, damit die verlockende Vision der Kernfusion Realität und zum "global player" im Energie-Mix der Zukunft wird. Das Thema knüpft unmittelbar an die Alltagswelt der Schülerinnen und Schüler an (Ölpreissteigerungen, Störfälle in Atomkraftwerken). Die Unterrichtseinheit bietet einen ersten Einblick in eine vielversprechende und innovative Methode der Energieerzeugung und verdeutlicht die Bedeutung und Notwendigkeit der Grundlagenforschung. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen ITER - der Weg zu neuer, sauberer Energie ergänzt. Er informiert über die experimentelle Fusionsforschungsanlage der großen Industrienationen. Bis zum Jahr 2020 soll ITER im südfranzösischen Cadarache seinen Dienst aufnehmen. Die Materialien der Unterrichtseinheit sind ein Angebot der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. Auf der Webseite max-wissen.de finden Sie weitere Materialien für den Unterricht und Hintergrundinformationen zu aktuellen Forschungsthemen aus Physik, Chemie, Biologie und Erdkunde. An allen max-wissen-Beiträgen sind Fachwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt: Aktualität und fachliche Richtigkeit sind somit gewährleistet. Ein weiteres Angebot der Gesellschaft ist das Fragen-Portal : Lernende und Lehrpersonen können hier Fragen an Forscherinnen und Forscher stellen. Unterrichtsverlauf und Materialien Fachliche Voraussetzungen, Einbettung des Themas in den Unterricht und der Verlauf der Doppelstunde werden hier skizziert. ITER - der Weg zu neuer, sauberer Energie Für die Fortführung des Themas im Unterricht finden Sie hier weitere Informationen, Grafiken und Links zur internationalen Fusionsforschungsanlage. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Vorgänge bei der Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium sowie das Ergebnis beschreiben können. das Funktionsprinzip des Magnetfeldkäfigs zum Einschließen des heißen Plasmas am Beispiel der beiden grundlegenden Reaktortypen Stellarator und Tokamak kennenlernen und erklären können. die Gefahren bei der Nutzung der Kernfusion erarbeiten und im Vergleich mit anderen Formen der Energieerzeugung bewerten. die Kernfusion als potenzielle, nahezu unerschöpfliche Energiequelle der Zukunft erkennen. Thema Wann "zündet" die Idee der Kernfusionstechnologie? Autorinnen und Autor Roland Wengenmayr, Dieter Lohmann, Sabina Griffith Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II, nach didaktischer Reduktion auch Klasse 9 und 10 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetanschluss in ausreichender Anzahl (Arbeit in Kleingruppen), Adobe Animation Planung Tabellarischer Verlaufsplan Fachliche Voraussetzungen Bevor die Unterrichtseinheit durchgeführt werden kann, müssen die Schülerinnen und Schüler bereits grundlegende Kenntnisse über den Aufbau von Atomkernen erworben und die Sonne als Ort für natürlich ablaufende Kernfusionsreaktionen kennengelernt haben. Auch die dort dominierende "Proton-Proton-Reaktion 1" sollte bereits bekannt sein. Für einen schnellen Wissenszugewinn wäre es zudem hilfreich, wenn die Lernenden Vorwissen über andere Formen der Energiegewinnung - erneuerbare Energien, Kernkraft oder fossile Brennstoffe - besitzen. Einsatz (nicht nur) in der Oberstufe Die Unterrichtseinheit ist in erster Linie für den Physik- und Technikunterricht der Sekundarstufe II an Gymnasien und Gesamtschulen konzipiert. Nach einer Anpassung der Arbeitsblätter (Erklärung von Fachbegriffen, geringerer Schwierigkeitsgrad der Arbeitsaufträge) ist auch eine Nutzung in den Jahrgangsstufen 9 und 10 an Gymnasien, Realschulen oder Gesamtschulen möglich. Anbindung an Lehrpläne In (fast) allen Bundesländern bieten die Lehrpläne und Richtlinien Einsatzmöglichkeiten für die hier vorgestellte Unterrichtseinheit. Ausführliche Informationen dazu und Vorschläge für einen fächerübergreifenden Unterricht zum Thema Kernfusion finden Sie auf der Webseite max-wissen.de (siehe "Links zum Thema"). Natürliche und technisch kontrollierte Kernfusion Um das bereits erworbene Grundlagenwissen aufzufrischen und zu festigen, beginnt die Doppelstunde mit einer Sicherungsphase, in der die Schülerinnen und Schüler das Prinzip der Kernfusion in der Sonne ausführlich beschreiben und erklären. Danach zeigt die Lehrperson das Bild eines geplanten Fusionsreaktors. Die Schülerinnen und Schüler sollen möglichst selbstständig einen Zusammenhang zwischen den Motiven herstellen und die "künstliche", also technisch kontrollierte, Kernfusion als Thema der Doppelstunde benennen. Unterrichtsimpulse per Beamer oder Tageslichtprojektor Schon hier wird von den Lernenden erwartet, einfache Hypothesen zur Funktionsweise von "künstlichen" Reaktoren auf der Basis ihres Vorwissens aufzustellen. Diese Vorschläge sollen dann in der Diskussion mit anderen Lernenden gegebenenfalls präzisiert, korrigiert oder widerrufen werden. Je nach Leistungsstand des Kurses kann die Lehrerin oder der Lehrer in dieser Phase zusätzliche Unterrichtsimpulse (Folien mit Grafiken oder Bildern, Texte) bereithalten, damit ein schneller und motivierender Lernforschritt gelingt. Um die Erarbeitungsphase effektiv zu gestalten und Schülerinnen und Schüler zu motivieren, werden alt bewährte Medien (Arbeitsblätter mit Texten und Abbildungen) mit digitalen Medien kombiniert. Eine Flash-Animation vom Max-Planck Institut für Plasmaphysik verbildlicht abstrakte Inhalte wie die Deuterium-Tritium-Kernfusionsreaktion und liefert zusätzliche Informationen. Schülerinnen und Schüler können dabei auch die Zündungsbedingungen für die Fusionsreaktion experimentell erkunden. Zeiteinteilung Der Zeitbedarf der Unterrichtseinheit beträgt 90 Minuten. Bietet der Stundenplan nur kürzere Einheiten, kann der Unterricht nach der ersten Erarbeitungsphase, dem Zusammentragen der Resultate, der Ergebnissicherung sowie der zweiten Problemfindungsphase beendet werden (siehe Verlaufsplan). Das Arbeitsblatt 2 und die dazugehörigen Begleitinformationen ("Ein Käfig für das heiße Plasma") können dann im Rahmen der Hausaufgabe zum Einsatz kommen. Thema der folgenden Unterrichtsstunde wäre dann "Kernfusion und Radioaktivität" (Arbeitsblatt 3). Die Fusionsforschungsanlage ITER Nach der Doppelstunde kann das vollständige Schema eines zukünftigen Fusionskraftwerks erarbeitet werden (siehe MAX-Heft "Die Sonne im Tank"). Eine ausführliche Auseinandersetzung mit der in Planung befindlichen internationalen Fusionsforschungsanlage ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) kann das Wissen der Schülerinnen und Schüler weiter ausbauen. Bis zum Jahr 2020 soll ITER im südfranzösischen Cadarache seinen Dienst aufnehmen. Wenn alles klappt, könnten in der Mitte des 21. Jahrhunderts erste kommerzielle Fusionsanlagen mit der Produktion von Strom und Wärme beginnen. Besuch eines außerschulischen Lernorts Wenn möglich, sollte die Unterrichtsreihe durch den Besuch einer Forschungseinrichtung abgerundet werden. Als Exkursionsorte kommen folgende Ziele in Frage: Garching: ASDEX Upgrade Der Tokamak ging 1991 in Betrieb. Die Anlage untersucht Kernfragen der Fusionsforschung unter kraftwerksähnlichen Bedingungen. Greifswald: Wendelstein 7-X Der Stellarator, der gegenwärtig im IPP-Teilinstitut entsteht, wird ein optimiertes Magnetfeld testen, das die Probleme früherer Stellarator-Konzepte überwinden soll. Karlsruhe:Tritiumlabor, Institut für Technische Physik (ITEP) Der Arbeitsschwerpunkt des Labors liegt auf der Fusionsforschung für ITER und dem Karlsruher Tritium Neutrino Experiment (KATRIN). Energieversorgung der Zukunft Der globale Energieverbrauch wird sich bis zum Ende dieses Jahrhunderts verdreifachen, schätzen die Experten. Gleichzeitig schwinden unsere Vorräte an fossilen Brennstoffen und die ökologischen Folgen ihrer Nutzung belasten die Umwelt gravierend. Damit drängen sich zwei Fragen auf: Wie werden wir in Zukunft die Energieversorgung der Menschen gewährleisten? Und wie können wir dies tun, ohne dabei klimaschädliche Treibhausgase freizusetzen? Nationales Handeln ist unzureichend "Angsichts der Dimension dieser Herausforderung ist nationales Handeln allein völlig unzureichend", sagte der Generalsekretär der Vereinten Nationen, Ban Ki-Moon, im September 2007 in seiner Rede zur Klimapolitik. "Keine Nation kann diese Aufgabe alleine meistern. Keine Region kann sich von den Folgen des Klimawandels abkapseln." Mit der Unterzeichnung des ITER-Vertrages haben sich die großen Industrienationen, darunter China, Europa, Indien, Japan, Korea, Russland und die USA, zusammengeschlossen, um gemeinsam nach einer Lösung zu suchen. ITER (lateinisch "der Weg") soll demonstrieren, dass sich durch Kernfusion Energie in großem Maßstab erzeugen lässt. Russische Pionierarbeit ITER basiert auf dem Tokamak-Prinzip, das im Jahr 1952 von den sowjetischen Physikern Andrei Sacharow (1921-1989) und Igor Jewgenjewitsch Tamm (1895-1971) am Kurtschatow-Institut in Moskau entwickelt wurde. In einem Tokamak-Reaktor schließen zwei sich überlagernde Magnetfelder das Plasma ein: erstens ein toroidales Feld, das durch äußere Spulen erzeugt wird, und zweitens das Feld eines im Plasma fließenden Kreisstroms. In dem aus den beiden Feldern kombinierten Magnetfeld laufen die Feldlinien dann schraubenförmig um. Die größte Fusionsmaschine Zusätzlich benötigt der Tokamak noch ein drittes, vertikales Feld, das die Lage des Stroms im Plasmagefäß fixiert und den Plasmarand formt. Abb. 2 und Abb. 3 (zur Vergrößerung der Ausschnitte bitte anklicken) zeigen Schemata des Reaktors. Das heiße Plasma ist in Abb. 2 pinkfarben dargestellt. Aus den Grafiken wird durch die eingezeichneten Menschen die Dimension der Anlage deutlich. Die Bilder können Sie hier in höherer Auflösung herunterladen. Viele weitere Grafiken, Fotos und Informationen finden Sie auf der englischsprachigen ITER-Homepage . ITER ist eine experimentelle Anlage Viele Fusionsreaktoren sind seit den ersten Pioniertagen gebaut worden und haben bewiesen, dass die Kernfusion - die Reaktion, die Sonne und Sterne erstrahlen lässt - auch auf der Erde möglich ist. ITER, die bis heute größte jemals gebaute Fusionsmaschine, soll nun beweisen, dass Kernfusion eine Alternative zur Lösung des weltweiten Energie- wie des Umweltproblems ist. Auch wenn ITER selber noch keinen Strom produzieren wird, so werden doch im Rahmen dieses Projekts die Technologie und die Materialien auf ihre Serienreife hin getestet, sodass der nächste Schritt hin zu einem kommerziellen Fusionskraftwerk nicht mehr weit ist. Sommer 2010 - Baubeginn in Frankreich Standort von ITER ist Cadarache in Südfrankreich. Im Sommer 2010 beginnen der Bau der ersten Gebäude und die Aushebung des Tokamak-Fundaments. Währenddessen sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit mit weiteren Vorarbeiten beschäftigt. So wird zum Beispiel in Karlsruhe an Prototypen für die Vakuumpumpen gearbeitet, während in Hefei (China) die riesigen toroidalen Magnetfeldspulen für ITER gebogen werden (Abb. 4, zur Vergrößerung bitte anklicken).