Astronomie: Willkommen im Fachportal

Für den Einstieg in das Thema Quantenphysik werden in dieser Einheit die Schlagwörter Fotoeffekt und Lichtquantenhypothese in ihrem historischen Kontext eingeordnet. Mit in der Regel gut funktionierenden Versuchen wird dann der Fotoeffekt besprochen sowie die von Albert Einstein im Jahr 1905 aufgestellte Lichtquantenhypothese. Das zu Ende gehende 19. Jahrhundert und das beginnende 20. Jahrhundert waren für das Entstehen eines komplett neuen Teils der Physik ausschlaggebend – der Quantenphysik. Die Physik des Mikrokosmos, in dem es sowohl Wellen als auch Teilchen – mit fließenden Übergängen – geben sollte, wurde mit bis dahin völlig unvorstellbaren Thesen zum Leben erweckt. Innerhalb einer für die Physik kurzen Zeitspanne von wenigen Jahrzehnten konnten Physiker und Physikerinnen Gesetzmäßigkeiten herleiten, die unsere Welt mit den daraus entwickelten Technologien für immer verändern sollten. Fotoeffekt und Lichtquantenhypothese als Einstieg in die Quantenphysik Der Einstieg in die Quantenphysik über den Fotoeffekt ist eine bewährte Methode, um bei Schülerinnen und Schülern das Interesse für eine völlig neue Vorstellung von Physik zu wecken. Am besten ist es natürlich, den Fotoeffekt in mehreren Versuchen einzuführen und dann auch an einem genauen Beispiel auszuwerten anhand der abzuleitenden Gesetzmäßigkeiten. Für den Unterricht sollten Lehrkräfte gut präpariert sein, da es sich um ein schwieriges Thema handelt, das bei kritischen Fragen nur bei guter Sachkompetenz schülergerecht dargestellt werden kann. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können kaum vorausgesetzt werden, weil vermutlich die wenigsten Schülerinnen und Schüler die vielen technischen Geräte aus ihrem Alltag (Smartphones, PC, Scanner, Laser) mit der Quantenphysik in Verbindung bringen werden. Didaktische Analyse Die Besprechung des schwierigen Themas Quantenphysik im Unterricht der gymnasialen Oberstufe kann aber auch durchaus dazu führen, dass sich Schülerinnen und Schüler verstärkt dem Thema zuwenden, weil sie besser verstehen wollen, wie Dinge aus ihrem täglichen Leben eigentlich funktionieren. Das Thema Quantenphysik könnte bei Lernenden also durchaus auf ein gewisses Interesse stoßen; allerdings wird die vertiefte Besprechung der zum Teil sehr schwierigen und komplex wirkenden Gleichungen in der Regel den Schülerinnen und Schülern vorbehalten sein, die auch über gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse und Fähigkeiten verfügen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung der Quantenphysik für die Technologie des 21. Jahrhunderts. wissen um die Vorstellungen der Quantenphysik zu einem Mikrokosmos, bei dem die Grenzen zwischen Wellen und Teilchen – im Gegensatz zur klassischen Physik – verschwimmen. können die Gleichungen zum Fotoeffekt anwenden und auswerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.

Der Beitrag zeigt zunächst beispielhaft, wie in der Natur und in der Technik elektromagnetische Wellen entstehen. Im weiteren Verlauf wird die Erzeugung einer Dipolschwingung mittels eines Erregerschwingkreises erläutert und durch verschiedene Übungsaufgaben ergänzt. Zu Beginn der Einheit wird beispielhaft gezeigt, wie in der Natur und in der Technik elektromagnetische Wellen entstehen. So ist etwa das für den Menschen sichtbare Licht nur ein kleiner Teil dessen, was an elektromagnetischen Wellen aus dem Weltall auf die Erde trifft. Die den meisten Menschen aus der Medizin bekannten Röntgenstrahlen entstehen beim Abbremsen schneller Elektronen und können vom Menschen nicht wahrgenommen werden – erst beim Betrachten eines Röntgenbildes sieht man, dass die Strahlung beim Durchdringen des menschlichen Körpers ein Abbild bestimmter Körperteile erzeugt. Die Erzeugung einer Dipolschwingung mittels eines Erregerschwingkreises wird erläutert und durch verschiedene Übungsaufgaben ergänzt. Vermischtes rund um Dipol und elektromagnetische Wellen Die Erzeugung von Dipolschwingungen und der damit verbundenen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen gehört zu den schwierigen Themen der Schulphysik. Das Thema mit seinen sowohl in der Herleitung als auch in der Anwendung schwierigen Gleichungen kann deshalb nur in der Kursphase der Oberstufe des Gymnasiums intensiver besprochen werden. Vorkenntnisse Gute Vorkenntnisse zu den Gesetzmäßigkeiten des elektrischen und magnetischen Feldes einschließlich der Besonderheiten bei Spulen und Kondensatoren müssen zur Besprechung des Themas auf jeden Fall vorhanden sein. Didaktische Analyse Die Schülerinnen und Schüler sehen bei der Besprechung von Dipol und Entstehung von elektromagnetischen Wellen, dass in der Physik oft verschiedene Abläufe gleichzeitig betrachtet werden müssen. Gerade auch die Entstehung eines Nah- und Fernfeldes bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ist dabei nicht leicht zu verstehen. Methodische Analyse Durch zahlreiche Beispiele und den Vergleich mit Seilwellen bei der Beschreibung und Erläuterung der Vorgänge bei einer Dipolschwingung können die Gesetzmäßigkeiten eventuell leichter zu verstehen sein. Wesentlich komplexer wird die Übertragung der Schwingungen vom Sende- zum Empfangsdipol, insbesondere dann, wenn man darauf eingeht, wie Sprache oder Musik damit übertragen werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, wie ein Sendedipol durch einen Erregerschwingkreis zu Schwingungen angeregt wird. können die Gesetzmäßigkeiten, die den Dipol und elektromagnetische Wellen beschreiben, anwenden und Berechnungen ausführen. kennen die vielfältigen Möglichkeiten, die in Natur und Technik zur Aussendung von elektromagnetischen Wellen führen. 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.

Diese Unterrichtseinheit zeigt, wie aus einem geschlossenen elektromagnetischen Schwingkreis mit Spule einer Induktivität L und einem Kondensator der Kapazität C letztendlich ein gerades Drahtstück wird, das neben seinem Ohm'schen Widerstand immer noch eine bestimmte, aber doch deutlich verringerte Induktivität L und Kapazität C hat. Für uns Menschen ist es heutzutage selbstverständlich, Fernsehübertragungen aus der ganzen Welt live miterleben zu können oder mit dem Handy nahezu überall erreichbar zu sein. So gut wie niemand denkt aber daran, dass es der deutsche Physiker Heinrich Hertz war, der als Erster im Jahr 1886 die dafür notwendigen elektromagnetischen Wellen experimentell erzeugen und nachweisen konnte. Die Erfindung dieser Technik, bei der sich die elektromagnetischen Wellen fast überall mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, machte die technischen Möglichkeiten unserer Zeit erst möglich. Diese Unterrichtseinheit zeigt, wie aus einem geschlossenen elektromagnetischen Schwingkreis mit Spule einer Induktivität L und einem Kondensator der Kapazität C letztendlich ein gerades Drahtstück wird, das neben seinem Ohm'schen Widerstand immer noch eine bestimmte, aber doch deutlich verringerte Induktivität L und Kapazität C hat. Bei diesem Drahtstück, das man Dipol nennt und das die Form einer Antenne hat, können sich die elektrischen und magnetischen Feldlinien vom Draht ablösen und in den freien Raum übertreten, wo sie sich dann in Abhängigkeit vom zu durchdringenden Medium mit bis zu Lichtgeschwindigkeit (c = 300 000 km/s im Vakuum) ausbreiten. Vom elektromagnetischen Schwingkreis zum strahlenden Dipol Die Erzeugung von Dipolschwingungen und der damit verbundenen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen gehört zu den schwierigen Themen der Schulphysik. Das Thema mit seinen sowohl in der Herleitung als auch in der Anwendung schwierigen Gleichungen kann deshalb nur in der Kursphase der Oberstufe des Gymnasiums intensiver besprochen werden. Vorkenntnisse Gute Vorkenntnisse zu den Gesetzmäßigkeiten des elektrischen und magnetischen Feldes einschließlich der Besonderheiten bei Spulen und Kondensatoren müssen zur Besprechung des Themas auf jeden Fall vorhanden sein. Didaktische Analyse Die Schülerinnen und Schüler sehen bei der Besprechung von Dipol und Entstehung von elektromagnetischen Wellen, dass in der Physik oft verschiedene Abläufe gleichzeitig betrachtet werden müssen. Gerade auch die Entstehung eines Nah- und Fernfeldes bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ist dabei nicht leicht zu verstehen. Methodische Analyse Durch zahlreiche Beispiele und den Vergleich mit Seilwellen bei der Beschreibung und Erläuterung der Vorgänge bei einer Dipolschwingung können die Gesetzmäßigkeiten eventuell leichter zu verstehen sein. Wesentlich komplexer wird die Übertragung der Schwingungen vom Sende- zum Empfangsdipol, insbesondere dann, wenn man darauf eingeht, wie Sprache oder Musik damit übertragen werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung elektromagnetischer Wellen für die Übertragung von Informationen aller Art. kennen die Gesetzmäßigkeiten, die den Dipol und elektromagnetische Wellen beschreiben. können Entstehung und Abstrahlung elektromagnetischer Wellen vom Dipol erklären. 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 Paar- 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 aktualisierten Unterrichtseinheit befassen sich die Lernenden mit dem Thema erneuerbare Energien. Im Mittelpunkt stehen dabei Photovoltaik und Windkraft. Die Auseinandersetzung mit Ideen und Trends des energieeffizienten Bauens unter Berücksichtigung erneuerbarer Energien rundet die Unterrichtseinheit ab. Neu sind die Materialien zu den Arten und der Funktionsweise von Batteriespeichern sowie Wärmepumpen. Ausgehend von der aktuellen und zukünftigen Bedeutung erneuerbarer Energien für die Stromversorgung sowie den Chancen und Herausforderungen der Energiewende befassen sich die Schülerinnen und Schüler näher mit den Energieformen Batteriespeicher und Wärmepumpen, Windenergie und Photovoltaik. Dabei lernen sie unter anderem die Verbreitung und Funktionsweise der Anlagen kennen. Abschließend befassen sie sich mit den Möglichkeiten, energiesparend zu wohnen. Dabei steht auch das Konzept des vernetzten, smarten Wohnens und Arbeitens im Quartier im Mittelpunkt. Fossile Brenn-, Kraft- und Heizstoffe wie Kohle und Öl sind nicht unbegrenzt vorhanden. Viele davon müssen teuer importiert werden. Zudem belasten sie Umwelt, Klima und Gesundheit. Aus diesem Grund werden erneuerbare Energien immer wichtiger. So ist in der Novelle des Erneuerbaren-Energien-Gesetz von 2017 festgelegt, dass bis zum Jahr 2025 der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch auf 40 bis 45 Prozent steigen und sich bis zum Jahr 2035 auf 55 bis 60 Prozent erhöhen soll. Im Jahr 2050 soll der dann mindestens 80 Prozent betragen. Wissen über die Merkmale erneuerbarer Energieträger, die mit ihrer Nutzung verbundenen Vorteile und Herausforderungen sowie neue Trends für das vernetzte Zusammenleben von Menschen ist deshalb elementar. Umsetzung der Unterrichtseinheit Die aktualisierte Unterrichtseinheit ermöglicht Schülerinnen und Schülern einen fächerübergreifenden Zugang zum Thema erneuerbare Energien. Dazu erschließen sie in einem ersten Schritt die verschiedenen erneuerbaren Energieträger mit ihren Merkmalen und Funktionsweisen. Dabei reflektieren sie auch die mit der Energiewende verbundenen Chancen und Herausforderungen. Darauf aufbauend lernen sie den Aufbau und die Funktionsweise einer Windkraftanlage und einer Photovoltaikanlage näher kennen. Gleichzeitig lernen sie aktuelle Entwicklungen wie den Solarstromspeicher kennen. Abschließend setzen sie sich mit Möglichkeiten energiesparenden Wohnens und Arbeitens unter der Nutzung erneuerbarer Energien auseinander. Dabei geht es neben der Funktionsweise um neue Konzepte wie das des vernetzten, smarten Wohnens und Arbeitens im Quartier. Anhand zwei neuer Arbeitsmaterialien befassen sie sich mit den Arten und der Funktionsweise sowie den Vor- und Nachteilen von Batteriespeichern sowie Wärmepumpen. Ein interaktives Multiple-Choice-Quiz dient der Wiederholung und Festigung des in dieser Unterrichtseinheit erlangten Wissens. Jedes Arbeitsblatt umfasst neben Infotexten, Grafiken und Schaubildern auch Aufgaben zur Bearbeitung. Neu ist, dass die angegebenen Links zu Videoclips, Webseiten oder weiterführenden Materialien über QR-Codes erreichbar sind und so direkt per Smartphone abgerufen werden können. Einsatzmöglichkeiten Die aktualisierte Unterrichtseinheit kann aufgrund ihres Bezuges zu den Lehr- und Bildungsplänen in allen deutschen Bundesländern in der Sekundarstufe II eingesetzt werden. Dabei bilden die Fächer Physik, Geografie, Technik und Sozialkunde den fachlichen Bezugspunkt. Aber auch im fachübergreifenden und fächerverbindenden Unterricht kann das Material eingesetzt werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, wie sich der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung entwickelt. kennen die wichtigsten nachwachsenden beziehungsweise erneuerbaren Energieträger. kennen den Aufbau und die Funktionsweise einer Windkraftanlage und einer Photovoltaikanlage und können diese mit eigenen Worten beschreiben. wissen, wie ein Solarstromspeicher funktioniert. kennen den Unterschied zwischen On- und Offshore-Windkraft. kennen Konzepte und Möglichkeiten energiesparenden Wohnens und Arbeitens unter der Nutzung erneuerbarer Energien. kennen die Arten und Funktionsweise von Batteriespeichern und Wärmepumpen und können sie mit eigenen Worten verständlich beschreiben. wissen um die Bedeutung eines durchdachten Energiemanagements für eine effektive Verteilung der zur Verfügung stehenden Energie in den eigenen vier Wänden. diskutieren die mit der Energiewende verbundenen Chancen und Herausforderungen. analysieren die Stromrechnung des eigenen Haushalts und erfahren so, aus welchen Quellen der von ihnen genutzte Strom stammt. diskutieren die Auswirkungen der verstärkten Hinwendung zu erneuerbaren Energien für die Bereiche Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt. überlegen und diskutieren, inwieweit neue smarte, vernetzte, intelligente Wohn- und Arbeitskonzepte auch in ihrer eigenen Zukunft infrage kommen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren das selbstständige Erschließen von Themen und Inhalten sowie das Recherchieren im Internet. üben sich im eigenständigen Analysieren und Interpretieren von Grafiken, Schaubildern und Zahlenmaterial. nutzen aktiv verschiedene Medien und erkennen deren Vor- und Nachteile im Rahmen der Informationsaufbereitung. bereiten eigene Ideen und Visionen schriftlich und gestalterisch auf. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- oder Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Personen. lernen, Diskussionen argumentativ und rational zu führen. schulen im Rahmen von Diskussionen und Präsentationen die eigene Ausdrucksfähigkeit und aktives Zuhören. trainieren das kreative Entwickeln und Ausformulieren eigener Ideen.

Überlässt man nach einmaliger Aufladung einen elektromagnetischen Schwingkreis sich selbst, so entsteht – vor allem wegen der unvermeidlichen Ohmschen Reibung – eine gedämpfte Schwingung, deren Amplitude sehr schnell gegen null gehen wird. Für viele technische Anwendungen wie etwa Radiowellen oder Mikrowellen benötigt man aber möglichst ungedämpfte Schwingungen, bei denen der stets auftretende Energieverlust durch technische Lösungen ausgeglichen wird. In diesem Beitrag werden beispielhaft zwei Schaltungen vorgestellt, die es ermöglichen ungedämpfte Schwingungen zu erzeugen. Dabei handelt es sich um die "Rückkopplungsschaltung nach Meißner" zur Erzeugung von sinusförmigen elektromagnetischen Schwingungen im niederen und mittleren Frequenzbereich sowie um die "Dreipunktschaltung" als Erweiterung der Rückkopplungsschaltung zur Erzeugung hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen. Beiden Schaltungen ist gemeinsam, dass der jeweilige Schwingkreis aus einer Spule und einem Kondensator besteht. Der ungedämpfte elektromagnetische Schwingkreis – Theorie und Beispiele Die anspruchsvolle Unterrichtseinheit zum ungedämpften Schwingkreis setzt gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse voraus. Dies bedeutet, dass dieses Thema zum ungedämpften elektromagnetischen Schwingkreis nur im Rahmen der Kursphase der Sekundarstufe II behandelt werden kann. Vorkenntnisse Voraussetzungen für eine fundierte Beschäftigung mit dem ungedämpften elektromagnetischen Schwingkreis sind – neben Grundkenntnissen zu mechanischen Schwingungen – Kenntnisse über Auflade- und Entladevorgänge bei Kondensatoren, über die elektromagnetische Induktion und die Lenz'sche Regel sowie das Wissen über die Funktionsweise von Triode und Transistor. Didaktische Analyse Die Behandlung des anspruchsvollen Themas im Unterricht soll auch dazu führen, dass sich die Lernenden mit dem Aufbau und der Funktion von Geräten zur Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen näher beschäftigen wollen. Das Thema ist auch sehr gut geeignet, die Bedeutung von Differentialgleichungen zur Erklärung und Berechnung von physikalischen Zusammenhängen den Schülerrinnen und Schülern näher zu bringen – nicht zuletzt in Hinblick auf andere noch ausstehende physikalische Herleitungen in der Kursphase. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Funktionsweise von Triode und Transistor in Hinblick auf die Abläufe in einem elektromagnetischen Schwingkreis beschreiben. wissen um die große Bedeutung von elektromagnetischen Schwingungen in vielen Bereichen des täglichen Lebens. können anspruchsvolle Übungsaufgaben zur mathematischen Beschreibung der elektromagnetischen Schwingungen mittels Differentialgleichungen bearbeiten und lösen. 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 auseinandersetzen 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 werden elektromagnetische Schwingkreise thematisiert, die aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken sind: Sie werden in Smartphones, Musikanlagen, Fernsehern, Steuerungsanlagen und vielen weiteren Anwendungen benötigt und bilden die Grundlage für die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen, wie sie etwa für das Generieren von Telefonaten oder Fernsehbildern unabdingbar sind. Ausgehend von Grundkenntnissen zu mechanischen Schwingungen und den Analogien zu einfachen elektrischen – theoretisch ungedämpften – Schwingkreisen wird den Schülerinnen und Schülern das Thema nähergebracht. Nach Einbeziehung des immer vorhandenen elektrischen Widerstandes erkennen die Lernenden sehr schnell, dass eine sich selbst überlassene elektromagnetische Schwingung nicht ungedämpft sein kann, sondern in Abhängigkeit von der Zeit abnehmen und gegen Null gehen wird. Der gedämpfte elektromagnetische Schwingkreis Die anspruchsvolle Unterrichtseinheit zum gedämpften Schwingkreis setzt gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse voraus. Dies bedeutet, dass dieses Thema zum gedämpften elektromagnetischen Schwingkreis nur im Rahmen der Kursphase der Sekundarstufe II behandelt werden kann. Vorkenntnisse Voraussetzungen für eine Beschäftigung mit dem gedämpften elektromagnetischen Schwingkreis sind – neben Grundkenntnissen zu mechanischen Schwingungen – Kenntnisse über Auflade- und Entladevorgänge bei Kondensatoren, über die elektromagnetische Induktion und die Lenz'sche Regel. Didaktische Analyse Die Behandlung des schwierigen Themas im Unterricht kann durchaus dazu führen, dass sich die Lernenden verstärkt mit dem Thema beschäftigen wollen, um technischen Geräte ihrer alltäglichen Lebenswelt etwas besser verstehen zu lernen. Das Thema ist auch sehr gut dazu geeignet, die Bedeutung von Differentialgleichungen zur Erklärung und Berechnung von physikalischen Zusammenhängen besser zu durchschauen und zu verstehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Ursachen von gedämpften elektromagnetischen Schwingungen beschreiben und erläutern. kennen die verschiedenen Arten von gedämpften elektromagnetischen Schwingungen. können die zugehörige Differentialgleichung herleiten und anwenden. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit werden an verschiedenen Arten von mechanischen Wellen Gemeinsamkeiten und Gesetzmäßigkeiten abgeleitet, mit denen sich – ausgehend von der harmonischen mechanischen Schwingung – ihre Welleneigenschaften gut beschreiben lassen. Verwendet man den Begriff "Welle", so können damit sehr unterschiedliche Dinge gemeint sein. In physikalischer Hinsicht denken die meisten Menschen zuerst an Wasserwellen, die uns als kreisförmige Wellen nach einem Steinwurf ins Wasser oder Wellenfronten am Ufer eines Sees bekannt sind. Im gesamten Spektrum der Physik finden sich jedoch noch viele Arten von Wellen, zum Beispiel im Bereich der Akustik oder der Ausbreitung von Licht. Mit dem Begriff "Welle" wird automatisch assoziiert, dass sich etwas ausbreitet – und dem ist auch so! Allerdings ist es sehr wichtig, schon beim Einstieg in das Thema zu zeigen, dass sich etwa bei der Ausbreitung einer einfachen Seilwelle die einzelnen Wellenteilchen analog einer harmonischen mechanischen Schwingung ausschließlich auf und ab bewegen. Die Vorwärtsbewegung der "Welle" wird durch die mechanische Kopplung der einzelnen Teilchen erreicht, die in Abhängigkeit von der Zeit zu schwingen anfangen. Die darin enthaltene Energie wird mit der Ausbreitungs- oder Wellengeschwindigkeit c in Bewegungsrichtung weitergeleitet – im theoretischen Fall ungedämpft. Die harmonische mechanische Welle – eine Einführung Den Lernenden wird bei diesem Thema schnell bewusst werden, dass die Beschreibung der Wellenausbreitung einer mechanischen Welle und die Herleitung der zugehörigen Gesetze mathematisch nicht ganz einfach ist. Deshalb sollte man der Herleitung genügend Zeit einräumen und eventuell eine weitere Unterrichtsstunde einplanen. Schließlich ist die mechanische eindimensionale Wellengleichung Voraussetzung für das Verständnis weiterer Wellengleichungen im Rahmen des Oberstufenunterrichts. Vorkenntnisse Die Lernenden kennen typische Wellenbewegungen – zum Beispiel von Wasserwellen. Die zunächst einfach aussehenden Abläufe werden aber umgehend kompliziert, wenn die zugehörigen physikalischen Gleichungen abgeleitet werden. Didaktische Analyse Beim Thema "Wellen" erfahren die Schülerinnen und Schüler, dass – ausgehend von der Mechanik – die mathematische Beschreibung von unterschiedlichen Wellen in den verschiedenen Bereichen der Physik (Akustik, Elektrizitätslehre, Optik, Quantenphysik) in erheblichen Teilen auf ähnliche und damit bekannte Herleitungen der Mechanik zurückgeführt werden können. Methodische Analyse Will man den Lernenden das Thema "Wellen" näherbringen, muss man darauf achten, dass die eindimensionale Wellengleichung mit ihren unterschiedlichen Parametern wie "x" und "t" verstanden wird. Deshalb sollte man aufpassen, dass man das Niveau der Aufgabenstellung nicht zu hoch ansetzt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen die Zusammenhänge von Wellenausbreitung und Kreisbewegung. wissen um die mechanische Kopplung der einzelnen Teilchen bei der Wellenausbreitung. können die eindimensionale mechanische Wellengleichung herleiten und erläutern. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschüler-/innen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.

In dieser Unterrichtseinheit erhalten die Lernenden erste Einblicke in topologische Optimierungen und Bionik. Strukturen aus der Natur dienen als Vorbild für bionisches Design, das sowohl stabil als auch materialsparend ist. Nach einer Einführung in das Thema am Beispiel eines Fahrradrahmens, konstruieren Schülerinnen und Schüler Stifteschälchen im bionischen Design mit einem CAD-Programm. Ausgehend von der Frage, wie Maschinenbau einen Beitrag zum Erreichen von Klimazielen schaffen kann, werden materialsparende, leichte, aber trotzdem stabile Designs von Fahrradrahmen betrachtet. Hierbei dienen Strukturen aus der Natur als Vorbilder für bionisches Design. Im Rahmen einer Internet-Recherche informieren sich die Schülerinnen und Schüler darüber, welche bionischen Designs für Fahrradrahmen bereits vorhanden sind. Mit dem Verfahren der topologischen Optimierung können solche materialsparenden Strukturen digital konstruiert werden. Andererseits kann auch mit der analogen Methode der Zugdreiecke durch das gezielte Hinzufügen von Material Stabilität geschaffen werden. Die Schülerinnen und Schüler werden selbst aktiv, indem sie ein Stifteschälchen planen und mithilfe eines CAD-Programms (zum Beispiel mit TinkerCAD) schlussendlich für den 3D-Druck designen. Um hierfür anschaulich Elemente des bionischen Designs zu erfahren, wird die Grundform der Schälchen aus Matsch nachgebaut. Hierbei entdecken die Schülerinnen und Schüler, dass Übergänge – beispielsweise zwischen Wand und Boden – gerundet sind und sich der Querschnitt der Wände von unten nach oben verjüngt. Diese Elemente werden im Design des Schälchens aufgegriffen. Zusätzlich kann Material nach der Idee der topologischen Optimierung durch das Einfügen von Löchern in den Wänden des Schälchens eingespart werden. Hierfür wird mit dem intuitiven Begriff des Kraftflusses gearbeitet, der bei dem Lastfall, dass ein Buch auf den oberen Rand des Schälchens fällt, entsteht. Die Unterrichtseinheit ist thematisch in sechs Lernmodule und zwei Submodule eingeteilt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen die Prinzipien der topologischen Optimierung und des bionischen Designs kennen und wenden diese an. optimieren ausgehend von ersten Entwürfen ihre Stifteschälchen unter den Aspekten der topologischen Optimierung und des bionischen Designs. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler konstruieren unter Berücksichtigung bionischer Design-Elemente kreativ mithilfe eines CAD-Programms (zum Beispiel TinkerCAD). nutzen das Internet eigenständig für Recherchen zum bionischen Design und der topologischen Optimierung. erarbeiten aktiv mit Hilfe von Matsch bionische Design-Elemente.