Astronomie: Willkommen im Fachportal

Ausgehend von einfachen Grundversuchen wird in dieser Einheit die Lichtbrechung und damit die Aufspaltung des "weißen" Lichtes in seine Bestandteile erläutert. Die Besonderheit des Lichtes in seinem Dualismus als "Welle und Teilchen" je nach Versuchsanordnung wird grob angerissen – eine genaue Herleitung bleibt der Sekundarstufe II vorbehalten. Gut beschreiben lassen sich trotzdem optische Phänomene wie Totalreflexion, Regenbogen, das Blau des Himmels sowie Morgen- und Abendrot. Die Schülerinnen und Schüler werden anhand von Beispielen oder mit einem geeigneten Video und in das vielfältige Thema Licht und den daraus resultierenden optischen Besonderheiten herangeführt. Ausgehend von einfachen Grundversuchen wird die Lichtbrechung und damit die Aufspaltung des "weißen" Lichtes in seine Bestandteile erläutert. Optische Phänomene, zumal man sie durch Versuche gut im Unterricht vorstellen kann, sollten das Interesse von Lernenden in der Sekundarstufe I durchaus wecken. Auf die exakte physikalische Erklärung der Vorgänge um das Licht kann dabei noch verzichtet werden, weil die grundlegenden Dinge, die man sehen kann, ausreichend gut ohne die – teilweise schwierigen, dann in Teilbereichen in der Sekundarstufe II abzuleitenden Formeln – verstanden werden können. Optische Phänomene und Täuschungen in der Natur "Optische Phänomene und Täuschungen in der Natur" gibt es vielfältiger Art, wobei etwa ein Regenbogen nach einem Gewitter – in unserem Alltag als schöne Erscheinung am Himmel – betrachtet wird, wohingegen das Blau des Himmels in der Regel als gegeben angenommen wird, ohne die wirkliche Ursache überhaupt nachzufragen. Dabei hängt alles mit dem Licht zusammen, das wir als Helligkeit wahrnehmen – vielleicht in dem Wissen, dass es aus verschiedenen Farben zusammengesetzt ist, deren Gesamtheit das so bezeichnete "weiße Licht" ergibt, das aber eigentlich keiner Farbe zugeordnet werden kann, sondern transparent ist. Didaktische-methodische Analyse Licht ist der sichtbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums und umfasst die Wellenlängenbereiche von 380 Nanometern (Violett) bis zu 780 Nanometern (Rot). Alle außerhalb dieses Bereiches liegenden Wellenlängen sind unsichtbar wie etwa Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung), Ultraviolettstrahlung (verursacht zum Beispiel Sonnenbrand bis hin zu gefährlichen Hautschädigungen), Radiowellen , Röntgenstrahlen oder Gammastrahlung als Begleiterscheinung bei radioaktiven Zerfällen . Bei der Behandlung des Themas sollte man auch darauf hinweisen, dass in vielen Ländern unserer Erde durch massive Luftverschmutzung durch Verbrennung fossiler Energieträger oft nur noch an wenigen Tagen im Jahr eine Beobachtung der in diesem Beitrag thematisierten optischen Phänomene und Täuschungen möglich ist. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, welche physikalischen Bedingungen die zahlreichen optischen Phänomene und Täuschungen in der Natur bewirken. kennen die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten beim Übergang von optisch dünneren Medien zu optisch dichteren und umgekehrt. können die manchmal auftretenden und tageszeitlich unterschiedlichen optischen Phänomene mit den Möglichkeiten der Sekundarstufe I 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 Unterrichtseinheit erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler den Vorgang des Sehens. Dabei erfahren sie, wie das Licht durch das Auge einfällt und durch die darin enthaltene Linse gebrochen und auf die Netzhaut projiziert wird. Dabei lassen sich komplizierte Vorgänge im Auge auf relativ einfach zu verstehende optische Abläufe reduzieren.Das für die meisten Menschen völlig selbstverständliche Sehen von fernen und nahen Gegenständen sowie die Anpassung an starke Lichtschwankungen von Helligkeit zu Dämmerung und Dunkelheit ist aufgebaut auf einem komplizierten Ineinandergreifen verschiedener Bestandteile des menschlichen Auges wie Hornhaut, Iris, Linse, Netzhaut und Sehnerv. Bei einem gesunden Auge nehmen wir davon mehr oder weniger nichts wahr. Erst bei Auftreten von – allerdings häufigen – Beschwerden wie etwa Kurz- und Weitsichtigkeit und der daraus resultierenden Korrektur durch Brillen oder Kontaktlinsen wird man sich dessen bewusst und beginnt zu verstehen, zu welchen funktionierenden Mechanismen das gesunde menschliche Auge fähig ist. Die Lernenden erarbeiten sich mithilfe eines Grundlagentextes und eines Arbeitsblatts mit Übungsaufgaben die Vorgänge, die beim Sehen ablaufen. Außerdem haben sie im Sinne des handlungs- und produktionsorientierten Unterrichts die Möglichkeit, ihre Lösungen selbstständig zu kontrollieren. Das menschliche Auge – Bau und Funktion sowie Fehlerquellen und Korrekturhilfen Das Auge als Organ für das Sehen nimmt aufgrund seiner Komplexität und Anpassungsfähigkeit eine ganz besondere Stellung im menschlichen Organismus ein. Zudem kann bei vergleichsweise leichten Fehlstellungen wie Kurz- oder Weitsichtigkeit durch entsprechende Hilfsmittel wie Brillen oder Kontaktlinsen das normale Sehen weiter sehr gut ermöglicht werden. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden sind natürlich vorhanden, weil schlechteres Sehen auch bei Kindern keine Seltenheit ist. Das Tragen von Sehhilfen ist in allen Alterskategorien normal und damit für alle stets sichtbar. Didaktische Analyse Bei der Besprechung von Bau- und Funktionsweise des menschlichen Auges sollte neben den rein optischen Vorgängen beim gesunden und voll funktionierenden Auge auch darauf hingewiesen werden, dass es neben den einfach zu korrigierenden Sehfehlern auch zu schwerwiegenden Erkrankungen – vor allem bei zunehmendem Alter – kommen kann. Methodische Analyse Bei der optischen Beschreibung und Erklärung des Sehvorganges beim menschlichen Auge darf nicht übersehen werden, dass es sich bei der vergleichsweise einfachen Herleitung der Bildentstehung zwar um einen real auch im Auge ablaufenden Vorgang handelt, der allerdings hinsichtlich der im Detail ablaufenden Prozesse bei der Scharfstellung im Nah- und Fernbereich sowie bei der Anpassung an unterschiedliche Helligkeit äußerst kompliziert ist. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Abläufe beim Sehen von der Linse zur Netzhaut und weiter zum Gehirn. kennen die verschiedenen Möglichkeiten für Fehlstellungen und den Korrekturmöglichkeiten. können die Komplexität des menschlichen Sehens und der daran beteiligten Bestandteile des Auges beschreiben und 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 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, Freundinnen und Freunden sowie anderen wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit erarbeiten sich Schülerinnen und Schüler, welche Gefahren beim Umgang mit elektrischem Strom bestehen. Während das Berühren der mit Gleichspannung betriebenen gängigen Akkus und Batterien weitestgehend ungefährlich ist, kann ein Kontakt mit dem Phasenleiter einer 230 V Wechselstromquelle im Haushalt unter bestimmten Bedingungen auch tödlich enden. Anhand bereits vorhandener Grundkenntnisse über Gleich- und Wechselspannung, Widerstände und Gesetzmäßigkeiten beim elektrischen Stromkreis werden die Lernenden mit den Gefahren, die von elektrischen Stromkreisen – vor allem aber mit Wechselstrom betriebenen Stromkreisen – ausgehen, bekannt gemacht. Dabei ist es besonders wichtig, die Bedeutung von Spannung und Stromstärke herauszuarbeiten, wobei die extreme und oft todbringende Gefahr von der Stromstärke hervorzuheben ist. Dies ist umso bedeutsamer, weil auch vermeintlich geringe Stromstärken ab etwa 30 mA bei entsprechend "langer" Einwirkungszeit von über 100 ms lebensgefährlich sein können. Die Lernenden erhalten dazu zunächst einen Informationstext. Anschließend bearbeiten sie ein Arbeitsblatt mit verschiedenen Übungsaufgaben zum Thema. Im Sinne des selbstgesteuerten Lernens können die Lernenden das Arbeitsblatt auch in Eigenearbeit bearbeiten und anschließend mit dem Lösungsblatt (inklusive Erklärungen) vergleichen. Schutzeinrichtungen bei Gefahren durch elektrischen Strom Die Gefahren, die von Hochspannungsleitungen, Trafos und der 15000 V Fahrleitung der Deutschen Bahn ausgehen, sind hinlänglich bekannt – und im Normalfall auch nicht zugänglich. Unterschätzt wird die häufig vom elektrischen Haushalt ausgehende Gefahr, wenn man eine neue Lampe anschließen will oder ein Elektrogerät reparieren möchte. Beides erfordert Fachwissen und sollte deshalb nicht von Laien durchgeführt werden. Für den Unterricht sollten sich Lehrkräfte ausreichend Zeit nehmen, um das nicht auf den ersten Blick erkennbare Gefahrenpotential der häuslichen Elektrizitätsversorgung zu verdeutlichen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können nur insofern vorausgesetzt werden, dass jede Schülerin und jeder Schüler beim Umgang mit elektrischen Geräten im Haushalt wissen sollte, dass es sich um Elektrogeräte handelt, die über die Steckdose betrieben werden –bereits im Kindesalter sollten sie auf die davon ausgehende Gefahr hingewiesen worden sein. Diese mit Wechselstrom betriebenen Geräte haben im Gegensatz zu mit Gleichstrom betriebenen kleinen Akkus oder Batterien ein erhebliches Gefahrenpotential. Didaktisch-methodische Analyse Bei aller Gefährlichkeit von großtechnisch erzeugtem Dreh- beziehungsweise Wechselstrom bei unsachgemäßer Handhabung ist dessen Bedeutung für unser tägliches Leben unbestritten, was man immer dann besonders spürt, wenn der Strom einmal etwas länger ausfällt. Insofern sollte die Gefahr zwar thematisiert, aber nicht überbewertet werden, weil die Gefahr bei sachgemäßer Handhabung dank der vorhandenen Sicherheitsvorkehrungen gegen Null geht. Die Lernenden sollten nach dieser Unterrichtseinheit in der Lage sein, die Gefahr von Strom aus der Steckdose richtig einzuschätzen. Gleichzeitig sollten sie Bescheid wissen über die im Haushalt vorhandenen Schutzmaßnahmen und deren Wirkweise. Die Lernenden lesen dazu zunächst einen Informationstext und bearbeiten anschließend ein Arbeitsblatt mit Übungsaufgaben. Die Lösungen können abschließend gemeinsam im Plenum besprochen werden oder die Schülerinnen und Schüler kontrollieren die Lösungen selbstständig mit dem Lösungsblatt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die gesundheitlichen Gefahren, die von der häuslichen Elektrizitätsversorgung bei unsachgemäßer Handhabung beziehungsweise laienhafter Reparatur ausgehen können. verstehen die Funktionsweise von entsprechenden Schutzmaßnahmen im Haushalt. können auch rechnerisch nachvollziehen, welche lebensgefährlichen kleinen und großen Stromstärken über den menschlichen Körper bei Kontakt mit dem Wechselstromnetz fließen können. 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 Unterrichtseinheit zum Thema "Erzeugung von Wechselstrom und Drehstrom" beschäftigen sich die Lernenden mit den einfachen Möglichkeiten der Stromerzeugung (Drehspule im Magnetfeld und Fahrraddynamo) sowie den aus diesen Prinzipien abgeleiteten Möglichkeiten der technischen Stromerzeugung von Wechselstrom und Drehstrom mittels entsprechender Generatoren. Mithilfe einfacher Schulversuche zur Erzeugung von Wechselstrom wird das Prinzip der sich daraus ergebenden sinusförmigen Wechselspannung eingehend vorgestellt und erläutert. Anhand entsprechender Abbildungen (Folien) oder auch geeigneten Animationen/Videos werden den Lernenden die Abläufe bei der Herstellung von Drehstrom nähergebracht. Zudem werden die Vorteile dieser Spezialform des Wechselstroms in Hinblick auf Transport über weite Strecken sowie für den Hausgebrauch besprochen. Ziel der Unterrichtseinheit ist es, dass die Lernenden einen ersten groben Einblick in die Bedeutung der Drehstromerzeugung erhalten – ohne eine vertiefende Herleitung der Gesetzmäßigkeiten der Wechselstromtechnik. Dazu erhalten die Lernenden ein Arbeitsblatt, das ihnen die Thematik in verschiedenen Übungsaufgaben näherbringt. Im Sinne des selbstständigen Arbeitens können die Schülerinnen und Schüler auch die Musterlösung erhalten, um die bearbeiteten Aufgaben eigenständig zu kontrollieren. Erzeugung von Strom im Unterricht Das Wissen um die Erzeugung von Strom wird sich bei vielen Menschen darauf reduzieren, dass dies in großen Kraftwerken (Wasser-, Kern-, Gas- und Kohlekraftwerken) geschieht. Der eigene Umgang mit Strom beschränkt sich meist auf das Wechseln von Batterien, das Laden von Akkus oder das Tauschen einer Glühlampe. Erst wenn es – wegen eines Problems im gigantischen Stromleitungssystem – zu einem Stromausfall kommt, wird man schnell unruhig, wenn nicht binnen kurzer Zeit die Stromversorgung wiederhergestellt ist. Dabei wäre es für das Verständnis für ein fast ausnahmslos einwandfreies Funktionieren der Stromversorgung sehr wichtig zu wissen, was alles lückenlos ineinandergreifen muss, damit wir zu jeder Tages- und Nachtzeit auf den Strom in der Steckdose zurückgreifen können. Nicht zuletzt deshalb sollte im Unterricht an allen Schulen die Stromversorgung und die dazu notwendigen Geräte wie Generatoren, Transformatoren, Hochspannungsleitungen und der Anschluss an den eigenen Haushalt zum Thema gemacht werden. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden werden sich meist darauf beschränken, dass man für verschiedene Kleingeräte Strom aus Batterien und Akkus benötigt. Ein grobes Wissen um die Erzeugung von Strom in Kraftwerken wird bei Lernenden kaum vorhanden sein – kann aber mithilfe von einfachen und anschaulichen Versuchen im Physikunterricht problemlos gefördert werden. Didaktische Analyse Die Wichtigkeit des Themas für unser Alltagsleben und die dauernde Abhängigkeit von funktionierenden Stromnetzen sollte ausreichen, um bei den Schülerinnen und Schülern Interesse für die Grundlagen der Erzeugung von Wechsel- und Drehstrom zu wecken. Dazu sind die in der Schule möglichen Grundversuche ausreichend – darüber hinaus gehende physikalische Kenntnisse sind nur für interessierte Lernende von Bedeutung und können gegebenenfalls in der gymnasialen Oberstufe (Sek II) erworben werden. Methodische Analyse Die Erzeugung von Wechselstrom ist mithilfe der "Rechten-Hand-Regel" leicht nachvollziehbar. Etwas schwieriger wird es, wenn aus einzelnen Wechselströmen ein sich kreisförmig "fortbewegender" Drehstrom verstanden werden soll. Deshalb sollten die aufgrund der Kreisbewegung des Permanentmagneten entstehenden und um 120° gegeneinander versetzten Wechselströme genau erklärt und besprochen werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und erklären, welche Vorgänge während einer kompletten Umdrehung einer Leiterschleife im Feld eines Permanentmagneten zu einer Sinuskurve führen. wissen, wie ein Fahrraddynamo funktioniert und dass die technische Erzeugung von Wechsel- und Drehstrom prinzipiell ähnlich funktioniert. unterscheiden bei der Stromerzeugung zwischen einem Drehstrom-Generator und einem reinen Wechselstrom-Generator. 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 vergleichen deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen. erwerben fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Exoplaneten" erarbeiten sich die Lernenden zwei wichtige Nachweismethoden extrasolarer Planeten. Zum einen die Transitmethode und zum anderen das Verfahren der Radialgeschwindigkeitsanalyse. Die Arbeitsblätter nehmen Bezug auf ein Poster zur Vergabe des Nobelpreises 2019 für Physik. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.Der erste Nachweis eines Exoplaneten (51 Pegasi b) gelang 1995 mithilfe der Radialgeschwindigkeitsmethode. Viele weitere Entdeckungen weit entfernter Planeten und Planetensysteme sollten folgen, wobei ein großer Teil dieser Objekte mithilfe der Transitmethode aufgespürt wurde. Die Unterrichtseinheit thematisiert daher beide Methoden, wobei Computersimulationen und Originaldaten einen besonders motivierenden und schüleraktivierenden Unterricht ermöglichen. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht . Das Thema "Exoplaneten" im Unterricht Die Unterrichtseinheit verbindet Inhalte der Oberstufen-Physik (beispielsweise den Dopplereffekt, die Aufnahme und Interpretation von Spektren sowie die Darstellung und Auswertung von Daten) mit interessanten Fragen der modernen Astronomie. Dadurch werden Inhalte des Physik-Unterrichts in einen stark motivierenden und anwendungsorientierten Kontext gestellt. Vorkenntnisse Im Unterricht sollte die Wellen-Eigenschaft des Lichts bereits behandelt worden sein. Speziell sollten Kenntnisse vorhanden sein, wie man Lichtspektren aufnimmt (Prisma oder optisches Gitter) und auswertet. Didaktische und methodische Analyse Die Tatsache, dass man aus dem äußerst spärlichen Licht, das uns von weit entfernten Sternen erreicht, auf die Existenz extrasolarer Planeten schließen kann, stellt ein faszinierendes Thema dar, das in hohem Maße motivierende Impulse in den Physik- oder Astronomie-Unterricht einbringen kann. Die beiden Methoden zum Nachweis von Exoplaneten stellen inhaltlich und didaktisch unterschiedliche Anforderungen an die Lernenden. So ergibt die Transitmethode recht schnell eine anschauliche Vorstellung von dem Verfahren, wobei sich die Computersimulation als hilfreiches didaktisches Werkzeug erweist. Auch die Auswertung realer Transitkurven ist nicht besonders schwierig, zumal ein Beispiel Schritt für Schritt vorgerechnet wird. Die Radialgeschwindigkeitsmethode ist dagegen um einiges komplexer. So müssen der Dopplereffekt und die Spektralanalyse des Sternenlichts gut verstanden werden. Zudem ergeben sich unter Umständen Probleme bei der räumlichen Vorstellung, wenn es darum geht, den Einfluss der Inklination der Bahnebene der Planetenbahn zu verstehen. Auch hier erweist sich eine Computersimulation als äußerst hilfreich, da das Programm nicht nur die Entstehung der Geschwindigkeitskurven veranschaulicht, sondern darüber hinaus die Variation verschiedener Parameter erlaubt. So erhalten die Lernenden einen nahezu spielerischen und dennoch fachlich seriösen Zugang zu den komplexen Zusammenhängen. Interessant sind die Ergebnisse, welche die Lernenden für den Exoplaneten "51 Pegasi b" im Arbeitsblatt 4 erhalten: Eine Planetenmasse, die der des Jupiters entspricht, hingegen eine Umlaufbahn, deren Radius gerade mal 5 % der Astronomischen Einheit (Abstand Erde-Sonne) beträgt. Damals war das eine große Überraschung für die Astronomen, denn man war bis dahin doch eher davon ausgegangen, dass Planetensysteme ähnlich aufgebaut sein müssten wie unser Sonnensystem, also dass die Planeten mit kleiner Masse nahe dem Stern und die mit großer Masse weit entfernt zu finden sind. Die Entdeckung von "51 Pegasi b" bewies, dass es offenbar auch völlig anders sein kann. Es lohnt sich, auch im Unterricht auf diesem Aspekt einzugehen. Überhaupt eröffnet die Unterrichtseinheit den Einstieg in detaillierte und umfangreichere Recherchen zu den Themen Exoplaneten, habitable Zonen und Suche nach der Erde 2.0. Hier ergeben sich äußerst spannende und motivierende Aufgabenstellungen für Referate, Facharbeiten oder besondere Lernleistungen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen die Transitmethode zum Nachweis von Exoplaneten kennen und den Einfluss der Randverdunkelung der Sternenscheibe auf die Form der Lichtkurven. lernen den optischen Dopplereffekt kennen und wenden ihn an, um die Entstehung der Radialgeschwindigkeitskurven zu verstehen. werten eine Radialgeschwindigkeitskurve aus und bestimmen so die Masse des Exoplaneten Pegasi 51 b. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet und sammeln, sortieren und bewerten Informationen. verwenden Computersimulationen. binden Informationen eines Posters in ihre Lösungen ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Aufgaben in Partner- und Gruppenarbeit. tauschen Informationen und Messergebnisse untereinander aus. diskutieren und hinterfragen Lösungen im Plenum.

Mit der Verleihung des Physik-Nobelpreises 2020 für den Nachweis der Existenz des supermassereichen Schwarzen Loches Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße an Reinhard Genzel, Andrea Ghez und Roger Penrose rückte die extrem aufwendige Erforschung des Universums einmal mehr in den Fokus der Öffentlichkeit. Die vorliegende Unterrichtseinheit hat zum Ziel, Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe ein schwieriges und sehr komplexes Thema – ohne die im Detail dafür notwendige, aber im Schulunterricht nicht mögliche höhere Mathematik – näherzubringen. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden. Die Erkenntnisse von Albert Einstein, die er mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) im Jahr 1915 veröffentlichte, hatten die Existenz Schwarzer Löcher als natürliche Konsequenz der Raum-Zeit-Krümmung prognostiziert. Der laut der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften bisher überzeugendste Beweis für ein superschweres Schwarzes Loch mit einer Masse von rund vier Millionen Sonnenmassen im Zentrum der Milchstraße war die Bestätigung für jahrzehntelange akribische Forschung und Auswertung immenser Datenmengen mit den heute den Astrophysikern zur Verfügung stehenden technischen Möglichkeiten. Der im Laufe von Milliarden von Jahren entstandene heute bekannte Kosmos hat aufgrund seiner ständig fortschreitenden Ausdehnung eine Größe von 1023 km überschritten und enthält Milliarden von Galaxien und Sternen. Den Lernenden wird zunächst mithilfe von Animationen, erläuternden Videos und Schaubildern die Entwicklung von Sternen und deren weiterer Verlauf in ihrem Lebenszyklus vorgestellt. So anschaulich wie möglich werden dann die Vorgänge besprochen, die ein Riesenstern auf seinem Weg über eine Supernova hin zum Schwarzen Loch nimmt. Die nur eingeschränkt zu verstehenden Fakten der ART Einsteins werden mithilfe von Videos und Animationen verständlich gemacht, bevor mit den Möglichkeiten der gymnasialen Oberstufenmathematik Begriffe wie Ereignishorizont und Schwarzschild-Radius eingeführt und hergeleitet werden. Der Nachweis von Schwarzen Löchern am Beispiel von Sagittarius A* wird anhand von Schaubildern im Arbeitsblatt 2 vorgestellt, erläutert und durch Berechnungen (Übungsaufgaben) verfestigt. Zudem wird die Bedeutung von Gravitationswellen und deren Messung als weiterer Nachweis für Schwarze Löcher besprochen. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht . Schwarze Löcher – rätselhafte Phänomene in den Tiefen des Universums Schwarze Löcher gehören noch immer zu den größten Rätseln des Universums, wenngleich ihre Existenz mit weltweit verbundenen Teleskopen immer besser nachgewiesen werden kann – wie etwa im Jahr 2019 durch eine radioteleskopische Aufnahme des mit 6,6 Milliarden Sonnenmassen gigantischen Schwarzen Loches M87* im Zentrum der Galaxie M87. Man weiß heute, dass Schwarze Löcher aus dem Tod eines Riesensterns entstehen können. Man vermutet Milliarden davon im Universum und es stellen sich Fragen: Was passiert genau in den Schwarzen Löchern? Wieviel Materie können Schwarze Löcher verschlingen? Wird unser Universum eines Tages komplett von Schwarzen Löchern verschlungen? Haben Schwarze Löcher Auswirkungen auf unser irdisches Leben? Wie verändern Schwarze Löcher das Universum? Handelt es sich bei allen dunklen Himmelskörpern um Schwarze Löcher? Neue Theorien tauchen auf, die mit naturwissenschaftlichen Methoden untersucht werden müssen, ob sie denn schlüssig sind und somit einen weiteren Schritt nach vorne bedeuten oder wieder verworfen werden müssen. Undurchschaubare Schwarze Löcher und ihre Wirkungen auf Raum und Zeit werden noch lange Ansporn sein für kreative Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und ihren Forschungsdrang! Vorkenntnisse Wichtig für ein grobes Verständnis sind das Newton'sche Gravitationsgesetz sowie die Kepler'schen Gesetze. Beide sollten im Rahmen des gymnasialen Physikunterrichts hinreichend besprochen sein, damit zum einen die mathematisch gut nachvollziehbaren Berechnungen zum Ereignishorizont und dem Schwarzschild-Radius durchgeführt werden können und zum anderen die daraus resultierenden Berechnungen zur Größe und Masse von Schwarzen Löchern. Didaktische und methodische Analyse Schwarze Löcher waren bis in die späten 1960er Jahre nur für Mathematikerinnen und Mathematiker sowie theoretische Physikerinnen und Physiker von Bedeutung, weil kein Weg zu ihrer Beobachtung vorstellbar schien. Zudem hielt man es für unwahrscheinlich, dass es Objekte mit einer derart unvorstellbar großen Dichte geben könnte. Auch der Name "black hole" oder "Schwarzes Loch" wurde erst Ende der 1960er Jahre geprägt. Zu einem Umdenken kam es, als erste astronomische Objekte im Röntgenlicht sowie ein extremer Strahlungsausstoß sogenannter Quasare nachgewiesen werden konnte. Der britische Physiker Stephen Hawking (1942–2018) konnte in den 1980er Jahren zeigen, dass in der Umgebung verschiedener Schwarzer Löcher physikalische Effekte auftreten konnten, bei denen Strahlung nach außen abgegeben werden kann – völlig widersprüchlich zum ursprünglichen Bild des Schwarzen Loches. Bis in die 1990er Jahre konnten einige Kandidaten für stellare Schwarze Löcher von nur wenigen Sonnenmassen in Doppelsternsystemen gefunden werden – ein Nachweis für supermassive Schwarze Löcher im Zentrum vieler Galaxien stand noch aus. Dies war der Auslöser für den Astrophysiker Reinhard Genzel und die Astrophysikerin Andrea Ghez, das Zentrum unserer Milchstraße genau zu untersuchen. In jahrelangen Forschungen fanden sie – übereinstimmend – die Bahnen mehrerer Sterne, die sich auf elliptischen Bahnen um ein Zentrum drehen. Als besonders interessant stellte sich der innerste Stern, mit S2 bezeichnet, heraus. Er brauchte nur 16 Jahre für einen Umlauf; die von den Forschenden beobachteten Bahnparameter ließen nur einen Schluss zu – im Zentrum unserer Milchstraße muss sich ein supermassereiches Schwarzes Loch (Sagittarius A*) mit einer Masse von rund vier Millionen Sonnenmassen befinden. Der mithilfe von weltweit zusammengeschlossenen riesigen Teleskopen gefundene Nachweis ist ein Meilenstein der Astrophysik und hat durch die Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahr 2020 für weltweites Aufsehen gesorgt. Noch nicht völlig eindeutig ist, welche Rolle die Schwarzen Löcher in der Kosmologie einnehmen. Ein großes Problem ist, wie Schwarze Löcher so schnell entstehen und in so kurzer Zeit solche gigantischen Materiemengen ansammeln konnten. Sind die supermassereichen Schwarzen Löcher vielleicht die "Geburtshelfer" für Galaxien? Viele Fragen, die auf Antworten warten. Die hinter all diesen Fragen und bisherigen Erkenntnissen steckende Physik ist aufgrund der dafür notwendigen Mathematik äußerst kompliziert und im gymnasialen Unterricht nicht anwendbar. Dennoch ist die Allgemeine Relativitätstheorie eine Theorie der klassischen Physik und macht es möglich, mit Gesetzmäßigkeiten wie dem Gravitationsgesetz von Newton und den Kepler'schen Gesetzen Berechnungen durchzuführen und damit ein grobes, aber ausreichendes Verständnis für den Aufbau und die Funktion Schwarzer Löcher zu erhalten. Zudem können durch relativ einfache Gleichungen die Schwarzschild-Radien für die Sonne und die Erde berechnen werden – die geringen Beträge zeigen uns, welche unvorstellbaren Kräfte herrschen müssten, damit auch diese beiden Himmelskörper zu Schwarzen Löchern zusammengekrümmt würden. Am Beispiel von Sagittarius A* kann man schließlich nachvollziehen, welche Größen und Massen sich für Schwarze Löcher ergeben können, wenn man das Sonnensystem verlässt und in das 26.000 Lichtjahre entfernte Zentrum der Milchstraße vorstößt. Die genannten Beispiele und Berechnungen zeigen den Lernenden unter anderem, um welche Größenordnungen es geht, wenn man vom Universum spricht. Schülerinnen und Schüler sollen mit dieser Unterrichtseinheit zu Schwarzen Löchern auch animiert werden, darüber nachzudenken, welche Rolle wir Menschen auf unserer Erde in diesem gigantischen Kosmos spielen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können Entstehung, Aufbau und Wirkungsweise von Schwarzen Löchern beschreiben. kennen die Forschungsarbeit der beteiligten Astrophysiker, die zum Nachweis eines Schwarzen Loches geführt haben. können die physikalischen Gesetzmäßigkeiten Schwarzer Löcher herleiten und entsprechende Berechnungen ausführen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbstständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Apps auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- 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 gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freundinnen und Freunden diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit geht es darum, den Impuls-Begriff – eine der grundlegenden Größen der Physik – einzuführen. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Unterschiede von elastischen und unelastischen Stoß-Vorgängen kennen und berechnen zahlreiche Übungsaufgaben.Die Einführung in den Impuls-Begriff kann anhand von Beispielen, Animationen oder Videos erfolgen, die etwa bei Zusammenstößen von zwei Körpern deren unterschiedliche Wechselwirkungen in Abhängigkeit von ihren Massen und Geschwindigkeiten aufzeigen. Nach der Definition des Impuls-Begriffes werden die Lernenden mit der Impuls-Erhaltung bei sogenannten elastischen und unelastischen Stößen vertraut gemacht. Durch entsprechende Beispiele wird gezeigt, wann neben der Impuls-Erhaltung auch die mechanische Energie-Erhaltung gilt beziehungsweise wann ein Teil der kinetischen Energie in Wärme umgewandelt wird. Das Thema "Mechanischer Impuls" im Unterricht Der Impuls von sich bewegenden Körpern wird in der Umgangssprache häufig mit Begriffen wie "Schwung" und "Wucht" umschrieben, weil er den mechanischen Bewegungszustand eines physikalischen Objekts sowohl bei seiner Bewegung als auch beim Aufprall auf einen anderen Körper beschreibt. Der Impuls ist eine vektorielle Größe, das heißt er muss sowohl hinsichtlich seines Betrags als auch seiner Bewegungsrichtung betrachtet werden. Er charakterisiert dabei ausschließlich die Translationsbewegung des Massen-Mittelpunktes eines Körpers, während eine eventuell zusätzlich vorhandene Rotation des Objektes um den Massen-Mittelpunkt durch den Drehimpuls beschrieben wird. Der mechanische Impuls zeigt sich in vielfältigen physikalischen Zusammenhängen wie etwa zusammenstoßenden Autos, aufeinander rollenden Kugeln oder auch beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen . Stets benötigt man zur vollständigen physikalischen Beschreibung und Erklärung solcher Abläufe eine Impuls- und Energiebetrachtung. Dabei resultierte der Impuls-Begriff aus der Suche nach einem Maß für die in einem physikalischen Objekt vorhandene Menge an Bewegung, die aller Erfahrung nach bei allen inneren Prozessen erhalten bleibt – der Impuls wurde so zu einer grundlegenden physikalischen Größe zur Charakterisierung des mechanischen Bewegungszustandes eines physikalischen Objekts. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden sind bezüglich des Begriffes eher nicht zu erwarten; vielmehr werden aber Umschreibungen wie "Schwung" und "Wucht" bei der Bewegung und beim Aufprall – auch aufgrund zahlreicher Beispiele – das Verständnis für den Impuls-Begriff wecken. Didaktische Analyse Anhand des Sicherheitsgurtes im Auto kann die Bedeutung des Impuls-Begriffes bei plötzlichen Bremsmanövern und natürlich auch bei unfallbedingten Aufprallen verdeutlicht werden – das abrupte Abbremsen setzt gewaltige Kräfte frei, die durch den Gurt und den Airbag teilweise abgefangen werden können – "Schwung" und "Wucht" spürt man dann am eigenen Körper. Bei einem unfallbedingten Aufprall sind die physikalischen Gesetzmäßigkeiten gut nachvollziehbar. So kommt es zum einen durch den Aufprall zu einem häufig fast vollständigen Geschwindigkeitsverlust mit dem Ergebnis, dass sich zum einen der Impuls durch massive Verformung der Karosserie von einem gegebenen Betrag auf nahezu Null ändert und zum anderen die kinetische Energie zur Verformung und Erhöhung der inneren Energie führt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung des mechanischen Impulses in vielen Bereichen der Physik. kennen die Unterschiede von elastischen und unelastischen Stoß-Vorgängen. können physikalische Beispiele erläutern und Übungsaufgaben 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 auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden ecetera wertfrei diskutieren zu können.