Unterrichtsmaterialien → Physik Sekundarstufen

Tipp der Redaktion

Optik

In dieser Materialsammlung haben wir Informationen und Anregungen zum Thema "Optik" für den Astronomie- und Physik-Unterricht für Sie zusammengestellt.

Tipp der Redaktion

Elektrizität im Haushalt

Die Unterrichtseinheit behandelt die elektrische Stromversorgung im Haushalt und das Drehstrom-System.

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Ein Nobelpreis für das Klima

Unterrichtseinheit

Diese Unterrichtseinheit zum Thema "Ein Nobelpreis für das Klima" greift die Forschungsergebnisse der im Jahr 2021 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichneten Wissenschaftler Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann und Giorgio Parisi auf und thematisiert komplexe Klimamodelle, die eine Prognose der zukünftigen Entwicklung des Erdklimas ermöglichen. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.Es gibt inzwischen kaum noch jemanden, der die sich immer stärker beschleunigende Klimaerwärmung und die wesentliche Verantwortung des Menschen daran leugnet. Gelingt es nicht, den weiteren Temperaturanstieg abzubremsen, wird dies zu unabsehbaren ökologischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Folgen führen, die letztlich das Überleben der menschlichen Rasse auf dem Planeten Erde infrage stellen werden. Eine Bekämpfung des Klimawandels aber setzt ein Verständnis von Klima voraus. Wodurch wird der Temperaturanstieg verursacht? Wie wirken sich CO2 und sonstige Emissionen in der Atmosphäre aus? Welche Auswirkungen haben die weltweiten Meeresströmungen, Winde, Vulkanausstöße, Niederschläge, abschmelzende Gletscher und Eismassen? Wie funktioniert das äußerst komplexe Weltklima und wodurch wird es beeinflusst? Welche menschlichen Tätigkeiten wirken sich wie aus? Welche Emissionen sind am schädlichsten? Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich in vier Abschnitten und zahlreichen inhaltlich und methodisch variierenden Lernrunden einen Einblick in die Modellierung komplexer Wirkungszusammenhänge wie des Weltklimas und entwickeln daraus eigene Schlussfolgerungen und Vorschläge zur Bewältigung der aktuellen Klimakrise. Basis hierfür sind vier Arbeitsblätter sowie das digitale Plakat "Physik für das Klima und andere komplexe Systeme" und das Video zur Lindauer Online-Matinee 2022. Das Lernkonzept kann wahlweise im Präsenz- oder Fernunterricht verwendet werden. Die Schüler arbeiten überwiegend kollaborativ und digital. Die Unterrichtsmaterialien beinhalten zwar einen aufeinander aufbauenden Gesamtkontext, sie sind aber auch in Teilen gut verwendbar. 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 "Ein Nobelpreis für das Klima" im Unterricht Was sind die Elemente und Kennzeichen komplexer Systeme wie des Erdklimas, des Straßenverkehrs oder der Wirtschaft? Wie kann man sie strukturieren und modellhaft abbilden? Die heutige Realität einer vernetzten globalen Welt wird immer undurchschaubarer und erscheint immer unbeherrschbarer. Nur wenn es gelingt, komplexe Prozesse zu analysieren, zu beschreiben, nachzubauen und zu simulieren, ist eine Beherrschung, Steuerung und Beeinflussung dieser Prozesse durch den Menschen möglich. Die Unterrichtseinheit konfrontiert die Schülerinnen und Schüler mit dieser notwendig abstrakten Durchdringung und Abbildung der Realität in zahlreichen lebensnahen Beispielen, vor allem aber im Hinblick auf das allgegenwärtige Thema Klima und Nachhaltigkeit. Die Herausforderungen für die Schülerinnen und Schüler reichen von einfachen Erklärungen von klimatischen Wirkungszusammenhängen über das Begreifen und argumentative Verteidigen wissenschaftlicher Erkenntnisse der Klimaforschung bis hin zur Entwicklung eigener Nachhaltigkeitskonzepte. Die Unterrichtseinheit ermöglicht damit nicht nur einen Einblick in die wissenschaftliche Klimaforschung, sondern auch eine Meinungsbildung zum Klimawandel und zu seiner Bekämpfung. Vorkenntnisse Digitale Grundkenntnisse von Schülerinnen und Schülern und Lehrkräften wären hilfreich, sind aber nicht zwingend erforderlich. Auch naturwissenschaftliche Vorkenntnisse sind nicht erforderlich. Didaktische Analyse Je vernetzter und undurchsichtiger unsere globale Welt wird, umso wichtiger ist ein Verständnis für komplexe Wirkungszusammenhänge und Interdependenzen. Dies gilt inzwischen für nahezu alle Lebensbereiche. Corona, Kriege und immer schnellere Klimaveränderungen haben dies schonungslos offen gelegt. Schon geringste Störungen der industriellen Lieferketten schaffen Versorgungsprobleme rund um die Welt. Klimaveränderungen werden global verursacht und können nur global bekämpft werden. Der immer schnellere Raubbau an der Natur entzieht der Menschheit in zahlreichen Dimensionen zunehmend die Lebensgrundlage (Nahrung, Trinkwasser, und so weiter). Die Hybris des Menschen setzt auf Geld und weitere technologische Innovationen, führt aber dazu, dass man in der Regel erst handelt, wenn es fast schon zu spät ist. Die aktuellen Klimamaßnahmen sind ein gutes Beispiel hierfür. Die Schülerinnen und Schüler sollen erkennen, dass die sich anbahnende Klimakatastrophe zu großen Teilen vom Menschen selbst verursacht wird. Dies erfolgt jedoch über ein äußerst komplexes wirtschaftliches, soziales und politisches Wirkungsgefüge, das kaum zu überblicken und noch schwerer zu verändern und zu steuern ist. Nur mit einem kybernetischen Verständnis von komplexen Wirkungszusammenhängen wird man dieser Herausforderung begegnen können. Die drei Nobelpreisträger haben mit ihren Forschungen zu dieser Einsicht einen erheblichen Beitrag geleistet. Methodische Analyse Die Unterrichtseinheit kombiniert in einem hybriden Lernarrangement Präsenz- und Onlineelemente. Dabei steht die Selbstaktivität der Schülerinnen und Schüler und die Handlungsorientierung im Vordergrund. Alle Lernschritte müssen von den Schülerinnen und Schülern allein, in Partner- oder Gruppenarbeit bewältigt werden. Die erarbeiteten Lösungen werden dann der Klassengemeinschaft präsentiert. Einige Aufgabenstellungen erfordern auch eine digitale Zusammenarbeit der Schülerinnen und Schüler, zum Beispiel wenn sie gemeinsam eine digitale Pinwand vervollständigen. Eine solche digitale Kollaboration und Problemlösung ist motivierender, aber auch anspruchsvoller als eine reine Internetrecherche. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen das Wesen komplexer Systeme und können es beispielhaft erklären. verstehen und erklären Klimamodelle und klimatische Wirkungszusammenhänge. können den menschlichen Einfluss auf die Klimaerwärmung belegen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren und analysieren Informationen im Internet. kooperieren online auf digitalen Pinnwänden. erstellen Präsentationsfolien und Videopräsentationen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren, entscheiden und präsentieren im Team. verständigen sich auf eine gemeinsame Modellbildungen zur Erklärung von komplexen Wirkungszusammenhängen. entwickeln Nachhaltigkeitskonzepte zur Bekämpfung der Klimakatastrophe.

  • Physik / Astronomie / Geographie / Jahreszeiten / Wirtschaft / Politik / WiSo / SoWi / Fächerübergreifend
  • Sekundarstufe II, Sekundarstufe I

Raketenphysik: Herleitung der Raketengrundgleichung

Unterrichtseinheit

Mit der Unterrichtseinheit wird ein mathematisches Verfahren vorgestellt, mit dem Näherungslösungen bei Antrieb und Flug von Raketen zu exakten Lösungen werden. Wegen des dafür nötigen Wissens zur Differential- und Integralrechnung werden nur interessierte Schülerinnen und Schüler mit den entsprechenden Kenntnissen angesprochen. Ziel der Unterrichtseinheit ist die Anwendung der Raketengrundgleichung, die vom russischen Mathematiker und Raumfahrttheoretiker Konstantin Ziolkowski erstmals im Jahr 1903 aufgestellt wurde.Ausgehend von den Vorkenntnissen ( Grundlagen der Raketenphysik ) werden die Schülerinnen und Schüler mit den Gesetzmäßigkeiten zur Differential- und Integralrechnung Schritt für Schritt an die exakte Berechnung von Raketenbewegungen herangeführt. Nach der Herleitung der Raketengrundgleichung und der daraus resultierenden Raketengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Flugzeit sind die Lernenden in der Lage, nach weiteren Herleitungen die Höhe des Raketenfluges in Abhängigkeit der Zeit sowie die maximal erreichbare Höhe nach Ablauf der Brenndauer des Raketenantriebes abzuleiten. Raketenphysik für Interessierte Die große Bedeutung von Impuls und Impulserhaltungssatz kommt gerade beim Raketenflug im Weltraum voll zum Tragen. So kann gezeigt werden, dass Bewegungen im luftleeren Weltraum allein durch die im Impulserhaltungssatz enthaltenen Gesetzmäßigkeiten ablaufen – auch ohne die uns so vertrauten irdischen Kräfte wie etwa der Reibungskraft, die für eine Fortbewegung beim Gehen oder Fahren unbedingt nötig sind. Lehrkräfte sollten gut vorbereitet sein, um auf daraus resultierende Fragen sachkompetent eingehen und antworten zu können. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können dahingehend vorausgesetzt werden, dass Impuls und Impulserhaltungssatz im Unterricht in der Regel im Unterricht bereits ausführlich behandelt wurden. Die Anwendung der Gesetze im Weltraum stellt eine interessante Ergänzung dar. Didaktische Analyse Das Rückstoßprinzip für den Antrieb von Raketen – in ähnlicher, aber nicht gleicher Weise den meisten beim Vortrieb von Flugzeugen bekannt – zeigt sehr schön die Möglichkeiten der Fortbewegung im luftleeren Raum auf. Sie bildet die Grundlage für prinzipielle Möglichkeiten zu Raketenflügen über große Distanzen, wobei allerdings die Grenzen der technischen Möglichkeiten beim Verlassen – etwa des Sonnensystems – nicht übersehen werden dürfen. Methodische Analyse Die Annäherung an die exakten Vorgänge beim Antrieb von Raketen mithilfe des an Näherungslösungen angelegten Iterationsverfahrens ist eine ideale Möglichkeit dar, auf relativ einfache Art den Lernenden das Rückstoßprinzip nahezubringen. Mit den deutlich schwierigeren Gesetzmäßigkeiten bei der mathematisch exakten Beschreibung wird es schließlich möglich, Bewegungsgleichungen für exakte Lösungen herzuleiten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen die exakten Abläufe bei Raketenflügen in das Weltall. können die unterschiedliche Fragestellungen mit mathematisch präzisen Formeln unterlegen. wissen um die Bedeutung von Differential- und Integralrechnung für die Raketenphysik. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.

  • Physik / Astronomie / Technik / Sache & Technik
  • Sekundarstufe II

Grundlagen der Raketenphysik

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Grundlagen der Raketenphysik" wird die Fortbewegung von Raketen im Weltraum thematisiert. Diese Art der Fortbewegung ist deshalb besonders, weil im Gegensatz zu den uns auf der Erde bekannten Fortbewegungsmöglichkeiten wie etwa dem Gehen, Fahren oder auch Fliegen im Weltraum außerhalb der Lufthülle der Erde das Medium zum Abstoßen (Boden oder Luft) fehlt. Dass der Flug von Raketen trotzdem möglich ist, liegt an der Art des Antriebes von Raketen – der von der Rakete ausgestoßene verbrannte Treibstoff sorgt aufgrund des Rückstoßprinzips für die Vorwärtsbewegung der Rakete.Anhand eines einfachen Beispiels in Form eines Raketenwagens wird den Schülerinnen und Schülern das auf der Impulserhaltung basierende Rückstoßprinzip vorgestellt und Schritt für Schritt erläutert. Dabei reicht es zum Verstehen für die Lernenden zunächst völlig aus, den Ausstoß der "Treibstoffmasse" in kleinen Einzelportionen zu simulieren und die Ergebnisse für Berechnungen wie etwa die Geschwindigkeit des Raketenwagens mittels der Gesetze zur Impulserhaltung zu verwenden. Dieses sogenannte "Iterationsverfahren" macht es durch Verkleinerung entsprechender Parameter wie Masse oder Zeit möglich, Näherungslösungen zu finden, die der tatsächlichen Geschwindigkeit immer näherkommt. Für eine exakte Bestimmung der Geschwindigkeit benötigt man im weiteren Verlauf des Unterrichts dann die Gesetzmäßigkeiten der Differential- und Integralrechnung. Grundlagen der Raketenphysik: auf dem Weg in den Weltraum Die seit Jahren verstärkt zunehmenden Aktivitäten – auch von finanzstarken Privatunternehmen – zeigen deutlich, welche Rolle Raketen für den Transport einer Vielzahl von Satelliten in erdnahe Umlaufbahnen oder auch zur Erforschung weit entfernter Himmelsobjekte (Stichwort: Marsmission ) haben. Die dafür notwendige Technik und damit auch die dahinterstehende Physik ist zwar – im Detail betrachtet – äußerst kompliziert und aufwendig, kann aber im Rahmen der speziellen Möglichkeiten der Oberstufenphysik des Gymnasiums gut besprochen werden. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden können nur in der Weise vorausgesetzt werden, dass unter anderem die von jedem Jugendlichen benutzten Smartphones sehr von stationären Satelliten abhängen und mithilfe von Raketen in ihre Umlaufbahn gebracht werden müssen. Weitere Kenntnisse über Bau und Funktion von Raketen sollten eher die Ausnahme sein. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas kann man davon ausgehen, dass das Rückstoßprinzip, das bei Raketen, aber auch bei Flugzeugen in ähnlicher Weise den Vortrieb ermöglicht, von den meisten Lernenden, die Physik in der Oberstufe gewählt haben, problemlos verstanden werden kann. Methodische Analyse Die Annäherung an die exakten Vorgänge beim Antrieb von Raketen mithilfe des an Näherungslösungen angelegten Iterationsverfahrens stellt eine gute Möglichkeit dar, auf relativ einfache Art den Lernenden das Rückstoßprinzip nahezubringen. Damit können die Voraussetzungen für die besonders interessierten Schülerinnen und Schüler geschaffen werden, auch die deutlich schwierigeren Gesetzmäßigkeiten bei der mathematisch exakten Beschreibung zu verstehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Abläufe bei Raketenflügen beschreiben und erläutern. kennen die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, mit denen Raketenflüge möglich werden. wissen um die Bedeutung des Iterationsverfahrens für das grundlegende Verständnis für die näherungsweise Berechnung der Raketengeschwindigkeit. verwenden den Impulserhaltungssatz, um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen. 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.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe II

Geschichte des Universums: Erstellen von Zeitachsen

Kopiervorlage

In diesem Arbeitsmaterial von ESERO Germany setzen sich die Lernenden mit der Geschichte des Universums auseinander. Dies geschieht mittels der Erstellung von Zeitstrahlen.Die Weiten des Universums sind unendlich und teils unergründlich. Die Zahlen, mit denen bei der Erforschung des Universums gerechnet wird, sind oftmals so groß, dass sie unser Vorstellungsvermögen sprengen. Gerade für junge Lernende ist das hohe Alter des Universums möglicherweise nur schwer zu verstehen und in die richtige Perspektive zu rücken. Mit dieser kreativen und mathematischen Forschungsaufgabe können Schülerinnen und Schüler einen Einblick in die Hauptereignisse der Geschichte des Universums gewinnen und sie auf den leicht verständlichen Zeitmaßstab eines Jahres übertragen. Das Arbeitsmaterial umfasst Hintergrundinformationen zu folgenden Thematiken: Eine kurze Geschichte des Universums Asteroiden Kometen Millionen, Milliarden und Zehnerpotenzen Darüber hinaus gibt es für die Lernenden einen Aufgabenblock mit Arbeitsblättern, welcher sich der Erstellung einer persönlichen Zeitachse sowie einer Zeitachse für das Universum widmet. Dazu gibt es Informationen zur Berechnung von Zeitmaßstäben sowie zu Schlüsselereignissen in der Geschichte des Universums. Eine Lehranleitung sowie Lösungen der Arbeitsblätter für die Lehrkraft sind ebenfalls im Material enthalten.Bei den Aufgaben in diesem Arbeitsmaterial arbeiten die Schülerinnen und Schüler gruppenweise, um Zeitachsen zu erstellen: zunächst eine für ihr eigenes Leben und dann eine für die Hauptereignisse in der Geschichte des Universums. Anschließend rechnen sie die Ereignisse in der Geschichte des Universums auf den Maßstab eines Jahres um, um ein besseres Gefühl für die Verhältnisse der zeitlichen Abläufe zu gewinnen. Ferner untersuchen die Lernenden die Ereignisse und erstellen Werkstücke als Begleitinformation, um sie schließlich vor der Klasse zu präsentieren. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen, dass das Universum sehr alt ist. lernen, dass die Erde erst vor relativ kurzer Zeit entstand. lernen, dass die Menschen erst seit relativ kurzer Zeit auf der Erde leben. lernen die Erstellung einer Zeitachse von Ereignissen ab dem Beginn des Universums bis heute. lernen den Einfluss von Einschlägen auf die Entwicklung der Erde. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in Gruppen an ihren Zeitachsen. präsentieren ihre Forschungsergebnisse im Plenum.

  • Physik / Astronomie / Mathematik / Rechnen & Logik
  • Sekundarstufe I

All.täglich: Erfindungen der Raumfahrt

Kopiervorlage

Dieses Arbeitsmaterial von ESERO Germany regt die Lernenden dazu an, sich auf alltagsbezogene Art und Weise mit Erfindungen aus der Raumfahrt auseinanderzusetzen. Dazu arbeiten sie in Gruppen und erstellen Präsentationen zu unterschiedlichen Themen.Die Erforschung des Weltraums und die Forschung unter Weltraumbedingungen liefert seit Jahrzehnten Wissen und Innovationen für die gesamte Menschheit. Viele dieser neuen Technologien haben allerdings nicht nur für die Raumfahrt einen Nutzen. So trägt die Weltraumforschung oft ganz gezielt, manchmal aber auch auf ungeahnte Weise, zu einer Verbesserung unserer Lebensweise bei. Einige Beispiele solcher Erfindungen hat das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V. in einer Ausstellung zusammengetragen. Die "All.täglich INNOSpace Expo" präsentiert in sechs verschiedenen Kategorien 29 unterschiedliche Forschungen und Erfindungen, die unser Leben in Zukunft verändern könnten . Das Arbeitsmaterial enthält Informationstexte für Schülerinnen und Schüler zu den folgenden Themen, die als Grundlage für die Präsentationen dienen können: Brennstoffzellen ISS Solarenergie Wettervorhersage aus dem All Augenlasern Gleitsichtgläser Mit diesen Arbeitsblättern erhalten die Schülerinnen und Schüler die Chance, sechs unterschiedliche physikalische Erfindungen kennenzulernen, diese selbst aufzuarbeiten und anschließend zu präsentieren. So entsteht eine eigene kleine Weltraumausstellung im Klassenraum, mit der die Lernenden das Thema Weltraumforschung auf eine alltagsnahe und handlungsbezogene Art erfahren . Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler entdecken eine physikalische Erfindung oder Innovation der Raumfahrt. arbeiten diese Erfindung binnendifferenziert aus und präsentieren ihre Arbeitsergebnisse anschaulich. erkunden weitere Erfindungen und Innovationen in individueller Geschwindigkeit. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erstellen Präsentationen zu ihren Arbeitsergebnissen gegebenenfalls mit PowerPoint. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten kooperativ in Gruppen. präsentieren ihre Ergebnisse im Plenum.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Giorgio Parisi und die Funktionsweise komplexer Systeme

Kopiervorlage

Dieses Arbeitsmaterial zum Thema "Giorgio Parisi und die Funktionsweise komplexer Systeme" schlägt anschaulich und praxisnah den Bogen von Parisis "Theorie komplexer Systeme" hin zu einfachen und aktuellen Beispielen. Dazu gehören die Auswirkungen von Schiffshavarien auf weltweite Lieferketten oder die Prognose des Verhaltens von Verbraucherinnen und Verbrauchern bei Benzinpreiserhöhungen.2021 wurde Giorgio Parisi mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Das Nobelkomitee würdigte seine Vorarbeiten zum Verständnis "Komplexer Systeme", die maßgeblich zur Entwicklung komplexer Klimamodelle und zu den heutigen Klimaprognosen beigetragen haben. Das Arbeitsmaterial führt die Schülerinnen und Schüler in vier methodisch variierenden Lernrunden von den Disziplinen des Nobelpreises zu einem ersten Verständnis von komplexen Systemen. Dieses Verständnis wird dann an zwei alltagsnahen Beispielen – in einem Ursache-Wirkungszusammenhang bei der Störung internationaler Lieferketten und in einem Reaktions-Modell für das Verhalten von Verbraucherinnen und Verbrauchern auf Preiserhöhungen bei relativ starren Nachfragefunktionen – vertieft. Passend zu diesem Arbeitsmaterial gibt es eine Unterrichtseinheit Ein Nobelpreis für das Klima im Themendossier Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht . Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen das Wesen komplexer Systeme und können es beispielhaft erklären. konstruieren soziale und wirtschaftliche Modelle. analysieren Wirkungszusammenhänge. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler analysieren und strukturieren themenrelevante Informationen aus Medienangeboten. planen und entwickeln Medienprodukte in vorgegebenen Formaten. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verständigen sich auf Modelle der Realität und kommen im Team zu gemeinsamen Lösungen. können ihre Ergebnisse gemeinsam präsentieren und öffentlich vertreten.

  • Physik / Astronomie / Geographie / Jahreszeiten / Wirtschaft / Politik / WiSo / SoWi
  • Sekundarstufe II, Berufliche Bildung

Wie Satellitenteleskope das All sehen: Workshop mit der Software Aladin Sky Atlas

Kopiervorlage

In diesem Workshop zum Thema "Faszination Weltraum" lernen die Schülerinnen und Schüler die Eigenschaften des Lichtes und die Bedeutung eines Filters kennen, indem sie astronomische Farbbilder mit der lizenzfreien Software "Aladin Sky Atlas" erstellen.Das Arbeitsmaterial von ESERO Germany umfasst einen Ablaufplan der Unterrichtseinheit, weiterführende Links, Informationstexte für die Lernenden zum Thema "Farbbilder in der Astronomie" sowie zur Nutzung von Aladin Sky Atlas. Des Weiteren sind Aufgaben beziehungsweise Arbeitsanweisungen für die Schülerinnen und Schüler und dazugehörige Arbeitsblätter enthalten. Der eintägige Workshop ist geeignet für Schülerinnen und Schüler ab der Jahrgangsstufe 8 (Fächer Astronomie/Physik). In Abhängigkeit vom Arbeitstempo des Kurses kann die Einheit entsprechend zeitlich angepasst werden.Astronomische Bilder begeistern und inspirieren die Menschheit seit jeher. Doch wie entstehen diese Bilder in der Praxis? In diesem Workshop machen sich die Schülerinnen und Schüler mit den Eigenschaften des Lichtes (Wellenlänge, Farbe) vertraut und lernen die Bedeutung eines Filters kennen. Die Möglichkeiten der digitalen Bildbearbeitung (Kontrast, Helligkeit, Farbzuweisung) werden dabei spielerisch erforscht. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Workshops lernen verschiedene astronomische Objekte (Nebel, Galaxien, Sternhaufen, Gravitationslinsen) kennen und vertiefen sich in ein selbstgewähltes Thema, welches sie am Ende der Einheit in Form einer Kurzpräsentation vorstellen. Dieser Workshop beschäftigt sich mit digitalen Bildern von astronomischen Objekten, die zum großen Teil vom Hubble Weltraumteleskop stammen. Es werden schwarz-weiß Bilder aus verschiedenen Filtern zur Verfügung gestellt, die mithilfe der lizenzfreien Software "Aladin Sky Atlas" und einer Schritt-für-Schritt-Anleitung bearbeitet und zusammengelegt werden. Aus den einzelnen schwarz-weißen Bildern werden so astronomische Farb-Bilder erstellt.Die Schülerinnen und Schüler machen sich mit den Eigenschaften des Lichtes vertraut (Wellenlänge, Farbe). lernen die Bedeutung eines Filters kennen. erforschen die Möglichkeiten der digitalen Bildbearbeitung (Kontrast, Helligkeit, Farbzuweisung) spielerisch. lernen verschiedene astronomische Objekte (Nebel, Galaxien, Sternhaufen, Gravitationslinsen) kennen und vertiefen sich in ein selbstgewähltes Thema.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Whitepaper: Bildung nachhaltig transformieren

Fachartikel

Die Digitalisierung hat alle Lebensbereiche, auch die moderne Bildung, erreicht. Das Conrad Education Team, erfahrener Technik-Experte und Lösungsanbieter im Education-Bereich, arbeitet mit unterschiedlichsten Bildungseinrichtungen zusammen und zeigt: Diese können voneinander lernen und von ihren Erfahrungen profitieren. Im neuen, umfangreichen Whitepaper "Bildung transformieren – für eine nachhaltige Digitalisierung" kommen Verantwortliche aus drei Bildungsbereichen im Rahmen von ausführlichen Best-Practice-Beispielen zu Wort und berichten von ihren Erfahrungen.Längst hat die Digitalisierung alle Lebensbereiche erreicht und spätestens seit der Corona-Pandemie ist klar: Moderne Bildung geht nicht ohne. Mit Mitteln aus dem DigitalPakt ist vielerorts der Anfang gemacht – die erforderlichen Infrastrukturen wurden ausgebaut und digitale Endgeräte angeschafft. Doch wie kann die Digitalisierung im Bildungsumfeld weiter ausgebaut und nachhaltig in den schulischen und außerschulischen Alltag integriert werden, sodass Lernerlebnisse mehr Relevanz und Lebensweltbezug erhalten, Lernende aller Altersklassen auch in Zukunft davon profitieren und digitales Equipment Lehrkräften langfristig Flexibilität und Zeitersparnis bei der Unterrichtsgestaltung bringt.

  • Technik / Sache & Technik / Informatik / Wirtschaftsinformatik / Computer, Internet & Co. / Mathematik / Rechnen & Logik / Biologie / Ernährung und Gesundheit / Natur und Umwelt / Physik / Astronomie / Chemie / Natur & Umwelt

Optische Phänomene und Täuschungen in der Natur

Unterrichtseinheit

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.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I

Erneuerbare Energien

Unterrichtseinheit

In dieser 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. Sie ist Teil des auf Lehrer-Online verfügbaren Dossiers „An den Schaltstellen der Zukunft“.Anhand von Infotexten, Grafiken, Schaubildern und interaktiven Anwendungen befassen sich die Lernenden in dieser Unterrichtseinheit "Erneuerbare Energien im Detail" mit der Bedeutung erneuerbarer Energien für die Gesellschaft sowie für private Haushalte. Ausgangspunkt bildet die Frage, welche Rolle erneuerbare Energien in der Gegenwart und in der Zukunft für die Stromversorgung spielen. Dabei geht es auch um die Chancen und Herausforderungen, die mit der Energiewende verbunden sind. Darauf aufbauend werden die Energieformen Erdwärme und Wärmepumpen, Windenergie und Photovoltaik näher vorgestellt. Dabei lernen die Schülerinnen und Schüler auch die Verbreitung und Funktionsweise der einzelnen Anlagen kennen. Die Auseinandersetzung mit Konzepten des energiesparenden Wohnens rundet die Unterrichtseinheit ab.Die Unterrichtseinheit "Erneuerbare Energien im Detail" ist Teil des Dossiers "An den Schaltstellen der Zukunft". Sie bietet neben dem detaillierten Unterrichtsablauf und dem methodisch-didaktischen Kommentar auch die Unterrichtsmaterialien zum Download. Diese bestehen aus Informations- und Arbeitsblättern sowie interaktiven Anwendungen. Dabei dient ein interaktives Multiple-Choice-Quiz der Wiederholung und Festigung des in dieser Unterrichtseinheit erlangten Wissens, eine weitere interaktive Übung verdeutlicht zudem, wie eine Wärmepumpe funktioniert. Zusätzlich geben Link- und Literaturempfehlungen Anregungen für eine weiterführende Beschäftigung. Sie können von Lehrerinnen und Lehrern auch als Recherche- und Vorbereitungsmaterial genutzt werden.

  • Physik / Astronomie / Technik / Sache & Technik / Elektrotechnik / Fächerübergreifend
  • Sekundarstufe II

Wärme, Temperatur und Energie

Unterrichtseinheit

Die Unterrichtseinheit führt die physikalischen Grundbegriffe „Wärme", „Temperatur“ und „Energie“ ein. Als zentrales Beispiel wird die Erwärmung von Wasser herangezogen. Lehrkräften stehen hierbei drei Arbeitsblätter mit Lösungen zur Verfügung.Im Rahmen dieser Unterrichtseinheit sollen die physikalischen Grundbegriffe "Wärme", "Temperatur" und "Energie" eingeführt werden. Da diese den Schülerinnen und Schülern in der Regel bereits aus ihrem Alltag bekannt sind, beginnt die Unterrichtseinheit mit dem Abrufen dieses Wissens, womit insbesondere auch die Schülerinnen und Schüler aktiviert werden sollen. Dazu wird entweder in Stillarbeit oder im Plenum eine Mindmap erstellt, die vorhandenes Wissen strukturiert. Anhand eines einfachen Experiments, das auf dem ersten Arbeitsblatt beschrieben ist und daher nicht im Unterricht durchgeführt werden muss, werden die Begriffe veranschaulicht. In einer anschließenden Diskussion im Plenum wird das neu erworbene Wissen gefestigt. Im zweiten Teil der Unterrichtseinheit erwerben die Schülerinnen und Schüler durch Berechnung der Energie, die für das Erwärmen von Wasser notwendig ist, ein tieferes Verständnis für Energiebedarfe. Durch einfache Rechnungen und Diskussion der Proportionalität zu Stoffmasse und Temperaturunterschied wird die Anwendung der Formel geübt und das Wissen weiter gefestigt. Im letzten Teil der Unterrichtseinheit wird das alltagsnahe Beispiel eines Vier-Personen-Haushalts aufgegriffen. Dabei werden konkrete Energiebedarfe, die bei der Aufbereitung von Warmwasser im Haushalt entstehen, abgeschätzt und diskutiert. Es sollen in diesem Rahmen insbesondere auch die Ergebnisse im Kontext der der Nachhaltigkeit diskutiert werden. Dabei können die Schülerinnen und Schüler feststellen, wie ihr Alltagshandeln den Energiebedarf ihres eigenen Haushalts entscheidend beeinflusst. Die physikalischen Grundbegriffe "Wärme", "Temperatur" und "Energie" sind den Schülerinnen und Schülern bereits aus ihrem Alltag bekannt und können auch in ihrem späteren beruflichen Kontext, insbesondere auch in handwerklichen Berufen wie Anlagenmechaniker:in Sanitär Heizung Klima (SHK), eine wichtige Rolle spielen. Auch in den Lehrplänen wird diesen Begriffen eine hohe Bedeutung zugesprochen; oft werden sie über die verschiedenen Klassenstufen immer wieder, mit jeweils angepasstem fachlichem Anspruch, neu aufgegriffen. Von hoher Bedeutung ist insbesondere, dass es den Schülerinnen und Schülern gelingt, die Begriffe "Wärme", "Temperatur" und "Energie" klar voneinander abzugrenzen. Dazu ist ein vertieftes Verständnis notwendig, was sich am besten durch die genaue Besprechung eines Beispiels erreichen lässt. Im Rahmen dieser Unterrichtseinheit soll dazu das Beispiel "Erwärmen von Wasser" herangezogen werden. Dadurch werden abstrakte Begriffe wie "Energie" auf eine konkrete Ebene gestellt und die Schülerinnen und Schüler können ihre Alltagserfahrungen mit physikalischen Fachbegriffen verknüpfen. In den Übungsaufgaben wird der sprachliche Umgang mit den Begriffen trainiert. Zudem sollen zahlreiche Rechenaufgaben den Schülerinnen und Schülern dabei helfen, mit den physikalischen Größen und Einheiten umzugehen. In dieser Unterrichtseinheit werden verschieden Methoden der Wissensvermittlung angewandt, teils im schnellen Wechsel, um unterschiedliche Lerntypen anzusprechen und die Schülerinnen und Schüler zur Mitarbeit zu animieren. Dazu gehört die Arbeit im Plenum, die Still- und Gruppenarbeit (Think-Pair-Share) sowie das Arbeiten mit Mindmaps . Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Zusammenhang zwischen Wärme, Energie und Temperatur. berechnen den für die Erwärmung notwendigen Energiebedarf. übertragen ihr Wissen über die Erwärmung von Wasser auf nachhaltiges Handeln im Haushalt. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können ihren Informationsbedarf identifizieren, Daten und Informationen mittels einer einfachen digitalen Suche finden sowie die Daten, Informationen und Inhalte aufrufen. erkennen, welche digitalen Dienste geeignet sind, um als mündige/r Bürgerinnen und Bürger am gesellschaftlichen Leben teilzunehmen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren ihre Ergebnisse im Plenum und in Gruppenarbeiten. nehmen ihr eigenes Verhalten im Kontext der Nachhaltigkeit wahr und hinterfragen es kritisch.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I

Das menschliche Auge – Bau und Funktion sowie Fehlerquellen und Korrekturhilfen

Unterrichtseinheit

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.

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