Unterrichtsmaterialien → Physik Sekundarstufen

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.