3. Messen versus Beobachten
Bei der Beobachtung schnell bewegter klassischer Objekte erhalten Schülerinnen und Schüler einen ersten vom gewählten Level abhängigen Einblick in verschiedene Laufzeiteffekte des Lichts.
Vorbemerkungen
Keine Mathematisierung der Sachverhalte
In diesem Abschnitt sollen die Schülerinnen und Schüler einen ersten Einblick in Laufzeiteffekte bei Beobachtungen von schnell bewegten Objekten erhalten. Da noch keine relativistischen Werkzeuge zur Verfügung stehen, wird rein klassisch argumentiert. Auf eine Mathematisierung der Sachverhalte wird in diesem Stadium weitgehend verzichtet. Die Arbeit mit den interaktiven Materialien (Online-Arbeitsblätter, Java-Applets) ermöglicht den Schülerinnen und Schülern eigene Beobachtungen.Verzicht auf Visualisierung inkorrekter klassischer Effekte
Sowohl die in Modul 1. Einstieg in das Thema verwendeten Computerfilme als auch die für diesen Abschnitt empfohlenen Java-Applets zeigen die relativistische (zumindest geometrische) Realität. Es wird bewusst davon Abstand genommen, die Effekte der Newtonschen Mechanik bei hohen Geschwindigkeiten zu visualisieren, obwohl auch dazu Java-Applets existieren. Dies hat mehrere Gründe:- Sowohl Retardierung als auch Aberration (Erläuterung der Begriffe siehe weiter unten) treten im klassischen und im relativistischen Fall auf, wenn auch mit unterschiedlicher Intensität.
- Bei einer Konstellation von ruhendem Objekt und nahezu darauf zu fliegender Kamera sind klassische und relativistische Laufzeiteffekte bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit aufgrund der perspektivischen Darstellung trotz Lorentzkontraktion kaum zu unterscheiden, wenn man von der Bildgröße bei gleicher Kameraposition absieht. Die Größe des Bildes ist nicht nur abhängig vom momentanen Standort der Kamera, sondern auch von deren Geschwindigkeit und damit von der Lorentzkontraktion der Bildweite. Die Untersuchung der letzteren wird Gegenstand von Modul 6.4 Analyse der Bildgröße eines schnell bewegten Objektes sein.
- Im relativistischen Fall sind die Beobachtungen für die Konstellationen "bewegte Kamera und ruhendes Objekt" sowie "ruhende Kamera und bewegtes Objekt" identisch.
- Insbesondere wenn die Unterrichtseinheit auf Level 1 absolviert werden soll, schaffen zusätzliche klassische Varianten virtueller Realitäten (un-)vermeidbare Verwirrung, da dann auch andere Anflug- beziehungsweise Vorbeiflugwinkel notwendig werden. Dies geht zu Lasten eines zügigen Fortschritts in Richtung der Ableitung der speziellen Lorentztransformation (Modul 5. Ableitung der speziellen Lorentztransformation).
Unterthemen
Die einzelnen Untermodule des Moduls 3 "Messen versus Beobachten" behandeln die folgenden Themen:
- Grundlagen zu Messen und Beobachten, Zentralperspektive, klassische Retardierung
- Frontaler Anflug auf ein Objekt, klassische Retardierung
- Seitlicher Vorbeiflug an einem Objekt, Aberration
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- 3.1 Grundlagen, Zentralperspektive, klassische Retardierung
Die Jugendlichen gewinnen aus der perspektivischen Ansicht des Tores dessen reale Position mithilfe eines interaktiven Messtools (eigenständiges Arbeiten). Sie erfahren den Effekt der klassischen Retardierung am Beispiel der Abbildung eines vorbei fliegenden Würfels mit einer unendlich weit entfernten Kamera.
