Allgemeine Relativitätstheorie: die Sonnenfinsternis-Expedition

Unterrichtseinheit

Diese Unterrichtseinheit zur Allgemeinen Relativitätstheorie thematisiert die Sonnenfinsternis-Expedition im Jahre 1919, welche die Lichtablenkung von Sternenlicht am Rand der Sonne vermessen konnte. Damit gelang eine erste experimentelle Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie, was Albert Einstein zu großer Popularität verhalf. Fast 100 Jahre später steht die Relativitätstheorie erneut im Fokus öffentlichen Interesses, denn mit dem direkten Nachweis von Gravitationswellen konnte eine weitere, wichtige Vorhersage der Theorie betätigt werden.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe II
  • 4 bis 5 Unterrichtsstunden
  • Arbeitsblatt, Recherche-Auftrag, Übung, Video
  • 4 Arbeitsmaterialien

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Die Schülerinnen und Schüler recherchieren Hintergrund, Durchführung und Ergebnisse der Sonnenfinsternis-Expedition. Sie berechnen die extrem kleinen Verschiebungen der Sternpositionen auf der Fotoplatte unter Verwendung der Fernrohr-Brennweise und vergleichen die Messergebnisse mit den Vorhersagen der klassischen und der relativistischen Physik. Sie äußern sich zu der Aussagekraft der Messergebnisse.

Die Materialien nehmen Bezug auf ein Erklärvideo aus der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen. Zu diesem Video finden Sie bei Lehrer-Online noch zwei weitere Unterrichtseinheiten, welche die erste indirekte Bestätigung von Gravitationswellen mithilfe eines Pulsars (1974) sowie den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen mithilfe von Laser-Interferometern (2015) zum Inhalt haben und ergänzend zur vorliegenden Einheit im Unterricht eingesetzt werden können.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

Didaktisch-methodischer Kommentar

Didaktische Analyse

Die im Jahr 1919 durchgeführten Sonnenfinsternis-Expeditionen nach Principe (Westafrika) und Sobral (Brasilien) hatten den Charakter eines "Experimentum Crucis" – eines Entscheidungsexperiments. Auch die klassische Physik nach Newton sagt eine Ablenkung eines Lichtstrahls voraus, wenn dieser dicht an einer großen Masse, wie zum Beispiel die der Sonne, vorbeigeht. Einstein konnte aber aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie 1915 ausrechnen, dass die Lichtablenkung (in erster Näherung) doppelt so groß sein müsste, wie sie sich aus der klassischen Physik ergibt. Die experimentelle Bestimmung des Ablenkwinkels sollte also entscheiden, ob die Relativitätstheorie die allgemeingültige Beschreibung von Gravitation darstellt.

Vom Standpunkt der Physikdidaktik stellt die damalige Situation ein Paradebeispiel dar, wie wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen und abgesichert werden. Die Materialien zu dieser Unterrichtseinheit sollen dies widerspiegeln. Die Idee, die Lichtablenkung mithilfe der Verschiebung der Sternpositionen bei einer Sonnenfinsternis nachzuweisen, ist bestechend einfach – die Durchführung allerdings aufgrund der extrem kleinen Effekte äußerst schwierig. Auch diese Problematik wird in den Arbeitsblättern thematisiert, indem die Lernenden berechnen, wie groß die Verschiebungen der Sternpositionen auf den Fotoplatten nach Einstein tatsächlich sein sollten. Nur so lässt sich ermessen, wie schwierig die Auswertung und Interpretation der Messungen seinerzeit waren.

Methodische Analyse

Ein Erklär-Plakat, das 1919 in einer populären Zeitschrift (Illustrated London News) die physikalischen Hintergründe und Zusammenhänge der Sonnenfinsternis-Expedition darstellte, dient den Schülerinnen und Schülern als Anlass, Informationen über die damalige Forschungsreise zu sammeln und zusammenzustellen. Aus heutiger Sicht ist es erstaunlich, wie gut man damals bereits in der Lage war, Wissenschaft journalistisch aufzuarbeiten und den Bürgerinnen und Bürgern näher zu bringen.

Im Weiteren rechnen die Lernenden den Ablenkwinkel am Sonnenrand konkret aus und werten die Positionen von sieben Sternen, die auf den Fotoplatten sichtbar wurden, graphisch aus, um dann eine Entscheidung für oder wider die Hypothese von Einstein treffen zu können.

Vorkenntnisse

Die Lernenden sollten das Gravitationsgesetz von Newton kennen. Die Formel für die Lichtablenkung ist nicht schwierig und wird fertig angegeben. Allerdings stellt der Umgang mit den unterschiedlichen Begriffen bei der Berechnung von Winkeln (Bogensekunden, Grad, Radiant, Bogenmaß) die Schülerinnen und Schüler erfahrungsgemäß vor Probleme. Daher werden verhältnismäßig große Vorgaben diesbezüglich in den Materialien gemacht. Vermutlich ist aber auch Lehrerhilfe an der einen oder anderen Stelle sinnvoll und notwendig.

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Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • erkennen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie von der klassischen Physik abweicht, sobald die gravitativ wirkenden Massen groß oder die Abstände zu diesen klein werden.
  • berechnen physikalische Größen.
  • werten Messwerte aus.
  • interpretieren und bewerten Versuchsergebnisse.
  • erklären physikalische Phänomene und Versuchsanordnungen im Sachzusammenhang.
  • stellen die wissenschaftliche Bedeutung von physikalischen Erkenntnissen heraus.

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • können die im Video dargestellten physikalischen Inhalte nach Relevanz filtern und strukturiert wiedergeben sowie Informationen gezielt herausstellen.
  • können Texte in gedruckter und digitaler Form nach bestimmten Fragestellungen hin untersuchen und die relevanten Informationen herausarbeiten.

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • arbeiten konstruktiv und kooperativ in Partner- oder Gruppenarbeit.
  • diskutieren in Partner- oder Gruppenarbeit und äußern dabei ihre Meinung unter Nutzung ihrer fachlichen Kenntnisse.
  • stellen Ergebnisse der Partner- und Gruppenarbeit angemessen und verständlich im Plenum dar.

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Matthias Borchardt

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