Die beiden Relativitätstheorien gelten als die bedeutendsten Arbeiten von Albert Einstein. Vermutlich können aber nicht sehr viele Physiklehrerinnen und -lehrer von sich behaupten, diese Theorien im Kern wirklich ?verstanden? zu haben (was auch immer ?Verstehen? in diesem Zusammenhang bedeuten mag). Dennoch ist es sogar im fortgeschrittenen Mittelstufenunterricht möglich, einzelne Aussagen auf einer sehr elementaren Ebene herzuleiten und ihre Relevanz aufzuzeigen. Die Spezielle Relativitätstheorie - Einfluss der Geschwindigkeit auf Raum und Zeit - ist dabei (in Teilen) mathematisch einfacher aufgebaut als die ?gravitationsbeherrschte? Allgemeine Relativitätstheorie. Bereits im Unterricht einer 10. Klasse kann daher zum Beispiel die Zeitdilatation unter der Vorgabe einer konstanten Lichtgeschwindigkeit rechnerisch hergeleitet und durch Java-Applets in motivierender Weise veranschaulicht werden.
Die Einsteinsche Zeitdilatation
Unterrichtseinheit
Ausgehend von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit veranschaulichen interaktive Java-Applets zur Lichtuhr und zu einem fiktiven Flug von der Erde zum Pluto den Einfluss der Geschwindigkeit auf die Zeit.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
- 1-2 Stunden
- Ablaufplan, Arbeitsblatt interaktiv
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Didaktisch-methodischer Kommentar
- Vom Inertialsystem zur Lichtgeschwindigkeit
Fachliche Hintergrundinformationen und Anregungen zu Gedankenexperimenten, die als Einstieg in das Thema dienen können - Unterrichtsverlauf und Arbeitsmaterialien
Tipps zum Unterrichtsverlauf und zum Einsatz der Materialien (Java-Applets, FWU-Arbeitsblatt)
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Vermittelte Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler sollen
- ohne experimentellen Beweis akzeptieren, dass die Lichtgeschwindigkeit für jeden Beobachter konstant ist (vor dieser Situation standen zunächst auch viele Naturwissenschaftler zur Zeit der Veröffentlichung der Relativitätstheorie).
- aus der vorgegebenen Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in Verbindung mit geometrischen Überlegungen eine Gleichung für die Zeitdilatation herleiten (kann auch durch die Lehrerin oder den Lehrer vorgegeben werden).
- durch Anwendung dieser Gleichung die Auswirkung der Zeitdilatation erkennen und feststellen, dass diese bei "normalen" Geschwindigkeiten äußerst gering ist.
Internetadressen
- Veranschaulichung der Zeitdilatation
Ein mit der dynamischen Mathematiksoftware GeoGebra erstelltes Java-Applet zur Lichtuhr von Dietmar Hanz. - Ein Beispiel zur Zeitdilatation
Das Applet von Walter Fendt zeigt, dass die Uhr in einem Raumschiff langsamer geht als die im Modell "unbewegten" Planeten Erde und Pluto.
Zusatzinformationen
- Warum läuft die Zeit bei hoher Geschwindigkeit langsamer?
Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie und anschauliche Ausführungen zur Zeitdilatation von Walter Fendt - Gedehnte Zeit und gekrümmte Räume
Eine interaktive Einführung in die Relativitätstheorie auf der Website des ZDF (Lautsprecher Anschalten nicht vergessen!)
