Die Schülerinnen und Schüler werden an das Thema über die klassische Newton'sche Mechanik herangeführt. Sie erkennen dabei sehr schnell, dass die Newton'sche Mechanik bei kleinen Geschwindigkeiten weit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit in unserem Alltag gut funktioniert, doch bei Zunahme an Geschwindigkeit und insbesondere bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit einer völlig neuen Beschreibung bedarf, die durch zahlreiche Experimente belegt ist.
Die relativistische Masse
Unterrichtseinheit
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Die Unterrichtseinheit "Relativistische Masse" zeigt anhand verschiedener Beispiele, wie Albert Einstein - ausgehend von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit - die Zunahme der "trägen" Masse in Abhängigkeit von ihrer Geschwindigkeit hergeleitet hat. Mithilfe der Zeitdilatation wird gezeigt, wie Beobachter in verschiedenen Bezugssystemen einen im Prinzip gleichbleibenden Vorgang völlig unterschiedlich wahrnehmen und beschreiben.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 2 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt, Übung, Ablaufplan
- 3 Arbeitsmaterialien
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Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Anhand einer realistischen Beispielaufgabe können die Schülerinnen und Schüler selbst berechnen, warum die klassische Mechanik nach Newton nur bei vergleichsweise kleinen Geschwindigkeiten gut funktioniert (Arbeitsblatt 1).
10 Minuten -
Herleitung
In einem Gedankenbeispiel werden die unterschiedlich zu beobachtenden Abläufe in einem ruhenden und einem sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegendem Inertialsystem besprochen und zur Formel für die Massenzunahme zusammengeführt (Arbeitsblatt 1).
30 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe sollen die Schüler herausfinden, welche "Spezialfälle" sich durch die Massenzunahme ergeben und erste einfache Übungsaufgaben lösen (Arbeitsblatt 1 und 2).
5 Minuten -
Ergebnisse herleiten
Die Ergebnisse aus der Hausaufgabe werden diskutiert und durch weitere Übungsaufgaben ergänzt, die in verschiedenen Gruppen erarbeitet werden können (Arbeitsblatt 1 und 2 sowie Lösungsblatt).
40 Minuten -
Vertiefung
Die Übungsaufgabe 5 wird kurz besprochen und soll als Hausaufgabe erarbeitet werden (Arbeitsblatt 2).
5 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Die relativistische Masse
Bei der Besprechung der relativistischen Massenzunahme muss den Lernenden in aller Deutlichkeit klar gemacht werden, dass diese Vorgänge im Alltag weder relevant noch beobachtbar sind; vielmehr sollte der Zusammenhang der Unerreichbarkeit der Lichtgeschwindigkeit durch möglichst anschauliche Gedankenbeispiele mit den zugehörigen - möglichst einfachen - Berechnungen vermittelt werden.
Vorkenntnisse
Vorkenntnisse von Lernenden können insofern vorausgesetzt werden, dass allein schon der Name "Albert Einstein" jedem Schüler und jeder Schülerin in irgendeiner Form bekannt sein dürfte. Darüber hinaus wird aber schon die Herleitung der Formel für die relativistische Massenzunahme den meisten Lernenden Schwierigkeiten bereiten mit der Folge, dass man nicht versuchen sollte, das Thema zu sehr zu vertiefen.
Didaktisch-methodische Analyse
Bei der Behandlung der Themen zur Speziellen Relativitätstheorie reicht es aus, die Schüler und Schülerinnen für ein schwieriges Thema zu sensibilisieren, aber nicht zu überfordern. Deshalb macht es sicher Sinn, sich auf einfache Erklärungen und Übungsaufgaben zu beschränken. Die Gesetzmäßigkeiten zur relativistischen Massenzunahme lassen sich auf halbwegs einfache und nachvollziehbare Art und Weise herleiten; deshalb kann man auf die zahlreichen und durchaus komplizierten Herleitungen verzichten und diese den mathematisch interessierten und versierten Schülerinnen und Schülern überlassen - beispielsweise für ein späteres Studium.
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Unterrichtsmaterial "Die relativistische Masse" (PDF)
- die-relativistische-masse-arbeitsblatt-1.pdf
Das Arbeitsblatt 1 führt über eine gut berechenbare Übungsaufgabe zum Kern der Massenzunahme bei hohen Geschwindigkeiten - in Form von Gedankenbeispielen wird der Vorgang veranschaulicht und mathematisch hergeleitet.
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In diesem Arbeitsblatt zeigen einfache und anspruchsvollere Übungsaufgaben, was man sich unter der relativistischen Massenzunahme vorzustellen hat.
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Unterrichtsmaterial "Die relativistische Masse" (Word)
- die-relativistische-masse-arbeitsblatt-1.docx
Das Arbeitsblatt 1 führt über eine gut berechenbare Übungsaufgabe zum Kern der Massenzunahme bei hohen Geschwindigkeiten - in Form von Gedankenbeispielen wird der Vorgang veranschaulicht und mathematisch hergeleitet.
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In diesem Arbeitsblatt zeigen einfache und anspruchsvollere Übungsaufgaben, was man sich unter der relativistischen Massenzunahme vorzustellen hat.
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen zu den Beispielaufgaben der relativistischen Masse und den weiteren Übungsaufgaben.
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Hier können Sie alle Arbeitsblätter sowie die Lösungen der Einheit "Die relativistische Masse" im Word-Format als ZIP-Ordner herunterladen.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- können erklären, warum die Masse eines extrem beschleunigten Körpers zunimmt.
- wissen, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Grenzgeschwindigkeit darstellt, die nicht überschritten werden kann.
- können die relativistische Massenzunahme dahingehend einordnen, dass sie im Alltagsleben keine Rolle spielt.
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 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.
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