Anhand eines einfachen Beispiels in Form eines Raketenwagens wird den Schülerinnen und Schülern das auf der Impulserhaltung basierende Rückstoßprinzip vorgestellt und Schritt für Schritt erläutert. Dabei reicht es zum Verstehen für die Lernenden zunächst völlig aus, den Ausstoß der "Treibstoffmasse" in kleinen Einzelportionen zu simulieren und die Ergebnisse für Berechnungen wie etwa die Geschwindigkeit des Raketenwagens mittels der Gesetze zur Impulserhaltung zu verwenden. Dieses sogenannte "Iterationsverfahren" macht es durch Verkleinerung entsprechender Parameter wie Masse oder Zeit möglich, Näherungslösungen zu finden, die der tatsächlichen Geschwindigkeit immer näherkommt. Für eine exakte Bestimmung der Geschwindigkeit benötigt man im weiteren Verlauf des Unterrichts dann die Gesetzmäßigkeiten der Differential- und Integralrechnung.
Grundlagen der Raketenphysik
In dieser Unterrichtseinheit zum Thema "Grundlagen der Raketenphysik" wird die Fortbewegung von Raketen im Weltraum thematisiert. Diese Art der Fortbewegung ist deshalb besonders, weil im Gegensatz zu den uns auf der Erde bekannten Fortbewegungsmöglichkeiten wie etwa dem Gehen, Fahren oder auch Fliegen im Weltraum außerhalb der Lufthülle der Erde das Medium zum Abstoßen (Boden oder Luft) fehlt. Dass der Flug von Raketen trotzdem möglich ist, liegt an der Art des Antriebes von Raketen – der von der Rakete ausgestoßene verbrannte Treibstoff sorgt aufgrund des Rückstoßprinzips für die Vorwärtsbewegung der Rakete.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 2 Unterrichtsstunden
- Ablaufplan, Ãœbung
- 2 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
-
Einstieg
In einer kurzen Diskussion können die Lernenden ihre Meinung äußern, wie sie sich einen Raketenflug "vorstellen". Mit den bereits besprochenen Gesetzen zur Impulserhaltung werden die Schülerinnen und Schüler zum Thema geführt.
10 Minuten -
Hinführung
Am Beispiel des Raketenwagens werden die Abläufe beim Ausstoß von Masse-Portionen erläutert und die dazu notwendigen Gleichungen hergeleitet und durch Übungsaufgaben (Arbeitsblatt 1 und 2) ergänzt.
30 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe sollen die Schülerinnen und Schüler die Übungsaufgabe 1 (Arbeitsblatt 1) zu Ende rechnen.
5 Minuten -
Ergebnisse herleiten
Die Ergebnisse aus der Hausaufgabe werden kurz diskutiert und korrigiert (Arbeitsblatt 2).
5 Minuten -
Vertiefung des Gelernten
Die Übungsaufgabe 2 wird gemeinsam berechnet; anschließend werden die Ergebnisse intensiv diskutiert (Arbeitsblatt 1 und 2).
40 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Grundlagen der Raketenphysik: auf dem Weg in den Weltraum
Die seit Jahren verstärkt zunehmenden Aktivitäten – auch von finanzstarken Privatunternehmen – zeigen deutlich, welche Rolle Raketen für den Transport einer Vielzahl von Satelliten in erdnahe Umlaufbahnen oder auch zur Erforschung weit entfernter Himmelsobjekte (Stichwort: Marsmission) haben. Die dafür notwendige Technik und damit auch die dahinterstehende Physik ist zwar – im Detail betrachtet – äußerst kompliziert und aufwendig, kann aber im Rahmen der speziellen Möglichkeiten der Oberstufenphysik des Gymnasiums gut besprochen werden.
Vorkenntnisse
Vorkenntnisse von Lernenden können nur in der Weise vorausgesetzt werden, dass unter anderem die von jedem Jugendlichen benutzten Smartphones sehr von stationären Satelliten abhängen und mithilfe von Raketen in ihre Umlaufbahn gebracht werden müssen. Weitere Kenntnisse über Bau und Funktion von Raketen sollten eher die Ausnahme sein.
Didaktische Analyse
Bei der Behandlung dieses Themas kann man davon ausgehen, dass das Rückstoßprinzip, das bei Raketen, aber auch bei Flugzeugen in ähnlicher Weise den Vortrieb ermöglicht, von den meisten Lernenden, die Physik in der Oberstufe gewählt haben, problemlos verstanden werden kann.
Methodische Analyse
Die Annäherung an die exakten Vorgänge beim Antrieb von Raketen mithilfe des an Näherungslösungen angelegten Iterationsverfahrens stellt eine gute Möglichkeit dar, auf relativ einfache Art den Lernenden das Rückstoßprinzip nahezubringen. Damit können die Voraussetzungen für die besonders interessierten Schülerinnen und Schüler geschaffen werden, auch die deutlich schwierigeren Gesetzmäßigkeiten bei der mathematisch exakten Beschreibung zu verstehen.
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Unterrichtsmaterial "Grundlagen der Raketenphysik" zum Download
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Auf dem Arbeitsblatt werden zunächst die Grundprinzipien zur Fortbewegung von Raketen beschrieben. Anschließend werden in Form von Übungsaufgaben Gesetzmäßigkeiten hergeleitet und angewendet.
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Auf dem Arbeitsblatt werden zunächst die Grundprinzipien zur Fortbewegung von Raketen beschrieben. Anschließend werden in Form von Übungsaufgaben Gesetzmäßigkeiten hergeleitet und angewendet.
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen zu den Übungsaufgaben.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- können die Abläufe bei Raketenflügen beschreiben und erläutern.
- kennen die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, mit denen Raketenflüge möglich werden.
- wissen um die Bedeutung des Iterationsverfahrens für das grundlegende Verständnis für die näherungsweise Berechnung der Raketengeschwindigkeit.
- verwenden den Impulserhaltungssatz, um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen.
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.
