Ausgehend von Einsteins Postulaten - dem Relativitätsprinzip und dem Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit - werden die Schüler und Schülerinnen in Gedankenbeispielen auf die Gesetzmäßigkeiten der Speziellen Relativitätstheorie hingeführt. Dabei werden die unter den Namen Zeitdilatation und Längenkontraktion bekannten Gesetze detailliert hergeleitet. Geeignete Übungsaufgaben ergänzen die Theorie und zeigen, dass teilweise schwer verständliche Zusammenhänge Realität sind, auch wenn davon im Alltagsleben nichts zu spüren ist.
Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie
Unterrichtseinheit
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Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit den "Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie", einem von mehreren Themen, mit denen Albert Einstein im Jahr 1905 - auch sein "annus mirabilis" genannt - die Welt der Physik völlig verändert hat. Seine revolutionären Gedanken und Überlegungen zu verschiedenen Bereichen der Physik haben die bis dahin geltenden Gesetzmäßigkeiten teilweise auf den Kopf gestellt. Bis zum heutigen Tag sind Einsteins Erkenntnisse für viele Menschen nur schwer zu verstehen, auch wenn sie in Teilen mit mathematischen Grundkenntnissen gut nachvollziehbar sind.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 3 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt, Übung, Ablaufplan
- 3 Arbeitsmaterialien
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Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Zunächst werden die Grundprinzipien der Speziellen Relativitätstheorie angesprochen und von den Schülerinnen und Schülern mit der Lehrkraft im Plenum diskutiert.
15 Minuten -
Hinführung
Anhand eines Gedankenversuches werden die Unterschiede zwischen einem ruhenden und einem sich mitbewegenden Beobachter erläutert.
30 Minuten -
Hausaufgabe I
Als Hausaufgabe werten die Schülerinnen und Schüler Abbildungen des Arbeitsblattes 1 aus und versuchen Gleichungen aufzustellen.
-
Besprechung I
Die Hausaufgaben der letzten Unterrichtsstunde werden im Plenum besprochen. Anschließend leiten die Schülerinnen und Schüler zusammen mit der Lehrkraft die Zeitdilatation an der Tafel und die Längenkontraktion als Übungsaufgabe auf Arbeitsblatt 2 Schritt für Schritt her.
35 Minuten -
Vorbesprechung der kommenden Hausaufgaben
Die zur Hausaufgabe anstehenden Übungsaufgaben von Arbeitsblatt 2 und 3 werden vorbesprochen und die Schülerinnen und Schüler diskutieren mit der Lehrkraft Lösungsansätze.
10 Minuten -
Hausaufgabe II
Die Schülerinnen und Schüler lösen die Übungsaufgaben selbstständig zu Hause.
-
Besprechung II
Die Schülerinnen und Schüler vergleichen ihre Lösungen der Arbeitsblätter 2 und 3 im Plenum mit der Lehrkraft gemeinsam.
45 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie
Die revolutionären Erkenntnisse von Albert Einstein waren die Grundlage, um die bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts geltenden Erkenntnisse der Physik auf den Prüfstand zu stellen. Insbesondere die Spezielle Relativitätstheorie macht es möglich, dass wir heute ganz selbstverständlich mit einem Navigationssystem im Auto unterwegs sind, das uns mit großer Präzision an unser Ziel bringt.
Vorkenntnisse
Vorkenntnisse von Lernenden können nur insoweit vorausgesetzt werden, dass der Name Albert Einstein bekannt und mit komplizierten und revolutionären Veränderungen in der Physik verbunden ist. Konkrete Kenntnisse sind jedoch nicht zu erwarten, weil das zugehörige physikalischen Wissen selbst im Rahmen der gymnasialen Oberstufe nur eingeschränkt vermittelt werden kann.
Didaktische Analyse
Die Erkenntnisse aus der Speziellen Relativitätstheorie können den Lernenden in Form von einfach gehaltenen Beispielen gut vermittelt werden. So können die Vorgänge bei hohen Relativgeschwindigkeiten - beispielsweise in Beschleunigeranlagen - ebenso gut eingeordnet werden wie bei hypothetischen Reisen zu fernen Sternen oder Galaxien.
Methodische Analyse
Einfache und etwas schwierigere Übungsaufgaben sollen die zunächst nicht gerade leicht zu verstehenden Zusammenhänge bei der Speziellen Relativitätstheorie den Schülerinnen und Schülern näherbringen. Ein tieferes Einsteigen in die komplizierte Thematik setzt ein hohes Maß an mathematischen Kenntnissen voraus, die am Gymnasium nur eingeschränkt vermittelt werden können.
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Unterrichtsmaterial "Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie" (PDF)
- spezielle-relativitaetstheorie-arbeitsblatt-1.pdf
Auf diesem Arbeitsblatt werden die Grundprinzipien der Speziellen Relativitätstheorie vorgestellt. In einem Gedankenbeispiel wird zum einen der Unterschied zur Newton'schen Mechanik verdeutlicht und zum anderen die Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit hervorgehoben.
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In diesem Arbeitsblatt werden die Begriffe "Zeitdilatation" und "Längenkontraktion" erläutert und die daraus resultierenden Gesetzmäßigkeiten hergeleitet. An die Beispiele angelehnte Übungsaufgaben sollen ein tieferes Verständnis für die schwierigen Zusammenhänge ermöglichen.
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Unterrichtsmaterial "Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie" (Word)
- spezielle-relativitaetstheorie-arbeitsblatt-1.docx
Auf diesem Arbeitsblatt werden die Grundprinzipien der Speziellen Relativitätstheorie vorgestellt. In einem Gedankenbeispiel wird zum einen der Unterschied zur Newton'schen Mechanik verdeutlicht und zum anderen die Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit hervorgehoben.
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In diesem Arbeitsblatt werden die Begriffe "Zeitdilatation" und "Längenkontraktion" erläutert und die daraus resultierenden Gesetzmäßigkeiten hergeleitet. An die Beispiele angelehnte Übungsaufgaben sollen ein tieferes Verständnis für die schwierigen Zusammenhänge ermöglichen.
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen zu den Übungsaufgaben.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen um die Zusammenhänge bei der Speziellen Relativitätstheorie.
- können die Begriffe "Zeitdilatation" und "Längenkontraktion" beschreiben und herleiten.
- können die Bedeutung der Speziellen Relativitätstheorie für die Entwicklung technischer Großprojekte einordnen.
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 Mitschülern auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.
Externe Links
- youtube.com
Über diesen Link gelangen Sie zu einem, durch Animationen unterstützten, Erklärvideo zur Speziellen Relativitätstheorie.
- youtube.com
Über diesen Link gelangen Sie zu einem Video, in dem Prof. Harald Lesch mit seinen Worten die Relativitätstheorie erklärt.
- youtube.com
Über diesen Link gelangen Sie zu einem Video, in dem die Zeitdilatation besprochen und die Frage geklärt wird, warum Zeit nicht gleich Zeit ist.
- youtube.com
Über diesen Link gelangen Sie zu einem Video, in dem bei der Besprechung der Speziellen Relativitätstheorie auf die Besonderheiten der Längenkontraktion eingegangen wird.
- wissenschaft.de
Über diesen Link gelangen Sie zu einem Artikel, in dem man nachlesen kann, warum ein Navigationssystem ohne Einstein unmöglich wäre.
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