Unterrichtsmaterialien → MINT-Fächer Sekundarstufen

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.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. 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. 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.

In dieser Unterrichtseinheit zur Quantenmechanik wird anhand einer Auseinandersetzung mit dem Leben und Wirken des Physikers und Nobelpreisträgers Werner Heisenberg die Quantenmechanik auf einfache und auf das reale Leben abbildbare Weise eingeführt. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.In dieser Unterrichtseinheit zur Quantenmechanik werden die Schülerinnen und Schüler in mehreren Lernrunden zunächst über das Leben und Wirken von Werner Heisenberg anhand eines Videos informiert. Sein Leben bildet dabei eine Allegorie zu seiner Unschärferelation, welche im weiteren Verlauf durch das Gedankenexperiment "Schrödingers Katze" und anschließenden Messreihen an geometrischen Formen eingeleitet wird. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier "Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht" . Die Themen Quantenmechanik und Werner Heisenberg im Unterricht Diese Unterrichtseinheit zum Leben und Werk von Werner Heisenberg kann als Einstieg in die Quantenmechanik genutzt werden. Vor allem durch die Diversität seines Lebens lässt sich eine Allegorie zur Unschärferelation bilden; dies erlaubt einen sowohl historischen als auch praktischen Einstieg in das Thema. Die Thematik der Heisenbergschen Unschärferelation ist in den Rahmenlehrplänen im Bereich der Quantenphysik verankert. Vorkenntnisse Aufseiten der Lernenden werden keine speziellen Vorkenntnisse vorausgesetzt. Die Lehrkraft hingegen sollte mit dem Gedankenexperiment "Schrödingers Katze", mit der Heisenbergschen Unschärferelation sowie mit den grundlegenden Aspekten der Quantenmechanik vertraut sein, auf die im Erklärvideo eingegangen wird. Diesbezüglich sollte sie zudem mit den Begriffen "Präparation" und "Messen" vertraut sein. Didaktische Analyse Mit dieser Unterrichtseinheit zur Einführung in die Quantenmechanik wird eine Allegorie zwischen dem Leben und Wirken des Physikers und Nobelpreisträgers Werner Heisenberg verdeutlicht, was einen lebensnahen Aspekt mit der Theorie der Unschärferelation in Bezug setzt. An praktischen Beispielen lernen die Schülerinnen und Schüler Grundbegriffe der Quantenmechanik kennen. Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Aussagen und die Konsequenzen der Heisenbergschen Unschärferelation (Ort – Impuls, Energie – Zeit). Methodische Analyse Durch die methodische Aufbereitung der Unterrichtssequenz wird eine hohe Schüleraktivität erreicht. Der Einstieg wie auch das Erklärvideo als Medium sollen das Interesse und die Diskussionsbereitschaft der Lernenden schon zu Beginn der Sequenz wecken. Schwierige Arbeitsaufträge werden durch Partnerarbeiten und Experimente methodisch aufgefangen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können das Gedankenexperiment "Schrödingers Katze" erläutern. kennen zentrale Aspekte aus dem Leben und Wirken des Physikers und Nobelpreisträgers Werner Heisenberg. können die Begriffe "Messen" und "Präparation" erläutern und richtig anwenden. erkennen eine Allegorie zwischen dem Leben von Werner Heisenberg und seiner Unschärferelation. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können den Informationsgehalt eines Erklärvideos erfassen, strukturiert und aufgabengenbezogen wiedergeben und anwenden. recherchieren Hintergrundinformationen im Internet. spielen Videoclips sequentiell ab. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konstruktiv in Teams zusammen. setzen sich mit den Arbeitsergebnissen anderer Gruppen konstruktiv auseinander. entwickeln Fachwissen zu aktueller Technik, welche auf die physikalischen Grundkenntnisse abgebildet werden kann, und können dieses auch gegenüber anderen erläutern. Hier können Sie sich das Video zur Unterrichtseinheit "Einführung in die Quantenmechanik: Werner Heisenberg" anschauen.

In diesen Unterrichtsstunden zum Thema Fotosynthese erarbeiten die Schülerinnen und Schüler anhand eines Erklär-Videos und Arbeitsblättern die Fotosynthesegleichung und den Ort der Fotosynthese. Außerdem befassen sie sich mit künstlicher Fotosynthese. Weiterführend beschäftigen sie sich mit dem Lichtabsorptionsspektrum von Chlorophyll sowie dem Grobschema der lichtabhängigen Teilreaktion.Die Lernenden erarbeiten anhand des Materials zunächst grundlegendes Wissen über die Fotosynthese und ihre Bedeutung. Dazu stellen sie die Fotosynthesegleichung als Wortgleichung sowie als chemische Gleichung dar. Darüber hinaus beschäftigen sie sich mit dem Ort der Fotosynthese und erkennen, warum Blätter grün sind. Optional kann das Thema der Lichtabsorption von Chlorophyll vertieft werden. Eine weitere Vertiefung findet statt, indem die Lernenden sich den Aufbau von Chloroplasten und das Grobschema der lichtabhängigen Teilreaktion mithilfe weiterführender Erklär-Videos erarbeiten. Sie lernen außerdem die Begriffe "künstliche Fotosynthese" und "Photokatalysatoren" kennen und stellen damit verbundene Zukunftsvisionen, aber auch mögliche Probleme dar. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträ gertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier "Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht" . Das Thema Fotosynthese im Unterricht Ohne die Fotosyntheseleistung wäre ein Leben auf der Erde nicht möglich – daher ist die Behandlung der Fotosynthese im Fach Biologie von besonderer Bedeutung. Aufgrund der biochemischen Vorgänge ist das Thema auch für das Fach Chemie relevant. Das Thema Fotosynthese findet sich in den Lehrplänen der Sekundarstufe I in der Unterrichtsreihe zum Lebenszyklus der Blütenpflanzen (als Wortgleichung) sowie in der Unterrichtsreihe zu Zellen und Gewebe (in ausführlicherer Form) wieder. In der Sekundarstufe II werden die Kenntnisse zur Fotosynthese – besonders auf biochemischer Ebene – vertieft. Vorkenntnisse Es wird kein spezielles Fachwissen zum Thema Fotosynthese vorausgesetzt, allerdings sollten die Schülerinnen und Schüler ab der Mittelstufe mit den chemischen Symbolen sowie dem Aufbau der Zelle vertraut sein. Die Schülerinnen und Schüler können sich mithilfe des Erklär-Videos zur Fotosynthese sowohl die Wort- als auch die chemische Gleichung erarbeiten. Das Unterrichtsmaterial bietet außerdem die Möglichkeit, das Lichtabsorptionsspektrum von Chlorophyll und – für den Einsatz in der Oberstufe – das Grobschema der lichtabhängigen Teilreaktion nachzuvollziehen. Des Weiteren bietet das Erklär-Video Einblicke in die Möglichkeiten und Probleme künstlicher Fotosynthese, sodass auch hier kein Vorwissen notwendig ist. Didaktische Analyse Das Unterrichtsmaterial zur Fotosynthese ist als erste intensivere Auseinandersetzung mit dem Thema (Sekundarstufe I) beziehungsweise als Wiederholung (Sekundarstufe II) konzipiert. Durch die Konfrontation mit einer bedeutsamen Aussage soll zunächst das Interesse am Thema Fotosynthese und der damit verknüpften Bedeutung für das Leben auf der Erde geweckt werden. Die Schülerinnen und Schüler gewinnen einen ersten Eindruck über die Fotosynthesegleichung in Worten und chemischen Symbolen. Anschließend erfahren sie, wo die Fotosynthese abläuft und wie Blätter zu ihrer Grünfärbung kommen, ehe sie sich mit der Relevanz der künstlich hergestellten Fotosynthese für die Zukunft beschäftigen. In der Oberstufe wird den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit gegeben, wesentliche Grundlagen der lichtabhängigen Teilreaktion zu erarbeiten, ohne jedoch ins Detail zu gehen. Eine vertiefte Behandlung der lichtabhängigen Teilreaktion sowie eine weiterführende Behandlung der Dunkelreaktion sollten im Anschluss stattfinden. Methodische Analyse Durch die methodische Aufbereitung der Unterrichtssequenz wird eine hohe Schüleraktivität erreicht. Das Video als Medium erhält das durch den Einstieg geweckte Interesse am Thema Fotosynthese aufrecht. Schwierige Arbeitsaufträge werden durch Partnerarbeiten aufgefangen, und Diskussionsrunden zum Wissensaustausch und zur Wissenserweiterung finden im Plenum statt. Durch Vertiefungsaufgaben kann bei Bedarf eine Binnendifferenzierung beziehungsweise eine Weiterarbeit in der Oberstufe erfolgen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich aus dem Unterrichtsmaterial die Fotosyntheseleistung und den Ort der Fotosynthese. lernen den Begriff der künstlichen Fotosynthese kennen und erarbeiten sich – anhand des Materials oder unter Einbeziehung von Vorkenntnissen – Zukunftsvisionen und mögliche Probleme der künstlichen Fotosynthese. präsentieren ihre Ergebnisse unter Verwendung der Fach- und Symbolsprache. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können das in den Videos präsentierte Wissen nach Relevanz filtern und strukturiert darstellen. können aus informationsreichen und komplexen Vorträgen wesentliche Sachverhalte notieren und auf Abbildungen übertragen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schülerarbeiten konstruktiv und kooperativ in Partner- oder Gruppenarbeit. stärken durch die geschützte Atmosphäre in Partnerarbeitsphasen ihr Selbstkonzept. diskutieren in Partner- oder Gruppenarbeiten und sind dabei in der Lage, ihre Meinung unter Nutzung von Fachwissen und Fachbegriffen begründet zu äußern. Hier können Sie sich das Video zur Unterrichtseinheit anschauen.

In dieser Unterrichtssequenz zum Thema "Kleine Biomoleküle" erarbeiten die Schülerinnen und Schüler anhand eines Videos Aufgaben und Bedeutung von kleinen Molekülen für den menschlichen Körper. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.Die Schülerinnen und Schüler lernen anhand dieses Materials Vitamine, Neurotransmitter und Hormone als kleine Biomoleküle kennen, erarbeiten deren Aufgaben und geben jeweils ein konkretes Beispiel mit Strukturformel an. Die Bedeutung dieser kleinen Moleküle kann anhand einer Metapher diskutiert werden. Die Informationen beziehen die Lernenden aus einem Lehrvideo. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier "Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht" . Das Thema kleine Biomoleküle im Unterricht Im naturwissenschaftlichen Unterricht tauchen kleine Biomoleküle wie Vitamine, Hormone und Neurotransmitter immer wieder auf, sei es in den Unterrichtseinheiten zu Neurologie und Ernährung (Fach Biologie) oder in der Einheit zu biochemischen Molekülen (Fach Chemie). Obwohl sie an vielen Prozessen beteiligt sind, werden die kleinen Moleküle für sich selbst in ihrer Funktion und Bedeutung nur selten zum Gegenstand im Unterricht. Diese Unterrichtssequenz bietet hierfür Unterrichtsmaterial an. Vorkenntnisse Das eingebundene Lehrvideo zeigt Strukturformeln, die von den Schülerinnen und Schülern übernommen werden sollen. Hierfür sollte die Skelettschreibweise bekannt sein. Die Bedeutung und Funktion von Neurotransmittern wird im Video erläutert, aber nicht visualisiert. Haben die Schülerinnen und Schüler hierzu noch kein Vorwissen, können sie mit Arbeitsblatt 3 unterstützt werden. Didaktische Analyse Die Bedeutung von Vitaminen für eine gesunde Ernährung scheint heute allseits bekannt. Dieses Wissen wird durch den Einstieg in die Unterrichtsstunde zu kleinen Molekülen aufgegriffen. Die Krankheit Skorbut und die Experimente von James Lind können hier eine Motivationsgrundlage für die anschließende Erarbeitungsphase legen. Diese ist so gestaltet, dass die Schülerinnen und Schüler einen grundlegenden Überblick über kleine Biomoleküle erhalten und dennoch konkrete Vertreter von Vitaminen, Hormonen und Neurotransmittern kennenlernen. Die erarbeiteten Ergebnisse werden anschließend zusammengetragen und bei Bedarf vertieft. Methodische Analyse Die Erarbeitungsphase zu kleinen Molekülen greift das im Einstieg geweckte Interesse durch ein Lehrvideo auf. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in der kooperativen Lernform Think-Pair-Share, durch welche die Lernenden in der Einzelarbeitsphase kognitiv aktiviert werden, um anschließend im Austausch mit der Gruppe Ergänzungen und Korrektur zu erhalten. Die erarbeiteten Ergebnisse werden anschließend im Plenum diskutiert, daher empfiehlt sich eine Präsentation der Gruppenergebnisse über Folien oder Plakate. Falls nicht jedem Lernenden ein Zugang zum Video zur Verfügung steht, müsste bereits die eigentlich als Einzelarbeitsphase gedachte Aufgabe in der Gruppe stattfinden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nennen ein Definitionskriterium von Biomolekülen. erarbeiten die Funktionen und die Bedeutung von kleinen Biomolekülen. nennen konkrete Vertreter der bearbeiteten Molekül-Gruppen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können das in einem Video dargestellte Wissen nach Relevanz filtern und strukturiert wiedergeben. präsentieren ihre Ergebnisse unter Verwendung der Fachsprache anhand eines geeigneten Mediums. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten konstruktiv und kooperativ in Gruppenarbeit. stärken ihr Selbstkonzept durch die geschützte Atmosphäre in den Partnerarbeitsphasen. Hier können Sie sich das Video zur Unterrichtseinheit anschauen.