Unterrichtsentwurf. Zwei fundamentale Naturprinzipien. Stundenthema: Stundenziele Wissen:

Transkript

1 Sächsische Bildungsagentur Regionalstelle Dresden Referat Lehrerausbildung Goethe-Gymnasium Sebnitz Unterrichtsentwurf Stundenthema: Stundenziele Wissen: Können: Kurs: Datum: Stunde: Lernbereich: Zwei fundamentale Naturprinzipien Die Schüler kennen das (spezielle) Relativitätsprinzip in mindestens einer Form sowie das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Die Schüler wissen, dass die abgeleiteten Prinzipien auch als Postulate der Speziellen Relativitätstheorie aufgefasst werden können. Die Schüler treffen eine qualitative Aussage zur Grenzgeschwindigkeit eines beschleunigten Körpers in Abhängigkeit von seiner Anfangsgeschwindigkeit Die Schüler vergleichen und reflektieren ihre eigenen Arbeitsergebnisse aus der Arbeit mit Moebius Physik Leistungskurs Uhr Uhr Einblick in die Relativitätstheorie (Lernbereich 6) Referendar: Tom Köhler Mentor: Martin Wolff Ausbilder: Uwe Todt

2 Bedingungsanalyse Der Physik Leistungskurs 11 des Tutors Herrn Wolff ist ein überschaubarer Kurs mit 10 Schülern, darunter ein Mädchen. Vom Leistungsstand her ist der Kurs zweigeteilt. Während die eine Hälfte sehr gut mitarbeitet und auch einen Notenschnitt von über 10 Notenpunkten souverän verteidigen kann, findet sich die andere Hälfte im befriedigenden Bereich wieder, ein Schüler kämpft gar um die 5 Notenpunkte. Allerdings haben einige Schüler im zweiten Halbjahr ihre Leistungen zum Teil deutlich steigern können. Die Hausaufgabendisziplin des Kurses ist sehr durchwachsen. Es ist zu erwarten, dass nicht alle Schüler die Aufgabe aus der letzten Stunde (siehe unten) beendet haben. Auch das selbstorganisierte Lernen und Arbeiten z.b. über die Schulplattform lo-net ist bei vielen Schülern nur mäßig ausgeprägt. Letzteres wird bei einem Schüler auch dadurch erschwert, dass er privat keinen Internetzugang besitzt. Der Unterrichtet findet in einem kleinen Hörsaal statt, in dem die Tische sehr schmal sind. Da der Kurs sehr klein ist, ist Platzmangel kein Thema. Es gibt in dem Hörsaal auch keinerlei Medienanschlüsse (Strom, Wasser, ). Somit ist der Raum für Schülerexperimente ungeeignet, was bei dem aktuellen Thema aber kein Problem darstellt. Sachanalyse Die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) wird häufig aus den zwei Postulaten des Relativitätsprinzips und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit hergeleitet 1. Die Gesetze der SRT werden damit ähnlich wie in der Mathematik axiomatisch hergeleitet und bilden zusammen mit den Postulaten ein in sich geschlossenes, konsistentes Theoriegebäude. Ebenso ist aus der Mathematik bekannt, dass Folgerungen aus den Axiomen, die zu diesen äquivalent sind, ebenfalls als alternative Axiome gesetzt werden können. Entscheidend ist, dass jetzt nicht mehr Folgerungen abzuleiten sind als vorher. Nach diesem Muster kann man zum Beispiel die Energie-Masse-Äquivalenz als Postulat statt der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit setzen. Die Beziehung ist den Schülern aus ihrem Allgemeinwissen wohlbekannt und auch inhaltlich schnell fassbar. Aus ihr folgt z.b., dass der kinetischen Energie eines bewegten Körpers ein Masseäquivalent zugeordnet werden kann, was den Körper schwerer macht. Dieser Effekt lässt sich mit einfachen Experimentiergeräten in der Schule nicht nachweisen, aber simulieren! Die Schüler haben in den letzten Stunden während einer selbstständigen Arbeit mit der Modellbildungssoftware Moebius Erkenntnisse zur Grenzgeschwindigkeit eines beschleunigten Körpers gewonnen sowie eine Gleichung für die Massenzunahme gefunden. Ihr letzter Arbeitsauftrag war, in ihrer Simulation eine Anfangsgeschwindigkeit des Körpers zu berücksichtigen und Aussagen über die neue Grenzgeschwindigkeit zu treffen. Die relative Anfangsgeschwindigkeit ist gleichbedeutend mit einem Wechsel des Bezugssystems des äußeren Beobachters, der sich nun mit ebendieser Anfangsgeschwindigkeit auf den Körper zubewegt, während dieser aus der Ruhe heraus beschleunigt. Dieses Relativitätsprinzip muss auch in dem alternativen Zugang zur SRT eigentlich vorausgesetzt werden, auch wenn es in dieser Stunde nach einer Bemerkung scheinbar mit hergeleitet wurde. Die Grenzgeschwindigkeit ist auch in dem neuen Bezugssystem wieder die 1 Wobei weitere Voraussetzungen wie die Abwesenheit von Gravitationskräften oft mehr oder weniger stillschweigend angenommen werden.

3 gleiche wie im alten System. Da die Grenzgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit ist, heißt das, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Wahl des Bezugssystems (welches ein Inertialsystem sein muss), ist. Didaktisch-methodische Analyse In den letzten Stunden war die Einzelarbeit die überwiegende Sozialform und die Schüler haben mit Hilfe eines Arbeitsblattes selbstständig an ihren Laptops gearbeitet. Damit sollte insbesondere der immer stärkeren Bedeutung von Simulationen in den Naturwissenschaften Rechnung getragen werden und die Schüler konnten ihre Fähigkeiten beim Programmieren und Arbeiten von und mit Simulationen verbessern. Die heutige Stunde dient überwiegend der Ergebnissicherung und wird im Frontalunterricht ablaufen, um den Schülern einerseits die Sicherheit zu geben, ob ihre Arbeitsergebnisse richtig sind und die Gelegenheit, diese ggf. nachzubessern, andererseits spart es schlichtweg Zeit. Immerhin ist dies bereits die 7. Stunde in der Lernsequenz und erst jetzt kommen die wirklich Lehrplan-relevanten Fakten zum Vorschein. Denn dieser fordert ein Kennen der Postulate, und damit ist nicht das alternative Postulat der Energie-Masse-Äquivalenz gemeint (bzw. würde es wohl kaum ein Zweitkorrektor in der schriftlichen Abiturprüfung nachvollziehen können). Das erfordert ein klares Herausarbeiten der zwei Prinzipien, mit der Bemerkung, dass dies die Postulate bei der üblichen Herangehensweise sind. Zur Festigung des Rechnens mit den bisher erworbenen Gleichungen zur Massenzunahme und relativistischen, kinetischen Energie wird es zu Beginn der Stunde eine kleine Übung in Form einer Rechenaufgabe für die Schüler geben. Es folgt ein vom Lehrer gesteuerter Vergleich der Ergebnisse aus dem letzten Arbeitsauftrag vom Arbeitsblatt (siehe Anhang). Hierbei sollen die Schüler ihre selbstständig gewonnenen Erkenntnisse formulieren und diese ggf. ergänzen oder anpassen, wenn sie meinen, dass sie etwas unvollständig oder falsch notiert haben (siehe Können-Lernziele). Die Herausarbeitung der Prinzipien/Postulate werde ich dann selbst vornehmen und mit anschaulichen Beispielen (durchs Weltall reisende Schüler) verdeutlichen. Es handelt sich hierbei aber nicht um eine Erarbeitungsphase, da die zugrunde liegenden Erkenntnisse von den Schülern bereits erworben sein sollten. Die Ergebnissicherung ist daher eher eine Festigung in Form einer strukturierenden Zusammenfassung. Zum Schluss soll unser Weg des Einstiegs in die SRT nochmal reflektiert und vom üblichen Vorgehen abgegrenzt werden. Sollte am Ende der Stunde noch unerwartet Zeit übrig sein, könnte zum einen eine kurze Zusammenfassung des Stundeninhalts durch einen Schüler stattfinden, oder bereits ein Ausblick auf die Effekte der Zeitdilatation und Längenkontraktion erfolgen. Letzteres lässt sich dadurch motivieren, dass die Lichtgeschwindigkeit für einen ruhenden und einen bewegten Beobachter identisch ist. Der ruhende Beobachter sieht das ausgesandte Licht der bewegten Lichtquelle sich eben nicht mit Überlichtgeschwindigkeit wegbewegen. Stattdessen muss es wohl und das scheint der einzige logische Ausweg aus dem gedanklichen Dilemma etwas an Raum und/oder Zeit verändert worden sein, da ja gilt. Eine vollständige Verlaufsskizze ist dem Anhang zu entnehmen.

4 Anhang Ausführliche Stundenplanung Kopie des Arbeitsblattes mit den Aufträgen zur selbstständigen Arbeit mit Moebius Kopie der Planung zur 6. Stunde der Sequenz

5 Ausführliche Stundenplanung Blau: Schwarz: Bemerkungen, Erläuterungen Tafelanschrieb Verwendete Abkürzungen: ErSi Ergebnissicherung F Festigung S Schüler Ü Übung Zeit Phase Unterrichtsschritte und -inhalte Bemerkungen 13:05 F geg.: m = 70 kg ges.: E kin klassisch / relativistisch (Ü) v 1 = 0,05 c v 2 = 0,999 c 13:15 13:25 13:30 13:35 ErSi Warum Simulationen? Situation bei Arbeitsauftrag 5? Arbeitsauftrag 5 mdl. Besprechen siehe 6. Stunde Diagramme in Pause vorbereiten 5.2. Zwei fundamentale Naturprinzipien (Zusammenfassung Arbeitsauftrag 5) Die Grenzgeschwindigkeit (=c) ist unabh. von der relativen Anfangsgeschwindigkeit des Körpers, also unabh. vom Bezugssystem c ist unabh. vom Bezugssystem! Bem.: Gilt nur für gleichförmig gegeneinander bewegte Systeme Inertialsysteme (keine Scheinkräfte) Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: Die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit ist in allen Inertialsystemen gleich groß! Bem.: Raumschiff ruht, Scheinwerfer an Licht mit c fort Raumschiff fliegt mit v = 0,999 c, Scheinwerfer an Licht für inneren und äußeren Beobachter mit c fort!!! Bem.: Forscher im Raumschiff mit v = 0,999 c Wir meinen: Masse des Forschers gestiegen Forscher selbst meint: Masse gleich geblieben! Bemerkung 1: Effekte wie die Massenzunahme sind abhängig vom Bezugssystem Es gibt keinen wahren Wert / kein absolutes Bezugssystem! Welches ist das Richtige? 13:40 Spezielles Relativitätsprinzip: 1. Variante: Es gibt kein ausgezeichnetes Inertialsystem 2. Variante: Alle Inertialsysteme sind gleichberechtigt 3. Variante: Physikalische Gesetze haben in allen IS die gleiche Form

6 Bemerkung 2: Diese Prinzipien können auch als Postulate (Grundannahmen) der SRT aufgefasst werden. Postulate Üblicher Weg Unser weg Rückwärts Puffer: - Zusammenfassung durch S - c für alle Beobachter gleich, trotz relativer Bewegung Änderungen bei???