Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Spezielle Relativitätstheorie in Kontexten

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2 1. Relativitätstheorie 1 von 34 Matthias Borchardt, Bonn Zeitdilatation, Massenzunahme, Grenzgeschwindigkeit die Aussagen der Speziellen Relativitätstheorie scheinen absurd. Sie widersprechen dem gesunden Menschenverstand. In diesem Beitrag lernen Ihre Schüler historisch wichtige Bestätigungsexperimente dieser Theorie kennen, erfahren, warum die moderne Satellitennavigation (GPS) ohne Einbeziehung der Relativitätstheorie nicht funktionieren würde, und beschäftigen sich mit der Frage, wie Zeitreisen in die Zukunft möglich sein könnten. GPS-Satelliten umkreisen die Erde. ESA Zeigen Sie einen Film 1 zum Myonenexperiment von Frisch & Smith! Der Beitrag im Überblick Klasse: 12 Dauer: 2 14 Stunden Ihr Plus: ü Eine große Spannweite verschiedenster Aspekte zur SRT ü Materialien unabhängig voneinander einsetzbar ü Computersimulation Inhalt: Vier wissenschaftshistorisch bedeutsame Experimente zur Bestätigung der Zeitdilatation, Grenzgeschwindigkeit und Massenzunahme GPS und Relativitätstheorie Zeitdilatation im Science-Fiction- Genre Relativistisches Sehen 1

3 2 von Relativitätstheorie Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Fachlicher Hintergrund Die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) gehört zu den Fundamenten der modernen Physik. In fast allen Bundesländern wird daher die Vermittlung von grundlegenden Aspekten dieser Theorie in den Oberstufenlehrplänen angeregt oder sogar als abiturrelevantes Thema gefordert. Dieser Beitrag behandelt verschiedene Inhalte der SRT: Die Materialien beziehen sich auf historische, aktuelle und fiktional-fantastische Kontexte. Kontext aktuell fiktionalfantastisch Inhalt des Arbeitsblattes Myonenexperiment von Frisch und Smith (1963) wissenschaftshistorisch Atomuhrenexperiment von Hafele und Keating (1971) Experiment von Bucherer (1909) Experiment von Bertozzi (1964) GPS und Relativitätstheorie Zeitmaschinen Reisen in die Zukunft Material Bezug zur SRT unterrichtliche Voraussetzungen M 1 Zeitdilatation Zeitdilatation, Zerfallsgesetz aus der Kernphysik M 2 Zeitdilatation Zeitdilatation M 3 M 4, M 5 Relativistische Massenzunahme c als Grenzgeschwindigkeit Relativistische Massenzunahme, Bewegung von Elektronen in Feldern, Wien scher Geschwindigkeitsfilter Massenspektrograf Axiome der SRT, Beschleunigung von Elektronen in elektrischen Feldern, relativistische Energie, ev als Energieeinheit M 6 Zeitdilatation Zeitdilatation, Gravitationskraft als Zentripetalkraft bei der Kreisbewegung M 7, M 8 Zeitdilatation Tempo 30 für Licht M 9 Lorentzkontraktion und relativistisches Sehen Zeitdilatation, beschleunigte Bewegung Axiome der SRT, Lorentzkontraktion, Dopplereffekt

4 1. Relativitätstheorie 3 von 34 Einbindung der Inhalte der SRT in konkrete Sachzusammenhänge Die Arbeitsblätter behandeln Standardthemen der Relativitätstheorie in der Schule wie Zeitdilatation, Lorentzkontraktion und relativistische Massenzunahme. Dabei geht es nicht um die Erarbeitung der theoretischen Hintergründe oder die Herleitung der Formeln, sondern vielmehr um die Einbindung der Inhalte in konkrete Sachzusammenhänge. Die Tabelle auf Seite 2 zeigt, wie sich die einzelnen Inhalte bestimmten Kontexten zuordnen lassen. Die Arbeitsblätter bieten darüber hinaus vielfältige Anlässe, Standardkompetenzen wie z. B. das Auswerten von Messdaten mithilfe von Tabellenkalkulationsprogrammen zu üben. Sowohl kommunikative Kompetenzen wie auch die Fähigkeit, Ergebnisse vor dem Hintergrund theoretischer Vorhersagen zu bewerten, werden an vielen Stellen verlangt und geübt. Die ersten fünf Materialien (M 1 M 5) thematisieren Experimente, die nicht nur vor dem Hintergrund wissenschaftshistorischer Betrachtungen von Bedeutung sind, sondern Ihren Schülern auch einen Eindruck davon vermitteln, mit welch außergewöhnlichen Versuchsideen man sich seinerzeit bemühte, die Thesen Albert Einsteins zu überprüfen. Die Skepsis, die dieser Theorie selbst Jahrzehnte nach ihrer Formulierung noch entgegengebracht wurde, ist in der Tat bemerkenswert. Heute ist die Relativitätstheorie aus dem Bereich der hochpräzisen technischen Zeitmessung nicht mehr wegzudenken, was im Material zur GPS-Ortsbestimmung (M 6) gezeigt wird. Besonders motivierend für Schüler ist die Idee, die Zeitdilatation für relativistische Raumflüge zu nutzen. Große Entfernungen im Weltall könnten innerhalb der Lebenszeit der Astronauten zurückgelegt werden. Dass diese bei einer eventuellen Rückkehr zur Erde den Effekt einer Zeitreise in die Zukunft erleben würden, macht das Thema besonders spannend (M 7, M 8). Aber auch die Frage, wie eine Welt für den Betrachter aussähe, würde sich das Licht mit nur 30 km/h bewegen, ist von besonderem Reiz. Nicht zuletzt durch die hervorragenden Computersimulationen ( die uns eine solche Welt inzwischen präsentieren können, lernen Ihre Schüler, wie solche Visualisierungen relativistischer Effekte physikalisch begründet sind (M 9). Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Die Materialien wurden bewusst nicht als Lernzirkel konzipiert, bauen also inhaltlich nicht aufeinander auf. Sie können sie daher unabhängig voneinander einsetzen. Dies ist vorteilhaft, weil die SRT in den verschiedenen Bundesländern mit unterschiedlicher Gewichtung in den Unterricht einfließt. Je nach Lehrplanvorgaben, Zeit, Leistungsstärke des Kurses usw. greifen Sie sich die Arbeitsblätter heraus, die am besten in Ihren Unterricht passen. Es hat sich bewährt, dass die Schüler die Arbeitsblätter in Partnerarbeit studieren. Ob Sie die Lösungen einsammeln und bewerten oder nicht, steht Ihnen frei. Ihre Schüler können die Arbeitsblätter auch als Grundlage für kleine Referate verwenden. Inhalt und Lösungen werden dann im Plenum allen Schülern zugänglich gemacht, wobei entsprechende Handouts zur Ergebnissicherung dienen. Computer mit Internetzugang notwendig Für die Bearbeitung der Arbeitsblätter M 7 (Zeitreisen) und M 9 (Tempo 30 für Licht) sind Computer mit Internetzugang notwendig, weil Ihre Schüler Rechercheaufträge haben, auf ein Simulationsprogramm zugreifen sowie die Tempolimit-Homepage der Universität Hildesheim aufrufen müssen. Die Rechnungen für die Arbeitsblätter M 2 und M 6 erfordern einen Taschenrechner mit bis zu 15 Stellen Rechengenauigkeit. Dies schaffen normale Taschenrechner in der Regel nicht. Hier hat sich die Verwendung eines Tabellenkalkulationsprogramms wie z. B. Excel bewährt, bei dem es ohne Probleme möglich ist,

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