Unterrichtsmaterialien Grundlagen und Prinzipien: Ganze Werke Seite 2/6
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Von Hubble zu James Webb
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Der Mechanik auf der Spur
Radfahren kann doch jeder! – doch wie funktioniert es eigentlich? Führen Sie Ihren Klassenausflug durch die Welt der Physik des Radfahrens fort und bringen Sie Ihren Schülerinnen und Schülern auch den zweiten Teil dieser Thematik näher. Die Lernenden gehen dabei unter anderem der Frage nach, welche Kräfte und Widerstände beim Radfahren auftreten. Außerdem wird die Kraftübertragung bei entsprechender Schaltung untersucht. Durch die Bearbeitung von umfangreichen Übungsaufgaben bewegen sich die Jugendlichen trittsicher und erreichen nicht nur das Ausflugs- sondern auch das Lernziel im Bereich der Mechanik.
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Mechanisch unterwegs
Radfahren kann doch jeder! – Doch wie funktioniert es eigentlich? Schwingen Sie sich aufs Rad und meistern Sie mit ihren Schülerinnen und Schülern die Tour durch die vielfältige Landschaft der Mechanik. Bringen Sie den Lernenden näher, warum und auf welche Art und Weise dieses alltägliche Gerät funktioniert. Im Zuge des Beitrags begegnen den Schülerinnen und Schülern intuitive und eingängliche Praxisbeispiele für Zentripetal-, Zentrifugal- und Reibungskräfte. Außerdem setzen die Jugendlichen im Laufe der Einheit mechanisch zentrale Begriffe wie Drehimpuls und Drehmoment in einen für das Radfahren relevanten Kontext. Durch zahlreiche zum Thema passende Übungsaufgaben lassen Sie die Lernenden kräftig in die Pedale treten, um sicher ans Ziel zu kommen.
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Grundlagen der Mechanik
In einer Welt im Wandel entwickeln sich auch die Naturwissenschaften stetig weiter. Es gibt dabei allerdings Erkenntnisse, die auch nach mehreren Jahrhunderten gültig und auch noch für die heutige Weltanschauung relevant sind. Dazu gehören unter anderem die drei Gesetze von Isaac Newton. In diesem Beitrag lernen Ihre Schülerinnen und Schüler das wichtige Themengebiet der Mechanik anhand der Newtonschen Gesetze des Trägheitsprinzips, des Aktionsprinzips und des Wechselwirkungsprinzips kennen und üben das erworbene Wissen anhand von Aufgaben ein. Eine weitere Herausforderung für die Lernenden in Form einer Klassenarbeit rundet die Einheit ab.
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Dynamik
Nicht umsonst gilt der Kraftbegriff als einer der schwierigsten Begriffe im Physikunterricht. Das ist vielleicht die schlechte Nachricht. Die gute aber ist, dass nicht nur die Untiefen des Dynamikunterrichts inzwischen gut erforscht sind, sondern auch Mittel und Wege, diese zu umgehen. Im Dynamikunterricht laden wir die Lernenden ein, die ihnen vertraute Welt durch eine physikalische Brille zu sehen. Hierfür bietet dieses Heft verschiedene Unterrichtsideen sowie Experimente und Aufgaben rund um das Thema Dynamik und newtonsche Gesetze. Sie finden in diesem Heft u. a.: Fachdidaktische Aspekte zu Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten in der Dynamik; Vielfältige und erprobte Unterrichtskonzepte für den Dynamikunterricht; Selbstbauexperimente mit Anleitungen; Aufgaben und Versuche zu den newtonschen Gesetzen. Neben dem Themenschwerpunkt finden sich im Heft auch Anregungen für den Einsatz von Sketchnotes im Physikunterricht sowie Experimente zur Verwendung von Videoanalyse und dem Nachweis von Wechselspannung mit einem Nabendynamo.
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Aufgaben zur Gravitation
Der Mond - schon seit vielen Jahrmillionen ein treuer Begleiter unserer Erde. Dadurch besitzen die beiden Himmelskörper eine wichtige Wechselwirkung miteinander. Doch was würde passieren, wenn plötzlich der Mond nicht mehr um die Erde kreisen würde? Welche Folgen hätte dieses Ereignis für uns? Würden wir das in unserem Alltag wahrnehmen? Diese und weitere Fragen werden mit der folgenden Aufgabenreihe beantwortet. Zudem wird auch geklärt, warum der Mond eigentlich wie ein treuer Begleiter um unsere Erde kreist. Was hält die beiden schon seit einer so langen Zeit zusammen?
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Kreisbewegungen
Für Schüler und Schülerinnen ist es eine faszinierende Erkenntnis, dass kreisende Satelliten wie auch die Bahn des Mondes um die Erde und die Bahn der Erde um die Sonne denselben irdischen Gesetzmäßigkeiten folgen, die auch auf der Erde die Bewegung der Achterbahn im Looping oder des Schleuderballs im Sport erklären. Der Beitrag ermöglicht es Ihren Schülern und Schülerinnen, sich weitgehend selbstständig, aspektreich und handlungsorientiert im Team mit zentralen Aspekten von Kreisbewegungen auseinanderzusetzen. Digitale Medien wie der GTR oder die App Phyphox unterstützen den Erkenntnisprozess ebenso wie differenzierte deduktive Herleitungen. Kontexte aus dem Lebensumfeld der Lernenden stärken zusätzlich die Motivation.
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Kraftwandler
Das Prinzip, durch einfache Maschinen Kraft zu sparen, ist in der Menschheitsgeschichte Jahrtausende alt. Diese Maschinen, die man in der heutigen Physik als Kraftwandler bezeichnet, treten in ganz unterschiedlichen Formen auf, von einfachen Hebeln wie dem Seil, der festen und losen Rolle oder der schiefen Ebene bis zu komplexen hydraulischen Anlagen wie der Hebebühne oder der hydraulischen Presse. All diese interessanten Vorrichtungen sind nach wie vor ein wichtiges Instrument, um mechanische Vorgänge zu vereinfachen, und werden in dem vorliegenden Beitrag behandelt. Anhand von zahlreichen Aufgaben können die Jugendlichen ihr erworbenes Wissen einüben und im Rahmen einer Klassenarbeit bzw. Lernzielkontrolle testen.
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Zirkulation der Atmosphäre
Zirkulation der Atmosphäre
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Fliegen
Dieses Heft beleuchtet das Thema Fliegen aus verschiedensten Blickwinkeln, z.B. wird die Bedeutung des Wetters für die Luftfahrt unter Berücksichtigung von Luftdruck, Corioliskraft und Wetterfronten erläutert. Aber auch Englisch als Sprache der Luftfahrt und verschiedene Umweltaspekte wie beispielsweise CO2-Emissionen oder Lärm werden behandelt. Diese Handreichung unterstützt den Unterricht in der Oberstufe und vermittelt Lehrkräften als Stoffsammlung die wesentlichen Grundlagen im Umfeld des Fliegens, um ein Projekt oder Projekttage zu organisieren – etwa zur Aerodynamik. Aber nicht nur für das Fach Physik werden Sie viele Anregungen für den Unterricht finden, sondern auch für die Fächer Biologie, Geographie, Englisch, Wirtschaftskunde, Technik oder Chemie. Das Besondere an diesen Materialien ist der fächerübergreifende Aspekt.
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Der Impulserhaltungssatz
Erhaltungssätze spielen in der klassischen und modernen Physik eine wichtige Rolle. Dabei kommt dem Impulserhaltungssatz – neben dem Energieerhaltungssatz – eine besondere Bedeutung zu. Aus diesem Grunde sollten Ihre Schülerinnen und Schüler den Impulserhaltungssatz kennen und anwenden können.
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Kräfte beim Schwimmen und Schweben
U-Boote können sinken, während Schiffe schwimmen: Viele technische Errungenschaften der Menschheit basieren auf dem Wissen des Auftriebs. Durch dieses physikalische Prinzip können wir mit Flugzeugen um die Welt fliegen, den Meeresgrund erforschen oder Waren mit Schiffen über den Globus transportieren. Doch wie entsteht der Auftrieb bei diesen Objekten? Gibt es ein physikalisches Gesetz? Die Antwort finden Ihre Schülerinnen und Schüler in diesem Beitrag.
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Dichte von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen
In dem vorliegenden Unterrichtsmaterial wiederholen die Schülerinnen und Schüler kurz die Massendichte und die Auftriebskraft. Danach bearbeiten die Lernenden Übungsaufgaben zu diesem Themenbereich. Dabei lernen sie auch das Galilei’sche Thermometer, das Aräometer und die Mohr’sche Waage kennen.
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Arbeit, Energie und Leistung
Die Schüler lernen, mit den Begriffen Arbeit, Energie und Leistung souverän umzugehen. Vielfältiges alltagsnahes Übungsmaterial steht zur Verfügung, um die Grundlagen der Mechanik zu festigen. Eine Lernerfolgskontrolle rundet die Unterrichtseinheit ab.
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Gravitation
In diesem Beitrag werden den Schülerinnen und Schülern ausgehend von der fantastischen Utopie eines Mondflugs bei Jules Verne die physikalischen Grundlagen des Starts und der Flugbahn eines Projektils nahegebracht, um dann Bahnen von erdnahen Satelliten und Raketen der Apollo-Missionen zu berechnen.
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Die Gesetze von Kepler
Damit Ihre Schüler die Leistung Johannes Keplers verstehen, machen sie zuerst ein Ausflug in das bestehende Weltbild zu Kepler‘s Zeit und in die Zeit zuvor. Anschließend gewinnen sie einen Einblick in Kepler‘s Leben und Wirken, das seinen Höhepunkt in der Formulierung und Niederschrift der drei Gesetze findet, die bis heute eine wichtige Basis für astronomische Berechnungen darstellen. Den Umgang mit diesen Gesetzen vertiefen Ihre Schüler durch eine Reihe von Aufgaben, bevor sie ihr erworbenes Wissen noch anhand einer Lernerfolgskontrolle testen können.
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Raketenbau und Kaleidoskop
Mit den in diesem Beitrag vorgestellten Experimenten fördern Sie das Staunen über physikalische Phänomene. Ihre Schüler entdecken selbst physikalische Gesetzmäßigkeiten, indem sie z. B. eine Dosenrakete bauen. Sie lernen optische Geräte (Kaleidoskop und Periskop) kennen und führen Versuche mit Luft durch. So begeistern Sie die Lernenden, und die Erkenntnisse bleiben nachhaltig im Gedächtnis haften.
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Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße
Im Zentrum unserer Heimatgalaxie befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch, das mehrere Millionen Sonnenmassen auf die Waage bringt. Für den Nachweis und die Erforschung dieses Schwerkraftmonsters wurden dem deutschen Astrophysiker Reinhard Genzel der Nobelpreis für Physik 2020 verliehen. Dieser Beitrag nähert sich dieser Thematik mit kontextorientierten Arbeitsblättern zur Physik von Schwarzen Löchern. Insbesondere bestimmen die Lernenden mit Hilfe des Orbits des Sterns S2 die Masse, den Durchmesser und das Aussehen des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße.
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Gravitation
Die Schwerkraft ist die Kraft, mit der etwas zu Boden gezogen wird. Sie sorgt dafür, dass alles nach unten fällt. Sie hat, wie jede Kraft eine Richtung, nämlich in Richtung Mittelpunkt des Himmelskörpers. Der Film zeigt anschaulich die Entwicklung des Gravitationsgesetzes von Isaac Newton über die Weiterentwicklung durch Albert Einstein, der beschrieb, dass die Schwerkraft nicht nur bewirkt, dass sich Körper gegenseitig anziehen, sondern sich der Raum um einen Körper krümmt. Raum und Zeit sind keine absoluten, feststehenden Größen mehr, sondern veränderlich. Der Astrophysiker Harald Lesch erklärt in diesem Zusammenhang sehr eindrucksvoll wie schwarze Löcher entstehen und die Umlaufbahnen der Planeten von der Schwerkraft abhängen. In Verbindung mit dem umfangreichen Zusatzmaterial (klassische und interaktive Arbeitsblätter, Glossar, Testfragen) lässt sich das Medium hervorragend im Unterricht verwenden. Glossar, interaktive Aufgaben und Testfragen wurden mit H5P erstellt und können ohne weitere Software verwendet werden.
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Naturgesetze
Der Film schlägt einen Bogen von der Teilchenphysik zur klassischen Physik. Er zeigt, weshalb ein Hebel die Kraft potenziert und warum ein Schiff schwimmt. Das Gleichgewicht von Kraft und Gegenkraft wird in Experimenten veranschaulicht.Zusatzmaterial: Bilder; 15 Arbeitsblätter in Schüler- und Lehrerfassung [PDF]; Testaufgaben Multiple-Choice in Schüler- und Lehrerfassung; Interaktives Arbeitsheft mit 10 Aufgaben in Schüler- und Lehrerfassung [H5P]; Sprechertext [de, en]; Begleitheft (53 S.) [PDF]; Glossar; Internet-Links.
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Ist der Sommer länger als der Winter?
Im Spätsommer wird das Getreide geerntet. Im Winter liegen die Felder brach. Für Landwirte spielt es eine wichtige Rolle, welche Jahreszeit gerade ist. Manchem kommt es so vor, als dauere der Winter ewig. Sind die Jahreszeiten unterschiedlich lang und wenn ja, warum? Gehen Sie dieser Frage in einem problemorientierten Physikunterricht nach: Ihre Schüler stellen Hypothesen auf. Sie ergründen die Ursache für die unterschiedliche Länge der Jahreszeiten, indem sie Schlussfolgerungen aus den Kepler’schen Gesetzen ziehen. Anschließend vollziehen sie ihre Ergebnisse mithilfe des Gravitationsgesetzes auch rechnerisch nach.
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Kraftstoß, Energie- und Impulserhaltung
Es ist immer wieder faszinierend, den Start einer Weltraumrakete zu beobachten. Aber auch andere Phänomene ziehen das Interesse auf sich. So bewegen sich im Weltraum mit hohen Geschwindigkeiten große Asteroiden, von denen wir hoffen, dass sie an der Erde vorbeifliegen. Der die Erde umgebende Weltraum wird permanent und lückenlos überwacht. Renommierte Wissenschaftler liebäugeln mit der Idee, einen Asteroiden mit schweren Gesteinsbrocken zu beschießen; denn jeder Zusammenstoß mit dem Asteroiden – und seien die stoßenden Massen noch so unterschiedlich groß – überträgt auf diesen einen Impuls, der zu einer – wenn auch minimalen, aber vielleicht doch entscheidenden – Kurskorrektur führt.
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Schwimmende Körper
Wenn ein Körper in einer Flüssigkeit schwimmt, stehen seine Gewichtskraft und die in der Flüssigkeit wirkende Auftriebskraft im Kräftegleichgewicht. Von Archimedes haben wir gelernt, dass die Auftriebskraft der Gewichtskraft der durch den Körper verdrängten Flüssigkeit gleicht. In den Aufgaben dieses Beitrags studieren Ihre Schüler die Eintauchtiefe verschiedener schwimmender Körper. Wenn die Körper hohl sind, liefert ihr Schwimmen in einer Flüssigkeit bekannter Dichte ein Messverfahren für ihre „Wandstärke“.
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Kraft und Arbeit
Die Unterrichtsreihe zur Mechanik für die gymnasiale Unterstufe beschäftigt sich mit den Grundbegriffen der physikalischen Kraft und Arbeit. Mit einfach durchzuführenden Experimenten ermöglichen Sie Ihren Schülerinnen und Schülern eine eigenständige Erforschung des Themenkomplexes. Sie nutzen die abschließende Lernerfolgskontrolle als Zwischentrainer oder Klassenarbeit. Mit anschaulichen Unterrichtseinheiten ermöglichen Sie einen leicht verständlichen Einstieg in das Mathematisieren physikalischer Vorgänge.
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Vorkurs Physik für Ingenieure
Der perfekte Einstieg in die Welt der Physik. Kenntnisse der Physik sind eine Grundvoraussetzung für ein erfolgreiches ingenieurwissenschaftliches Studium. In dem Vorkurs wird das nötige Grundwissen der Physik für ein ingenieurwissenschaftliches (oder naturwissenschaftliches) Studium präsentiert. Zu jedem Thema gibt es eine ausführliche Hinführung, viele Abbildungen, durchgerechnete Beispiele und Musteraufgaben. Lösungsschemata werden kompakt aufbereitet und strukturiert dargestellt. Wer dieses Buch durchgearbeitet hat, ist bestens für die Physik-Vorlesung präpariert, auch wenn Schüler:innen das Fach in der Schule abgewählt hatten.
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