Physik: Willkommen im Fachportal

Der 26. April 1986 wird für immer als einer der schwärzesten Tage der Energieerzeugung durch Kernkraftwerke gelten. An diesem Tag kam es bis dahin zum schwersten Unfall in der Geschichte der Kernenergie. Die Lernenden werden in dieser Unterrichtseinheit mit den unterschiedlich arbeitenden Reaktortypen der westlichen Welt und der ehemaligen Sowjetunion bekannt gemacht. Darüber hinaus werden sie für die langdauernden gesundheitlichen Gefahren des entstehenden radioaktiven Niederschlages sensibilisiert und können die zerstörerische Wirkungsweise der auf den menschlichen Körper einwirkenden ionisierenden Strahlung beschreiben.Die Katastrophe von Tschernobyl und einmal mehr auch der Unfall von Fukushima im Jahr 2011 haben eindringlich gezeigt, dass kerntechnische Anlagen zwar umweltschonende Energie bereitstellen können, aber auch ein permanentes Gefahrenpotential beinhalten. Die auf die Explosion von Tschernobyl folgenden radioaktiven Niederschläge sind durch die dabei entstehenden Zerfallsprodukte (Cäsium und Jod) sehr gefährlich und können massive gesundheitliche Schäden zur Folge haben. Diese schädigende Wirkung hält zum Teil aufgrund sehr langer Halbwertszeiten (im Fall von Cäsium rund 31 Jahre) bis heute an – in der näheren Umgebung von Tschernobyl sprechen Strahlenmediziner von rund 50.000 Menschen, die an den Folgen gestorben sind. Die Reaktorkatastrophe von Tschernobyl als Thema im Physikunterricht Radioaktivität und ihre Auswirkungen auf Natur und menschliche Gesundheit sind seit langem, insbesondere aber verstärkt nach den Unfällen von Tschernobyl und Fukushima in aller Munde. Dies bedeutet, dass man auch im Unterricht diesem Thema ausreichend Raum geben sollte. Die unter Umständen gefährlichen Auswirkungen des radioaktiven Niederschlages, der sich im Boden und damit auch in Pflanzen anreichert, werden Schülerinnen und Schüler stark motivieren, sich damit näher zu beschäftigen. Für den Unterricht sollten Lehrkräfte deshalb gut präpariert sein, um auf kritische Fragen sachkompetent eingehen und antworten zu können. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können in gewisser Weise vorausgesetzt werden, da die Thematik in den verschiedensten Medien immer wieder aufbereitet wird. Konkrete Kenntnisse sind jedoch nicht zu erwarten, weil dazu neben dem physikalischen Wissen um radioaktive Strahlung auch chemische und biologische Kenntnisse nötig sind, um die Vorgänge in den organischen Zellen beschreiben zu können. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses sensiblen Themas muss man darauf achten, dass unkontrolliert wirkende radioaktiven Strahlung ein hohes Maß an Gefährlichkeit birgt – gleichzeitig aber präzise eingesetzte radioaktive Strahlung in verschiedenen Bereichen der Medizin zu großen Erfolgen in der Diagnose und Behandlung von erkrankten Menschen geführt hat. Methodische Analyse Radioaktive Strahlung als Folge von radioaktivem Fallout nach Unfällen oder auch Kernwaffentests dürfte die Lernenden sehr interessieren, weil der gesundheitliche Aspekt im Vordergrund steht. Die intensive Auseinandersetzung mit dem Thema setzt aber viel konkretes Wissen voraus, um die Gefahren im Umgang mit Belastungen – wie etwa über die Nahrungskette – richtig einschätzen zu können. Weitere spannende Unterrichtsvorschläge rund um das Thema Radioaktivität finden Sie in der Materialsammlung Kern- und Teilchenphysik . Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die gesundheitlichen Gefahren von radioaktivem Niederschlag. kennen die verschiedenen Wege der Aufnahme radioaktiver Strahlung in den Körper. können die Wirkungsweise ionisierender Strahlung auf menschliche Zellen beschreiben einschließlich "möglicher" krankmachender Folgen. können die verschiedenen Reaktortypen hinsichtlich ihres Gefahrenpotentials 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 Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Zunächst lernen die Schülerinnen und Schüler in dieser Unterrichtseinheit die Unterschiede zwischen der Bewegungsrichtung von Elektronen (Minus nach Plus) und der willkürlich festgelegten technischen Stromrichtung (Plus nach Minus) kennen, was bei Schaltbildern und mathematischen Berechnungen sehr wichtig wird. Zudem werden die unterschiedlichen, den Transistor beschreibenden Kennlinien besprochen und in der Dreiquadranten-Darstellung aufgezeigt.An einfachen Beispielen werden die Lernenden mit Schaltskizzen und den jeweiligen Strom- und Spannungsverläufen in Abhängigkeit von der technischen Stromrichtung vertraut gemacht. Mit Widerständen können dabei die Stromstärken und Spannungen so gewählt werden, wie es für die Strombegrenzung und den zugehörigen Spannungsabfall nötig ist. Durch Auswertung vorgegebener Wertetabellen lernen die Schülerinnen und Schüler unter anderem, welche Bedeutung Begriffe wie Eingangskennlinie, Stromsteuerkennlinie und Ausgangskennlinie für die Basisstromstärke und die Kollektorstromstärke in Hinblick auf den Verstärkungsfaktor B haben. Halbleiterphysik und Bipolartransistoren als Unterrichtsthema Ohne Transistoren wäre die für uns alle selbstverständliche digitale Technologie nicht möglich, die auch von Laien ohne Kenntnis der dafür notwendigen Technik und Infrastruktur mit etwas Übung problemlos bedient werden kann. Dennoch sollten Schülerinnen und Schüler in dieser hochtechnisierten Welt mit einer Vielzahl von neuen Berufen im Hochtechnologiesektor einen Einblick in die grobe Funktionsweise im Rahmen des Schulunterrichts bekommen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse können von Lernenden erwartet werden, die sich von klein an mit Elektronik in Form von Baukästen beschäftigt haben – für alle anderen wird die Halbleitertechnologie und im Besonderen der Transistor Neuland sein. Deshalb sollte im Unterricht auf gut nachvollziehbare Beispiele und Anwendungen zurückgegriffen werden. Es bietet sich zudem an, zuvor die Unterrichtseinheit Grundlagen des Bipolartransistors im Unterricht durchzunehmen. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas muss man darauf achten, dass Schülerinnen und Schüler nicht überfordert werden, was bei der Komplexität vieler Schaltungen mit Transistoren schnell passieren kann. Dies sollte den Teilnehmerinnen und Teilnehmern der Kurse in der Sekundarstufe II vorbehalten bleiben. Methodische Analyse Anhand überschaubarer Schaltskizzen in Verbindung mit Elektronikbaukästen – falls in der Physiksammlung vorhanden – können den Lernenden die Grundzüge der Funktions- und Anwendungsweise gut nähergebracht werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass man Transistoren als Schalter und Verstärker sowie vor allem als Speichermedium in extrem miniaturisierter Form für Computer dienen. kennen die verschiedenen Bauweisen von Transistoren (npn-Transistor und pnp-Transistor). können einfache Übungsaufgaben – wie etwa zur Stromverstärkung – erklären und berechnen. 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 Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Diese Unterrichtsmaterialien zum Thema "Brücken" behandeln eines der zentralen Themen des Physikunterrichts in verschiedenen praktischen Umsetzungen. Der Begriff der Kraft wird durch Bauwerke und eigene Experimente zum Thema greifbar gemacht. Die Unterrichtseinheit wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt.Mit dieser Unterrichtseinheit erarbeiten die Schülerinnen und Schüler den Begriff der "Kraft" im Zusammenhang mit Bauwerken. Brücken müssen große Lasten tragen. Steht eine Brücke und wird diese benutzt, sollte nicht der geringste Zweifel aufkommen, dass sie der Belastung nicht standhalten kann. Der im Physikunterricht geprägte Begriff der Kraft wird erfahrbar gemacht. Die Schülerinnen und Schüler bauen Brücken aus Lego und Strohhalmen nach und experimentieren damit, sich selbst zu tragen. Die Kraft und deren Anwendungen im Brückenbau unterstützen dabei die Erkenntnisgewinnung. Der Einstieg in das Thema erfolgt über ein Arbeitsblatt zu verschiedenen Brückenarten und deren Einsatzmöglichkeiten. Zwei Experimente zur Balkenbrücke und der Frage, wie sich die Last darauf verteilt, schließen sich an. Die Lernenden erarbeiten die Zugkräfte, indem sie diese zeichnerisch auf einem Arbeitsblatt bestimmen. Anhand von zwei weiteren Übungen bauen die Schülerinnen und Schüler unter anderem eine eigene Hängebrücke, ehe die Einheit mit einem Concept Cartoon abgeschlossen wird. Die Schülerinnen und Schüler benötigen Grundkenntnisse über den Begriff der Kraft. Im weiteren Verlauf der Unterrichtseinheit hilft es, wenn Schülerinnen und Schüler in verschiedenen Situationen erkennen können, dass eine oder mehrere Kräfte wirken. Wenn die Lernenden typische Beispiele aus den Schulbüchern kennen, reicht das aus. Außerdem sollten sie wissen, wie Kräfte mit verschiedenen Maßstäben zeichnerisch dargestellt dargestellt werden können. Hierfür müssen sie gegebenenfalls vorher üben, wie eine beliebige Kraft auf eine Pfeillänge bezogen auf einen gegebenen Maßstab umgerechnet wird. Damit sich die Schülerinnen und Schüler vorstellen können, was eine Kraft ist und welche Folgen die Einwirkung einer Kraft hat, kann diese Unterrichtsreihe durch die Betrachtung von Bauwerken eine einprägsame Erfahrung liefern. Dass Bauwerke sehr große Kräfte aushalten müssen und enorme Belastungen erfahren, können die Schülerinnen und Schüler handlungsorientiert und kooperativ erkennen, indem sie Versuche durchführen und verschiedene Phänomene beobachten. Praktische Beispiele, wie zum Beispiel Versuche mit Experimentier- und Alltagsgegenständen sowie dem eigenen Körper, machen dieses Wissen erfahrbar. Die Einheit ist als Unterrichtsreihe geplant. Die einzelnen Arbeitsblätter bauen logisch aufeinander auf, einzelne Experimente und Arbeitsblätter können aber auch im Rahmen anderer Unterrichtsthemen verwendet werden. Das gilt allerdings nicht für Arbeitsblatt 6, das zur Überprüfung des Kompetenzzuwachses der vorangegangen Aufgaben gedacht ist. Einige Aufgaben lassen sich als Einzelarbeit oder als Hausaufgabe bearbeiten. Generell ist die gesamte Einheit jedoch auf kooperatives Lernen in (Klein-)Gruppen ausgelegt. Hier bietet sich bei vielen Arbeitsblättern die Think-Pair-Share-Methode an. Vor allem die Experimente, bei denen die Lernenden eigene Werke herstellen müssen, sind in der Gruppe einfacher zu lösen. Ergänzend zur Aufgabenstellung auf Arbeitsblatt 1 kann auch eine Internetrecherche zu verschiedenen Brückentypen erfolgen. Mit den Resultaten der Experimente von Arbeitsblatt 2 kann begründet werden, dass eine Brücke nicht beliebig lang sein kann. Interessant für die Lerngruppe ist es, dass sie durch Arbeitsblatt 3 erfährt, dass eine Person von einer anderen Person aus dem Stand gehalten werden kann. Hängt die zu haltende Person jedoch an einem Seil, muss das Seil von der gesamten Lerngruppe gehalten werden. Der Versuch auf Arbeitsblatt 4 kann bei Bedarf auch als Demonstrationsversuch durch die Lehrkraft erfolgen. Die Erstellung einer eigenen Hängebrücke sollte aus Gründen der Erkenntnisgewinnung jedoch durch die Lernenden selbst erfolgen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden das Wissen und Können über die physikalische Größe Kraft sachbezogen an. erkennen insbesondere in der praktischen Anwendung den Nutzen von Kräfteparallelogrammen. beurteilen mit ihren erworbenen Kenntnissen Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten zusammen Versuchsdurchführungen. führen gemeinsam Versuche nach einer Anleitung durch. erstellen kollaborativ Protokolle zu den Versuchen.

Mit der Unterrichtseinheit zum Thema "Sonnenenergie" soll den Schülerinnen und Schülern im Rahmen der Besprechung von erneuerbaren Energien verdeutlicht werden, warum es so wichtig ist und immer wichtiger werden wird, diese Art der Energieerzeugung massiv zu verstärken. Schülerinnen und Schüler kennen die heute schon auf einigen Hausdächern installierten Photovoltaikanlagen zur sauberen Stromgewinnung ebenso wie die Sonnenkollektoren zur Wärmegewinnung als Unterstützung von Heizung und Warmwasserbereitstellung. Im Unterricht werden den Lernenden zunächst die auf der Halbleitertechnologie beruhenden Grundlagen vermittelt, die es aufgrund des inneren Photoeffektes möglich machen, die Energie der einfallenden Sonnenstrahlen (Photonen) in elektrischen Strom umzuwandeln. Einfacher zu verstehen sind die Vorgänge bei Sonnenkollektoren, wo die einfallende Wärmeenergie der infraroten Strahlung genutzt wird, um Wasser zu erwärmen.Im Jahr 2019 betrug der Energiebedarf pro Person und Tag in Deutschland 123 kWh, in den USA 232 kWh. Weltweit wurde ein täglicher Energieverbrauch von 58 kWh pro Person errechnet. Wenn die Weltbevölkerung bis 2050 voraussichtlich auf 10 Milliarden Menschen ansteigt und alle Länder einen Energieverbrauch wie die USA hätten, müsste sich die Energieerzeugung versechsfachen. Derzeit werden noch etwa 85 Prozent des globalen Energiebedarfs durch fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl oder Gas gedeckt. Will man die gesteckten Ziele in der Klimapolitik erreichen, bleibt nichts anderes übrig, als die regenerativen Energiequellen – allen voran die praktisch unerschöpfliche Sonnenenergie – in einem bisher nicht gekannten Umfang auszubauen. Photovoltaikanlagen und Sonnenkollektoren als Unterrichtsthemen Der Umbau der Energiesysteme wird die große Herausforderung in den kommenden Jahrzehnten werden – die Weichen hin zu einer emissionsarmen Energieversorgung sind gestellt. Erneuerbare Energien nehmen einen stetig wachsenden Anteil an der Energieversorgung ein und lassen die Hoffnung zu, dass die Versorgung mit Primärenergie bis Mitte des 21. Jahrhunderts klimaneutral erfolgen kann. Vorkenntnisse Vorkenntnisse der Lernenden können insoweit vorausgesetzt werden, dass die Thematik in den Medien permanent präsent ist und vor allem junge Menschen in Hinblick auf deren Zukunft weiter sensibilisieren wird. Das Wissen um die Abläufe bei der Umwandlung von Sonnenenergie ist mit gut nachvollziehbaren physikalischen Erklärungen und Herleitungen von Gesetzmäßigkeiten relativ leicht vermittelbar. Didaktische Analyse Allein die für jede Schülerin und jeden Schüler nachvollziehbaren klimatischen Probleme, die durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe entstehen, dürfte es für Lehrkräfte einfach machen, die Lernenden für die Energieerzeugung über die schier unerschöpfliche und saubere Sonnenenergie zu begeistern. Methodische Analyse Sobald die Abläufe bei der heute in allen Bereichen der Technik notwendigen Halbleitertechnologie von den Lernenden in ihren Grundlagen verstanden sind, sollte es für die Lehrkräfte kein Problem sein, durch beschreibende und erläuternde Übungsaufgaben die Begeisterung bei den jungen Menschen für die neuen Technologien der Zukunft zu wecken. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die klimaschädlichen Prozesse bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen zur Energiegewinnung. kennen die weltweit vereinbarten Klimaziele und deren Bedeutung für die Umwelt. können die Wirkungsweise von Solarzellen und Sonnenkollektoren erklären. 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 Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Wie und wie schnell fliegen eigentlich Raketen? Das und wie man die Geschwindigkeit einer Rakete berechnet und die Raketengleichung herleitet, können Schülerinnen und Schüler der Stufen 10 bis 13 in dieser Unterrichtseinheit "Die Raketengleichung" erfahren! Um sich fortzubewegen, stößt die Rakete heiße Gase mit hoher Geschwindigkeit aus und verliert dadurch Masse. Dies bewirkt eine Erhöhung der Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit, die die Rakete dabei erreicht, lässt sich mittels der Raketengleichung berechnen. Der Schub des ausströmenden Gases gibt der Rakete einen Impuls und die Rakete wird beschleunigt. Die Raketengleichung geht aus der Impulserhaltung hervor. Der Impuls eines Systems, zum Beispiel einer Rakete, ist definiert als Masse mal Geschwindigkeit. Vor dem Start ist die Rakete mit ihrem Treibstoff gefüllt und bewegt sich nicht. Sie ist in Ruhe. In diesem ruhenden Zustand sagt man, die Rakete mit ihrem Treibstoff haben keinen Impuls in unserem Bezugssystem. Wird der Treibstoff dann gezündet, strömt am unteren Ende der Rakete Gas aus dem Treibstofftank. Er hat also einen nach unten gerichteten Impuls. Dadurch wird an die Rakete ein Impuls gegeben, sodass diese sich nach oben bewegt und von der Erde abhebt. Werden nach und nach mehr Triebwerke gezündet, vergrößert sich die Geschwindigkeit weiter. Die Aufgaben können einzeln im Unterricht oder als Teil der Moon Camp Challenge oder als Vorbereitung für den CanSat-Wettbewerb bearbeitet werden. Die Schülerinnen und Schüler sollten über Grundlagen der Rechnung mit Logarithmen verfügen. Nach verständlicher Einführung durch die Lehrkraft oder durch eigenständiges Erarbeiten der beigefügten Grundlagen/Einführung kann das Arbeitsblatt auch als Hausaufgabe erarbeitet werden. Jahrgangsstufe: 10 bis 13 Unterrichtsfach: Physik/Mathematik Niveau: Mittel Zeitbedarf: 1 bis 2 Schulstunden Themen: Raketengleichung, Impulse Die Schülerinnen und Schüler führen Berechnungen mit dem natürlichen Logarithmus durch. untersuchen die Geschwindigkeitsänderung am Beispiel einer Rakete. nutzen eine vorgegebene Gleichung für Berechnungen. verstehen die Herleitung der Raketengleichung durch die Impulserhaltung.

In dieser Unterrichtseinheit zur Halbleiterphysik werden die Lernenden mit dem bipolaren Transistor vertraut gemacht. Bei diesem handelt es sich um ein Halbleiterbauelement, das meistens aus Silizium besteht. Die Lernenden erkennen, dass der Transistor sowohl als Schalter als auch als Verstärker eingesetzt werden kann.Mit entsprechenden Abbildungen, Videos und Animationen werden die Schülerinnen und Schüler mit dem Aufbau des Transistors bekannt gemacht. Sie sehen, dass der Transistor aus drei dünnen Halbleiterschichten aufgebaut ist, die übereinandergelegt sind. Seine Bezeichnung ist aus seiner Funktion abgeleitet. So wird bei einer Widerstandsänderung in einer Halbleiterschicht auch der Widerstand in der anderen Schicht beeinflusst – aus dem Begriff "transfer resistor" entstand die Bezeichnung Transistor. Dabei wird zwischen einem npn- oder pnp-Transistor unterschieden, entsprechend der n- oder p-dotierten Schichten. Die jeweils mittlere Schicht ist verglichen mit den beiden anderen Schichten sehr dünn. Jede Schicht ist mit metallischen Anschlüssen versehen, die aus dem Transistorgehäuse herausführen und mit dem zugehörigen Stromkreis verbunden sind. Die Außenanschlüsse des bipolaren Transistors bestehen aus Kollektor C und Emitter E. Die mittlere Schicht wird als Basis B bezeichnet und dient als Steuerelektrode oder auch als Steuereingang des Transistors. Halbleiterphysik für Fortgeschrittene – Grundlagen des Bipolartransistors Die vielfältigen Möglichkeiten für den Einsatz von Transistoren in Form von Schaltern, Datenspeichern und Verstärkern auf teilweise miniaturisierten integrierten Schaltkreisen haben Technologien möglich gemacht, die unseren heutigen – meist selbstverständlichen – Umgang mit PC, Fernsehgeräten und Smartphone erst ermöglicht haben. Die meist nur noch von spezialisierten Fachleuten durchschaubaren physikalischen Abläufe werden durchschnittlichen Nutzerinnen und Nutzern verborgen bleiben – deshalb ist es wichtig, im Physik-Unterricht zumindest die Grundprinzipien von Transistoren so anschaulich wie möglich zu vermitteln. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse können nur von Lernenden erwartet werden, die sich von klein an mit Elektronik in Form von Baukästen et cetera beschäftigt haben. Für alle anderen wird die Halbleitertechnologie und im Besonderen der Transistor völliges Neuland sein. Didaktische Analyse Bei der Behandlung des Themas muss man darauf achten, dass die prinzipiell gut nachvollziehbare Arbeitsweise eines Transistors so anschaulich wie nur möglich vermittelt wird. Das Modell mit zwei sich ergänzenden Wasserkreisen ist dafür sehr gut geeignet. Methodische Analyse Neben der schrittweisen Heranführung an Bau und Funktion von Transistoren ist es sehr wichtig, durch geeignete Übungsaufgaben die zunächst für viele etwas komplex wirkenden Schaltkreise genau zu beschreiben und zu erläutern. Wichtig wird dabei auch werden, auf den Unterschied zwischen technischer Stromrichtung (von + nach –) im Gegensatz zur tatsächlichen Fließrichtung der Elektronen (von – nach +) einzugehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können Bau und Funktionsweise eines Bipolartransistors beschreiben und erklären. wissen um die große Bedeutung von Transistoren in der Mikroelektronik. können einfache Berechnungen zur Verstärker-Wirkung von Transistoren ausführen. 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 Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden et cetera wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit werden als zentrale Aufgabe Modelle von Sternbildern mit LEDs entworfen. Ein wesentliches Ziel ist dabei, die Helligkeitsunterschiede der Sterne durch die Variation des nötigen Vorwiderstandes zum Ausdruck zu bringen. Die Unterrichtseinheit wurde im Kontext des von der Deutsche Telekom Stiftung geförderten Programms "Junior-Ingenieur-Akademie" entwickelt.In dieser Unterrichtseinheit werden Aspekte der Astronomie und technische Fragen miteinander verwoben. Beide Bereiche bieten vielfältige Anknüpfungsmöglichkeiten. Im Vordergrund steht das praktische Arbeiten mit Werkzeugen wie Lötkolben oder Bohrmaschine. Die Planung der Schaltung und die Wahl des Vorwiderstandes sind grundlegende technische Fragestellungen, die hier praktisch erarbeitet werden können. Durch die (einfache) experimentelle Bestimmung des Zusammenhanges zwischen Leuchtkraft und den wahrgenommenen Sternhelligkeiten (Magnituden) und die Umrechnung in die entsprechende Stromstärke sind zudem theoretische Vertiefungsmöglichkeiten gegeben. Die Schülerinnen und Schüler wählen zunächst ein Sternbild aus und zeichnen es auf eine Holzplatte. An den Sternpositionen bohren sie Löcher für die LEDs (Sacklochbohrung). Sie notieren für jeden Stern seine Helligkeit (Magnitude). Auf der Rückseite gestalten Sie eine einfache (Parallel-)Schaltung, die sie bis auf die Widerstände verlöten und fertigstellen. Die Schülerinnen und Schüler lassen 6 LEDs in gleichmäßigen Helligkeitsabständen von dunkel bis hell leuchten (hier mit Arduino, auch mit Netzgeräten möglich). Es zeigt sich, dass der Zusammenhang nicht linear ist (Weber-Fechner-Gesetz). Die gleichmäßigen Helligkeitsunterschiede entsprechen den astronomischen Magnituden. Über die eigenen Messungen und die Kennlinie der LED können nun die nötigen Vorwiderstände berechnet werden. Hierbei bietet es sich an, diese Informationen dem Produktdatenblatt der LEDs zu entnehmen und somit ein wichtiges technisches Hilfsmittel kennenzulernen. Man kann bereits nach der Messung und der Feststellung des Weber-Fechner-Gesetzes die gemessenen Werte ohne weitere Interpolation als Musterwerte zur Verfügung stellen oder die Lernenden völlig frei durch Probieren versuchen lassen, Helligkeitsunterschiede zum Ausdruck zu bringen. Nach dem Einlöten der passenden Vorwiderstände ist das Sternbild fertig. Durch vielfältige Vertiefungs- und Vereinfachungsmöglichkeiten ist das Projekt im regulären Unterricht, in Wahlpflichtkursen, AGs und in Projektwochen gut einsetzbar.Der Sternenhimmel übt seit Jahrtausenden eine große Faszination auf die Menschen aus. Auch bei Schülerinnen und Schüler der Gegenwart ist die Astronomie ein Thema, das großes Interesse weckt und damit als sinnstiftender Kontext hervorragend geeignet ist, um viele Lernende zu aktivieren. Das durchschnittliche Interesse ist oft größer als an den klassischen Naturwissenschaften. Zudem knüpft der vorliegende Unterrichtsentwurf an die eigenen Sinneswahrnehmungen an, geht es doch vor allem um optische Phänomene, und zwar um die Helligkeit der Sterne, die man mit dem eigenen Auge wahrnehmen kann. Der Einbezug sinnlicher Erfahrungen ist ein ähnlich großer Motivationsfaktor. Das Weltall ist indessen aber auch ein Raum, den man über das, was wir sehen, hinaus nur erforschen kann, wenn man Technik verwendet. Vom einfachen Teleskop mit Nachführung über ferngesteuerte Satelliten ist das Spektrum technischer Anwendungen sehr groß. Astrophysik und Ingenieurwissenschaften sind in diesem Bereich eng miteinander verknüpft. Das vorliegende Kernmodul kann beliebig erweitert werden. Es gibt viele Anknüpfungspunkte, die sich als Ausgangspunkt für Exkurse und Vertiefungen eignen. Im Mittelpunkt steht die Freude am Ausprobieren und Experimentieren, der Spaß am handwerklichen Arbeiten. Daher ist es wünschenswert, dass die Schülerinnen und Schüler möglichst selbstständig löten können und dürfen und genug Geräte zur Verfügung stehen. Ein zentraler Punkt ist die unterschiedliche Leuchtkraft der Sterne. Das heißt, die LEDs sollen in unterschiedlichen Helligkeiten leuchten. Eine hervorragende Möglichkeit bietet hier der Versuch "Helligkeitsstufen" (AB 5). Die Schülerinnen und Schüler lernen hier den (nicht-linearen) Zusammenhang von Leuchtkraft und wahrgenommener Helligkeit (Weber-Fechner-Gesetz) praktisch kennen, entnehmen dem Produktdatenblatt einer LED die passenden Daten und berechnen daraus den passenden Vorwiderstand. Hier gibt es auch eine (optionale) Möglichkeit, den Arduino einzusetzen. Dieses Vorgehen ist aber vor allem für leistungsstarke Schülerinnen und Schüler als Differenzierung möglich, lässt sich aber auch als Demonstrationsexperiment gemeinsam mit der ganzen Klasse durchführen oder zugunsten einer stärkeren Fokussierung auf die praktische Arbeit ganz streichen. Die Vorwiderstände kann man im Einzelfall konkret vorgeben, durch Probieren herausfinden lassen oder berechnen lassen. Wenn die Magnituden des jeweiligen Sternbildes sehr nah zusammen liegen, kann es sinnvoll sein, die Helligkeitsunterschiede nicht als echte Magnituden zu verwenden, sondern die Unterschiede etwas hervorzuheben, indem man die 6 Stufen auf einen kleineren Bereich verteilt (zum Beispiel in 0,5er-Schritten). Das entspricht dann nicht mehr der Situation am Himmel, ist aber etwas wirkungsvoller. Dieses Vorgehen ist als Handlungsalternative auf AB 5 hinzugefügt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen Sternbilder und ihre Position am Himmel kennen. benutzen Schaltpläne als fachtypische Darstellungen. wenden das Ohm'sche Gesetz in einfachen Berechnungen. bohren, löten und stellen ein handwerkliches Produkt her. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nutzen das Internet selbstständig zur Wahl eines Sternbild. verwenden Tablets und Computer. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler nehmen Rücksicht auf Mitschülerinnen und Mitschüler. präsentieren Ergebnisse adressatengerecht.

In dieser Unterrichtseinheit erarbeiten die Schülerinnen und Schülern das Prinzip der Rückkopplungsschleife zur Verbreitung von Ideen.In dieser Auskopplung des Unterrichtsmaterials "Systeme verstehen" lernen die Schülerinnen und Schüler, welche Auswirkungen eine einzige Systemänderung auf die Klimakrise haben kann. Viele Jugendlichen sind einem Ohnmachtsgefühl ausgeliefert, wenn sie mit großen Problemen oder Aufgaben konfrontiert werden. Jedoch kann man sich die Macht der Masse auch zunutze machen und als Systemveränderer eine Kettenreaktion auslösen. In der Unterrichtseinheit "Systeme beeinflussen" entwickeln die Schülerinnen und Schüler eine eigene Rückkopplungsschleife: Welche Systemänderungen kann von einer Gruppe ausgelöst werden, die immer mit dem Fahrrad zur Schule oder zur Arbeit fährt? Durch eine spielerische Herangehensweise wird den Schülerinnen und Schülern das Systemdenken alltagsnah vermittelt. Das Konsumverhalten der Jugendlichen sowie dessen Zusammenhang mit der Regenwaldzerstörung dienen als Beispiel, an dem die Schülerinnen und Schüler lernen können Informationen aus Systemmodellen zu entnehmen und neue Informationen zu integrieren. Sie sollen befähigt werden Prognosen zu erstellen, wie sie in ein System eingreifen können, um letztendlich die Möglichkeit zu haben, solche Eingriffe zu planen und zu bewerten.Sich über seine Handlungen als Systemveränderer klar zu werden und sich bewusst zu machen, wie man selber als Auslöser eine Veränderung bewirkt, hilft, zukünftig entspannter und emotional gefestigt mit neuen Herausforderungen und Zielkonflikten umzugehen und auf deren Bewältigung hinzuarbeiten. Die Lehrkräfte und die Schülerinnen und Schüler benötigen zur Durchführung der Einheit keine Vorkenntnisse. Zur Bearbeitung der Einheit empfiehlt es sich vorab über das Thema Rückkopplungsschleifen und ihre Wirkung zu sprechen, damit die Schülerinnen und Schüler die Thematik einordnen können. Mit der Einheit wird eine kreative Bearbeitung von einem Thema angeregt, welches den Lernenden in allen Lebensbereichen begegnet und übertragen werden kann. Die Einheit liefert die Möglichkeit, auf kreative Weise ein manchmal ernstes und hemmendes Thema mit aktuellen Umwelt- und Nachhaltigkeitsthemen zu verknüpfen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler begreifen Systeme, Subsysteme und Überlappungen von Systemen. nutzen Modelle und Systeme als Wirklichkeitsschablonen. erkennen Veränderbarkeit von Systemgrößen (Rückkopplungen). lernen das Planen und die Bewertung von Eingriffen in Systemen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler hinterfragen Werte und Normen. verorten sich selbst im System und stellen fest, dass sie Teil des Ganzen sind. lernen die Natur als Systemkünstler kennen.