Die Grundzüge der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) basieren auf einer einfachen Formel. Nein, nicht E = mc², sondern v = s/t. Ausgehend von zwei einfachen Annahmen lieferten revolutionäre Gedankenexperimente über die Laufzeit von Licht, gemessen von zueinander bewegten Beobachtern, verblüffende neue Erkenntnisse über Raum und Zeit. Und mithilfe des guten alten Pythagoras (Link zur Lernumgebung "Die Satzgruppe des Pythagoras" des Autors bei Geogebra.org) sind auch die zugehörigen Formeln für die Zeitdilatation und die Längenkontraktion schnell hergeleitet. In der Lernumgebung zur Kinematik der Speziellen Relativitätstheorie können Lehrende und Schülerinnen und Schüler mithilfe der Maus am Monitor Darstellungen und Konstellationen kontinuierlich verändern. Bestimmte Fragestellungen lassen sich so dynamisch verfolgen und überprüfen. Dies ermöglicht einen aktiv-entdeckenden Zugang zu den physikalischen Sachverhalten. So wird die Relativität der Gleichzeitigkeit am Beispiel der Beobachtung eines Lichtblitzes erkundet, der in der Mitte einer fliegenden Rakete gezündet wird. Die Geschwindigkeit des Raumschiffs können die Lernenden dabei variieren.
Kinematik der Speziellen Relativitätstheorie
Die hier vorgestellte Lerneinheit zur Kinematik der Speziellen Relativitätstheorie nutzt interaktive Webseiten mit dynamischen GeoGebra-Applets. Animierte Simulationen aus der Lernumgebung bieten Visualisierungsmöglichkeiten, die auf dem Papier und an der Tafel nicht realisierbar sind und die das Verständnis erleichtern.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- mindestens 5 Unterrichtsstunden oder freie Zeiteinteilung bei selbstständiger Bearbeitung außerhalb des Unterrichts
- Video, Primärmaterial, Arbeitsblatt interaktiv
- 1 Arbeitsmaterial
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Didaktisch-methodischer Kommentar
Kinematik der SRT - prägnant und kompakt
Weder für die Lehrkraft noch für die interessierten Schülerinnen und Schüler ist es befriedigend, wenn Formeln vom Himmel fallen, insbesondere wenn es um die populäre Relativitätstheorie geht. Andererseits sehen zeitlich knapp kalkulierte Lehrpläne meist nur eine Mitteilung oder einen Hinweis auf die Gleichungen der Zeitdilatation oder der Längenkontraktion vor. Intention der hier vorgestellten interaktiven Lerneinheit ist es daher, die Kinematik der Speziellen Relativitätstheorie möglichst prägnant und kompakt zu erläutern, ohne auf die Herleitung der zugehörigen Formeln zu verzichten. Die Schülerinnen und Schüler erfahren dabei auch, dass mathematische Grundkenntnisse fundamental, ja hier sogar ausreichend sind, um zu neuen Erkenntnissen zu gelangen. Die erarbeiteten Formeln sollten in Anwendungsaufgaben (beispielsweise Durchqueren der Atmosphäre von Myonen oder Reise zu ?-Centauri) gefestigt werden. In der Unterrichtspraxis führte die Lerneinheit stets automatisch zu Diskussionen, die auf das Zwillingsparadoxon, das Hafele-Keating-Experiment und die Kausalitätsproblematik abzielten und von der Lehrkraft aufgenommen werden konnten.
Anknüpfungspunkt für die Dynamik der SRT
Auf diese Weise erhalten die Lernenden trotz der Einschränkungen des alltäglichen Unterrichtbetriebs einen über bloße Mitteilungen hinausgehenden Einblick in die SRT, der als Basis für weiterführende, eigenständige Forschungen und als Anknüpfungspunkt für die Dynamik der SRT dienen kann.
- Einsatzmöglichkeiten und Aufbau der Materialien
Die Konzeption der Texte, Zusatzinformationen, Lösungen und die Interaktivität der Lernumgebung werden hier skizziert.
Den Zugriff auf das Unterrichtsmaterial erhalten Sie mit einer Premium-Mitgliedschaft.
Download
- srt_kinematik.zip
Bitte beachten Sie: Die Materialien dürfen ausschließlich für nichtkommerzielle Zwecke im Schulunterricht unter Angabe des Autors C. Wolfseher verwendet werden! Außerdem unterliegen die Materialien der Creative Commons Attribution-Share Alike Lizenz. Starten Sie die Lernumgebung nach dem Entpacken…
Im Classroom-Manager speichern
Vermittelte Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler sollen
- die Bedeutung der Postulate der Speziellen Relativitätstheorie verstehen.
- die Notwendigkeit einer präzisen Definition von Ort und Zeit eines Ereignisses einsehen.
- die Relativität der Gleichzeitigkeit als zwingende Konsequenz der Postulate erkennen.
- die Formel für die Zeitdilatation herleiten und anwenden können.
- die Formel für die Längenkontraktion herleiten und anwenden können.
- die Zitate aus Originalarbeiten richtig deuten und dem Gelernten zuordnen können.
Internetadresse
- Online-Lerneinheit „Kinematik der Speziellen Relativitätstheorie“
Auf der GeoGebra-Homepage finden Sie interaktive Webseiten mit animierten Erklärungen zur Kinematik der Speziellen Relativitätstheorie von Claus Wolfseher.
