Die berühmte Formel sollte auch Schülerinnen und Schülern "bekannt" sein, wenngleich die Tragweite der einfach aussehenden Formel nur den wenigsten geläufig sein dürfte. Die Herleitung der Formel über die bereits bekannten Fakten der Speziellen Relativitätstheorie wird für viele Lernenden eine große Herausforderung sein, der nur die mathematisch Versiertesten problemlos werden folgen können. Die Äquivalenz von Masse und Energie ist aber für das Verständnis vieler physikalischen Vorgänge so wichtig, dass man die Herleitung mit einem gut nachvollziehbaren Endergebnis trotzdem durchführen sollte.
E=mc² – Äquivalenz von Masse und Energie
Unterrichtseinheit
Die Unterrichtseinheit zum Thema "Äquivalenz von Masse und Energie" beschäftigt sich mit der vielleicht bedeutendsten Entdeckung von Albert Einstein im Jahr 1905. Im Rahmen seiner Herleitungen zur Speziellen Relativitätstheorie hat er die vermutlich berühmteste und bekannteste Formel der Physikgeschichte abgeleitet: E=m×c². Diese einfach aussehende Formel wurde für die Physik des 20. Jahrhunderts - und darüber hinaus - von fundamentaler Bedeutung. So hat sie es ermöglicht, zum einen die Vorgänge in der Sonne bei ihrer Energieerzeugung mit der bisher noch nicht realisierten Anwendung zur Energieproduktion auf der Erde zu erklären, zum anderen die im Jahr 1938 von Otto Hahn und seinen Mitarbeitern entdeckte Kernspaltung zur Energiegewinnung in Atomkraftwerken zu nutzen.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 3 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt, Übung, Ablaufplan
- 3 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Mittels eines Videos oder einer Animation können die Lernenden für das Thema sensibilisiert und auf die Tragweite hingewiesen werden.
10 Minuten -
Herleitung der Formel
Schritt für Schritt wird die Gleichung hergeleitet, wobei darauf zu achten ist, dass die Newton'schen Bewegungsgleichungen dahingehend umformuliert werden, dass die Kraft als Ableitung des Impulses nach der Zeit zu definieren ist (Arbeitsblatt 1).
30 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe soll die in ihrem Ergebnis nicht realistische Beispielaufgabe 1 berechnet werden, um die Notwendigkeit der Äquivalenz von Masse und Energie zu verdeutlichen und verständlich zu machen (Arbeitsblatt 1 und 3).
5 Minuten -
Vertiefung des Gelernten
Die Erkenntnisse aus der Hausaufgabe werden diskutiert und mit der neuen Formel in Einklang gebracht: Dazu soll die Beispielaufgabe 2 bearbeitet und diskutiert werden (Arbeitsblatt 1 und 3).
15 Minuten -
Anwendung des Gelernten I
Durch Übungsaufgaben (Arbeitsblatt 2) werden die unterschiedlichsten Anwendungen der Masse-Energie-Äquivalenz vorgestellt (Arbeitsblatt 2 und Lösungen).
30 Minuten -
Anwendung des Gelernten II
Weitere Übungsaufgaben (Arbeitsblatt 2) zu Kernspaltung und Kernfusion erläutern die Bedeutung der Masse-Energie Äquivalenz (Arbeitsblatt 2 und Lösungen).
45 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Äquivalenz von Masse und Energie
Die im Rahmen der Speziellen Relativitätstheorie besprochene Äquivalenz von Masse und Energie mit der schon seit Jahrzehnten realisierten Energieerzeugung durch Kernspaltung und der mit Hochdruck beforschten Energieerzeugung durch Kernfusion (Stichwort ITER) wird auch in den Unterrichtseinheiten zur Kernphysik von grundlegender Bedeutung werden - und aufgrund der ungelösten Probleme mit der Lagerung der dabei entstehenden (langlebigen) radioaktiven Folgeprodukte für viel Diskussion sorgen. Für den Unterricht sollten Lehrkräfte deshalb gut vorbereitet sein, um auf kritische Fragen das Für und Wider dieser Formen der Energieerzeugung sachkompetent erklären zu können.
Vorkenntnisse
Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können in gewisser Weise vorausgesetzt werden, da die Thematik aufgrund der berühmten Formel ansatzweise bekannt sein wird. Konkrete Kenntnisse sind jedoch nicht zu erwarten, weil dazu das physikalische Wissen um die Vorgänge in der Speziellen Relativitätstheorie kaum bekannt und somit erst herzuleiten ist.
Didaktische Analyse
Bei der Behandlung des Themas sollte man die Schülerinnen und Schüler darauf hinweisen, dass trotz des sowohl bei Kernspaltung als auch Kernfusion auftretenden radioaktiven Gefährdungspotentiales diese Art der Energieerzeugung klimaneutral abläuft, ohne die Umwelt mit Schadstoffen zu belasten.
Im Rahmen des Unterrichts kann gut gezeigt werden, dass die Masse-Energie-Äquivalenz im Alltagsleben kaum bemerkt werden wird, aber trotzdem bei jeder Energieumwandlung auftritt. Deshalb ist es sehr wichtig, den Lernenden zu vermitteln, welche Bedeutung der berühmten Formel im atomaren Bereich zukommt – in der Forschung (zum Beispiel am CERN in Genf), in der Energieerzeugung, aber auch in der gigantischen Energiefreisetzung bei Kernwaffen.
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Unterrichtsmaterial "E=mc²" zum Download (PDF)
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In diesem Arbeitsblatt wird in erster Linie eine mathematisch anspruchsvolle Herleitung der Gleichung E=mc² mit erklärenden Beispielaufgaben gezeigt.
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In diesem Arbeitsblatt zeigen praxisorientierte Übungsaufgaben an konkreten Beispielen, welche Bedeutung dem Zusammenhang zwischen Masse und Energie zukommt.
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In diesem Arbeitsblatt zeigen praxisorientierte Übungsaufgaben an konkreten Beispielen, welche Bedeutung dem Zusammenhang zwischen Masse und Energie zukommt.
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen der Arbeitsblätter aus der Unterrichtseinheit "E=mc² – Äquivalenz von Masse und Energie".
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Hier können Sie alle Arbeitsblätter sowie die Lösungen der Einheit "E=mc² – Äquivalenz von Masse und Energie" im Word-Format als ZIP-Ordner herunterladen.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen um die weitreichende Bedeutung der speziellen Relativitätstheorie und dem daraus abgeleiteten Prinzip der Äquivalenz von Masse und Energie.
- können nachvollziehen, wie man die Formel E=m×c² herleitet.
- kennen die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Energieerzeugung infolge der Äquivalenz von Masse und Energie.
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 den anderen Lernenden, Eltern, Freunde wertfrei diskutieren zu können.
Externe Links
- youtube.com
In diesem Link wird die Äquivalenz von Masse und Energie an verschiedenen Beispielen per Animation vorgestellt.
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