Auszug aus: Spezielle Relativitätstheorie in Kontexten - Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form
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Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form
Auszug aus:
Spezielle Relativitätstheorie in Kontexten
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1. Relativitätstheorie 1 von 34
Spezielle Relativitätstheorie in Kontexten
Matthias Borchardt, Bonn
Zeitdilatation, Massenzunahme, Grenzgeschwin-
digkeit – die Aussagen der Speziellen Relativitäts-
theorie scheinen absurd. Sie widersprechen dem
gesunden Menschenverstand.
In diesem Beitrag
– lernen Ihre Schüler historisch wichtige Bestäti-
gungsexperimente dieser Theorie kennen,
– erfahren, warum die moderne Satellitennavi-
gation (GPS) ohne Einbeziehung der Relativi-
tätstheorie nicht funktionieren würde,
und
– beschäftigen sich mit der Frage, wie Zeitreisen
© ESA
in die Zukunft möglich sein könnten.
GPS-Satelliten umkreisen die Erde.
Zeigen Sie einen Film1
zum Myonenexperiment von
II/G
Frisch & Smith!
Der Beitrag im Überblick
Klasse: 12 Inhalt:
Dauer: 2–14 Stunden · Vier wissenschaftshistorisch bedeut-
same Experimente zur Bestätigung
Ihr Plus:
der Zeitdilatation, Grenzgeschwindig-
ü Eine große Spannweite verschie- keit und Massenzunahme
denster Aspekte zur SRT
· GPS und Relativitätstheorie
ü Materialien unabhängig voneinander
· Zeitdilatation im Science-Fiction-
einsetzbar
Genre
ü Computersimulation
· Relativistisches Sehen
1
www.scivee.tv/node/2415
33 RAAbits Physik November 20132 von 34 1. 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 die-
ser 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 Inhalt des Material Bezug zur unterrichtliche
Arbeitsblattes SRT Voraussetzungen
wissen- Myonenexperiment M1 Zeitdilatation Zeitdilatation,
schafts- von Frisch und Smith
Zerfallsgesetz aus der
historisch (1963)
Kernphysik
Atomuhrenexperi- M2 Zeitdilatation Zeitdilatation
ment von Hafele und
Keating (1971)
Experiment von M3 Relativisti- Relativistische
Bucherer (1909) sche Massen- Massenzunahme,
zunahme
Bewegung von Elekt-
ronen in Feldern,
II/G Wien’scher
Geschwindigkeitsfilter
Massenspektrograf
Experiment von M 4, c als Grenz- Axiome der SRT,
Bertozzi (1964) geschwindig-
M5 Beschleunigung von
keit
Elektronen in elektri-
schen Feldern,
relativistische Energie,
eV als Energieeinheit
aktuell GPS und M6 Zeitdilatation Zeitdilatation,
Relativitätstheorie
Gravitationskraft als
Zentripetalkraft bei
der Kreisbewegung
fiktional- Zeitmaschinen – M 7, Zeitdilatation Zeitdilatation,
fantas- Reisen in die Zukunft
M8 beschleunigte
tisch
Bewegung
Tempo 30 für Licht M9 Lorentzkon- Axiome der SRT,
traktion und
Lorentzkontraktion,
relativisti-
sches Sehen Dopplereffekt
33 RAAbits Physik November 20131. 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 Versuchs-
ideen man sich seinerzeit bemühte, die Thesen Albert Einsteins zu überprüfen. Die Skep-
sis, 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 Zeitmes-
sung 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 II/G
(www.tempolimit-lichtgeschwindigkeit.de),
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 vorteil-
haft, 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 erfor-
dern einen Taschenrechner mit bis zu 15 Stellen Rechengenauigkeit. Dies schaffen nor-
male Taschenrechner in der Regel nicht. Hier hat sich die Verwendung eines Tabellen-
kalkulationsprogramms wie z. B. Excel bewährt, bei dem es ohne Probleme möglich ist,
33 RAAbits Physik November 2013Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form
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