life+science: Lehrerwettbewert: Einstein in die Schule

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Mai/Juni 2005
Dokumentation des
Lehrerwettbewerbs zum
Einstein-Jahr 2005
EINSTEIN IN DIE SCHULE
Ausgezeichnete Konzepte für den Unterricht
life
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+++ LEHRER-SPECIAL +++ LEHRER-SPECIAL +++ LEHRER-SPECIAL + + +
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life + science
1
Inhalt
Einstein
in die Schule
Ein Themenabend zu Albert Einstein
KATRIN REUKAUF
2
2. Platz
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WebQuest: Albert Einstein – Leben und Werk
HILDEGARD URBAN-WOLDRON
4
3. Platz
Eine Reise aus der Zeit … mit Albert Einstein
MELANIE MÜLLER
6
4. Platz
Mit Einstein – gegen Denkgewohnheiten
ELKE RIEDL
8
Sonderpreis Breitenwirkung
Albert Einstein Superstar
SONJA TOPHOFEN
9
5. Platz
Brownsche Bewegung –
Experimente zu Einsteins Therorie
VOLKER MARTINI
10
Sonderpreis Mittelstufe
„Das Genie“ – einmal ganz privat
ARITE LÖSER
11
6.–10. Platz
Einsteins spezielle Relativitätstheorie –
Unterricht auf Basis von Computeranimationen
ANDREAS HERZ
12
Sachanalyse … Annäherung an eine Biografie
ANNETT POHLING
12
Hochgenaues GPS durch konstante
Lichtgeschwindigkeit
UDO SCHELB
13
Leben und Werk Einsteins als Spiel
UTA THOMAS
14
Übungen zur Visualisierung von
Längenkontraktion und Zeitdilation
BEATE SCHUSTER/DIETER WITTENBERG
15
Sonderpreis Unterstufe
rer-Wettbewerbs, den THINK ING. und Science on
Stage Deutschland e.V. gemeinsam mit life + science
Ende letzten Jahres initiiert haben. Die Zielsetzung
des Wettbewerbs stellte gleichzeitig die Herausforderung an die Teilnehmer dar: Das Leben und Werk
Albert Einsteins galt es mit kreativen Konzepten und
innovativen Lehrmethoden nachhaltig an den Schulen in den Unterricht zu integrieren. Dem Einfallsreichtum waren dabei keine Grenzen gesetzt –
Hauptsache das Unterrichtskonzept weckte das
(natur-)wissenschaftliche Interesse der SchülerInnen.
Sowohl von der Anzahl wie auch von der Qualität
der eingereichten Konzepte waren Initiatoren und
Jury überwältigt. Bei Science on Stage wurden insgesamt 118 Unterrichtskonzepte angemeldet – nicht
nur aus dem Bundesgebiet. Auch deutsche Schulen im Ausland und Lehrer aus dem Nachbarland
Österreich beteiligten sich am Wettbewerb. Bei
einem solchen Feuerwerk an geistreichen Ideen,
intelligenten Konzeptionen und originellen Umsetzungen hatte die Jury eine schwere Aufgabe vor
sich. Bewertet wurde nach den Kriterien fachliche
Richtigkeit und inhaltliche Tiefe, Originalität, Kreativität und Interdisziplinarität, didaktische und
methodische Aufbereitung sowie die Umsetzbarkeit
des Konzepts im Unterricht. Neben drei Reisen nach
Genf zum Europäischen Wissenschaftsfestival
„Science on Stage“ 2005 und Schulgeld für die
besten Konzepte, gab es außerdem sieben Büchergutscheine zu gewinnen. Für die Unterstufe, die
Mittelstufe und die Breitenwirkung einer Initiative
wurden Sonderpreise ausgelobt.
Die in diesem life + science Sonderheft kurz vorgestellten Arbeiten sollen einen Überblick über den
erfolgreichen Wettbewerb geben und allen interessierten Lehrkräften Anregungen und innovative
Unterrichtsansätze bieten. Die kompletten, ungekürzten Unterrichtskonzepte aller Preisträger können im Internet unter
www.science-on-stage.de
Optik mit Einstein
RALF RICKEN
16
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Jury/Impressum
16
Viel Spaß beim Lesen und Entdecken!
Grußwort
Prof. Dr. Paul Söding, ehem. DESY-Forschungsdirektor
Wir leben in einer hochkomplexen Welt, vieles
scheint uns – und vieles ist – irreal oder gar irre. Nicht
so die Natur – zwar ebenfalls hochkomplex, ist sie
doch nie irreal. Sie gehorcht realen, verlässlichen
Gesetzen. Und wie die Natur funktioniert, das lässt
sich erforschen und – in Grenzen – durchschauen
und verstehen.
Dies heißt aber nicht, dass Naturgesetze nicht doch
‚irre’ erscheinen könnten! Etwa, dass Dinge zugleich
hier und woanders sein oder sich durch ein schwarzes Loch für immer aus dem Universum verabschieden können. Neuartige Erkenntnisse erscheinen oft
so paradox, dass selbst ihre Entdecker sich damit
schwer tun. Und manchmal braucht es eine neue
Wissenschaftlergeneration, bis sie sich durchsetzen.
Einer der visionärsten Forscher war Albert Einstein.
Wie wurde er das? Schon als Schüler stellte er sich
Fragen, über die vor ihm wohl niemand ernsthaft
nachgedacht hatte. Etwa die, was man sehen würde, wenn man sich so schnell wie das Licht bewegt.
Durch jahrelanges tiefes Nachsinnen über solche Fragen entdeckte er, dass alle bisherigen Vorstellungen
über die Zeit einem grundlegenden Irrtum aufgesessen waren. Und fand die berühmte Gleichung
E = mc2, die Masse auf Energie zurückführt – heute
eine Grundlage unseres Wissens und unserer Technologie.
Er selbst wunderte sich nicht wenig, dass er das hatte schaffen können – dass es menschlicher Einsicht
möglich war. „Das Unbegreiflichste an der Natur ist,
dass sie begreifbar ist.“ Dabei kommt man, wenn
man nicht gerade Einstein ist, zwar nur in kleinen
Schritten voran. Aber es lohnt sich, denn eine Entdeckung zu machen gehört zu den schönsten Erlebnissen.
Ich möchte allen engagierten Lehrerinnen und Lehrern dafür danken, dass sie mit ihren Unterrichtskonzepten das Interesse und die Begeisterung für
Naturwissenschaften in der Schule wecken. Ich gratuliere den Preisträgern und wünsche allen an diesem Projekt beteiligten Partnern für die Zukunft
bestes Gelingen.
life + s c i e n c e
1
Ein Themenabend zu
Albert Einstein
Kunst
Theatergruppe
Musik
Themenabend
Albert Einstein
Das Schiller-Gymnasium Hof gestaltet für Schüler, Eltern und Gäste einen Themenabend
Deutsch
Chemie
„Albert Einstein“. Neben kurzen Fachvorträgen über die historische Bedeutung des
Physikers, seinen Anteil an der Entwicklung der Atombombe und die Relativitätstheorie
erwartet die Gäste auch Musik, Theater, Kunst und vieles mehr.
Fachgebiete: Chemie, Deutsch, Ethik, Kunst,
Musik, Physik, Theatergruppe
Altersgruppe: 16 bis 18 Jahre
Konzepte: Im „Einsteinjahr“ und weltweiten
„Jahr der Physik“ 2005 haben sich sieben
Kollegen des Schiller-Gymnasiums mit ihren
Schülern zusammengetan, um sich der Person
Albert Einsteins, seinen wissenschaftlichen Ideen
und seiner gesellschaftlichen Bedeutung in
einem gemischten Themenabend zu nähern.
Aufgrund der Lehrplansituation in Bayern und
der Tatsache, dass die Auseinandersetzung mit
Albert Einstein und seinem Werk keine leichte Angelegenheit ist, hat sich das Schiller-Gymnasium dazu entschieden, vor allem Schüler der
12. Jahrgangsstufe zur Mitarbeit zu motivieren. In Grund- und Leistungskursen sowie in
Arbeitsgemeinschaften der Fächer Chemie,
Deutsch, Ethik, Kunst, Musik, Physik, Theatergruppe werden Materialien unter verschiedenen Aspekten aufgearbeitet, um dann kurze Fachvorträge und Präsentationen in den
Themenabend einfließen zu lassen.
Katrin Reukauf
Schiller-Gymnasium in Hof
Biologie, Chemie
„Es ist wichtig, die Dinge nicht nur
einseitig, sondern aus verschiedenen
Blickwinkeln zu betrachten. Das
macht sie noch interessanter.“
2
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Die Vorträge und Präsentationen erarbeiten die
Schüler mit Hilfe der Lehrkräfte größtenteils
selbst. Am Themenabend stehen jeder Schülergruppe ca. 15 Minuten zur Verfügung. Das
Programm der Theatergruppe wird ungefähr
30 Minuten dauern.
Projektbeschreibungen
Fach: Chemie
Beim Namen Albert Einstein denkt man sofort
an seine berühmte Formel E=mc2 und die
Atombombe. Daher hat der Leistungskurs Chemie den Komplex Einstein und Energie als Thema gewählt. In drei Kurzreferaten, die von
jeweils zwei Schülern gehalten werden, geht
es um die theoretischen Grundlagen der Kernenergie, die Atombombe und die friedliche Nutzung der Atomspaltung und -fusion.
Der erste Teil beschreibt die Herleitung der Formel E=mc2. Es folgt ein Überblick über die
Anwendungsgebiete des Massendefekts inklusive eines Ausblicks in die Zukunft. Anschließend wird dargestellt, warum Einstein
nicht Vater der Atombombe ist.
Im zweiten Referat geben die Schüler einen kurzen Einblick in die Geschichte der Atombombe
sowie die Auswirkungen einer atomaren Explosion. Sie erläutern Bau und Wirkungsweise der
Bombe und die ablaufende Kettenreaktion.
Schließlich behandelt der dritte Teil die friedliche Nutzung der Kernenergie. Neben der
Funktionsweise von Spaltungsreaktoren werden am Beispiel des ITER das Prinzip der Kernfusion und ihre Perspektiven besprochen. Auch
die Nachteile von Kernenergie wie die Frage des
radioaktiven Mülls werden thematisiert.
Fach: Deutsch
Die Person Albert Einstein und deren Leistungen bieten auch im Fach Deutsch zahlreiche
Physik
Ethik
Anknüpfungsmöglichkeiten. Der Mensch im
Kontext von Wissenschaft und Verantwortung
kann in der 10. Jahrgangsstufe im Rahmen von
sachlichen Erörterungen und literarischen
Betrachtungen Thema des Unterrichts sein. Als
literarische Gegenstände bieten sich u.a. Friedrich Dürrenmatts Drama „Die Physiker“, in dem
die Figur Einstein eine zentrale Rolle spielt, oder
Heiner Kipphardts Dokumentardrama „In der
Sache J. Robert Oppenheimer“, in dem Einstein
lediglich inhaltlich erwähnt wird, die Thematik der Verantwortung von Wissenschaftlern
jedoch zentral ist, an.
Die Schüler erarbeiten mit Blick auf das Drama selbstständig und zielgerichtet einen Vortrag zu Albert Einstein. Dabei setzen sie den
Wissenschaftler und Privatmann in den Kontext von Forschung und Verantwortung.
Fach: Ethik
Im Fach Ethik beschäftigen sich die Schüler mit
der Frage der Verantwortung und des freien
Willens. In einem Redebeitrag, der in Dialogform gestaltet werden kann, gehen sie auf eines
der beiden Problemfelder ein.
Ausgehend von der Philosophiegeschichte wird
insbesondere die Theorie der Verantwortungsethik von Hans Jonas vorgestellt und anschließend auf ein praktisches Beispiel angewandt. Die erkenntnisleitende Frage ist,
inwieweit ein theoretischer Physiker wie Albert
Einstein mitverantwortlich für die Entwicklung
und den Einsatz einer so fürchterlichen Waffe
wie der Atombombe ist. Erweiternd wird darüber nachgedacht, wer denn überhaupt Verantwortung trägt, der Wissenschaftler, der
Techniker, der Politiker, der Soldat?
Alternativ erörtern die Schüler, inwieweit das
naturwissenschaftliche Weltbild seit Albert Einstein, das sich von der strengen Kausalität abgewandt hat, Einflüsse auf die Frage hat, ob der
Mensch frei oder determiniert ist. Viele Aspek-
© Schiller-Gymnasium Hof
1. Platz
Fach: Kunst
„Das Schönste, was wir erleben können, ist
das Geheimnisvolle. Es ist das Grundgefühl,
das an der Wiege von wahrer Wissenschaft
und Kunst steht. Wer es nicht kennt und sich
nicht mehr wundern oder staunen kann, der
ist sozusagen tot und sein Auge erloschen.“
Albert Einstein
Künstler wie Klee, Picasso und Duchamp stellten sich in der Malerei der großen ästhetischen
Herausforderung der Relativitätstheorie und
versuchten, zum Beispiel durch kubistische Elemente, die Simultanität der Zeit darzustellen
und damit alte Ordnungen aufzubrechen – bis
hin zur Abstraktion: „Nichtcomponiertes im
Raum“ (1927) von Paul Klee steht als Beispiel
hierfür.
Albert Einstein selbst hingegen konnte als Wissenschaftler mit der Kunst nicht wirklich etwas
anfangen. Er grenzte sich klar ab von Dingen,
die ihm wichtig waren und solchen, die ihm
nicht weiter von Bedeutung erschienen. Überraschendes Beispiel: Das Genie wollte nicht einmal Kopfrechnen – zu unwichtig nach seiner
Auffassung. Und den künstlerischen Lärm um
seine Relativitätstheorie tat er als Unsinn ab,
über den ihm zu Ehren von Erich Mendelsohn
erbauten Einstein-Turm in Potsdam äußerte er
sich sogar abfällig.
Einsteins Theorie rührte am Weltbild. Der Beitrag der Schüler im Fach Kunst wird am Einstein-Bild rühren. Mit digitalen Werkzeugen formen und deuten sie Einsteins Fotografien um.
Die Ergebnisse werden in einer Ausstellung
gezeigt und diskutiert.
Fach: Musik
Weil Einstein selbst nicht komponiert hat, bzw.
keine Kompositionen von ihm bekannt sind,
existieren nur wenige Informationsquellen über
sein musikalisches Leben. Beim Themenabend
werden musikalische Beiträge einzelne Referate,
Vorträge und Schauspiele anreichern bzw.
untermalen. Eine kurze „musikalische Situationsbeschreibung“ Einsteins zeigt knapp, woher
seine Musikbegeisterung rührte und wie er sie
in seinem Leben als Physiker auslebte.
Es ist bekannt, dass Einstein oft und gerne im
Trio oder Quartett musiziert hat. Zugunsten
humanitärer Aktionen gab er sogar Konzerte.
Schülerinnen und Schüler aus dem Grundkurs
Musik haben Einsteins musikalisches Leben
recherchiert und werden beim Themenabend
praktische Musikbeispiele zu Gehör bringen.
Knappe Erläuterungen vor den jeweiligen
Musikstücken geben Einsicht in die musiktheoretischen Umstände. Die Umsetzung
erfolgt als konzertante Auftritte, sowie als
Ergänzung/Mitwirkung beim Schauspiel.
Fach: Physik
Zu den seltsamsten Konsequenzen aus Einsteins
Spezieller Relativitätstheorie gehört die Abhängigkeit der Zeit vom Bezugssystem. Berühmt
geworden ist das so genannte Zwillingsparadoxon: Ein Zwilling fliegt in einem Raumschiff
mit annähernd Lichtgeschwindigkeit von der
Erde weg und kehrt wieder zurück. Als er aus
dem Raumschiff steigt, stellt er fest, dass sein
auf der Erde gebliebener Zwilling um mehrere Jahre stärker gealtert ist als er selbst. Zwei
Schülerinnen des Leistungskurses Physik haben
sich im Rahmen ihrer Facharbeiten mit den
Grundlagen dieses Paradoxons beschäftigt und
© Picture-Alliance/dpa
te – philosophische ebenso wie soziologische,
psychologische oder vor allem biologische –
sprechen für eine weitgehende Determination
des Menschen.
Das Einladungsplakat
zum Themenabend
stellen es zusammen mit weiteren Schülern des
Leistungskurses sowie der Klasse 11b vor. Ziel
ist es, im Rahmen dieser Veranstaltung Interesse
für weitergehende Fragestellungen zu wecken,
so wie Einstein es formulierte: „Ich habe keine
besondere Begabung, sondern bin nur leidenschaftlich neugierig.“ Dabei beziehen die Schüler
mathematische Überlegungen mit ein, auch
wenn Einstein feststellen musste: „Seit die
Mathematiker über die Relativitätstheorie hergefallen sind, verstehe ich sie selbst nicht mehr.“
Einer Darstellung der Physik gegen Ende des
19. Jahrhunderts folgt eine Einführung in die
Spezielle Relativitätstheorie, ihre Postulate und
die daraus entstehenden Folgerungen für Raum
und Zeit. Die Bedeutung mathematischer Transformationen wird anhand realer Experimente
gezeigt, mit denen das Zwillingsparadoxon
empirisch bestätigt wurde. Ein Blick auf kritische Stimmen und die weitere Entwicklung der
Relativitätstheorie bildet den Abschluss des Beitrags.
Arbeitsgruppe: Theater
Die zentrale Frage des Theaters ist die Frage
nach der Motivation von Menschen: Warum
handelt ein Mensch auf diese oder jene Weise? Was treibt ihn an, wo sitzen seine Sorgen
und Ängste? Kann man als Schauspieler dies
nachempfinden und als einen Teil seines eigenen Lebens sehen? Die Schüler der Theatergruppe haben daher vor allem versucht, den
Menschen Albert Einstein kennen zu lernen.
Bei der Suche nach Einsteins Persönlichkeit ist
aufgefallen, dass ihm vor allem seine Ideen zur
Entwicklung der Atombombe im Laufe seines
Lebens immer wieder zu schaffen gemacht
haben und ihn weitgehend beschäftigten. Seine Verantwortung als Physiker, die er durch diese Entdeckung sehr bewusst wahrgenommen
hat, hat ihn zu der Frage geführt: Welche Verantwortung hat er als Physiker für die Wissenschaft, aber auch für die Menschheit?
Kein anderes Drama erzählt von diesem Gefühlschaos eines Menschen besser als Dürrenmatts
„Die Physiker“. Die Theatergruppe tastet sich
an berühmte Szenen heran und reflektiert diese vor dem genannten Hintergrund.
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2. Platz
WebQuest:
Albert Einstein – Leben und Werk
Bei einem Webquest geht es vor allem darum, Computer und Internet als Werkzeuge einzusetzen, unterschiedliche Medien und Quellen zu nutzen und Inhalte zu beund verarbeiten. Ein zentraler Punkt ist, wie Informationen bewertet werden, wie
mit anderen arbeitsteilig kooperiert wird, um so gemeinsam zu einem Ergebnis
gelangen zu können, das am Ende des Prozesses in einer zu vereinbarenden Form
(ob als Plakat, Handout, Powerpoint-Präsentation oder als Webseite) präsentiert
wird. Das vorgelegte Webquest zu Albert Einstein eignet sich zum Selbststudium
greifende Themen sowie fächerverbindende
Ansätze und Fragestellungen:
➜ Albert Einstein – wer war das?
➜ Der Wandel des naturwissenschaftlichen
Weltbildes, die Bedeutung Einsteins für unsere Gesellschaft und insbesondere seine Spuren in der Literatur.
➜ Die Frage nach der Verantwortung des
Naturwissenschaftlers für die Anwendung
seiner Erkenntnisse.
➜ Einstein als Pazifist – seine Opposition zu den
Zielvorstellungen der Nationalsozialisten und
schließlich seine Emigration aus der Heimat.
➜ Wie wurde die Biographie Einsteins durch
seine ethische Grundhaltung geprägt?
wie als Ergänzung zum Präsenzunterricht.
Auszüge aus dem Webquest zu Einstein
Altersgruppe: ab 8. Klasse
Konzept: Wird ein Webquest im Unterricht eingesetzt, tritt die Lehrkraft als Fachperson in
Erscheinung, die das Erarbeitete bewertet und
bei Fehlern korrigierend eingreift. Webquests
zu erstellen, verlangt vor allem pädagogische
Fähigkeiten und lediglich allgemeine PC-Kompetenzen. Diese beschränken sich im Großen
und Ganzen auf gute Kenntnisse einer Textverarbeitung, um die Aufgabe den SchülerInnen auf einem Blatt Papier aushändigen zu können, und auf Suchkompetenzen, damit man in
der Lage ist, genaue Web-Adressen anzugeben, damit die SchülerInnen im Unterricht nicht
unnötig Zeit mit dem Suchen von Informationen verschwenden müssen. Wichtig ist jedoch,
Hildegard
Urban-Woldron
Gymnasium
Sacre Coeur in
Pressbaum
(Österreich)
Mathematik,
Physik, Informatik
„Ich habe keine besondere Begabung,
sondern ich bin nur leidenschaftlich
Albert Einstein
neugierig!“
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dass nicht nur exklusiv und in jeder Phase das
Internet genutzt wird, sondern wenn möglich
unterschiedliche Medien (Zeitungen, Zeitschriften, Grafiken, Bücher, Videos usw.) eingebunden werden.
Webquests orientieren sich eng am Modell des
problemorientierten Lernens. Dabei unterstützen die LehrerInnen die Lernenden durch eine
klar strukturierte Aufgabenstellung, fördern
damit das selbst gesteuerte Lernen sowie das
gemeinschaftliche Lernen in der Kleingruppe
und halten sich während der Bearbeitung der
Aufgabe eher zurück und wirken in der Klasse lediglich beratend mit. Voraussetzung dafür
sind allerdings geeignete Kontexte, die es zu
schaffen gilt. Lernen anhand von authentischen,
interessanten, vielleicht auch betroffen machenden Themen motiviert die SchülerInnen.
Zielsetzungen
Im Brennpunkt des Wissenschaftsjahres 2005
soll keineswegs „nur“ die Umwälzung unseres physikalischen Weltbildes durch Albert Einstein stehen, sondern auch die Persönlichkeit
und die Biographie des genialen Wissenschaftlers. Mit Hilfe von Internet-Recherchen
und der Präsentation von Ergebnissen (z.B. in
Form einer Website, einer Ausstellung, einer
Aufführung oder auf Postern im Schulhaus)
lässt sich ein breites Spektrum von Lernzielen
umsetzen. Diese eignen sich für fächerüber-
Liebe Schülerin, lieber Schüler!
Die Wissenschaft steckt voller Geheimnisse. Sie
stellt die Welt nicht dar, sondern gibt ihr nur
eine Form. Theoriegesetze sind Fiktionen.
Mache dich auf die spannende Reise, entdecke
einige dieser Geheimnisse und erlebe interessante Einblicke in das Leben und das Werk eines
ganz großen Wissenschaftlers.
Einstein war vieles in einer Person: genialer Physiker, Ingenieur, Mathematiker und vor allem
ein Neugieriger! Was für ihn am allerwichtigsten war: die Freiheit, seine Genialität ausleben
zu können.
Eine Auswahl an Zitaten von Albert Einstein:
„Mein Labor ist das Papier, auf dem ich
schreibe.“
„Zwei Dinge sind unendlich: Das Universum
und die menschliche Dummheit. Aber beim
Universum bin ich mir nicht ganz sicher.“
„Woher kommt es, dass mich niemand
versteht und jeder mag?“
„Ich verachte alle, die es lieben im Takt der
Musik zu marschieren, denn sie haben ihr
Gehirn nur aus Zufall bekommen, ein Rückgrat hätte dazu vollkommen gereicht.“
Albert Einstein wurde so oft fotografiert, dass
er einmal einem Fremden, der ihn nach seinem
Beruf fragte, antwortete: „Ich bin Fotomodell.“
Einführung: Von langsamen Uhren und
verbogenen Räumen
Zwei physikalische Theorien haben zu Beginn
des 20. Jahrhunderts unser Weltbild revolutioniert: die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie. Während die Quantenmechanik aus der gemeinsamen Anstrengung einer
größeren Gruppe von Physikern hervorging, hat
die Relativitätstheorie nur einen Schöpfer: Albert
Einstein (15. März 1879–18. April 1955). Er hob
im Jahr 1905 als Schweizer Fachlehrer für
Mathematik und Physik, der als technischer
Experte III. Klasse am Patentamt arbeitete, die
Welt aus den Angeln. 1905, in seinem Wunderjahr, erschienen gleich sechs Arbeiten.
Für eine erhielt er später den Nobelpreis für
Physik, eine der anderen ging als Spezielle
Relativitätstheorie in die Geschichte der Physik ein.
„Was würde geschehen, wenn ich
hinter einem Lichtstrahl hereilen und
ihn schließlich einholen würde?“
Diese Frage stellte Albert Einstein als 17-jähriger. Einige Jahre später hatte er diesen Gedankengang vollendet und damit die alten Vorstellungen von der Beschaffenheit von Raum
und Zeit – über 200 Jahre bestehendes Gedankengut – hinfällig gemacht. Mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie revolutionierte Albert
Einstein auch die Vorstellung des Raumes. Nach
seiner Vorstellung war er ein „dynamisches
Gebilde“. Als sich eine seiner Vorhersagen 1919
bei einer totalen Sonnenfinsternis bestätigen
ließ, wurde der einstige Patentbeamte aus Bern
schließlich zu einer Größe der Weltgeschichte.
Einsteins berühmte Formel beschreibt auch die
ungeheure Zerstörungskraft von Atombomben:
Auch kleine Massen enthalten sehr viel Energie, „c“ ist die Lichtgeschwindigkeit von knapp
300.000 km/s! Während die Formel E = mc2
in unserem Leben unübersehbare Auswirkungen hat, sind die übrigen Effekte der Relativitätstheorie im Allgemeinen so gering, dass wir
sie im Alltag nicht direkt bemerken.
Ohne Kenntnis der Relativitätstheorie ließe sich
z.B. ein Ortungssystem wie GPS gar nicht realisieren.
Die Relativitätstheorie ist heute ein fester
Bestandteil der modernen Physik, in zahlreichen
Experimenten wurde sie bestätigt. Heute haben
es sich die Theoretiker zum Ziel gesetzt, die beiden Fundamentalbeschreibungen der Natur, die
Quantenmechanik und die Relativitätstheorie,
in einer übergeordneten Theorie zu vereinen
– bislang ohne Erfolg. Auch Albert Einstein
scheiterte an dieser Aufgabe. Er starb am 18.
April 1955.
➜ Physiker, Nobelpreisträger, Atombombe,
E=mc2, Relativitätstheorie ... das sind
Schlagworte, die auch heute noch mit
dem Namen „Albert Einstein“ verbunden
sind.
➜ Aber wer weiß schon, dass Einstein bei-
nahe Präsident von Israel geworden
wäre?
➜ Welche Schuld trifft ihn wirklich am Bau
der Atombombe?
➜ Und was ist dran an der Behauptung, dass
das Genie Einstein in der Schule ein
schwacher Schüler war?
➜ Wie ist das mit Zeitreisen? Was bremst
das Licht ab?
➜ Wer hätte gedacht, dass Einstein auch
praktisch veranlagt war?
➜ Wie sähe die Welt aus, wenn wir uns mit
Fast-Lichtgeschwindigkeit darin bewegen
würden?
Vielleicht gelingt es dir, liebe(r) Schüler(in),
abgesehen von der Bearbeitung der wissenschaftlichen Leistungen Einsteins, hinter dem
Mythos Einstein das wahre Bild des Menschen
hervorscheinen zu lassen, der sehr viel widersprüchlicher, aber kaum weniger bemerkenswert als seine Legende war. Zeige auf, dass der
Mensch Einstein von starken Ambivalenzen
geprägt war: Der Erneuerer der Physik stellte
sich später halsstarrig der Weiterentwicklung
der Quantentheorie in den Weg; der überzeugte Pazifist plädierte für den Bau der Atombombe, der gutmütige Menschenfreund hatte ein seltenes Talent, Freunde und Angehörige
tief zu verletzen. Er wurde zum ersten Medienstar der Wissenschaft, der seine öffentliche Wirkung zu nutzen verstand – und sich zugleich
über den Rummel der Medien beklagte: „Der
Gegensatz zwischen der öffentlichen Einschätzung meiner Kräfte und Leistungen zur Wirklichkeit ist einfach grotesk.“
Aufgabe: Stelle das Leben und Wirken von
Albert Einstein dar!
➜ Ein Vorschlag: Du bist z.B. Journalist und
sollst für ein bekanntes Magazin über das
Thema recherchieren.
➜ Vielleicht fallen dir aber selbst weitere Ausgangssituationen ein?
Zum Pflichtprogramm gehören dabei folgende Aspekte:
1 Nimm zu Albert Einstein Stellung.
➜ Welchen Eindruck hast du von dieser Persönlichkeit durch die Beschäftigung mit den
Lernmaterialien gewonnen?
➜ Wie beurteilst du Albert Einstein und sein
Werk?
➜ Was waren für dich wichtige Aspekte der
Bearbeitung und der Auswahl der Unterlagen?
Briefmarke
aus der
Schweiz
➜ Was hat dich überhaupt nicht angesprochen
und warum nicht? Was wird dir in Erinnerung bleiben?
➜ Was hast du persönlich aus der Bearbeitung
des Themas und der Beschäftigung mit den
Materialien gelernt?
2 Stelle Albert Einstein als Person und Mensch
möglichst umfassend und kreativ dar.
➜ Verfasse einen Kommentar in einer Tagesoder Wochenzeitung zu den Ereignissen
rund um die Sonnenfinsternis im Mai 1919.
➜ Gestalte ein Interview mit Albert Einstein
nach der Explosion der Atombomben in
Hiroshima und Nagasaki.
➜ Welche eigenen guten Ideen hast du (nach
vollständiger Durchsicht der Lernmaterialien), die Leistungen des großen Wissenschaftlers auf kreative Weise zu präsentieren?
Hilfen und Hinweise für die Schüler
Die Erarbeitung eines so großen und umfangreichen Themenkomplexes setzt eine gut
geplante Vorgehensweise voraus. Das Webquest enthält Vorschläge, wie die Aufgaben auf
die Schüler verteilt und zeitlich koordiniert werden können.
Eine umfangreiche Sammlung kommentierter
Hyperlinks leitet die Schüler bei ihrer Informationssuche im Internet. Ein Teil der Quellen ist
in englischer Sprache und erfordert so ein interdisziplinäres Vorgehen. Neben erklärenden Texten zu Einsteins Leben und Werk sind im World
Wide Web auch Faksimiles seiner Aufsätze,
Simulationen und Animationen sowie ganze
Online-Kurse zu finden.
Die Bewertung der Schülerarbeit erfolgt nach
offenen Kriterien, die den Schülern bekannt
sind. Es gibt Punkte für die Richtigkeit der Aussagen, die Vollständigkeit der Analyse, die
Gestaltung der Ergebnisse sowie die Präsentation der Ergebnisse.
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3. Platz
Eine Reise aus der Zeit …
mit Albert Einstein
In der Nähe der Erde wird ein Schwarzes Loch entdeckt …
Diese Situation spielen Lehrkraft und Schüler gemeinsam durch. Da die Erforschung des
Schwarzen Lochs ein Generationenprojekt ist, sucht die ESA junge Menschen, die
mithelfen. Die Klasse bekommt den Auftrag, eine Raumkarte zu erstellen. Hilfe erhält
sie aus alten Briefen eines geheimnisvollen Wissenschaftlers, der aus seinem Leben
erzählt und seine Theorien erklärt.
Fachgebiete: Mathematik, Deutsch, Physik,
Geschichte, Bildende Kunst, Technik
Altersgruppe: Klasse 12/13 Wahlthema
(alternativ Ende Klasse 11 als Großprojekt/
Projekttage)
Konzept: „Unterricht sollte so sein, dass das
Gebotene als wertvolle Gabe empfunden
wird und nicht als harte Pflicht.“ (Albert Einstein, 1952)
Dem Gedanken des Zitats folgend, bringt dieses Unterrichtskonzept den Schülern das
Leben und Werk Albert Einsteins im Rahmen
einer fiktiven Situation näher: In der Nähe der
Erde wird ein Schwarzes Loch entdeckt. Die
ESA beschließt, in einem großen, generationenübergreifenden Forschungsprojekt das
Schwarze Loch genau zu untersuchen und
somit die Relativitätstheorie Einsteins in noch
nie geahntem Maße experimentell zu überprüfen. Die Schüler und der Lehrer schlüpfen
in die Rolle einer ausgewählten Schulklasse,
Melanie Müller
Albert-EinsteinGymnasium in
Reutlingen
Mathematik,
Deutsch
„Unterricht sollte so sein, dass
das Gebotene als wertvolle Gabe
empfunden wird und nicht als harte
Albert Einstein
Pflicht.“
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die aufgefordert ist, mitzuhelfen und als erste
Aufgabe eine Raumkarte für die Umgebung
des Schwarzen Lochs zu entwickeln. Da die
Schüler natürlich kaum etwas von Einsteins
Theorien, von Schwarzen Löchern oder
gekrümmten Räumen wissen, bekommen sie
Hilfe aus alten Briefen eines Wissenschaftlers,
der die Situation schon lange vorhergesehen
hatte. Im Laufe des Unterrichtsprojektes lernen die Schüler so das Leben und Werk des
alten Wissenschaftlers kennen, der sich
natürlich als Albert Einstein herausstellt.
In dieses Unterrichtsprojekt können neben
Physik viele Fächer eingebunden werden: Die
Lektüre der Briefe, deren Texte aus L. Novellis
Buch „Einstein und die Zeitmaschinen“ entnommen sind (Fach Deutsch), enthalten
immer wieder Erklärungen zu Einsteins Theorien (Fach Physik) und zum geschichtlichen
Hintergrund der Zeit, in der Einstein aufwuchs (Fach Geschichte). Der Konstruktion
(Fach Mathematik) und dem Bau der Modelle
im Technikraum (Fach Bildende Kunst/Technik) schließen sich Berechnungen zu Umfang,
Oberfläche und Rauminhalt der Modelle an
(Fach Mathematik). Die Teilergebnisse, die
von den Schülern immer wieder präsentiert
werden, fließen ebenfalls ins Fach Deutsch
ein.
Das Unterrichtsprojekt ist wegen der hohen
Anforderungen an die Schüler für die 12./13.
Klasse geeignet, entweder im Rahmen von
Projekttagen oder als fächerübergreifendes
Wahlthema zwischen schriftlichem und
mündlichem Abitur. Die Schüler erfahren so
am Ende ihrer Schulzeit, dass ein Schulfach
nicht nur Selbstzweck hat, sondern auch mit
anderen Fächern verknüpft werden kann, um
ein übergeordnetes Problem zu lösen. Alternativ könnte man natürlich das Projekt in
einer Kompaktphase durchführen und dafür
die anderen Fachlehrer mit einbeziehen.
Es ergibt sich folgende Grobgliederung
für den Unterricht:
I. Einführung in das Thema
1. Std. Konfrontation mit dem fiktiven Problem „Schwarzes Loch in der Nähe der
Erde“, Beginn der Arbeit an einem fiktiven
Projekt der ESA
Als Einstieg schließen die Schüler ihre Augen
und begeben sich gemeinsam mit dem Lehrer
auf eine Phantasiereise: „Stellt euch vor, ihr
schlagt eines Morgens beim Frühstück die Zeitung auf und lest folgenden Artikel.“ Mit diesen Worten leitet er das Projekt ein. Er liest zwei
frei erfundene Artikel aus Tageszeitungen vor
und teilt anschließend Kopien des offiziell aussehenden „Briefes der ESA“ aus. Darin werden
die Schüler aufgefordert, sich aktiv an dem Forschungsprojekt zu beteiligen. Ihre erste Aufgabe
besteht darin, eine dreidimensionale Raumkarte
der Umgebung des Schwarzen Lochs zu erstellen. Dazu sammelt die Klasse als Hausaufgabe erste Vorschläge.
2. Std. Öffnen einer geheimnisvollen Kiste:
Erste Annäherung an die Person Albert Einsteins
Die Besprechung der Hausaufgabe zeigt, dass
die Schüler noch zu wenige Informationen
haben; eventuell gibt es Vorschläge von
zweidimensionalen Karten oder einer dreidimensionalen Zeichnung, etc. Der Lehrer
schlägt vor, die geheimnisvolle Kiste zu öffnen, die dem Brief der ESA beigelegt war.
Gemeinsam liest die Klasse den ersten Brief.
Als Hausaufgabe fertigen die Schüler DIN A5Karteikarten an, die die neuen und wichtigen
Informationen daraus enthalten.
3.–5. Std. Bekanntwerden mit der Biographie
und dem Werk Albert Einsteins über „seine“
Briefe aus der Kiste
Die in der Hausaufgabe angefertigten Karten
werden in Plakate an einer Stellwand integriert. In arbeitsteiliger Gruppenarbeit bearbeiten sie dann weitere Briefe. Es stellt sich
heraus, dass in den Briefen biographische Elemente immer wieder von theoretischen
Erklärungen durchbrochen werden. Diese
notieren die Schüler auf neuen DIN A5-Karteikarten und befestigen sie nach ihrer Präsentation an der Stellwand. Mit dieser
Methode haben die Schüler am Ende alle
wichtigen Informationen vor sich auf ihren
Plakaten.
II. Einstieg in die Theorie Einsteins –
Bau des 1. Modells
6. Std. Einstieg in die Relativitätstheorie
Gemeinsam mit dem Lehrer werden alle
Informationen an der Stellwand sortiert und
gebündelt. In einer anschließenden Diskussion, deren Leitfrage lautet „Wie können wir
das Problem, eine Landkarte für das Kontrollzentrum der ESA zu erstellen, nun lösen?“,
kommt die Klasse zum Schluss, dass nur eine
dreidimensionale Karte die Umgebung des
Schwarzen Lochs verdeutlichen kann.
Sinnvoll erscheint das Modell einer Kugel, die
aus vielen kleinen Plexiglas-Sektoren zusammengesetzt ist. In einer solchen Raumkarte
kann man auch die Bahnen der Forschungssonden markieren, die dann sogar von allen
Seiten aus sichtbar sind.
Als Hausaufgabe basteln die Schüler aus dem
Bastelbogen, den sie vom Lehrer erhalten,
einen kleinen Teil der Kugel.
7./8. Std. Bau des 1. Modells (dreidimensionale Raumkarte)
In Gruppen erstellen die Schüler arbeitsteilig
die noch fehlenden Netze, so dass sie am
Schluss eine volle Halbkugel zusammensetzen können. Die Vorlagen werden in den folgenden Stunden auf Pappe übertragen, ausgeschnitten und zusammengeklebt. Im
Anschluss kann die Halbkugel im Klassenzimmer auf einem Tisch vor der Info-Stellwand
zusammengesetzt werden.
III. Weiterführung der Theorie Einsteins –
Bau des 2. Modells
9. Std. Der gekrümmte Raum und die
Erkenntnis, dass die Raumkarte so nicht
funktionieren kann
Als Einstieg zeigt der Lehrer den letzten Brief
Einsteins aus der Kiste, der als einziger noch
nicht geöffnet wurde. Sein Inhalt macht deutlich, dass die Eigenschaften des gekrümmten
Raums in der Umgebung des Schwarzen
Dreidimesionales Modell
für den gekrümmten Raum
Lochs mit dem ersten Modell nicht ausreichend dargestellt sind. In einer Anlage liefert
Einstein Bastelvorschriften für ein verbessertes Modell. Gemeinsam wird aus den neuen
Bastelbögen ein Teil der neuen Halbkugel
gebastelt. Die Schüler erkennen, dass beim 2.
Modell zwar einzelne Flächen genau aufeinander passen, beim Zusammensetzen der fertigen Sektoren jedoch überall Zwischenräume
bleiben. Dies kann mit dem jetzigen Wissensstand noch nicht erklärt werden.
10.–12. Std. Bau des 2. Modells (dreidimensionale Karte eines gekrümmten Raumes)
In Gruppen erstellen die Schüler arbeitsteilig
die noch fehlenden Netze, sodass am Schluss
wieder eine ganze Halbkugel gebaut werden
kann. Im Vergleich zum ersten Modell zeigen
sich die andersartigen Eigenschaften des
gekrümmten Raums.
IV. Anschauliche Vorstellung eines
gekrümmten Raums
13. Std. Das Flächenland – Sicht der Welt aus
der Perspektive einer Raupe
Das Modell für die ESA ist fertig – aber eine
Vorstellung vom gekrümmten Raum haben
die Schüler noch nicht. Deshalb wählt der
Lehrer als Einstieg einen Auszug aus Abbotts
Roman „Flächenland“. Darin ist beschrieben,
wie für zweidimensionale Wesen eine Münze
auf einem Blatt Papier aussehen würde: ein
Strich.
In Gruppen basteln die Schüler arbeitsteilig
ein flaches (hellgrünes) und ein gekrümmtes
(dunkelgrünes) Salatblatt; eine Gruppe versucht, die einzelnen Sektoren des gewölbten
Blattes zu einem zusammenhängenden Salatblatt zu kombinieren. Die Schüler erkennen,
dass wenn eine Raupe (als Flächenlandbewohner) ihr flaches Salatblatt in Sektoren
auseinander nagen würde, es ohne Lücke
Bastelbögen für flache und
gekrümmte „Salatblätter“
wieder zusammensetzbar wäre. Wenn sie
allerdings ihr gekrümmtes Salatblatt in Sektoren zernagen würde, würden die einzelnen
Stücke auf dem Tisch nicht mehr zusammenpassen. Aus der Sicht eines Flächenwesens ist
das unvorstellbar, aber für uns als Außenstehende, von einer „höheren Dimension“
Zuschauende, ist natürlich klar, dass man eine
gekrümmte Fläche nicht in der Ebene ausbreiten kann, ohne sie zu zerreißen.
14. Std. Das Raumland – Sicht der Welt in
der Nähe des Schwarzen Lochs
Gemeinsam werden die gebauten Halbkugeln betrachtet und mit den SalatblattModellen verglichen. Die Schüler erkennen,
dass die 2. Halbkugel dem gekrümmten
Salatblatt entspricht und ein Stück gekrümmten Raum zeigt. Genauso wenig wie die einzelnen Sektoren des gekrümmten Salatblattes
auf der ebenen Tischplatte zusammenpassen,
passen die Stücke des gekrümmten Raumes
hier im ungekrümmten Klassenzimmer
zusammen. Aber maßstabsgetreu vergrößert
könnte man sie lückenlos um das Schwarze
Loch herum anordnen. Umgekehrt würde ein
maßstabsgerecht verkleinertes Schwarzes
Loch, das man ins Zentrum der Halbkugel
setzen würde, den Raum so krümmen, dass
die Pappsektoren zusammenpassen würden.
V. Abschlussbesprechung:
„Zurück in die Gegenwart ...“
15. Std. Lesen des letzten Briefes und Zusammenführen des Gelernten
Der Lehrer berichtet vom heutigen Stand der
Forschung und von zwei bekannten Schwarzen Löchern (V4641 im Sternbild Schütze und
Zentrum der Milchstraße). Er erläutert am
Beispiel eines Fotos von einer Gravitationslinse, wie Gravitation sogar die Ausbreitungsrichtung des Lichtes beeinflusst.
life + s c i e n c e L e h r e r w e t t b e w e r b
7
4. Platz
Mit Einstein –
gegen Denkgewohnheiten
In Zusammenarbeit mit Partnern von halleschen Hochschulen nähern sich
Schülergruppen der Person Einstein und seinem Wirken aus verschiedenen Richtungen.
Dadurch öffnet sich einerseits die Schule nach außen und gibt ihren Schülern andererseits
Gelegenheit, Kontakte zu den Hochschulen zu knüpfen. Seinen Höhepunkt erlebt die
Beschäftigung mit Einstein in einer Projektwoche.
Fachgebiete: Physik, Ethik, Kunst
Altersgruppe: 16 bis 19 Jahre
Konzept: Obwohl Unterricht nach der Projektmethode in Form von Projekttagen oder
–wochen seit geraumer Zeit zu den Standardformen des Schulalltags gehört, klaffen zuweilen Lücken zwischen dem in der Literatur dargestellten Anspruch und der schulischen
Realität. Insbesondere betrifft das die interdisziplinäre Anlage eines Projektes und die Öffnung der Schule. Um die Persönlichkeit Albert
Einsteins und seine Arbeiten in ihrer komplexen Fülle den Schülern nahe zu bringen, ist dennoch eine Projektarbeit am besten geeignet.
Bereits im Laufe des letzten Jahres begannen
darum die Vorbereitungen für eine einwöchige Projektwoche zu Beginn des Einstein-Jahres. Wegen des großen Interesses von Seiten
der Schüler wurde das Konzept um Partner aus
den Hochschulen Halles erweitert. Im Einzelnen engagierten sich der Fachbereich Physik
und die Arbeitsgruppe „Neue Residenz – Innovationszentrum für naturwissenschaftliche Bil-
dung“ der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg sowie die Hochschule für Kunst und
Design Halle. Mit diesen starken Partnern von
außerhalb war zunächst die „Öffnung von
Schule“ als ein für den Projektleiter wesentliches Ziel erreicht. Viel wichtiger war jedoch,
dass die am Projekt beteiligten SchülerInnen in
unmittelbaren Kontakt zu Hochschulen treten
konnten.
Folgende Teilaufgabenbereiche wurden in der
Vorbereitung definiert:
➜ Entwicklung einer PowerPoint-Präsentation
zur Biographie Albert Einsteins (2 Schüler)
➜ Darstellung von grundlegenden Aussagen
der Relativitätstheorie (2 Schüler)
➜ Durchführung und Darstellung von experimentellen Untersuchungen zum äußeren
lichtelektrischen Effekt (2 Schüler)
➜ Umsetzung des Projektthemas durch künstlerische Methoden (2 Schüler)
➜ Untersuchungen zu Einsteins öffentlichem
Wirken außerhalb der Physik und zu seinen
erkenntnistheoretischen sowie ethisch-moralischen Auffassungen (8 Schüler)
Ausführen des Projektplanes
Elke Riedl
Christian-WolffGymnasium/
Gymnasium im
Bildungszentrum in
Halle
Mathematik, Physik
„Die Auseinandersetzung mit Leben
und Werk Albert Einsteins bedeutet
für uns: Mit Einstein gegen Denkgewohnheiten.“
8
life + s c i e n c e L e h r e r w e t t b e w e r b
Der in der Startberatung festgelegte Ablauf
konnte größtenteils umgesetzt werden. Deshalb sollen hier nur einzelne, aber bemerkenswerte Aspekte herausgestellt werden:
➜ Die beiden Schüler, die sich mit Einsteins Biographie beschäftigten, mussten sehr schnell
erkennen, dass ihr Thema sehr zeitintensiv
war – Lesen verschiedener Quellen, Strukturieren von Leben und Werk Einsteins und
Umsetzen in eine ansprechende PowerPointPräsentation waren innerhalb der in einer
Projektwoche üblichen Arbeitszeit nur
schwerlich zu realisieren. Durch eine Aus-
weitung der PC-Arbeit entstand jedoch eine
Arbeitsfassung.
➜ Das fachlich anspruchsvolle Thema „Grundaussagen der Relativitätstheorie“ bedurfte
einer besonderen Betreuung. Da die Spezielle Relativitätstheorie noch nicht Gegenstand des Unterrichts war, wirkte es sich für
die Bearbeiter des Themas günstig aus, dass
sie sich in der Projektwoche des Vorjahres
mit der Problematik der Schwarzen Löcher
auseinandergesetzt hatten.
➜ Die Gruppe, die sich mit dem äußeren lichtelektrischen Effekt auseinandersetzte, arbeitete sehr selbständig. Positiv wirkten sich
dabei die Erfahrungen aus, die ein Teilnehmer durch seine mehrmalige erfolgreiche
Teilnahme am Wettbewerb „Jugend
forscht“ gesammelt hatte. Die variantenreichen Experimente, die umfassenden
Messreihen und die gründliche Auswertung
stellte die Gruppe in einer PowerPoint-Präsentation zusammen.
➜ Die beiden Schülerinnen, die sich mit der
künstlerischen Umsetzung des Projektthemas beschäftigten, hatten bereits vor der
Projektwoche mehrere Entwürfe angefertigt,
sodass die Konsultation an der Hochschule
für Kunst und Design bereits am zweiten Tag
der Projektwoche stattfinden konnte.
➜ Eine umfangreiche Literaturanalyse bildete
Basis der weiteren Arbeit in der Teilgruppe,
die sich mit Einsteins öffentlichem Wirken
und seinen philosophischen Auffassungen
auseinandersetzte. Ergebnisoffen stellten die
SchülerInnen zunächst ihre Erkenntnisse auf
Flipcharts dar. Im Zuge der sich anschließenden Streitgespräche kristallisierten sich
die von der Gruppe als wesentlich anerkannten Thesen heraus.
Abschluss des Projekts
Die Ergebnisse der Projektarbeit wurden zu
einem Vortrag von 45 Minuten Dauer zusammengefasst, den die Schüler am abschließenden Tag der offenen Tür gehalten haben. Der
Experimentalvortrag zum äußeren lichtelektri-
Sonderpreis
Breitenwirkun
schen Effekt wurde außerdem zweimal im
Unterricht des Profilfaches Physik in Klasse 13
dargeboten.
Die Arbeiten der Teilgruppen „Relativitätstheorie“ und „Ethik“ sollen im kommenden
Schuljahr im Unterricht der Klassenstufen 13
bzw.11/12 eingesetzt werden.
Im Rahmen der „Highlight-Woche zum Einsteinjahr in Halle“ an der Martin-Luther-Universität sowie zur „Langen Nacht der Wissenschaft“ werden die Präsentation und die
Projektergebnisse auch der Öffentlichkeit vorgestellt.
g
Albert Einstein Superstar
Ein fächerverbindender Theaterabend zu Leben und Werk Albert Einsteins.
Klassenübergreifend experimentierten und erläuterten SchülerInnen ausgewählte
Thesen Einsteins. Über verschiedene Kanäle wurde das Wissen höchst unterhaltsam
aufbereitet und so dargeboten, dass es auch für Laien verständlich wurde.
Fachgebiete: Physik, Geschichte, Ethik, Musik
Altersgruppe: 11 bis 19 Jahre
Konzept: Im März 2005 feierte das SickingenGymnasium Landstuhl 100 Jahre Relativitätstheorie unter dem schülerorientierten Motto
„Albert Einstein Superstar“. In der Turnhalle
experimentierten und erläuterten Schüler der
Jahrgangsstufen 6 bis 12 ausgewählte Thesen
Einsteins, sodass auf möglichst einfache Weise die komplizierten physikalischen Inhalte
auch für Laien verständlich wurden. Den Rahmen für die Versuche bildeten unterhaltsame
Theaterszenen, die die Erkenntnisse aufgriffen
und zuweilen mit einem Augenzwinkern kommentierten. Einstein ergriff „persönlich“ das
Wort, und im fiktiven Dialog mit den Größen
der Physik (Galileo, Newton) ergab sich für das
Publikum ein wirkungsvoller Einblick in seine
Gedankenwelt. Dabei wurde er nicht nur als
der geniale Wissenschaftler porträtiert, sondern auch als Mensch, der mit den Tücken des
Alltags und den Grenzen der Wahrnehmung
zuweilen seine Schwierigkeiten hatte, was ihn
umso liebenswerter und als Persönlichkeit
greifbar machte.
Zeitdilatation auf der Bühne
In Anlehnung an das Lernen mit allen Sinnen
wurden die Inhalte mehrkanalig dargeboten
und zudem wiederholt von verschiedenen Sei-
ten beleuchtet.
Durch das praktische Spiel wird die Einsteinsche Überlegung visuell und akustisch nachgezeichnet und repräsentiert, die formale
Benennung bildet erst den Abschluss. Als Beispiel für diese grundsätzliche Vorgehensweise
seien hier die Versuchsreihen zur Zeitdilatation
kurz skizziert:
Nachdem Newton seine Auffassung von der
Absolutheit von Raum und Zeit erläutert hat,
äußert Einstein leichte Zweifel, ob dies denn
so stimme. Vier Schülerinnen der sechsten und
siebten Klassen treten auf. Sie bilden Einsteins
gedachte Lichtuhr ab: Regelmäßig aufprallende Bälle symbolisieren den Lichtstrahl. In der
ersten Versuchsphase prallen zwei Schülerinnen die Bälle synchron in einem ruhenden
System. In der zweiten Phase prallen beide auf
einem Rollwagen, der gezogen wird – ein
bewegtes System. Auch hier können die Bälle synchron geprallt werden, was eigentlich
jedem klar ist, denn wenn einem in einem
Flugzeug vorne etwas aus der Hand fällt, dann
landet es nicht erst in der zwanzigsten Reihe
auf dem Boden.
Die dritte Versuchsphase parallelisiert ein
ruhendes und ein bewegtes System. Die eine
Schülerin prallt auf dem Boden, während die
andere in einem fiktiven gläsernen Flugzeug
den Ball fallen lässt. Aus Gründen der Visualisierung kommt eine didaktische Reduktion
zum Tragen: Die Schülerin im bewegten
System lässt den Ball fallen, aber während-
dessen wird der Wagen mit ihr weggezogen,
sodass sie den Ball nicht mehr fangen kann.
Aus der zweiten Versuchsreihe wissen wir
jedoch, dass sie eigentlich den Ball im bewegten System fängt. Fazit: Der Ball muss von
außen betrachtet die Querbewegung des
Wagens mitmachen. In einer Zeitlupen-Aktion wird vorgeführt, dass der Weg des Balles
dadurch für einen externen, ruhenden Beobachter länger wird. Da seine Geschwindigkeit
immer gleich bleibt, muss die Zeit gedehnt
werden. Seitlich werden entsprechende Aussagen und physikalische Formeln jeweils projiziert.
Die Theorien Einsteins werden durch das
Theaterspiel zum Teil auch humorig kommentiert. So beginnt der zweite Teil mit der Titelmusik der „Sendung mit der Maus“. Eine
Sechstklässlerin begrüßt das Publikum und
gibt auf die Musik einen Überblick über das,
was die Leute noch erwartet. Kaum ist sie fertig, da erklingt die Musik von neuem. Einstein
erläutert die gleichen Inhalte wie zuvor, aber
in Formeln und Gleichungen, die in ihrer
Geschwindigkeit und Komprimiertheit selbst
den Fachmann überfordern, worauf die
Sechstklässlerin kommentiert: „Das war physikalisch.“
Sonja Tophofen
Sickingen-Gymnasium in Landstuhl
Geschichte, Ethik,
Kath. Religion
„Der wahre Wert eines Menschen
bestimmt sich vor allem daraus, wie
weit er Freiheit von sich selbst errunAlbert Einstein
gen hat.“
life + s c i e n c e L e h r e r w e t t b e w e r b
9
5. Platz
Brownsche Bewegung –
Experimente zu Einsteins Theorie
In diesem Projekt untersuchen Schüler die Brownsche Bewegung von einzelnen in
Wasser suspendierten Teilchen experimentell. Benutzt wird ein Mikroskop, dessen
Okular durch den Sensor einer PC-Kamera ersetzt wurde. Die in einem Videofilm erfassten Bewegungen werden am Computer analysiert und mit der Theorie von Einstein
verglichen. Aus den Messdaten in Verbindung mit Einsteins Theorie können Schüler mit
großer Genauigkeit die Avogadrokonstante bestimmen.
Fachgebiete: alle Naturwissenschaften, Infor-
Videoaufnahmen am Mikroskop
gehalten wurden. Durch Anklicken eines Punkts
des Objekts kann man dessen Position zusammen mit dem Zeitwert des Bildes erfassen. Das
Programm speichert dann die Koordinaten zur
späteren Auswertung. Die Werte werden in
eine Tabellenkalkulation übertragen und der
Weg der Kügelchen grafisch dargestellt. Man
erhält einen anschaulichen Gesamteindruck von
der Zufälligkeit der Bewegungsrichtung und der
Verschiebungsweite.
matik und Mathematik
Altersgruppe: alle Alterstufen, vornehmlich
Sekundarstufe II
Konzept: Vor 100 Jahren hatte Einstein in seiner Arbeit mit dem Titel „Über die von der
molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen“ eine Theorie entwickelt, mit der er eine präzise Vorhersage für
die Häufigkeitsverteilung der Verschiebungen
der Teilchen machte. Diese so genannte Brownsche Bewegung können Schüler am Mikroskop
selbst verfolgen. Mit Hilfe von Videoaufnahmen analysieren sie die Verschiebungen, überprüfen Einsteins theoretische Berechnungen
experimentell und bestimmen schließlich die
Avogadrozahl – eine Konstante, die angibt, welche Teilchenzahl ein Mol umfasst.
Volker Martini
Ernst-Moritz-ArndtGymnasium in Bonn
Mathematik, Physik
„Es funktioniert! Schüler bestimmen
die Molekülgröße mit Mikroskop,
Webcam und Computer.
Einsteins Formel weist den Weg.“
10
life + s c i e n c e L e h r e r w e t t b e w e r b
Die regellose Bewegung von Teilchen in einer
Flüssigkeit tritt erst dann merklich in Erscheinung, wenn die Teilchen sehr klein sind. Geeignet sind Suspensionen, bei denen die suspendierten Teilchen einen Durchmesser in der
Größenordnung von einem Mikrometer haben.
Für die Beobachtung im Unterricht sind im Prinzip Suspensionen von Poliermitteln, Farbpartikeln oder Fetttröpfchen der Milch geeignet.
Einstein hat in seiner oben genannten Arbeit
berechnet, dass ein Teilchen mit einem Durchmesser von 1 µm in Wasser in einer Minute im
Mittel 6 µm weit verschoben wird. Diese Verschiebung lässt sich mit einem Mikroskop beobachten und vermessen.
Für eine Analyse der Bewegung ist es notwendig, sie zu filmen. Preiswert und dennoch
ausreichend gut geeignet sind PC-Videokameras, wie man sie für die Kommunikation im
Internet verwendet. Die Kugeln sind auf den
Videobildern gut zu erkennen, haben aber auch
bei optimaler Lage zum Objektiv keinen scharfen Rand, da das Licht an den Mikrokugeln
gebeugt wird. Bei der Untersuchung der
Brownschen Bewegung stören die sich ändernden Beugungsringe nicht.
Vermessung des Zufallsweges von
Latex-Mikrokugeln
Um die Bewegung der Mikrokügelchen mit der
Theorie von Einstein vergleichen zu können,
muss sie zunächst präzise vermessen werden.
Dies erfolgt mit einem Computerprogramm, das
es ermöglicht, Ort, Geschwindigkeit und
Beschleunigung von Objekten zu bestimmen,
deren Bewegungen in einem Videofilm fest-
Analyse der Verschiebungen und
Vergleich mit Einsteins Theorie
Als Ergebnis seiner umfangreichen Rechnungen gibt Einstein eine Funktion an, mit der er
die Häufigkeitsverteilung der in einer beliebigen Zeit erfolgten Verschiebungen beschreibt.
Sie enthält als Parameter u.a. die Avogadrokonstante. Aus der Häufigkeitsverteilung ergibt
sich die mittlere Verschiebung in x-Richtung,
oder – wie Einstein es genauer ausdrückt – die
Wurzel aus dem arithmetischen Mittel der Quadrate der Verschiebungen in x-Richtung.
Tatsächlich entsprach die gemessene Verschiebung sehr gut der theoretischen Vorhersage. Auch der Wert für die Avogadrozahl, den
die Schüler nach Einsteins Gleichung aus ihren
Daten ermittelt haben, weicht kaum vom Tabellenwert ab.
Bedeutung für den mathematischnaturwissenschaftlichen Unterricht
Die Lage junger Schüler ist anfangs durchaus
vergleichbar mit der Situation der Wissenschaftler zu Beginn des letzten Jahrhunderts,
als Einstein seine Arbeit zur Brownschen Bewegung schrieb. Damals hatte man eine wunderbare Theorie, aber keinen Beweis für die reale Existenz der Atome und Moleküle oder gar
eine Vorstellung von deren Größe und Gestalt.
Die Beobachtung und Vermessung der zittrigen und niemals zur Ruhe kommenden Wanderung kleinster Kügelchen lässt die Schüler die
Dynamik von Atomen und Molekülen im
Nanokosmos erahnen.
Stochastische Prozesse werden im Mathematikunterricht bereits ab Klasse 6 behandelt. Der
Reiz einer möglichen Einbindung eines Projektes
„Brownsche Bewegung“ in den MathematikUnterricht bestünde darin, dass mit Zufallszahlen gearbeitet wird, die im Physikunterricht
von den Schülern selbst ermittelt wurden.
Einstein schreibt am Ende seiner Arbeit als letzten Satz: „Möge es bald einem Forscher gelingen, die hier aufgeworfene, für die Theorie der
Wärme wichtige Frage zu entscheiden!“ Einige Jahre später war es endlich so weit – eine
Leistung, die mit dem Nobelpreis bedacht wurde. Schüler, denen es mit dem hier vorgestell-
ten Projekt gelingt, in einer gemeinschaftlichen
Anstrengung entsprechend den theoretischen
Vorgaben von Einstein die Avogadrokonstante mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, können sich zu Recht als junge Forscher auf den
Spuren des großen Wissenschaftlers Albert Einstein sehen.
Sonderpreis
Mittelstufe
„Das Genie“
– einmal ganz privat
Ein Spiel, das Informationen zu verschiedenen Lebensabschnitten, Eigenschaften und
Gedanken Einsteins mit Denksporträtseln verknüpft, vermittelt den Schülern seine
humanistische Einstellung und seinen Einsatz für den Weltfrieden. Der Vergleich mit
eigenen Handlungsweisen und Einstellungen regt die Schüler zum Nachdenken an.
Fachgebiete: Physik, Gemeinschaftskunde/
Rechtserziehung, Ethik
Altersgruppe: Ab Klasse 9
Konzept: Auf spielerische Art und Weise wird
der bedeutende Wissenschaftler Albert Einstein
vorgestellt. Da seine berühmten Entdeckungen
nicht Inhalt des Lehrplans einer sächsischen Mittelschule sind, soll hier der Humanist und Pazifist Einstein hervorgehoben werden, der sein
Leben nicht nur der Wissenschaft widmete, sondern sich besonders für Frieden und Menschenrechte eingesetzt hat. Den Schülern wird
in enger Verbindung mit Episoden aus dem
Leben des jungen Albert ein möglicher Handlungsrahmen für ihr künftiges Handeln aufgezeigt.
Das Spiel „Das Genie“ stellt ein differenziertes Lernangebot vor, dessen Inhalt an die Erfahrungswelt der Schüler anknüpft. Die Verbindung von Kognition und Emotion wird
berücksichtigt. Außerdem können die Schüler
im Spiel Lerngegenstände aus mehreren Perspektiven und in vielfältigen Anwendungszusammenhängen betrachten.
Mit dem Einsatz des Spiels als didaktische
Methode erhält der Blockunterricht eine Rhythmisierung, die zusammenhängende Lerneinheiten und einen Wechsel von Anspannung
und Entspannung, Ruhe und Bewegung organisiert sowie individuelle Lernzeiten berücksichtigt.
Das Spiel hat durch die festen Regeln einen statischen Rahmen. Die gewählte Sozialform des
Gruppenunterrichtes, bei der die Klasse in zufällig zusammengesetzte Kleingruppen von jeweils
fünf Schülern eingeteilt wird, dient der Förderung von Kommunikation, Kooperation und
Eigeninitiative der Schüler. Wichtige Voraussetzung ist die vorherige Einübung des Arbeitsverfahrens. In der Arbeitsphase des eigentlichen
Gruppenunterrichts hat der Lehrer nur eine
moderierende Funktion, um die Eigeninitiative der Schüler nicht zu behindern. Beim Zusammentragen der Ergebnisse ist wieder eine stärkere Führung des Unterrichts notwendig. Die
Schüler entwickeln so die Fähigkeit, sich Informationen selbst zu beschaffen und zu bewerten.
4. Auf bestimmten Feldern erhalten die Schüler
eine Ereigniskarte, Aktionskarte oder Episodenkarte. Ereigniskarten und Aktionskarten stellen den Schülern eine Aufgabe, die zu bearbeiten ist, in einigen Fällen mit einer zeitlichen
Beschränkung. Als Hilfsmittel stehen verschiedene Lexika und Wörterbücher zur Verfügung.
Ist die Aufgabe gelöst, gibt es einen entsprechenden Fortschritt auf dem Spielplan. Anderenfalls geht das Spiel normal weiter.
5. Das Spiel gewinnt die Gruppe, deren Spielfigur zuerst das Ziel erreicht. Lässt es der zeitliche Rahmen zu, kann man die nächsten Plätze ausspielen. Ansonsten bestimmt die Zielnähe
die entsprechenden Plätze.
Der Spielablauf
Das eigentliche Spiel dauert etwa 45 Minuten.
1. Die Schüler bilden Gruppen zu je vier bis fünf
Personen. Innerhalb einer Gruppe darf beraten und diskutiert werden.
2. Eine Spielfigur zeigt den Stand jeder Gruppe an. Das Spiel ist in verschiedene Ebenen
unterteilt. Auf jeder Ebene gibt es Ereigniskarten, Aktionskarten und Episodenkarten. Letztere beinhalten nur Informationen über Einstein,
tragen aber nicht zum Spielverlauf bei.
3. Wie weit eine Spielfigur zieht, wird per Würfel entschieden.
Arite Löser
Untere Luisenschule
in Chemnitz
Gemeinschaftskunde, Rechtserziehung
„Unterricht sollte so sein, dass das
Gebotene als wertvolle Gabe empfunden wird und nicht als eine harte
Albert Einstein
Pflicht.“
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11
6.-10. Platz
Einsteins spezielle Relativitätstheorie –
Unterricht auf Basis von
Computeranimationen
Andreas Herz
Jakob-BruckerGymnasium
in Kaufbeuren
Mathematik, Physik, Informatik
Die SchülerInnen errichten sukzessive das Gedankengebäude der Einsteinschen
Speziellen Relativitätstheorie mit Hilfe von zehn Lernsequenzen auf CD-ROM. Diese
enthalten Animationen, 3D-Videos und Graphiken zu den wichtigsten Gedankenexperimenten sowie den Grundlagen und Effekten der Speziellen Relativitätstheorie.
Fachgebiete: Physik (Mathematik, Philosophie, Geschichte)
Altersgruppe: 14 bis 20 Jahre
Konzept: Aus Mangel an realen Versuchsmöglichkeiten ersann Albert Einstein zahlreiche
Gedankenexperimente, um Interessierten seine Ideen zu erklären oder die Argumente gegen
seine Theorien zu entkräften. In seinen Büchern
über die Relativitätstheorie werden diese Experimente meist mit einem oder zwei Bildern illustriert. Da sie oft komplexe Bewegungsabläufe beschreiben, sind die Gedankenexperimente
für viele Schüler (und auch Lehrer) anhand der
wenigen Bilder kaum oder gar nicht nachzuvollziehen. Mit Computeranimationen lassen
sich diese Gedankenexperimente ebenso wie
reale Experimente zur Relativitätstheorie, wie
der Michelson-Morley-Versuch und das Myonen-Experiment, geeignet visualisieren, sodass
jeder Interessierte den Kern des Experiments
erkennen kann. Ohne großes Vorwissen können sich die Schüler so an die Relativitätstheorie
heranwagen und das „Gedankengebäude“ dieser Theorie selbst aufbauen.
einem Jahr Unterricht im Fach Physik haben.
Es bieten sich zahlreiche Ansatzpunkte für
fächerübergreifende Projekte (Physik, Mathematik, Philosophie, Geschichte).
Die Lektionen der CD-ROM sind so konzipiert,
dass alle möglichen Sozial- und Aktionsformen
im Unterricht möglich sind. Da die Antworten
der gestellten Fragen nie auf der gleichen Seite zu sehen sind, bietet sich das fragend-entwickelnde Unterrichtsgespräch an. Die CDROM kann aber auch im Computerraum
installiert werden und ermöglicht dort vielfältige Unterrichtsformen (Selbststudium, Gruppenarbeit, ...).
Die physikalischen Inhalte der einzelnen Lektionen auf der CD-ROM werden oft durch
„ – Es ist ja Ziel jeder Tätigkeit des
Intellekts, ein Wunder in etwas zu
verwandeln, was man begreifen kann
– Einstein schaffte es im Rahmen
seiner Relativitätstheorie, die Wunder von Raum und Zeit begreifbar zu
machen. Die entwickelte CD-ROM
möchte SchülerInnen eine Hilfe beim
,Begreifen‘ dieser Wunder bieten.“
unterschiedliche Meinungen der beiden Beobachter (Marie und Albert) sowie durch Auflösung des Konflikts in Dialogen und Animationen herausgearbeitet („Beobachter-Prinzip“).
Die Computeranimationen wurden entwickelt,
den Jugendlichen eine direkte Hilfe zum Verstehen des behandelten Sachverhalts zu bieten. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden gewisse Unkorrektheiten in Kauf genommen. Diese
werden in den Lektionen am Rand behandelt.
Sachanalyse …
Annäherung an eine Biografie
Das allgegenwärtige Porträt Einsteins bringt den Physiker auch weniger interessierten Schülern ins Bewusstsein. Es entsteht eine Motivation, mehr über die Person zu
erfahren, die durch Sachtexte genutzt wird, um die Arbeit an Texten zu üben und
Einsatz der CD-ROM im Schulunterricht
Die vollständige Behandlung der Speziellen
Relativitätstheorie anhand der CD-ROM kann
wohl nur in einem Wahlunterricht stattfinden.
Da sie modular aufgebaut ist, lassen sich aber
einzelne Teile auch im regulären Schulunterricht verwenden. Ein umfassender Kurs inklusive Schülerreferate zu verschiedenen Aspekten der Relativitätstheorie benötigt etwa 18
Doppelstunden, ohne Referate rund 12 Doppelstunden.
Für eine erfolgreiche Arbeit mit der CD-ROM
sollten die Schüler zuvor bereits wenigstens seit
12
life + s c i e n c e L e h r e r w e t t b e w e r b
nebenbei Kenntnisse zur historischen Situation der Zeit zu sammeln.
Fachgebiete: Deutsch und Geschichte
Annett Pohling
Werner-vonSiemens-Realschule
in Erlangen
Deutsch, Geschichte
„Die wirklich wichtigen Dinge
werden anders gelernt als durch
Worte.“
Albert Einstein
Altersgruppe: Klassenstufe 8 an Realschulen
Konzept: Eine Welt, die sich im immer währenden Wandel befindet, bildet das alltägliche
Lebensumfeld der Schüler. Sie sind Meister darin, sich einen Überblick zu verschaffen, sich in
kürzester Zeit zu orientieren. Sie schaffen es,
den unaufhörlichen Trends zu folgen ... Sie sind
flexibel. Der Preis dafür ist die sich ausbreitende
Oberflächlichkeit. Zum Teil ist den SchülerIn-
nen gar nicht mehr bewusst, was es bedeutet,
über festes Wissen zu verfügen oder sich in eine
Problematik zu vertiefen. Ihnen, die von Schlagwörtern und Reizen leben, fehlt die Vorstellung,
wie ein Schlüsselbegriff eine neue Welt des Wissens und Denkens und Fragens erschließen
kann. Die Jugendlichen registrieren nur und
haben leider oft die kindliche Neugier schon vergessen und damit die Beharrlichkeit, den Dingen auf den Grund zu gehen. Dies führt zum
Anliegen der Stundenkonzeption: Sie soll das
Fragen und die Neugier anregen, zeigen, wie
man sich „Probleme macht”, also Themen entwickelt, an denen die Gedanken arbeiten. Und
sie soll dazu anregen, den Austausch mit anderen zu suchen, um die eigenen gefundenen
Thesen zu diskutieren und ggf. durch die Fragen der anderen zu präzisieren. Dabei steht
zunächst das Lesen im Mittelpunkt, auch um
die Kompetenz im Umgang mit Sachtexten zu
schulen.
Der Ausgangsgedanke zu dem Konzept folgt
der Idee eines Leseateliers, worin ein biografischer Ausgangstext enthalten ist, zu dem weitere vertiefende, erforschende oder auch gestaltende Aufträge angeboten werden. Bevor
allerdings diese Schritte zunächst gemeinsam,
anschließend nach Wahl vollzogen werden, sollen Fragen der SchülerInnen gesammelt und als
Arbeitsanleitung für die folgende Auseinandersetzung mit der Person, der wissenschaftlichen Leistung und der Aufnahme in der
Öffentlichkeit dienen.
Mit dem Konzept soll einerseits als Fachkompetenz das Lesen von Sachtexten, das
Erschließen von Informationen, die Suche nach
weiterführenden Texten und die Aufbereitung
des Gelesenen gefördert und vertieft werden.
Darüber hinaus werden fächerübergreifend
Themen in den Neigungsgruppen aufgenommen:
➜ Geschichte: Veränderungen der Arbeits- und
Lebenswelt durch die Industrialisierung; Blick
auf die politische Entwicklung in Deutschland
➜ Physik: Auseinandersetzungen mit Galilei,
Newton u.a.; Vorstellen der neuen Erkenntnisse Einsteins
➜ Kunst: Darstellung der Ideen, der Gedankengänge Einsteins zur Findung seiner Konzepte
Grobe Stundenübersicht
1. Stunde: Sammeln von bereits vorhandenen
Fragen und Antworten; Sachtext zur Biografie; Hausaufgabe: Recherche zu einer offenen
Frage
2. Stunde: Auswertung der Hausarbeit; Bearbeitung von Teilfragen in Gruppenarbeit
3. Stunde: Vertiefung in Gruppenarbeit und als
Hausaufgabe
An dieser Stelle sollte im Unterricht eine Pause von etwa einer Woche eingelegt werden.
Nur so ist es den SchülerInnen möglich, sich mit
dem eigenen Teilgebiet intensiver auseinander
zu setzen bzw. die Ergebnisse des Selbststudiums aufzuarbeiten.
4. und 5. Stunde: Zusammentragen der Ergebnisse und Präsentation
Hochgenaues GPS durch
konstante Lichtgeschwindigkeit
Die Positionsbestimmung mit Hilfe von Satelliten liefert nur deshalb genaue Angaben,
weil die Signale zwischen Sender und Empfänger mit einer konstanten Geschwindigkeit
wandern. In einfachen Versuchen und Rechnungen erfahren die Schüler selbst, dass die
intuitiv kaum zu erfassende Konstanz der Lichtgeschwindigkeit eine reale Tatsache ist
und Bedeutung für moderne Ortungssysteme hat.
Fachgebiete: Physik
Altersgruppe: Gymnasiale Oberstufe
Konzept: Eine der fundamentalen Grundannahmen der Speziellen Relativitätstheorie ist die
Konstanz der Vakuumlichtgeschwindigkeit. Für
Schüler ist der Gedanke allerdings schwer verständlich, da er den Alltagserfahrungen ebenso widerspricht wie den Gesetzen der klassischen Kinematik.
Udo Schelb
Westfalenkollegg in
Paderborn
Ablauf des Unterrichtsprojekts
Funktionsweise von GPS-Empfängern
Mit den modernen Systemen zur satellitengestützten Positionsbestimmung, die fast jeder
Schüler in Form von GPS-Empfängern bereits
selbst praktisch erlebt hat, bietet sich eine Möglichkeit, die zwingende Notwendigkeit einer
konstanten Lichtgeschwindigkeit experimentell
im Unterricht nachzuweisen. Ausgehend von
der Genauigkeit der Systeme, die über Abstandsmessungen zu vier Satelliten Positionen
bis auf weniger als 15 Metern angeben können, zeigt eine vereinfachte Abschätzung nach
den Regeln der klassischen Physik, dass eine
Addition bzw. Subtraktion der Sendergeschwindigkeit von der Signalgeschwindigkeit
keine derart exakten Bestimmungen liefern
könnte. Erst durch eine konstante Geschwindigkeit des Funksignals, unabhängig vom
Bewegungszustand des Senders, wird diese
erreicht.
Einzuplanen sind etwa drei Unterrichtsstunden,
in denen vier thematische Schritte durchgearbeitet werden.
1. Schritt: GPS selbst erleben
Die Schüler sollen praktische Erfahrungen mit
GPS-Empfängern sammeln. Die dafür nötigen
Geräte lassen sich vielerorts bei privaten oder
öffentlichen Nutzern ausleihen. Im Gelände
oder bei der Navigation in der Stadt erfahren
die Schüler selbst, welche Genauigkeit handelsübliche Geräte erreichen.
2. Schritt: Das geometrische Funktionsprinzip
von GPS
Die Schüler erarbeiten sich – ohne sich schon
mit der konkreten technischen Realisierung von
GPS zu befassen – die grundlegende Idee des
Systems. Zunächst zeichnerisch in zwei Dimensionen bestimmen sie aus angegebenen Abständen von Referenzpunkten die Position
life + s c i e n c e L e h r e r w e t t b e w e r b
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gesuchter Punkte. Räumlich sind anstelle von
Kreisen Kugeln notwendig. Das zugehörige
Gleichungssystem aus mindestens 3 Gleichungen (reale GPS-Empfänger arbeiten mit 4
bekannten Punkten bzw. Gleichungen) soll aufgestellt werden.
Leben und Werk Einsteins
als Spiel
Biographische Informationen und Hinweise zu den wissenschaftlichen
3. Schritt: Technische Umsetzung der Grundidee
Für die praktische Abstandsmessung zu den
bekannten Punkten kommen konventionelle
Abstandsmessmethoden nicht in Frage; das
Mittel dafür ist die Bestimmung der Laufzeit
(Differenz von Aussende- und Ankunftszeit)
eines ausgesendeten Signals mit bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit. Am besten eignen
sich Funksignale, die sich als elektromagnetische Signale mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Wenden die Schüler ihr Wissen über klassische
Kinematik auf die GPS-Signale an, so erhalten
sie für deren Geschwindigkeit in Flugrichtung
des Senders die Summe aus der Lichtgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des
Satelliten, gegen die Flugrichtung bekommen
sie die Differenz. Da GPS-Empfänger die
Abstände aber durch Multiplikation der Lichtgeschwindigkeit mit der Signallaufzeit berechnen, wären die ermittelten Abstände falsch.
Korrekte Werte gibt es nur, wenn die Signalgeschwindigkeit konstant ist.
4. Schritt: Abschätzungen
Mit einigen vereinfachenden Annahmen lässt
sich berechnen, in welcher Größenordnung sich
die Abweichung bei Positionsbestimmungen
nach der klassischen Physik bewegt. Bei kreisförmigen Umlaufbahnen eines Satelliten in einer
Höhe von etwa 16 500 km über dem Erdboden und einem Empfänger, der sich direkt unter
dieser Bahn befindet, läge die Abweichung etwa
bei 42 Metern.
Fazit: Einsteinsches Postulat live erleben
Eine durchgängige Positionierungsgenauigkeit
des GPS von weniger als 15 m Abweichung
wäre unmöglich, wenn lichtgeschwindigkeitsschnelle Signale von der Geschwindigkeit des
aussendenden Objektes abhängen würden.
Wenn Schüler also im realen Einsatz von GPSEmpfängern diese Genauigkeit miterleben, kann
ihnen die Unterrichtseinheit klar machen, dass
sie dabei die Bedeutung des Einsteinschen
Postulats der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit sozusagen live erfahren – und das ist überzeugender als jedes abstrakte Gedankenexperiment.
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life + s c i e n c e L e h r e r w e t t b e w e r b
Arbeiten Albert Einsteins werden in Form eines Spieles der Art
„Wer wird Millionär?“ vermittelt.
Uta Thomas
Europäisches Gymnasium Waldenburg
Mathematik, Physik
„Ich weiß nicht, welche Waffen im
nächsten Krieg zur Anwendung
kommen, wohl aber, welche im
übernächsten: Pfeil und Bogen.“
Albert Einstein
Fachgebiete: Physik, je nach Fragen auch
fächerübergreifend
Altersgruppe: durch Variation der Fragen und
des Spielablaufes für alle Altersgruppen geeignet
Konzept: Das vorgestellte Konzept schließt als
letzte Unterrichtsstunde das Thema Relativitätstheorie ab. Während die Physik zuvor im
Rahmen des üblichen Unterrichts behandelt
wurde, soll die Biografie Einsteins in Form eines
Spiels erkundet werden. Den Schülern wird
dafür zu Beginn des Themas Relativitätstheorie als Hausaufgabe aufgetragen, sich selbstständig mit den Lebensdaten und Aktivitäten
Einsteins vertraut zu machen.
Spielregeln
Aufgrund der großen Popularität der Quizsendung „Wer wird Millionär?“ lehnen sich die
Regeln an das Vorgehen in der Fernsehshow
an.
1. Ein Schüler wird durch eine erste Fragerunde als Kandidat ermittelt. Bei zwei gleich guten Schülern entscheidet eine Stichfrage. Wer
zuerst richtig antwortet, wird Kandidat.
2. Der Spieler bekommt eine Anzahl von Fragen mit möglichen Antworten. Er muss sich
für eine Antwort entscheiden. Bei richtiger
Antwort bekommt er die nächste Frage, bei
falscher Antwort rutscht er auf ein vorher
angegebenes Niveau zurück und scheidet aus.
3. Jede richtige Antwort wird mit einem kleinen Preis belohnt (z.B. Gummibärchen). Die
Erfahrung zeigt, dass die Art des Preises keinen Einfluss auf die Motivation hat, das Spiel
als solches wirkt motivierend. Ein kleiner Preis
sollte aber ausgesetzt werden, um den
bekannten Spielverlauf nachzuvollziehen.
4. Der Spieler hat drei Joker: 1. Abstimmung in
der Klasse über die richtige Antwort; 2. Ein
vorher bestimmter Schüler darf beraten; 3.
Zwei falsche Antworten werden gestrichen.
5. Über den Zeitpunkt des Einsatzes der Joker
entscheidet der Kandidat.
6. Der Schüler kann aussteigen und nimmt den
bis dahin erzielten „Gewinn“ mit.
Durch die Anzahl und den Inhalt der Fragen
kann der Lehrer den Zeitaufwand und die
Schwerpunkte entsprechend eigener Vorstellungen leicht variieren. Kurze erläuternde Kommentare zu den Antworten vertiefen das Hintergrundwissen.
Beispiele für Fragen
Auswahlfragen
Bringe folgende Ereignisse im Leben Einsteins
in die richtige Reihenfolge:
A) Nobelpreis
B) Veröffentlichung der Prinzipien der
Speziellen Relativitätstheorie
C) Foto mit der herausgestreckten Zunge
D) Einstein wird US-Bürger
Antwort: B A
D
Zusatzinformationen:
B 1905 in Fachzeitschrift
„Annalen der Physik“
A 1921 Nobelpreis verliehen
bekommen
D 1940 seit 1933 in USA
C 1951 zu seinem 72. Geburtstag
Albert Einstein trug selbst zur
Verbreitung des Fotos bei: Er
verschickte es als Grußkarte.
C
Übungen zur Visualisierung von
Längenkontraktion und Zeitdilation
Die Abhängigkeit des Zeitverlaufs und von Strecken vom relativen Bewegungszustand gehört zu den erstaunlichsten Folgerungen der Speziellen Relativitätstheorie. Da sie in Widerspruch zu den Alltagserfahrungen steht, fällt es Schülern
schwer, sie zu verstehen. Eine Computersimulation, in der bewegte Uhren mit
verschiedenen Geschwindigkeiten an stationären Uhren vorbeiziehen,
veranschaulicht die Vorgänge.
Fachgebiete: Physik
Altersgruppe: 10. bis 13. Klasse
Konzept: Die Computersimulation „Uhrengerüst“ eignet sich aufgrund ihrer Anschaulichkeit als direkter Einstieg in die Thematik
„Relativistische Kinematik“. Unterrichtliche Voraussetzungen sind die Erarbeitung der beiden
Einsteinschen Postulate (Relativitätsprinzip und
Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit)
sowie die Einstein-Synchronisation. Am Uhrengerüst lässt sich die Relativität der Gleichzeitigkeit erkennen und die Zeitdilatation sowie
die Längenkontraktion können qualitativ erarbeitet werden.
Die Unterrichtserfahrungen haben gezeigt, dass
man sinnvoller Weise den Einsatz des Simulationsprogramms mit der manuellen Erarbeitung
am Uhrenblatt koppelt. Der Aufbau der Unterrichtseinheit kann dann wie folgt gegliedert
werden:
1. Einführung in die Computersimulation
„Uhrengerüst“
2. Erarbeitungsphase: Kopplung von manuellem Eintrag im Uhrenblatt und
Überprüfung mit Hilfe der Simulation
3. Übungsphase mit Einsatz des Simulationsprogrammes
gewählt werden.
In verschiedenen Szenarien fliegen der Lichtblitz oder die Rakete an der Uhrenreihe vorbei
und stoppen dabei deren Zeitmesser. Verfügt
die Rakete selbst über mehrere Uhren, erhält
jede eine eigene stationäre Uhrenreihe.
Nach einem simulierten Flug verraten die angezeigten Uhrzeiten, dass Ereignisse, die innerhalb des bewegten Raumschiffs gleichzeitig
ablaufen, außerhalb nacheinander stattfinden.
Die Relativität der Gleichzeitigkeit wird so
anschaulich. Auch die Zeitdilatation, nach welcher Uhren in bewegten Systemen langsamer
gehen, ergibt sich aus den Anzeigen. Gleiches
gilt für die Längenkontraktion, wenn Strecken
in Bewegungsrichtung kürzer erscheinen als sie
im Ruhezustand sind.
Außer mit dem Computerprogramm können
die Flüge auch manuell auf entsprechenden
Beate Schuster
Gymnasium
Ramstein-Miesenbach
Dieter Wittenberg
Werner-HeisenbergGymnasium
in Bad Dürkheim
„Was also ist die Zeit? Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es, will ich
es einem Fragenden erklären, weiß ich
es nicht.“
Augustinus Confessiones
Übungsblättern simuliert werden. Allerdings
sind sowohl bei der Arbeit am Computer als
auch per Hand lediglich qualitative Aussagen
möglich, quantitative Schlüsse lassen sich nicht
ziehen.
Computersimulation
„Rakete mit Uhren“. Zeittakte der
Uhren undGeschwindigkeit der
Rakete lassen sich verändern.
Das Simulationsprogramm
Das Programm generiert eine Reihe von Uhren
entlang einer eindimensionalen Flugbahn. Weitere Uhrreihen geben die Zeiten an verschiedenen Stellen einer vorbeifliegenden Rakete an:
Bug, Mitte und Heck. Die Schüler können die
Zeittakte der Uhren (als Maß für die Entfernung
zwischen zwei Uhren) sowie die Geschwindigkeit der Rakete ändern. Alternativ zur Rakete kann auch ein Lichtblitz als bewegtes Objekt
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Sonderpreis
Unterstufe
Optik mit Einstein
Viele Schüler haben bereits außerhalb des Unterrichts Aussagen über die
Konsequenzen der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie mitbekommen.
Diese Erfahrungen eignen sich als Einstieg in den Bereich Optik, der vom Lehrplan für
den Unterricht in der Mittelstufe vorgesehen ist.
Fachgebiete: Physik
Altersgruppe: Jahrgangsstufe 6 bis 8
Konzept: Es bieten sich verschiedene Verknüpfungen von Einsteins Ideen mit den Inhalten des Lehrplans an.
Lichtablenkung
Die von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte Lichtablenkung wurde im Jahre 1919
während einer Sonnenfinsternis experimentell
bestätigt und machte Einstein fast über Nacht
weltberühmt. Diese Tatsache kann für den
gesamten Optikunterricht als Kontext benutzt
werden, da sich hier auf natürliche Art und Weise grundlegende Problemstellungen aufdrängen,
zu deren Lösung ausgewiesene Lerninhalte der
Richtlinien und Lehrpläne im Bereich der Optik
herangezogen werden müssen.
Der Einstieg in den Optikunterricht über die
Lichtablenkung durch Gravitation bietet die
Möglichkeit, einen Weg vom Ungewöhnlichen
(„Lichtweg gekrümmt“) zum Gewöhnlichen
(„Lichtweg geradlinig“) zu gehen. Ein Arbeitsblatt regt die SchülerInnen an, sich über die
Beobachtungen bei der Sonnenfinsternis von
1919 zu informieren.
Es wird die Frage nach Versuchen zum Nachweis der geradlinigen Lichtausbreitung „im Alltag“ gestellt. Die SchülerInnen können entsprechende Versuche vorschlagen. Die Lernbereiche „Sonnenfinsternis“ und „Schatten“
Ralf Ricken
Hardtberg
Gymnasium in Bonn
Mathematik, Physik
„Phantasie ist wichtiger als Wissen,
denn Wissen ist begrenzt.“
Albert Einstein
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mit entsprechenden Versuchen und weiteren
Naturphänomenen ergeben sich zwanglos.
Nachhaltiges und kreatives Lernen kann hier
besonders gefördert werden, wenn man die
SchülerInnen Modelle zu den einzelnen Naturphänomenen entwerfen, bauen und erklären
lässt.
Lichtgeschwindigkeit
Erfahrungsgemäß ist bei vielen SchülerInnen
rund um das Thema „Lichtgeschwindigkeit“
bereits Vorwissen vorhanden. Hingegen sind
die Folgen der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit in Verbindung mit der Überbrückung
von großen Distanzen im Weltall in den Gedankengängen der SchülerInnen so gut wie gar
nicht anzutreffen. Die Erkenntnis, dass wir beispielsweise die Sonne nicht in ihrem jetzigen
Zustand sehen, sondern so wie sie vor etwa acht
Minuten war, ruft regelmäßig große Verblüffung hervor.
Mit Blick auf nachhaltiges und kreatives Lernen wäre beispielsweise der Bau von einfachen
Modellen zur Messung der Lichtgeschwindigkeit denkbar. So könnten etwa die Versuche
Galileis (Laternen auf Berggipfeln) und Fizeaus
(Zahnradmethode) mit begleitenden Erläuterungen modellhaft nachvollzogen werden.
Gravitationslinse
Neben der üblichen systematischen Untersuchung der Bilderzeugung durch optische Linsen
und der zugehörigen Strahlenverläufe kann
innerhalb dieses Rahmenthemas auch ein Analogieversuch zur Lichtablenkung durch Gravitationslinsen studiert werden. Als Linse wird ein
Weinglasfuß verwendet. Die Wirkung auf einen
Laserstrahl wird auf einem Schirm beobachtet.
Schwarze Löcher
Die Aussage, dass ein Gegenstand nur dann
sichtbar ist, wenn von ihm ausgehendes Licht
in das Auge des Beobachters fällt, kann mit dem
Themenfeld „Schwarze Löcher“ in Zusammenhang gebracht werden. Auch das Einbeziehen der so genannten „Dunklen Materie“
wäre hier denkbar.
Die Jury – im Überblick
Universität Duisburg-Essen
Prof. Dr. Udo Backhaus
Arbeitsgruppe Didaktik der Physik, Essen
European Schoolnet
Dr. Karl Sarnow
Lehrer für Mathematik, Physik und Informatik
Pädagogischer Koordinator für narurwissenschaftl.
Schulprojekte, Deutscher Koordinator des europäischen Schulprojekts ESP, Brüssel
Astronomisches Rechen-Institut Heidelberg
Prof. Dr. Joachim Wambsganss
Astrophysiker, Theoretiker
Direktor des Astronomischen Rechen-Instituts
Heidelberg
Friedrich-Schiller-Universität
Prof. Dr. Karl-Heinz Lotze
Physikalisch-Astronomische Fakultät
AG Physik- und Astronomie-Didaktik, Jena
Dipl.-Phys. StD
Jürgen Miericke
Physiklehrer, Nürnberg
Landesinstitut für Schule
und Medien Brandenburg
Ralf Böhlemann
Physiklehrer, Ludwigsfelde
Dr. Olaf Fritsche
Biophysiker
Chefredakteur life + science
Impressum
Herausgeber
Arbeitgeberverband Gesamtmetall – THINK ING.
Wolfgang Gollub (verantwortl.)
Voßstr. 16, 10117 Berlin
Science on Stage Deutschland e.V.
Stefanie Zweifel (verantwortl.)
Poststr. 4/5, 10178 Berlin
Giesel Verlag GmbH – life + science
Marlies Poppe (verantwortl.)
Rehkamp 3, 30916 Isernhagen
Konzept und Koordination
Giesel Dialog GmbH:
Marlies Poppe/Alexa Paeschke
Fachliche Redaktion
Dr. Olaf Fritsche
Gestaltung/Herstellung
Friedrich Medien Gestaltung
Im Brande 19, 30926 Seelze
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