Einführung in die spezielle Relativitätstheorie
- Nächster Termin: ab November nach Absprache
- Kursleitung: Lorenz Stäheli
- Autor: Lorenz Stäheli
- Schulstufe: 10. – 12. Schuljahr, Sekundarstufe II
- Umfang: 12 Lektionen
- Kosten: 600 CHF
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Was ist eine Zeitreise? Ist es, wenn wir gemütlich auf dem Sofa sitzen und die Zeit vergehen sehen? Das ist bestimmt eine entspannte Art durch die Zeit zu reisen, aber eine wirkliche Zeitreise ist das nicht.
Was ist dann eine «richtige» Zeitreise und ist eine solche möglich?
In dieser Unterrichtseinheit gehen wir der Frage nach, ob Zeitreisen physikalisch möglich sind. Dazu tauchen wir in die Relativitätstheorie von Albert Einstein ein und ergründen schrittweise seine Ideen:
- Die Lichtgeschwindigkeit und ein Blick in die Vergangenheit
- Die Gleichzeitigkeit und eine Reise in die Zukunft
- Die gekrümmte Raumzeit und ein Weg zurück?
Als Grundlage sollten die Schülerinnen und Schüler die Grundkonzepte der Mechanik im Unterricht bereits kennengelernt haben.
Diese Unterrichtseinheit vermittelt den Schülerinnen und Schülern die wichtigsten Konzepte der speziellen Relativitätstheorie und macht zudem einen Ausblick auf die allgemeine Relativitätstheorie. Unterstützt wird dieses Ziel durch Lernformen, die sich in aktuellen, empirischen Studien als besonders lernwirksam erwiesen haben. Die Unterrichtseinheit enthält Vorschläge zum Aufbau der einzelnen Lektionen, kognitiv aktivierende Einstiegsaufgaben und informative Texte, die auch als Grundlage von Lehrervorträgen verwendet werden können. Die Selbsterklärungs- und Vertiefungsaufgaben zu den zentralen Konzepten regen die Schülerinnen und dazu an, alle wichtigen Überlegungen selbst nachzuvollziehen, Misskonzepte zu vermeiden, das Erlernte zu festigen und weitere Erkenntnisse selbständig zu entdecken.
Die Unterrichtseinheit besteht aus drei Sequenzen im Umfang von jeweils vier Lektionen. Jede Lektion bietet unterschiedliche Vertiefungsmöglichkeiten. Dadurch lässt sich der Einsatz dieser Lerneinheit sowohl dem Vorwissen und den Bedürfnissen der Schülerinnen und Schüler als auch den Anforderungen der Lehrpläne anpassen.
- Die Absolutheit der Lichtgeschwindigkeit, Bezugssysteme und das Relativitätsprinzip
- Zeitdilatation und Längenkontraktion
- Das Äquivalenzprinzip und die Krümmung der Raumzeit
Zur Unterrichtseinheit wurden vereinfachte Filmsequenzen erstellt, die den Fokus auf grundlegende Konzepte der Relativitätstheorie legen.
Die folgende Filmsequenz veranschaulicht die Relativität der Gleichzeitigkeit als Folgerung aus der Absolutheit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: Während das Signal des mittleren Raumschiffs für die mitreisende Alice gleichzeitig bei den beiden anderen Raumschiffen ankommt, erreicht für Bob das ausgesendete Signal zuerst das nachkommende Raumschiff.
Die folgende Filmsequenz veranschaulicht die Zeitdilatation als Folgerung aus der Absolutheit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: Die mit Alice vorbeifahrende Lichtuhr tickt aus der Sicht von Bob auf dem Bahnsteig langsamer. Denn für Bob muss der Lichtpuls in der bewegten Lichtuhr einen weiteren Weg von einem verspiegelten Ende zum anderen zurücklegen als für Alice.
Die folgende Filmsequenz präsentiert Alice in einem Labor. Zuerst liegen neben ihr Gegenstände auf dem Boden, doch plötzlich beginnt mit Alice alles zu schweben. Liegt es daran, dass das Labor begonnen hat zu fallen oder wurde beim Labor im Weltall die Beschleunigungsphase beendet? Kann Alice diese beiden Fälle im Labor unterscheiden?