Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" – PDF

Vorlesung 68-130.1 Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1 Lehramt Grundschule 3. Semester WS2024/25 Mo 14:15-15:45 Uhr, Hörsaal B, Fachbereich Chemie VL 02: Raum und Zeit (Teil 2) + Materie...

Vorlesung 68-130.1 Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1 Lehramt Grundschule 3. Semester WS2024/25 Mo 14:15-15:45 Uhr, Hörsaal B, Fachbereich Chemie VL 02: Raum und Zeit (Teil 2) + Materie 21.10.2023 Prof. Dr. Ralf Riedinger, Dr. Linn Müggenburg, Dr. Axel Orban, Dr. Felix Brieler, PD Dr. Dirk Warnecke Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 1 Es ist nicht gestattet, diese Vorlesung oder Teile dieser Vorlesung ohne ausdrückliche Genehmigung der Dozentinnen und Dozenten für die Wiedergabe im Druck, Vorträge oder eine andere Art der Veröffentlichung, auch nicht im Internet, zu verwenden. Für Teile der Abbildungen liegen die Rechte bei Buchverlagen, wissenschaftlichen Zeitschriften, anderen Autoren oder bei den Dozentinnen und Dozenten dieser Veranstaltung. Hamburg, Oktober 2024 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 2  particify https://particify.uni-hamburg.de/p/64763423 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 3 ▪ Was sind Naturwissenschaften? Erklärungen und Zusammenhänge, die sich unserer Alltagserfahrung entziehen Modelle, die zuverlässige Vorhersagen machen können Entwicklung und Tests dieser Modelle ▪ Was tun wir hier? Allgemeinwissen Unterrichtswissen Intuition über wichtige Modelle erlangen Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 4  In sich Konsistent, (adaptierbar, zB über Parameter) Konsistent mit Logik/Symbolik bisherigen Erzeugt Beobachtungen Output (wissenschaftliches) falsifizierbare Input Vorhersagen Modell/Theorie/Simulation Quantitative Messungen Erfahrung Vorhersage Test Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 5 ▪ Was sind Naturwissenschaften? Erklärungen und Zusammenhänge, die sich unserer Alltagserfahrung entziehen Modelle, die zuverlässige Vorhersagen machen können Entwicklung und Tests dieser Modelle ▪ Was tun wir hier? Allgemeinwissen Unterrichtswissen Intuition über wichtige Modelle erlangen Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 6  NASA/WMAP Science Team Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 7  Today’s special menu ▪ Verhältnis von Zeit und Raum ▪ Relativitätstheorie ▪ Der Urknall und die Entstehung des Universums Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 8  particify Was können wir messen um die Natur zu untersuchen? https://particify.uni-hamburg.de/p/64763423 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 9  particify Fahrrad + Tomate Ralf fährt mit dem Fahrrad (Geschwindigkeit v=20 km/h) und wirft eine Tomate in Fahrtrichtung (mit Geschwindigkeit 10 km/h) zu Felix, der am Gehsteig steht. Mit welcher Geschwindigkeit sieht Felix die Tomate auf sich zu fliegen? https://particify.uni-hamburg.de/p/64763423 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 10  Relative Bewegung Beobachter =„Inertialsystem“ Alle Inertialsysteme sind gleich Anwendung: Stoßgesetze 1. Beobachter: Ralf auf dem Fahrrad. 2. Beobachter: Felix auf dem Gehsteig. Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 11  particify Fahrrad + Laser Ralf fährt mit dem Fahrrad (Geschwindigkeit v=20 km/h) und leuchtet einen grünen Laser Pointer (mit Lichtgeschwindigkeit c~300 000 km/s) zu Felix, der am Gehsteig steht. Mit welcher Geschwindigkeit fliegen das Licht auf Felix zu? https://particify.uni-hamburg.de/p/64763423 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 12  Hat Licht ein Medium? Licht bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit … relativ zu was??? Relative Bewegung zw. Ente und Wasser: Ausbreitungsgeschwindigkeit variiert mit Richtung Fotos: F.Balck, http://www.biosensor-physik.de/biosensor/wasser-wellen.htm Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 13  Hat Licht ein Medium? Spiegel Spiegel Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 14  Hat Licht ein Medium? Licht-Medium fließt schnell??? Rot war zu spät! Michelson – Morley Experiment (1887) Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 15  Lichtgeschwindigkeit ist in allen Inertialsystemen gleich! 299 792 458 m/s Animation eines Lichtstrahls, der von der Erde zum Mond fliegt. Erde, Mond und Abstand sind im richtigen Verhältnis. By en:User:Cantus, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2487466 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 16  Zeit & Raum sind relativ (zum Beobachter) Felix Uhr (steht) Ralfs Uhr (bewegt) Lichtuhr Lichtuhr 𝑣 ⋅ 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 𝐿 𝑐 ⋅ 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 (Pythagoras) 2 2 𝑐 ⋅ 𝑡𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 = 𝐿 𝑐 ⋅ 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 = 𝐿2 + 𝑣 ⋅ 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 1 “Eigenzeit”“Eigenzeit” die für Zeit für die für 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 = ⋅ 𝑡𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 Felix vergangen ist 𝑣2 Ralf vergangen ist 1− 2 𝑐 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 17 By egg https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2868331  Zeit ist relativ (zum Beobachter) Felix Uhr (steht) Ralfs Uhr (bewegt) Lorentz Faktor γ Lichtuhr Lichtuhr 𝑣 ⋅ 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 𝐿 𝑐 ⋅ 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 𝑐 ⋅ 𝑡𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 = 𝐿 1 “Eigenzeit”“Eigenzeit” die für Zeit für die für 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 = ⋅ 𝑡𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 Felix vergangen ist 𝑣2 Ralf vergangen ist 1− 2 𝑐 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 18 By egg https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2868331  Raum ist relativ 1. Ruhender Maßstab, bewegte Uhr Zurückgelegte Distanz (innerhalb von 1 Klick): L𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 = 𝑣 ⋅ 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 2. Bewegter Maßstab, ruhende Uhr Zurückgelegte Distanz (innerhalb von 1 Klick): L𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 = 𝑣 ⋅ 𝑡𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 L𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 L𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 = 𝜸 Beispiel: Schnelle Muonen (aus kosmischer Strahlung) Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 19  Zusammenfassung Relativität ▪ Zeitdilatation: Für bewegte Objekte scheint die Zeit langsamer zu vergehen 𝑡𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 = 𝑡𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 ⋅ 𝜸 ▪ Lorentzkontraktion: Bewegte Objekte scheinen kürzer zu sein 𝐿𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 = 𝐿𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 /𝜸 ▪ Lorentzfaktor 𝜸 ≥ 𝟏 𝜸 ∼ 𝟏 für 𝑣 ≪ 𝑐 𝜸 → ∞ für 𝑣 → 𝑐 ▪ Schnelle Objekte wirken Schwerer 𝑚𝑏𝑒𝑤𝑒𝑔𝑡 = 𝛾 ⋅ 𝑚𝑠𝑡𝑒ℎ𝑡 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 20  Allgemeine Relativitätstheorie Laser-Uhr auf dem Satellit: emittiert Photonen der Energie 𝐸 = ℎ𝑓 (h = Planck Konstante, f = Frequenz) Photonen werden zur Erde geschickt Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 21  particify Ein Uhr außerhalb der Schwerkraft der Erde tickt... https://particify.uni-hamburg.de/p/24507764 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 22  Allgemeine Relativitätstheorie Laser-Uhr auf dem Satellit: emittiert Photonen der Energie 𝐸 = ℎ𝑓 (h = Planck Konstante, f = Frequenz) Photonen werden zur Erde geschickt Energie erhöht sich = Frequenz erhöht sich Auf dem Satellit scheint die Zeit schneller zu vergehen! (Uhr tickt schneller als auf der Erde!) Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 23  Exkurs: Schwarze Löcher ▪ Sehr schweres & kleines Objekt: Gravitation ist extrem stark ▪ Photon auf Oberfläche benötigt genauso viel Energie um zu entkommen, wie es besitzt: (𝐸𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛 − 𝐸𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 )/ℎ = 𝑓 → 0 ▪ Uhren auf der Oberfläche scheinen still zu stehen Radio-Teleskop-Bild Simulation Simulation Von Event Horizon Telescope, ESO TIF, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=77925953 Von Urbane Legend, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1668218 Von Ute Kraus, Universität Hildesheim, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=370240 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 24 Expansion von Raum Galaxien entstehen Atome formen sich Sterne Gehalten von entstehen Schwarzen Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 25 Löcher  Expansion (durch „Dunkle Energie“ beschleunigt) James Webb Deep Field https://webbtelescope.org/ contents/media/images/20 22/038/01G7JGTH21B5GN9 Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" VCYAHBXKSD1 26 Rotverschiebung entfernter Galaxien Stern (Betelgeuse) Fusion zu VL Materie schweren VL Energie Elementen VL Redox Supernova verteilt Atome Protoplanetare Scheibe Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" (Staub und Eis) 27  Ausblick… Satellit: etwas, dass die Erde (oder andere Planeten) umrundet Stern-Cluster Sterne: etwas, dass die Erde (oder andere Planeten) umrundet Komet: „Schneeball“ im Sonnensystem (Schweif: Staub, Wasserdampf,…) Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 28  NaWi to go ▪ Licht bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit 108 𝑚 𝑐=3 ⋅ in jedem (inertialen) Bezugssystem 𝑠 ▪ Zeit und Raum sind relativ zum Bezugssystem ▪ Nichts kann sich schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen (Raum kann sich schneller ausdehnen) ▪ Alles außer Wasserstoff stammt von alten, explodierten Sternen Vorlesung "Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1" 29