Physikdidaktik

Didaktik der Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie galt Anfang des 20. Jahrhunderts als eine der schwierigsten Theorien überhaupt. Diese Einschätzung kommt beispielsweise in Einsteins bekanntem Ausspruch "Woher kommt es, dass mich niemand versteht und jeder mag?" (in einem Interview der New York Times, 1942) zum Ausdruck. Auch heute, nach großen Fortschritten bei der Vermittlung dieser Theorie, zählt sie zu den anspruchsvollsten Themen in der Physik. Gleichzeitig gibt es kaum ein physikalisches Thema, das ein so großes Interesse in breiten Teilen der Bevölkerung hervorruft.

Mit Visualisierungen schaffen wir hier einen anschaulichen Zugang. Unsere Ausgangsfrage ist: "Wie wäre es, relativistische Effekte selbst zu erleben?" Zum Beispiel: Mit annähernd Lichtgeschwindigkeit unterwegs zu sein und sich dabei umzusehen. Oder sich einem Schwarzen Loch zu nähern und dabei rundum den Himmel zu beobachten. Einen Einstieg in das Thema gibt der Beitrag Reiseziel Schwarzes Loch - Visualisierungen zur Allgemeinen Relativitätstheorie auf unserer Webseite Tempolimit Lichtgeschwindigkeit.

Für eine Einführung in die Grundlagen der Theorie entwickeln wir Modellexperimente, die auf dem Prinzip des Regge-Calculus basieren, mit dem gekrümmte Raumzeiten koordinatenfrei beschrieben werden können. Die mathematische Darstellung, die für die Schule zu anspruchsvoll ist, wird dabei durch geometrische Anschauung und zeichnerische Lösungen ersetzt. Es wird mit zwei- und dreidimensionalen Modellen gearbeitet, welche die SchülerInnen aus Bauvorlagen selbst bauen und an denen sie Messungen ausführen und Vorhersagen der Theorie konstruieren. Einen Einstieg in das Thema geben das Heft "Wir basteln ein Schwarzes Loch" (mit Bastelbögen) und der Beitrag Wir basteln ein Schwarzes Loch - Unterrichtsmaterialien zur Allgemeinen Relativitätstheorie auf unserer Webseite Tempolimit Lichtgeschwindigkeit.

Laufende Projekte:

1. Schülerlabor Raumzeitwerkstatt

Das Schülerlabor Raumzeitwerkstatt soll seine Besucher mit beeindruckenden Bildern, verblüffenden Simulationen und spielerischen Herausforderungen an die Relativitätstheorie heranführen. Mit der Computersimulation werden relativistische Effekte, die auf der Erde außerordentlich klein sind, in den Alltag geholt.

Das Schülerlabor besteht aus Experimentierstationen, an denen Realexperimente, Modellexperimente und interaktive Computerexperimente ausgeführt werden können. Als zweite Komponente werden Workshops zur Einführung in die Grundlagen der Theorie angeboten. 

Das Schülerlabor ist für Schülerinnen und Schüler der 10. bis 13. Klasse konzipiert.

2. Kurs: Allgemeine Relativitätstheorie relativ anschaulich

Mit dem neuen anschaulichen Zugang auf der Basis von Modellexperimenten werden Unterrichtsmaterialien (Bauvorlagen, Arbeitsblätter, Skripte, Filme, Animationen) erstellt, erprobt und evaluiert und dann als offene Bildungsressourcen zugänglich gemacht.

3. Offene Bildungsressourcen: Die Website Tempolimit Lichtgeschwindigkeit

National und international machen wir unsere Materialien als Open Educational Resources (OER) auf der Website
Tempolimit Lichtgeschwindigkeit mit der URL http://www.tempolimit-lichtgeschwindigkeit.de/ und ihrer englischen Variante Space Time Travel mit der URL http://www.spacetimetravel.org/ zugänglich. Im Mittelpunkt stehen anspruchsvolle Visualisierungen, die mit eigenen Computerprogrammen selbst erstellt und durch neue didaktische Materialien aufbereitet werden.