Didaktische Hinweise - Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und
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Didaktische Hinweise - Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern 1. Thematischer Hintergrund Man braucht sie für starke Magnete, Transformatoren, Elektromotoren und Generatoren, aber auch als Bauteil für Großrechner: Supraleiter dringen seit einiger Zeit fast unbemerkt in das Alltagsleben vor. Verantwortlich für diese Entwicklung sind große Fortschritte im Bereich der Physik seit der Entdeckung des Phänomens der Supraleitung durch den Forscher Heike Kamerlingh Onnes vor knapp 100 Jahren. Damals war es nur unter schwierigsten Bedingungen und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,16 Grad Celsius) möglich, solche Supraleiter zu erzeugen. Eine wichtige Hürde zur Nutzung des Phänomens für technische Anwendungen war genommen als Alex Müller und Georg Bednorz im Jahr 1986 eine Verbindung aus Barium, Lanthan und Kupfer entdeckten, die schon bei viel höheren Temperaturen supraleitend wurde. Seitdem haben Forscher zahlreiche dieser so genannten Hochtemperatur-Supraleiter entdeckt. Rekordhalter ist momentan eine Hg-Ba-CaCu-O-Verbindung, die schon bei 133 Kelvin (das entspricht –140,15 Grad Celsius) ihren elektrischen Widerstand verliert. Heute können deshalb schon Schüler der Supraleitung auf den Grund gehen. So haben Gymnasiasten im Rahmen des Wettbewerbs „jugend forscht“ im Jahr 1999 in einem gut ausgerüsteten Schullabor eine supraleitende „Tablette“ aus einer YtriumBarium-Kupferverbindung selbst hergestellt. Doch trotz aller Forschungserfolge vor allem in den letzten beiden Jahrzehnten sind längst noch nicht alle Rätsel um die Supraleiter gelöst. Bis die Vision von Kamerlingh Onnes wahr wird und supraleitende Kabel weltweit elektrischen Strom ohne Verluste transportieren können, wird es noch eine Weile dauern. Immerhin gibt es mittlerweile erste Pilotprojekte in Kopenhagen, Detroit und auf Long Island. Die Auseinandersetzung mit dem Thema Supraleitung in der Schule sensibilisiert die Schüler nicht nur für eine wichtige Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts, sie schafft auch die notwendigen physikalischen Grundlagen, um zukünftige Entwicklungen im Rahmen dieses Phänomens kompetent verfolgen und bewerten zu können. 2. Thema der Stunde Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern 3. Lernziele Die Schüler sollen... das physikalische Phänomen der Supraleitung kennen lernen, wichtige Eigenschaften von Supraleitern wie den Meißner-Effekt oder das Verschwinden des elektrischen Widerstands erarbeiten und anschließend erklären können, Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern - © www.max-wissen.de 2005 Didaktische Hinweise - Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern die Unterschiede zwischen konventionellen und Hochtemperatur-Supraleitern erkennen und beschreiben können, aus den zur Verfügung gestellten Informationen auf mögliche Anwendungsfelder für die Supraleitung schließen, ihre Fähigkeiten und Fertigkeiten im Bereich der Teamarbeit verbessern. 4. Didaktisch-methodische Entscheidungen zur Unterrichtsstunde Die geplante Einheit ist eingebettet in eine längere Unterrichtsreihe zum Thema „Elektrizitätslehre“ im Fach Physik. Bevor der geplante Unterricht durchgeführt werden kann, müssen die Schüler innerhalb der Sequenz bereits umfangreiche Kenntnisse über elektrische und magnetische Felder und die ihnen zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien erworben haben. Die Schüler sollten zudem mit Wechselstromkreisen vertraut sein und Leitungsvorgänge in Metallen und Halbleitern kennen gelernt haben. Auch das Prinzip des elektrischen Widerstands oder des Faraday-Effekts sollte im Rahmen des Unterrichts angesprochen worden sein, damit die Schüler die überragende Bedeutung des Phänomens Supraleitung erkennen und einschätzen können. Die Schüler sollten sich außerdem bereits mit der Funktion von Transformatoren, Elektromotoren oder Magnetlagern, die als mögliche Anwendungsfelder für Supraleiter dienen, auseinandergesetzt haben. Im Anschluss an die vorbereitete Doppelstunde geht der Unterricht dann mit Hypothesen (wie beispielsweise der BCS-Theorie) zur Erklärung des Phänomens Supraleitung weiter. Anschließend wäre es sinnvoll, ausführlicher auf eines der Pilot-Projekte mit supraleitenden Kabeln (New York/Long Island oder Kopenhagen) einzugehen. Sollte die Ausstattung des Schullabors die Möglichkeiten dazu bieten, könnte als Abschluss und zugleich Höhepunkt der Unterrichtssequenz der Versuch unternommen werden, Hochtemperatur-Supraleiter in der Schule selbst herzustellen. Phänomenologischer Einstieg in das Thema: Im Rahmen der geplanten Doppelstunde wird in einem Überblick der Bogen gespannt von der Entdeckung der Supraleitung vor rund 100 Jahren bis zum heutigen Stand der Technik. Um die Schüler nicht zu überfordern und die Motivation zum Lernen zu erhalten, werden dabei zunächst nur die spannenden Phänomene (konventionelle und Hochtemperatur-Supraleiter) mit den dazugehörigen überraschenden Eigenschaften vorgestellt. Erst auf der Basis dieses Wissens werden dann in der nächsten Unterrichtsstunde die zum Teil sehr abstrakten und „trockenen“ Erklärungen für die Phänomene und die beobachteten physikalischen Effekte erarbeitet. Motivierender und herausfordernder Unterrichtseinstieg: Um das Interesse der Schüler für das Phänomen der Supraleitung zu wecken, stellt der Lehrer im Rahmen des Unterrichtseinstiegs zunächst drei Anwendungsbereiche vor, in denen heute bereits Supraleiter zum Einsatz kommen. Die Schüler sollen dabei zunächst die Gegenstände (Stromkabel, Magnet, Transformatoren) erkennen und beschreiben und nach möglichen Gemeinsamkeiten zwischen ihnen suchen. Bei gutem Vorwissen im Fach Physik könnten einige der Kursteilnehmer schon in dieser frühen Unterrichtsphase das Phänomen Supraleitung im Zusammenhang mit den vorgestellten Geräten/Materialien ansprechen. Sollte dies nicht der Fall sein, muss der Lehrer die Gedanken der Schüler im Folgenden mithilfe von nonverbalen Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern - © www.max-wissen.de 2005 Didaktische Hinweise - Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern (Anschreiben des Begriffes Supraleitung an die Tafel) und/oder verbalen Impulsen („Was ist Supraleitung?“ „Was hat Supraleitung mit Magneten, Transformatoren oder Stromkabeln zu tun?“) in die gewünschte Richtung lenken. Da diese Hinführung zum Thema recht anspruchsvoll ist, muss der Lehrer für diese Phase genügend Zeit einplanen, um die Schüler ausführlich zu Wort kommen zu lassen. Sie sollten dabei erste Rückschlüsse zwischen dem Phänomen der Supraleitung und potenziellen Anwendungsfeldern möglichst selbständig ziehen. Selbstständige, kooperative Erarbeitung von Wissen: In den beiden Erarbeitungsphasen der Doppelstunde liegt der Schwerpunkt des Unterrichts dann auf einer möglichst selbständigen Erarbeitung von Wissen. Der Kurs wird dazu in Kleingruppen aufgeteilt, die sich intensiv und kooperativ mit den zur Verfügung gestellten Arbeitsmaterialien und Aufgaben auseinandersetzen. Fragen zum Thema oder dem Arbeitsblatt werden dabei zunächst innerhalb der Teams geklärt. Der Lehrer steht nur im Notfall für Hilfestellungen oder erläuternde Kommentare zur Verfügung. Ist der Unterrichtsraum mit einem oder mehreren Internetarbeitsplätzen ausgestattet, kann auch dieses Medium zur Suche nach ergänzenden Informationen und eventuell zur Klärung von tiefergehenden Problemen genutzt werden. Diese selbsttätige Auseinandersetzung mit dem Forschungsschwerpunkt Supraleitung und die Diskussion über das Thema mit den Mitschülern sollen entscheidend zu einer regen Teilnahme am Unterricht beitragen. 5. Anbindung an die Richtlinien/Zielgruppe Die geplante Unterrichtsstunde ist für den Einsatz in der gymnasialen Oberstufe gedacht. Nach einer entsprechenden Vereinfachung der Texte (Erläuterung von Fachbegriffen) und der Aufgabenstellungen ist je nach Leistungsstand der Klasse auch eine Verwendung in den Jahrgangsstufen 9 und 10 der Gymnasien, Realschulen und Gesamtschulen möglich. Der Zeitbedarf beträgt 90 Minuten. Der Unterricht kann auch dann durchgeführt werden, wenn nur Einzelstunden zur Verfügung stehen. Der Lehrer sollte in diesem Fall nach der ersten Erarbeitungsphase und dem anschließenden Zusammentragen der Ergebnisse die schulische Auseinandersetzung mit dem Thema beenden. In der nächsten Unterrichtsstunde geht es dann mit der zweiten Problemfindungsphase und dem Arbeitsblatt 2 weiter. Das Arbeitsblatt 2 ist nach einer kurzen thematischen Hinführung durch den Lehrer aber auch als Hausaufgabe geeignet. Lehrplankonformität Die Lehrpläne der Bundesländer liefern an vielen Stellen Hinweise auf eine Verwendung der Unterrichtsstunde „Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern“ in der Schule: Beispiel Nordrhein-Westfalen: Die Elektrik gehört zu den fünf Sachbereichen, die der Physik-Lehrplan für die gymnasiale Oberstufe vorsieht. Im Bereich der Elektrik sind dabei Ladungen und Felder als Themenschwerpunkt im Unterricht zu behandeln. Gut passen würde die vorgelegte Unterrichtsreihe/-stunde beispielsweise in den von den Richtlinien vorgegebenen Gegenstand „elektrische Leitungsvorgänge in festen Körpern, Flüssigkeiten und Gasen“. Am Beispiel der Supraleitung könnte der Physikunterricht den Schülern einen spannenden Blick hinter die Kulissen der modernen Forschung bieten. Dabei könnte Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern - © www.max-wissen.de 2005 Didaktische Hinweise - Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern der komplette Weg des naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinns von der Entdeckung des Phänomens bis zur Erklärung der beobachteten physikalischen Prozesse und Eigenschaften nachvollzogen und reflektiert werden. Beispiel Sachsen: Die Elektrizitätslehre ist laut den sächsischen Richtlinien für das Gymnasium das Kursthema im Leistungskurs der Jahrgangsstufe 11.2. Dabei ist auch der Schwerpunkt „Leitungsvorgänge“ im Schulunterricht ausführlich zu berücksichtigen. Neben Leitungsvorgängen in Metallen oder Halbleitern und dem Einfluss der Elektronik auf das Leben der Menschen, kann der Lehrer in diesem Zusammenhang ausdrücklich auch auf den Forschungsschwerpunkt Supraleitung eingehen. Anhand der Supraleitung könnte der Physikunterricht exemplarisch zeigen, zu welchen tiefgreifenden Veränderungen der Alltagswelt physikalische Phänomene in der Lage sind. Beispiel Hessen: “Elektrisches und magnetisches Feld“ – dies ist nach den Vorgaben der hessischen Richtlinien das Thema für die Jahrgangsstufe 12.1. Als Unterrichtsinhalte sind dabei unter anderem technische Anwendungen und Leitungsvorgänge zum Beispiel in Metallen, Halbleitern oder Gasen vorgesehen. Laut dem Lehrplan sollen bei der Planung des Kurskonzeptes neue technische Entwicklungen aus diesem Forschungsschwerpunkt besondere Berücksichtigung finden. Auch deshalb bietet sich hier eine Verwendung der Unterrichtsstunde „Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern“ an. Beispiel Bayern: Der bayerischen Lehrplan für das Gymnasium schreibt in der Jahrgangsstufe 12 sowohl im Grund- als auch im Leistungskurs das Thema elektrische und magnetische Felder vor. Dabei müssen unter anderem Grundbegriffe aus der Elektrizitätslehre wie Stromstärke, Spannung, Ladung, Widerstand, elektrische Energie und elektrische Leistung vertiefend besprochen werden. Es ist aber auch die Auseinandersetzung beispielsweise mit Induktionsphänomen vorgesehen. In diesem Kontext ließe sich die geplante Unterrichtsreihe/-stunde „Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern“ problemlos integrieren. 6. Vorschläge für einen fächerübergreifenden Unterricht „Schlüsseltechnologien für das 21. Jahrhundert“ So könnte der Titel eines fächerübergreifenden Unterrichts lauten, in dem die geplante Unterrichtsstunde gut einsetzbar ist. Im Physik- und/oder Technikunterricht sind neben der Supraleitung auch Forschungsbereiche wie Roboter, Künstliche Intelligenz, Computer der Zukunft oder die Möglichkeiten und Grenzen der Nanotechnologie anzusprechen. Spannend für die Schüler könnte auch die Besprechung der laserbasierten Präzisionsspektroskopie sein, mit deren Hilfe es möglich ist, die Eigenschaften von Atomen und Molekülen genauer als bisher zu bestimmen. Es sollte aber auch um innovative Konzepte zur Energiegewinnung wie die Kernfusion, die Brennstoffzellentechnologie oder die Solarenergie gehen. Das Fach Biologie stellt Technologien und Methoden wie Klonen, Tissue Engineering oder die Gentherapie vor. Darüber hinaus werden dort beispielsweise auch die Grüne Gentechnik oder die Blaue Biotechnologie besprochen. Neben der Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern - © www.max-wissen.de 2005 Didaktische Hinweise - Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern Wissensvermittlung sollte der Unterricht viel Freiraum für Diskussionen über ethische Aspekte der verschiedenen Themen bieten. Im Fach Chemie könnten unter anderem nanotechnologisch verbesserte Materialien oder Oberflächen (Lotus-Effekt, funktionelle Farben – siehe auch TECHMAX 3 „Coole Farben in heißen Autos“) im Mittelpunkt des Unterrichts stehen. Aber auch wichtige Synthese-Reaktionen für die Produktion von pharmazeutischen Wirkstoffen sind hier zu untersuchen. Im Erdkundeunterricht bieten sich Forschungsgegenstände wie Frühwarnsysteme vor Naturkatastrophen, GPS-Systeme oder Satelliten wie GRACE und CHAMP zur Messung des Erdmagnetfelds beziehungsweise des Erdschwerefeldes an. Das Fach Geschichte könnte über den aktuellen Bezug hinaus einen chronologischen Überblick über die wichtigsten technischen Erfindungen in den letzten 2.000 Jahren geben. Hier sind aber auch besonders wichtige Forscher und Erfinder wie zum Beispiel Alexander Graham Bell, Thomas Alva Edison, Albert Einstein, Justus von Liebig, Conrad Röntgen, James Watson und Francis Crick oder Dolly-Vater Ian Wilmot vorzustellen. Bei aller Begeisterung für die chemischen, physikalischen, geowissenschaftlichen oder biologischen Erfindungen und Methoden sind die Schüler im Rahmen des fächerübergreifenden Unterrichts zu einem kritischen Hinterfragen der Technologien anzuhalten. Mögliche Chancen und Risiken, die sich durch die Forschung in den Schlüsseltechnologien für den Menschen ergeben, sollten dabei ausführlich vorgestellt und diskutiert werden. Widerstand zwecklos – Möglichkeiten und Grenzen von Supraleitern - © www.max-wissen.de 2005
