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Know-how : Vom Lehrplan zur individuellen Unterrichtsplanung

 

Planungsbeispiel Physik
Die Wirkung von Strahlung untersuchen und bewerten


Hinweis:

Da dieses Planungsbeispiel ein Muster für weitere Planungen sein soll, wurden bei jedem einzelnen Schritt dieser Schrittfolge erläuternde Hinweise gegeben, die die Überlegungen im Vorfeld des Aufgeschriebenen erhellen. Zugleich können diese Bemerkungen eigene Planungen unterstützen.

Download als PDF: Planungsbeispiel_Physik_1.pdf (1,4MB)

 

Schrittfolge
1 Erstellung eines Zuordnungsschemas (Kompetenzen – Grundwissen)
2 Erstellung eines fachlichen Netzes (Fachinhalte)
3 Ermittlung der konkreten Ausgangssituation
4 Prüfung sinnstiftender Kontexte auf Eignung
5 Didaktische Aufbereitung des Kontextes als Lernaufgabe
6 Feinplanung der Unterrichtssequenz (für den Kontext „Bestrahlung von Lebensmitteln“)
7 vorläufige Festlegung des zeitlichen Umfangs
8 Diagnose der Kompetenzentwicklung (Test- und Evaluationsaufgaben)
Klassenarbeit (Schuljahrgang 9 - RS)
Klassenarbeit (Schuljahrgang 9 - HS)


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Autor/Rechteinhaber: Herr Hendrik BerenbruchEingestellt am:
Stand vom:
12.05.2010
04.06.2010
Autor/Rechteinhaber: Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt
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12.05.2010
04.06.2010
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Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt auf dem Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de/index.php?KAT_ID=3897#art11771)
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SeitenanfangVorbemerkung

zur didaktischen Reduktion bei der Behandlung elektromagnetischer Wellen im Kompetenzschwerpunkt „Die Wirkung von Strahlung untersuchen und bewerten"

 

1 Physikalische Natur der Strahlung


Die für diesen Kompetenzschwerpunkt wesentlichen Phänomene lassen sich durch folgendes Modell erklären:

 

Strahlung zeigt bei einigen Experimenten Teilchencharakter, d. h. sie tritt portioniert auf. Diese Portionen heißen in der Physik Photonen. Sie besitzen eine ganz bestimmte Energie und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.

 

Da die Schülerinnen und Schüler im bisherigen Physiklehrgang noch keine Kenntnisse über Schwingungen und Wellen erworben haben, geraten sie mit dieser Modellbeschreibung nicht in Denkschwierigkeiten. Nur im Zusammenhang mit den Hertz’schen Wellen ist es notwendig darauf hinzuweisen, dass Strahlung sich bei bestimmten Experimenten wie Wellen (ähnlich wie Wasserwellen) verhält. Die verschiedenen Aspekte werden im Kompetenzschwerpunkt „Optische Phänomene beschreiben und mit verschiedenen Modellen erklären“ genauer behandelt.

 

2 Wechselwirkung Strahlung - Materie


Wenn elektromagnetische Strahlung Materie durchdringt, treten in Abhängigkeit von der Energie der jeweiligen Photonen folgende Prozesse auf:

  • Compton-Effekt (Photonen geben einen Teil ihrer Energie an freie Elektronen ab.)
  • Photoeffekt (Photonen lösen aus Atomen im Innern von Festkörpern einzelne Elektronen heraus und geben dabei ihre Energie vollständig ab.)
  • Paarzerstrahlung (Besonders energiereiche Photonen wandeln sich jeweils in ein Elektron und ein Positron um, die wiederum mit den Teilchen des Körpers reagieren.)

 

Vereinfacht lassen sich diese Effekte zu folgenden zwei Effekten zusammenfassen:

  • Ionisation

Photonen lösen aus Atomen Elektronen heraus und ionisieren diese dadurch.

 

 

  • Erwärmung

Durch verschiedene Prozesse wird die Energie der Photonen in Bewegungsenergie der Atome und Moleküle des Stoffes (thermische Energie) übertragen. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Stoffs.

 

3 Nachweismöglichkeiten von Strahlung

 

Die Nachweismöglichkeiten von elektromagnetischer Strahlung können im Wesentlichen auf die Ionisation zurückgeführt werden: - Ionisation der Luft in einem Kondensator (Gasfüllung eines Zählrohrs) und dadurch Stromfluss, - Ionisation von Atomen eines Halbleiters (analog Solarzelle) und dadurch Stromfluss - Zersetzung von Silberbromid (Schwärzung von Fotofilm, Fotopapier)

Zur Vereinfachung der weiteren Arbeit werden die Teilkompetenzen im Lehrplan innerhalb der Kompetenzbereiche nummeriert.

 

Kompetenzschwerpunkt: Die Wirkung von Strahlung untersuchen und bewerten
Fachwissen
anwenden
1 die einzelnen Strahlungsarten energetisch in das Spektrum einordnen
2 radioaktive Stoffe und ihre typischen Eigenschaften benennen
3 den Kernzerfall beschreiben und Zerfallsgleichungen aufstellen
4 die Arten der Strahlung energetisch in das Spektrum einordnen
5 Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und
Materie und dabei auftretende Energieumwandlungen erläutern
Erkenntnisse
gewinnen
1 selbstständig Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften
und Wirkungen von Strahlung planen und auswerten
2 die Messung physikalischer Größen bei zufälligen Prozessen beschreiben
und aus den Messergebnissen Zusammenhänge ableiten
Kommunizieren 1 Recherchen zu technischen Anwendungen von Strahlung durchführen
und deren Ergebnisse präsentieren
2 das Vorgehen beim Experimentieren und die Arbeitsergebnisse
diskutieren
3 Diagramme interpretieren und Größen aus diesen ermitteln
Bewerten 1 Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei der Nutzung von Strahlung
in Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien
bewerten
2 Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse in
historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen beschreiben
Grundlegende Wissensbestände
  • Modell: Atom
  • elektromagnetisches Spektrum: radioaktive Strahlung, Röntgenstrahlung, ultraviolettes sichtbares und infrarotes Licht, Hertz’sche Wellen
  • Eigenschaften von Strahlung: Energiegehalt Durchdringungsvermögen, Reflexion
  • Wirkungen von Strahlung: Ionisationsvermögen, thermische Wirkung
  • Kernzerfall: Halbwertszeit, Arten
  • technische Anwendungen von Strahlung

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Autor/Rechteinhaber: Herr Hendrik BerenbruchEingestellt am:
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12.05.2010
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Autor/Rechteinhaber: Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt
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Seitenanfang1 Erstellung eines Zuordnungsschemas (Kompetenzen – Grundwissen)

Die Zuordnung von grundlegenden Wissensbeständen zu Teilkompetenzen erfolgt auch unter Berücksichtigung möglicher Schülertätigkeiten, die die Ausprägung der prozessorientierten Kompetenzen unterstützen. Diese Zuordnung ist zwingend, wenn die Kompetenz nur einmal aufgeführt wird. Lässt sich die Kompetenz mehrmals zuordnen, ergeben sich Varianten für planerische Entscheidungen.

 

Fachwissen
anwenden
Erkenntnisse gewinnen Kommunizieren Bewerten
elektromagnetisches
Spektrum
1,4,5
radioaktive Strahlung 1,2,3,4,5 1,2 2,3 1
Röntgenstrahlung 1,4,5 3
UV- und IR-Licht 1,4,5 1 2,3 1
Hertz’sche Wellen 4,5 1 2,3 1
technische Anwendungen 1 1,2

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Autor/Rechteinhaber: Herr Hendrik BerenbruchEingestellt am:
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Seitenanfang2 Erstellung eines fachlichen Netzes (Fachinhalte)

Im fachlichen Netzwerk sind alle Fachbegriffe, die in diesem Kompetenzschwerpunkt zu den grundlegenden Wissensbeständen gehören bzw. diese untersetzen, in ihrer Einordnung aufgeführt.

Dieses Netzwerk dient

  • der Orientierung auf wesentliche Wissenselemente bei der Unterrichtsplanung,
  • als Prüfkriterium bei der Auswahl konkreter Beispiele und bei der Evaluierung des Lernfortschritts,
  • auch als Abbild für das Wissensnetz, das sich im Unterrichtsprozess bei den Schülern herausbilden sollte (vernetztes und strukturiertes Wissen).

 

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Autor/Rechteinhaber: Herr Hendrik BerenbruchEingestellt am:
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Seitenanfang3 Ermittlung der konkreten Ausgangssituation

Voraussetzung, die nach Lehrplan im Unterricht anderer Fächer erworben wurden:

 

Fächer Sjg. Kompetenzschwerpunkte Kompetenzen grundlegende
Wissensbestände
Mathematik 9/10 Weitere nichtlineare Zusammenhänge
Exponentialfunktionen
mithilfe von Wertetabellen
grafisch darstellen
Eigenschaften von
Exponentialfunktionen
beschreiben
y = 2x
Daten und Zufall
Ergebnisse statistischer
Untersuchungen in Form von Häufigkeitsverteilungen
und Diagrammen darstellen
Häufigkeitsverteilung
Klasseneinteilung
Biologie 9/10 Wechselwirkung zwischen
Lebewesen und Umwelt
Wechselwirkungen
zwischen biotischer
und abiotischer Natur
beobachten, beschreiben
und erklären
biotische und abiotische
Umweltfaktoren
Vererbungsvorgänge als
Merkmal des Lebens und die Anwendung der Gesetzmäßigkeiten in der Praxis
Ursachen von Mutation sowie deren Bedeutung für die Lebewesen vorstellen
DNA, Gen, Mutation
Technik 7/8 Lösungen für technische
Probleme untersuchen und
vergleichen
gewollte und ungewollte
Auswirkungen von
Alltagstechnik erkennen
und Handlungsmöglichkeiten
abwägen Bewertungskriterien aufstellen und anwenden
Bewertungskriterien
(Zweckmäßigkeit,
Zuverlässigkeit, Sicherheit,
Umweltgerechtheit,
Kosten)
Bewertungsverfahren

 

Hinweis: Es ist günstig, wenn schulinterne Absprachen zu den Kompetenzschwerpunkten
im Schuljahrgang 9 getroffen werden.


Konkrete Voraussetzungen der Klasse
Hier sind folgende Voraussetzungen, insbesondere durch eigene Erfahrungen mit dieser Klasse,
durch Beobachtung oder durch Gespräche mit anderen Lehrkräften, zu ermitteln:

  • Über welche fachspezifische Voraussetzungen (z. B. anwendbare physikalische Kenntnisse) verfügen meine Schülerinnen und Schüler?
  • Wie sind ihre prozessbezogenen Kompetenzen (z. B. Planen, Durchführen und Auswerten von Experimenten, Recherchieren von Informationen, Erschließen von Sachtexten) ausgeprägt?
  • Wie vertraut sind die Schülerinnen und Schüler mit bestimmten Unterrichtsformen wie Gruppenarbeit?

Für die weitere Planung ist es günstig, wenn diese Voraussetzungen nicht nur pauschal für die
Klasse, sondern auch für einzelne Schülerinnen und Schüler erfasst wird.

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Autor/Rechteinhaber: Herr Hendrik BerenbruchEingestellt am:
Stand vom:
12.05.2010
12.05.2010
Autor/Rechteinhaber: Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt
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12.05.2010
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Seitenanfang4 Prüfung sinnstiftender Kontexte auf Eignung

 

Unter sinnstiftenden Kontexten werden hier konkrete natürliche oder technische Problemstellungen verstanden, die für die Schülerinnen und Schüler bedeutsam sind.

 

Kriterien zur Prüfung dieser Kontexte:

  • entspricht der Interessenlage der Schülerinnen und Schüler
  • hat eine besondere Bedeutung in der aktuellen gesellschaftlichen Diskussion
  • vielfältige, (didaktisch) aufbereitete Informationen stehen zur Verfügung
  • Bearbeitung ermöglicht Handlungen, die Kompetenzentwicklung fördern
  • Bearbeitung ermöglicht auch einen Erwerb von Theorieelementen (Basiskonzepte)

 

Möglicher Kontext:

Bestrahlung von Lebensmitteln
Lebensmittel werden mit energiereicher Strahlung behandelt, um Folgendes zu erreichen:
  • Die Abtötung von Insekten oder Maden in Getreidekörnern, Trockenobst, Gemüse oder Nüssen.
  • Die Verlängerung der Haltbarkeit der Lebensmittel.
  • Die Verhinderung des Keimens von Kartoffeln oder Zwiebeln.
  • Die Verlängerung des Reifeprozesses von Obst.
  • Die Abtötung gesundheitsschädlicher Schimmelpilze und Bakterien, wie Salmonellen in
Meeresfrüchten, Fisch und Fleisch.
Als Strahlung verwendet man u. a. Röntgen- und radioaktive Strahlung. Die Lebensmittel dürfen sich dabei nicht so verändern, dass sie selbst radioaktiv werden. Deshalb wird die Energie der verwendeten Strahlung durch Grenzwerte eingeschränkt. Dennoch werden durch die Bestrahlung der Lebensmittel vielfach die Vitamine A, B1, E und C zerstört.
Langzeitstudien zu Nebenwirkungen durch den Verzehr bestrahlter Lebensmittel wurden bisher nicht durchgeführt. Deshalb dürfen in Deutschland nach der Lebensmittelverordnung aus dem Jahr 2000 lediglich Kräuter und Gewürze bestrahlt werden.

 

Prüfung auf Kompetenzebene
In der Tabelle werden alle Kompetenzen rot markiert, die für die Bearbeitung dieses Beispiels notwendig sind bzw. die dadurch entwickelt werden.

 

Fachwissen
anwenden
Erkenntnissegewinnung Kommunizieren Bewerten
elektromagnetisches
Spektrum
1,4,5
radioaktive Strahlung 1,2,3,4,5 1,2 2,3 1
Röntgenstrahlung 1,4,5 3
technische Anwendungen 1,4,5 1 1,2
UV- und IR-Licht 1,4,5 1 2,3 1
Hertz’sche Wellen 4,5 1 2,3 1
technische Anwendungen 1 1,2

 

Prüfung auf Fachinhaltsebene
In der Übersicht werden alle Kompetenzen rot markiert, die für die Bearbeitung dieses Beispiels notwendig sind bzw. die dadurch entwickelt werden.

 

Ergebnis der Prüfung des Kontextes auf Eignung

  • Die Auseinandersetzung mit diesem Kontext ermöglicht es, eine Reihe von Kompetenzen einschließlich etlicher grundlegender Wissensbestände zu entwickeln. Deshalb ist dieser Kontext geeignet.
  • Die Prüfung hat sowohl auf Kompetenzebene als auch auf der Wissensebene ergeben, dass weitere Kontexte in den Unterricht einbezogen werden müssen, um alle Elemente

abzudecken.

 

Möglich ist es, folgende Kontexte im weiteren Unterrichtsverlauf in Gruppen bearbeiten zu lassen:

 

Gruppe Gegenstand mögliche Experimente
1 UV-Strahlung Sonnenbrillentestgerät, UV-Schutzcreme-Tester
2 IR-Strahlung Nachweis infraroter Strahlung (z. B. Fernbedienung mit digitalem Fotoapparat)
3 Elektrosmog/Handy Veränderungen des Empfangs durch Hindernisse (Abschirmung)
4 Mikrowelle Messung der thermischen Wirkung von Strahlung
5 Laser Bestimmung der Solarkonstanten und Vergleich mit Laserstrahlung

 

Die Ergebnisse der Gruppenarbeit werden anschließend präsentiert und diskutiert. Abschließend erfolgt eine Systematisierung elektromagnetischer Strahlung unter dem Energieaspekt.
Für die Gruppenarbeit finden sich didaktisch aufbereitete Materialien auf dem Bildungsserver unter: http://www.bildung-lsa.de/.

 

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Autor/Rechteinhaber: Herr Hendrik BerenbruchEingestellt am:
Stand vom:
12.05.2010
26.05.2010
Autor/Rechteinhaber: Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt
Eingestellt am:
Stand vom
12.05.2010
26.05.2010
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Seitenanfang5 Didaktische Aufbereitung des Kontextes als Lernaufgabe

Beispiel für einen altersgerecht aufbereiteten Sachtext:

Von Röntgen bis zur Lebensmittelbestrahlung

 

Entdeckung der Strahlen

Der deutsche Physik-Professor Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte 1895 eine besondere Art von Strahlen: Diese Strahlen konnten, anders als Licht, die meisten Stoffe durchdringen. Er nannte sie „X-Strahlen“. Heute noch sind sie im Englischen als „X-rays“ bekannt, während wir im Deutschen von „Röntgenstrahlen“ sprechen. Schon ein Jahr später wurde vermutet, dass solche Strahlen auch dazu dienen könnten, Bakterien abzutöten.

Maden von Brotmotten können durch Be-

strahlung abgetötet werden.

Vor genau 100 Jahren wurde dann in England das erste Patent zur Lebensmittelbestrahlung erteilt. Es bezog sich damals auf die Behandlung von Mehl und anderer, pulverförmiger Nahrung. Später wurde untersucht, wie man Würmer und Insekten, zum Beispiel Maden von Brotmotten oder Trichinen im Fleisch, durch Strahlen abtöten kann. Auf diese Weise verhinderte man ihre Vermehrung. Eingesetzt wurde das Verfahren damals aber noch nicht, weil die technischen Möglichkeiten fehlten: Es mangelte an leistungsfähigen Strahlenquellen.

Erforschung der Strahlen

Bereits in den 50er und 60er Jahren des 20. Jahrhunderts gab es vielfältige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Lebensmittelbestrahlung. Doch erst Ende der 80er Jahre entschied ein internationales Expertengremium unter Beteiligung der Weltgesundheitsorganisation (WHO), dass ausreichend Forschungsergebnisse für eine wissenschaftliche Beurteilung der Lebensmittelbestrahlung vorliegen und dass die Lebensmittelbestrahlung sicher ist. Der Zeitpunkt war jedoch denkbar ungünstig zur Einführung der Lebensmittelbestrahlung. Sie wurde in Zusammenhang gebracht mit dem Reaktorunfall von Tschernobyl 1986. Es hieß, Lebensmittelbestrahlung sei eine Erfindung der Atomlobby, um radioaktive Abfälle gewinnbringend zu verwerten. Tatsächlich handelt es sich bei solchen Abfallprodukten aber um angereichertes Uran, das sich zur Lebensmittelbestrahlung gar nicht eignet. Die Verbraucherorganisationen befürchteten außerdem, dass die Bestrahlung benutzt würde, um ohne Wissen der Verbraucher verdorbene Lebensmittel zu schönen.

Der kleinste gemeinsame Nenner: Die EU-Bestrahlungsrichtlinie

In den 90er Jahren sollte eine gemeinschaftliche europäische Bestrahlungsrichtlinie verabschiedet werden. Zu diesem Zweck führte die Europäische Kommission ein öffentliches Anhörungsverfahren durch. In ihren Stellungnahmen wandten sich die Verbraucherverbände gegen die Bestrahlung. Eine Reihe von Herstellern befürchteten Imageschäden, nur in wenigen Fällen zum Beispiel bei Froschschenkeln, Garnelen und Langusten, gab es befürwortende Stimmen. Die Sachverständigengruppe der WHO hingegen sah keine wissenschaftlichen Gründe für die Ablehnung der Bestrahlung. Die politischen Entscheidungsträger (Europäische Kommission und Europäisches Parlament) verabschiedeten dann ein restriktives Gesetz, das die Befürchtungen der Verbraucherorganisationen sehr ernst nahm:

Jede Nation darf bis zur endgültigen Regelung ihre gesetzlichen Regelungen zur Bestrahlung beibehalten. Europaweit einheitlich wurden nur getrocknete aromatische Kräuter und Gewürze für die Bestrahlung zugelassen. Auch wurde eine der wichtigsten Forderungen der Verbraucherverbände umgesetzt: Damit Verbraucher auf keinen Fall getäuscht werden, müssen alle bestrahlten Lebensmittel oder Lebensmittel mit bestrahlten Zutaten europaweit ohne Ausnahme gekennzeichnet werden.

Zunächst dürfen nur getrocknete Kräuter und Gewürze bestrahlt werden.

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Autor/Rechteinhaber: Herr Hendrik BerenbruchEingestellt am:
Stand vom:
12.05.2010
12.05.2010
Autor/Rechteinhaber: Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt
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12.05.2010
12.05.2010
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Eingebundene Dateien/
Quellen:
Gesa Maschkowski und Johanna Tüntsch unter http://www.was-wir-essen.de/verbraucher/1992_5973.php (25.04.2009)
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Seitenanfang6 Feinplanung der Unterrichtssequenz (für den Kontext „Bestrahlung von Lebensmitteln“)

 

Phasen Kompetenzen grundlegende Bildungsbestände

Einführung (Problemstellung und Motivation

  • Lehrervortrag
  • selbstständige Schülerarbeit (Text)
  • Diskussion und Erstellung eines Forschungsprogramms (Mindmap)
  • Texte zu technischen Anwendungen von Strahlung erschließen
  • Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei der Nutzung von Strahlung bei modernen Technologien erkennen

Erarbeitung neuer Erkenntnisse

  • Unterrichtsgespräch unter Einbeziehung von Demonstrationsexperimenten
  • selbstständige Schülerarbeit (Lehrbuch/ Sachtexte/Aufgaben)
  • radioaktive Stoffe und ihre typischen Eigenschaften benennen
  • den Kernzerfall mit Zerfallsgleichungen beschreiben
  • selbstständig Experimente zur Untersuchung der Eigenschaften und Wirkungen von Strahlung planen und auswerten
  • radioaktive Strahlung (Isotope, Kernzerfall, Halbwertzeit, Arten, Eigenschaften, Wirkungen)
  • Röntgenstrahlung (Eigenschaften, Wirkungen)
  • technische Anwendungen von radioaktiver und Röntgenstrahlung

Verallgemeinerung

  • Unterrichtsgespräch
  • die Wechselwirkung zwischen radioaktiver Strahlung bzw. Röntgenstrahlung und Materie und die dabei auftretenden Energieumwandlungen erläutern
  • Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei der Nutzung von Strahlung in Experimenten, im Alltag und bei modernen Technologien bewerten
  • gemeinsame Eigenschaften von Strahlung
  • elektromagnetisches Spektrum
(ständige) Evaluierung: Beobachtung und Bewertung der Schülerleistungen bei der Bearbeitung unterschiedlicher Aufgaben

 

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Autor/Rechteinhaber: Frau Kathrin QuenzlerEingestellt am:
Stand vom:
25.05.2010
25.05.2010
Autor/Rechteinhaber: Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt
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Stand vom
25.05.2010
25.05.2010
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Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt auf dem Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de/index.php?KAT_ID=3897#art12033)
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Seitenanfang7 vorläufige Festlegung des zeitlichen Umfangs

 

Für den bisher geplanten Unterrichtsverlauf könnten bei entsprechendem Eingangsniveau der Kompetenzen ca. 6 Unterrichtsstunden angesetzt werden. Die Evaluation wird darüber entscheiden, wie der weitere Unterrichtsverlauf geplant werden muss.

 

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Autor/Rechteinhaber: Frau Kathrin QuenzlerEingestellt am:
Stand vom:
25.05.2010
25.05.2010
Autor/Rechteinhaber: Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt
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25.05.2010
25.05.2010
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Seitenanfang8 Diagnose der Kompetenzentwicklung (Test- und Evaluationsaufgaben)

 

Aufgabe 1: Pro und Kontra - Röntgenaufnahmen

 

 

Röntgenstrahlung hat zwei wesentliche Eigenschaften:

  • Sie durchdringt Stoffe unterschiedlich gut.
  • Wenn sie durch Stoffe geht, werden diese teilweise ionisiert.

 

Beide Eigenschaften werden bei der Erzeugung von Röntgenbildern in der Medizin genutzt.

a) Erläutere am Beispiel der nebenstehenden Abbildung, wie diese Eigenschaften zur Bilderzeugung genutzt werden.
b) Erkläre die negativen Wirkungen der Röntgenstrahlung auf lebendes Gewebe.
c) Beschreibe Sicherheitsmaßnahmen und Verhaltensregeln im Umgang mit Röntgenstrahlung.
d) Erläutere an einem weiteren Beispiel, dass technische Anwendungen physikalischer Erkenntnisse auch von negativen Auswirkungen begleitet sind.

 

 

Aufgabe 2: Die Schwarzlichtlampe

 

Zur Untersuchung der Eigenschaften von UV-Licht wird eine sogenannte Schwarzlichtlampe verwendet. Diese besondere Lampe sendet kaum sichtbares, dafür aber ultraviolettes Licht aus.

 

a)

Recherchiere, wie die besondere Lichtaussendung dieser Lampe technisch realisiert wird.

 

b) Zwischen der Lampe und einem speziellen Messgerät für UVStrahlung werden nacheinander verschiedene Materialien gebracht. Dabei werden folgende Werte für die Intensität I der Strahlung ermittelt:

 

Material ohne Glas (1 mm) Nylon Leinen Glas + 15 Glas + 20 Glas + 50
l in mW/cm2 3,59 1,31 2,65 0,15 0,53 0,39 0,17

 

Erläuterung: „Glas + 15“ bedeutet, dass die 1 mm dicke Glasscheibe ist mit Sonnenschutzmittel mit dem Lichtschutzfaktor 15 dünn beschichtet worden.

 

  • Nenne Bedingungen, die während des Experiments nicht verändert werden dürfen.
  • Kreuze die Schlussfolgerungen an, die aus diesen Messwerten geschlossen werden können.

 

A Nylon schützt besser als Leinen vor UV-Strahlung.
B Je höher der Lichtschutzfaktor, umso besser ist der Schutz.
C Leinen schützt ca. 18-mal besser als Nylon vor UV-Strahlung.
D Dünnes Glas lässt weniger als die Hälfte der UV-Strahlung durch.
E Von den untersuchten Materialien bietet Leinen den besten Sonnenschutz.
F Je durchsichtiger das Material, umso besser kommt die UV-Strahlung durch.

 

 

c) Bei einem zweiten Experiment wird der Abstand s zwischen der Schwarzlichtlampe und dem Messgerät schrittweise vergrößert. Dabei werden folgende Werte ermittelt.

 

s in cm 10 15 20 25 30 35 40 45 50
l in mW/cm2 14,56 9,32 6,65 4,70 3,71 2,98 2,47 2,04 1,64

 

Stelle die Messwerte in einem I(s)-Diagramm dar. Beschreibe den Zusammenhang zwischen den Größen s und I.

 

 

d) Schwarzlichtlampen werden oft in Diskotheken eingesetzt. Beschreibe die Wirkung.

 

 

Aufgabe 3: Röntgen früher und heute

 

Um das Jahr 1900 wurden Röntgenstrahlen eingesetzt, um Knochenbrüche zu untersuchen oder Granatsplitter zu finden. Da die Strahlung nicht sehr intensiv war, dauerten die Aufnahmen bis 20 Minuten. Dabei kam es auch zu Verbrennungen der geröntgten Körperteile. Eine Fotografie zeigt die damalige Technik.

 

a)

Vergleiche mithilfe des Bildes das Röntgen damals und heute.

 

b) Erkläre, warum es zu den Verbrennungen kommen konnte.

 

 

Aufgabe 4: Abschirmung von Strahlung

 

Unter der Halbwertsdicke d1/2 einer Schicht versteht man die Dicke, durch die nur noch die Hälfte der Strahlung durchgelassen wird. Zur Bestimmung der Halbwertsdicke von Luft für a-Strahlung des radioaktiven

Präparates Po werden folgende Werte gemessen:

d in cm 0 2 4 6 8 10
Impulse 234 138 82 48 29 17

 

a) Stelle eine Zerfallsgleichung für diesen Vorgang auf.
b) Ermittle mithilfe des I(d)-Diagramms die Halbwertsdicke.
c) Bei diesem Experiment muss der Nulleffekt berücksichtigt werden. Beschreibe, wie du vorgehen würdest.
d) Erläutere, wozu die Kenntnis der Halbwertsdicke genutzt werden kann.

 

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Autor/Rechteinhaber: Frau Kathrin QuenzlerEingestellt am:
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25.05.2010
25.05.2010
Autor/Rechteinhaber: Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt
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25.05.2010
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zum Kompetenzschwerpunkt „Die Wirkung von Strahlung untersuchen und bewerten“ In einer Werkhalle soll eine Strahlungsquelle zur Qualitätsprüfung in der Produktion von Folien eingesetzt werden. Mit ihrer Hilfe soll die Foliendicke kontinuierlich gemessen werden (vgl. Abbildung).

 

 

 

 

(1)

Erkläre die prinzipielle Funktionsweise dieser Messeinrichtung. (3 BE)

 

 

(2)

Außerhalb des Gehäuses darf die Strahlung eine bestimmte Energiedosis (Grenzwert) nicht überschreiten.

a) Begründe, warum bei der technischen Anwendung von Strahlungen Grenzwerte erlassen und eingehalten werden müssen. (2 BE)
b) Die Höhe des Grenzwerts kann von verschiedenen Faktoren abhängen. Schreibe die Buchstaben von den Faktoren auf dein Blatt, die deiner Meinung nach für diese Messeinrichtung bedeutsam sind. (2 BE)
A Aufenthaltsdauer in der Nähe der Messeinrichtung
B von der Stärke der Strahlungsquelle
C vom Einfluss der Strahlung auf die Gesundheit des Bedienpersonals
D vom Material des Gehäuses (Abschirmung)
E von bestimmten Eigenschaften (z. B. Größe) des Bedienpersonals

 

(3)

Zum Bau des Gehäuses wird ein Material gesucht, das die Strahlung möglichst gut abschirmt.

 

Beschreibe ein Experiment, mit dem ein solches Material ermittelt werden kann. Gehe bei deiner Beschreibung auf die Experimentieranordnung sowie auf die Durchführung und Auswertung des Experiments ein. (5 BE)

 

 

(4)

Da mit der abgebildeten Anlage Folien verschiedener Dicke gemessen werden sollen, muss der Abstand d zwischen Strahlungsquelle und Messgerät veränderlich sein. Deshalb wird im Vorfeld der Zusammenhang zwischen dem Abstand d und der am Messgerät ankommenden Strahlungsdichte S ermittelt:

d in mm 10 15 20 25 30 35 40
S in

 

25,1

 

17,7

 

12,4

 

8,8

 

6,3

 

4,4

 

3,1


 

a) Stelle den Zusammenhang in einem S(d)-Diagramm dar. (4 BE)
b) Beschreibe den Zusammenhang zwischen dem Abstand d und der Dichte der durchgelassenen Strahlung S mithilfe des Kurvenverlaufes. Gib einen Grund für diesen Verlauf an. (3 BE)

 

 

 

(5)

Eine Möglichkeit besteht darin, für diese Anlage als Strahlungsquelle Co zu verwenden. Diese
zerfällt unter Aussendung radioaktiver Strahlung D mit einerHalbwertszeit von 5,3 Jahren
in Ni.
 
a) Ermittle mithilfe einer Zerfallsgleichung die Art der frei werdenden Strahlung. (2 BE)
b) Gib eine Eigenschaft dieser Strahlung an, die zu ihrem Nachweis genutzt werden
kann. (1 BE)

 

 



Hinweise zum Erwartungshorizont

Im vorangegangenen Unterricht wurde

  • die unterschiedliche Absorption von Strahlung durch verschiedene Stoffe,
  • die Abhängigkeit der Absorption von der Materialdicke

 behandelt. Die dargestellte Messeinrichtung war aber nicht Gegenstand des Unterrichts.

 

 

Nr. Beschreibung der Lösungen AFB
I II III
(1)

Erklärung, z. B.:

Die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung durchdringt die Folie und wird geschwächt. Je dicker die Folie, umso größer ist die Schwächung, also umso geringer ist der Anteil der Strahlung der ins Messgerät gelangt. Wenn man vorher ermittelt hat, bei welcher Foliendicke wie viel Strahlung registriert werden kann, dann kann man jetzt aus der Strahlungsstärke die Dicke berechnen.

 

2

 

 

 

 

 

1

(2a)

Begründung, z. B.:

Strahlung kann die Gesundheit von Menschen beeinflussen, wenn die Strahlung zu lange oder zu stark einwirkt. Zum Schutz von Personen, die mit technischen Geräten umgehen, die Strahlung aussenden, müssen Vorschriften erlassen werden. Bei der Herstellung und Betreibung dieser Geräte muss deshalb auf die Einhaltung geachtet werden.

 

2
(2b)

A, C

 

2
(3)

Aufbau:

Strahlungsquelle, Material, Messgerät (Skizze)

Durchführung: Materialdicke, Abstand zwischen Quelle und Messgerät konstant

Auswertung

 

2

 

1

1

 

 

1

(4a)

Einteilung und Beschriftung der Achsen

Eintragen und Verbinden der Messwerte

 

2

1

 

1

(4b)

Beschreibung, z. B.:

Mit zunehmender Entfernung wird die Strahlung schwächer. Die Abschwächung wird jedoch immer kleiner.

Angabe eines Grundes, z. B.: Die Strahlung wird auch beim Durchgang durch die Luft abgeschwächt.

 

 

1

 

1

 

1

(5a)

Zerfallsgleichung:

 

Co Ni + Strahlungsart: β-

 

 

 

1

 

 

1

(5b) Angabe einer Eigenschaft, z. B.: Ionisationsvermögen 1
Summe 6 12 4

 

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Autor/Rechteinhaber: Frau Kathrin QuenzlerEingestellt am:
Stand vom:
25.05.2010
25.05.2010
Autor/Rechteinhaber: Evelyn Honcu, Dirk Kelch, Ingo Koch, Hans-Peter Pommeranz, Gerd Riedl, Dirk Wendt
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25.05.2010
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SeitenanfangKlassenarbeit (Schuljahrgang 9 - HS)

 

zum Kompetenzschwerpunkt „Die Wirkung von Strahlung untersuchen und bewerten“ In einer Werkhalle soll eine Strahlungsquelle zur Qualitätsprüfung in der Produktion von Folien eingesetzt werden. Mit ihrer Hilfe soll die Foliendicke kontinuierlich gemessen werden (vgl. Abbildung).

 

 

 

(1)

Bei dieser Messeinrichtung wird eine der folgenden Eigenschaften der Strahlung zur Messung genutzt. Schreibe den entsprechenden Buchstaben auf dein Blatt. (1 BE)

 

A Die Strahlung breitet sich geradlinig aus.
B Die Strahlung wird an glatten Oberflächen reflektiert.
C Die Strahlung ionisiert Stoffe.
D In Körpern wird ein Teil der Strahlung absorbiert.
E Die Strahlung ist sehr energiereich.


(2)

Außerhalb des Gehäuses darf die Strahlung eine bestimmte Energiedosis (Grenzwert) nicht überschreiten.

 

a) Begründe, warum bei der technischen Anwendung von Strahlungen Grenzwerte erlassen und eingehalten werden müssen. (2 BE)
b) Die Höhe des Grenzwerts kann von verschiedenen Faktoren abhängen. Schreibe die Buchstaben von den Faktoren auf dein Blatt, die deiner Meinung nach für diese Messeinrichtung bedeutsam sind. (2 BE)

 

 

(3)

Zum Bau des Gehäuses wird ein Material gesucht, das die Strahlung möglichst gut abschirmt.

 

Beschreibe ein Experiment, mit dem ein solches Material ermittelt werden kann. Gehe bei deiner Beschreibung auf die Experimentieranordnung sowie auf die Durchführung und Auswertung des Experiments ein. (5 BE)

 

 

(4)

Da mit der abgebildeten Anlage Folien verschiedener Dicke gemessen werden sollen, muss der Abstand d zwischen Strahlungsquelle und Messgerät veränderlich sein. Deshalb wird im Vorfeld der Zusammenhang zwischen dem Abstand d und der am Messgerät ankommenden Strahlungsdichte S ermittelt:

 

d in mm 10 15 20 25 30 35 40
S in

 

25,1

 

17,7

 

12,4

 

8,8

 

6,3

 

4,4

 

3,1


a) Stelle den Zusammenhang in einem S(d)-Diagramm dar. (4 BE)
b) Beschreibe den Zusammenhang zwischen dem Abstand d und der Dichte der durchgelassenen Strahlung S mithilfe des Kurvenverlaufes. (2 BE)

 

(5)

Eine Möglichkeit besteht darin, für diese Anlage als Strahlungsquelle Co 60 zu verwenden. Diese zerfällt unter Aussendung radioaktiver Strahlung mit einer Halbwertzeit von 5,3 Jahren.

 

a) Erläutere den Begriff Halbwertszeit. (2 BE)
b) Begründe, warum zum Betreiben dieser Messeinrichtung die Kenntnis der Halbwertszeit wichtig ist. (2 BE)

 

 


 

Hinweise zum Erwartungshorizont

Im vorangegangenen Unterricht wurde

  • die unterschiedliche Absorption von Strahlung durch verschiedene Stoffe,
  • die Abhängigkeit der Absorption von der Materialdicke

behandelt. Die dargestellte Messeinrichtung war aber nicht Gegenstand des Unterrichts.

 

Nr. Beschreibung der Lösungen AFB
I II III
(1)

D

 

1
(2a)

Begründung, z. B.:

Strahlung kann die Gesundheit von Menschen beeinflussen, wenn die Strahlung zu lange oder zu stark einwirkt. Zum Schutz von Personen, die mit technischen Geräten umgehen, die Strahlung aussenden, müssen Vorschriften erlassen werden. Bei der Herstellung und Betreibung dieser Geräte muss deshalb auf die Einhaltung geachtet werden.

 

2
(2b)

A, C

 

2
(3)

Aufbau:

Strahlungsquelle, Material, Messgerät (Skizze)

Durchführung: Materialdicke, Abstand zwischen Quelle und Messgerät konstant

Auswertung

 

2

 

1

1

 

 

1

(4a)

Einteilung und Beschriftung der Achsen

Eintragen und Verbinden der Messwerte

 

2

1

 

1

(4b)

Beschreibung, z. B.: Mit zunehmender Entfernung wird die Strahlung schwächer. Die Abschwächung wird jedoch immer kleiner.

 

1 1
(5a)

Erläuterung, z. B.:

Nach Ablauf dieser Zeit ist die Hälfte alle Kerne einer Substanz zerfallen. (... ist die Intensität der Strahlung auf die Hälfte abgesunken.) Nach erneutem Ablauf dieser Zeit ist wiederum die Hälfte der übrigen Kerne zerfallen.

 

2
(5b)

Begründung, z. B.:

Da die Strahlung mit der Zeit immer schwächer wird, ist die Messeinrichtung immer mal wieder neu einzustellen. Mit der Halbwertzeit kann man bestimmen, in welchen Abständen das notwendig ist.

 

2
Summe 7 9 4

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Autor/Rechteinhaber: Frau Kathrin QuenzlerEingestellt am:
Stand vom:
25.05.2010
25.05.2010
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Stand vom
25.05.2010
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Rubrik: Die Wirkung von Strahlung untersuchen und bewerten

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