SI-Einheiten

SI Units

  • Physik
  • Gymnasium, Sekundarstufe II
  • 3 Unterrichtsstunden
  • Video, Arbeitsblatt, Didaktik/Methodik, Ablaufplan
  • 9 Arbeitsmaterialien

Die Unterrichtseinheit zum Thema „SI-Einheiten“ beschäftigt sich mit den seit vielen Jahren zunehmenden Problemen bei der genauen Vermessung der Welt. Am 16. November 2018 kamen in Versailles die Ländervertreter für nahezu 100 Staaten zur Generalkonferenz für Maß und Gewicht zusammen und trafen einstimmig eine historische Entscheidung: Das internationale Einheitensystem (Système international d‘unités, kurz SI-System genannt) soll von Grund auf renoviert werden.

BESCHREIBUNG DER UNTERRICHTSEINHEIT

In dieser Unterrichtseinheit werden die Lernenden zunächst mit den Unzulänglichkeiten des seit Jahrzehnten geltenden „alten SI-Einheitensystems“ vertraut gemacht. Dazu werden anhand des in vielen physikalischen Größen benötigten Kilogramms sowie exemplarisch bei der Definition der Stromstärke gezeigt, welche weitreichenden Fehler und Ungenauigkeiten sich bei diesen „willkürlich“ gewählten Einheiten in der Vergangenheit ergaben.
Mit der Einführung des neuen SI-Systems im Mai 2019 gelang es, die bisher verwendeten Einheiten mithilfe von – nach heutigem Wissen – unveränderlichen Naturkonstanten zu definieren und durch Verknüpfungen der einzelnen Naturkonstanten miteinander zu kombinieren.
Die Genauigkeit der sieben sogenannten Basiseinheiten Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela und der sie definierenden Naturkonstanten werden durch Präzisionsmessungen beschrieben. Durch Ableitungen und Umformungen erkennen die Lernenden die Zusammenhänge.
Den Unterricht begleitend und ergänzend können den Lernenden vier kurze Videos angeboten werden, die von im Rahmen der sogenannten „Mini Lectures“ (ML) zur Verfügung gestellt werden.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial-/Aktionsform

Einstieg

Mit dem ersten Video sowie Arbeitsblatt 1 werden die Lernenden ausgehend von der historischen Entwicklung mit der Ausgangssituation für die Vereinheitlichung des SI-Systems bekannt gemacht.

Lehrervortrag, Plenum

15 Minuten

Erarbeitung I

Die seit 1967 beziehungsweise 1983 gültigen Definitionen zu Zeit und Länge werden besprochen und mit den Naturkonstanten Delta v und c definiert (Video 2 sowie Arbeitsblatt 2/1. a und b). Anschließend erarbeiten die Lernenden den Zusammenhang von Sekunde und Meter (Arbeitsblatt 2/1. c).

Plenum, Einzelarbeit, Partnerarbeit

15 Minuten

Erarbeitung II

Die Sonderstellung des Kilogramms wird dahingehend besprochen, welche Auswirkungen die Ungenauigkeiten beim Urkilogramm auf andere Einheiten wie Ampere oder Mol haben (Video 2 sowie Arbeitsblatt 2/2. a).

Lehrervortrag, Plenum

15 Minuten

Vertiefung I

Die Lernenden haben sich als Hausaufgabe über das Wattwagen-Experiment, das Avogadro-Experiment und die Avogadro-Konstante informiert (Arbeitsblatt 2/2. b). Die Erkenntnisse werden diskutiert und finden ihr Ergebnis in der Neudefinition des Kilogramms mittels des Wirkungsquantums h (Arbeitsblatt 2/2. b und c sowie Video 2).

Gruppenarbeit, Partnerarbeit

15 Minuten

Vertiefung II

Mithilfe einer Folie wird die alte Definition der Einheit Ampere besprochen (Arbeitsblatt 3/1. und ergänzend Video 4); Josephson-Effekt und Quanten-Hall-Effekt werden als Hinweis kurz angesprochen (Arbeitsblatt 3/1. a). Die Elementarladung e als Basiseinheit für die Stromstärke wird eingeführt und im Hinblick auf ihre Bedeutung als Naturkonstante besprochen (Arbeitsblatt 3/1. a).

Lehrervortrag, Plenum

25 Minuten

Festigung

Die Ableitung der Einheit A aus der Gleichung wird als Hausaufgabe von den Lernenden bearbeitet.

Hausaufgabe

5 Minuten

Erarbeitung III

Die noch verbleibenden SI-Basiseinheiten Kelvin und Mol werden per Definition erarbeitet (Arbeitsblatt 3/ 2. a und b sowie Video 4).

Lehrervortrag

20 Minuten

Festigung

Die Lernenden bearbeiten drei Teilaufgaben (Arbeitsblatt 3/2. a) – die Ergebnisse werden anschließend verglichen und gegebenenfalls korrigiert.

Partnerarbeit, Gruppenarbeit

20 Minuten

Erarbeitung IV

Die sehr schwierige Einheit Candela wird – in erster Linie für Interessierte – angegeben und mit einem Hinweis auf weitere Infos versehen (Arbeitsblatt 3/2. c und ergänzend Video 4). Im Anschluss (Arbeitsblatt 3/3.) können die Lernenden sich noch – auf freiwilliger Basis – an einer Grafik mit allen Basiseinheiten versuchen und die Beziehungen zwischen den einzelnen Maßeinheiten bestimmen.

Plenum

Minuten

Didaktisch-methodischer Kommentar

Das Thema „Neue SI-Einheiten – Ihre Vereinheitlichung“ im Unterricht
Dieses alle Fachrichtungen der Physik umfassende Thema zeigt über die Neudefinition der veralteten SI-Einheiten, wie die sieben neuen Basiseinheiten der Physik über allgemein gültige und nach jetzigem Wissensstand unveränderliche Naturkonstanten miteinander verknüpft werden können. Dabei werden die Schwachstellen des alten SI-Systems, die vor allem mit den problematischen Definitionen des Kilogramms und daraus resultierend mit Ampere und Kelvin zusammenhängen, beseitigt.

Vorkenntnisse
Die für die Neugestaltung des SI-Systems wichtigen Naturkonstanten wie Lichtgeschwindigkeit, Avogadro-Konstante und Boltzmann-Konstante sollten im Rahmen des Unterrichtes der Sekundarstufen I und II bereits besprochen worden sein. Besondere Bedeutung kommt darüber hinaus dem Planck´schen Wirkungsquantum zu, dessen Kenntnis voraussetzt, dass die Grundlagen der Quantenphysik ebenfalls bereits erarbeitet wurden.

Didaktische und methodische Analyse
Klaus von Klitzing, der den Nobelpreis in Physik für die Entdeckung des sogenannten quantisierten Hall-Effekts im Grenobler Hochfeld-Magnetlabor erhielt, bezeichnete bei der Generalkonferenz für Maße und Gewichte im Jahr 2018 die Neuordnung des SI-Einheitensystems als „die größte Umwälzung im Einheitensystem seit der Französischen Revolution“. Schul- und Lehrbücher müssen umgeschrieben werden; Naturkonstanten sind keine Messgrößen mehr, sondern besitzen exakte Werte. Physiklehrkräfte und in der Folge ihre Lernenden müssen umlernen, denn nun sind unverrückbare Naturkonstanten vorhanden: Die Werte der sieben neuen Basiseinheiten stellen keine willkürlich gewählten Ausgangsgrößen mehr dar, sondern sind umgekehrt durch Konstanten definiert und festgelegt.
Allerdings ist das neue internationale Einheitensystem wesentlich abstrakter und für die Lernenden anspruchsvoller als das bisherige System. Deshalb ist es für jeden Schüler und jede Schülerin besonders wichtig, die generelle Bedeutung der Naturkonstanten in ihren Grundzügen zu verstehen und das dahinterstehende Konzept zu hinterfragen.
Fragestellungen wie etwa, was Naturkonstanten überhaupt sind, warum sie so sind wie sie sind oder woher sie letztlich kommen, müssen beantwortet werden. Danach geht es erst um das Ver-stehen der einzelnen Naturkonstanten, was bei der Lichtgeschwindigkeit sicher noch gut nachvoll-ziehbar ist, aber bei einer Konstante wie dem Planck´schen Wirkungsquantum mit der eigenartig anmutenden Dimension einer „Wirkung“ schon deutlich komplexer wird.
Schwierig wird es für die Lernenden auch dadurch, dass die ausgewählten Naturkonstanten nicht identisch die Basiseinheiten abbilden – dies würde nur „funktionieren“, wenn jede Einheit ihre eigene „Konstante“ bekommen hätte. Allerdings wäre es dann auch notwendig, dass diese „Konstante“ dann auch die Dimension dieser Einheit hätte.
Vielmehr werden alle mechanischen Größen, die sich aus den Einheiten für Zeit, Länge und Masse zusammensetzen, über die drei Naturkonstanten für eine Frequenz, die Lichtgeschwin-digkeit c und das Planck´sche Wirkungsquantum h dargestellt. Dies erfordert ein hohes Maß an Transferleistung und stellt eine durchaus große Herausforderung für die Lernenden dar – aber auch für Lehrerinnen und Lehrer, die neue didaktische und methodische Konzepte finden müssen.

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
• können die Herleitung der für das neue SI-System nötigen Naturkonstanten nachvollziehen.
• wissen, dass die neuen Basiseinheiten keine willkürlichen Artefakte sind, sondern auf unveränderlichen Naturkonstanten beruhen.
• kennen die Zusammenhänge der einzelnen Basiseinheiten über die Naturkonstanten und können die Beziehungen herleiten.

Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
• informieren sich in Lehrbüchern und im Internet über physikalische Fakten und können entsprechende Kommentare vergleichend bewerten.
• können Animationen und Videos auf ihre Inhalte und sachliche Richtigkeit überprüfen.

Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
• lernen in Partner- und Gruppenarbeit, wie man als Team optimal zusammenarbeitet.
• erwerben ausreichendes Fachwissen, um sich mit anderen Lernenden, aber auch Freunden und Eltern, wertfrei austauschen zu können.
• nehmen Erkenntnisse und Ergebnisse von Mitschülern und Mitschülerinnen auf und lernen so, die eigenen Ergebnisse richtig einzuordnen.

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