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Chaos & Struktur

Unterricht Physik Nr. 94/2006

Erscheinungsdatum:
August 2006
Schulstufe / Tätigkeitsbereich:
Sekundarstufe
Schulfach / Lernbereich:
Naturwissenschaften, Physik
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Ein stimmiges Bild von der Welt & der Wissenschaft vermitteln
Die nichtlineare Physik, chaotische Systeme und Strukturbildungen scheinen auf den ersten Blick Themen für die gymnasiale Oberstufe zu sein. Das sind sie auch, doch mithilfe dieses fächerübergreifenden Themas können Sie auch schon in der Sekundarstufe I u. a. Konzepte der modernen Naturwissenschaften, ein adäquateres Bild von der Welt und von der Wissenschaft vermittelt werden.

Die nichtlineare Physik in Experimenten erschließen
Das Heft bietet erprobte Unterrichtsvorschläge für die Sekundarstufe I. In zahlreichen Experimenten können sich die Schülerinnen und Schüler selbsttätig mit den Phänomenen der nichtlinearen Physik auseinander setzen und beispielsweise beobachten, wie Turbulenzen entstehen, dass ein einfaches deterministisches System plötzlich ein unvorhersagbares Verhalten zeigt, dass Sandhäufen stabile Böschungswinkel ausbilden oder dass beim viskosen Verästeln aus einem einfachen Prozess eine komplexe Struktur entsteht.

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Abstract

Autor: Komorek, Michael; Krüger, Anja
Titel: Chaos und Strukturbildung.
Quelle: In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik,(2006) 94, S. 4–8

Abstract: Der Basisartikel bietet einen fachlichen Überblick zum Thema nichtlineare Physik. Ein großer Teil des Beitrags ist der Chaostheorie gewidmet: Welche Eigenschaften haben Systeme, die sich deterministisch chaotisch verhalten und was genau verbirgt sich hinter diesen Eigenschaften? Auch Fraktale und selbstorganisierende Systeme werden kurz vorgestellt und Verknüpfungen zu deterministisch chaotischen Systemen skizziert. Insgesamt zeichnen sich nichtlineare Systeme durch drei zentrale Komplementaritäten aus: dynamische Instabilität vs. strukturale Stabilität, Komplexität vs. Einfachheit, Zufall vs. Gesetzmäßigkeit. (Orig.).

Schlagwörter: Didaktische Grundlage, Physikunterricht, Fachdidaktik, Chaos, Naturwissenschaftlicher Unterricht, Struktur, Strukturbildung, Nichtlineare Physik, Chaostheorie, Fraktal


Autor: Komorek, Michael
Titel: Chaos und Strukturbildung in der Schule.
Quelle: In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik,(2006) 94, S. 9–11

Abstract: Um den Bildungswert der nichtlinearen Physik für den Unterricht in allgemeinbildenen Schulen einzuschätzen, wurden Experten befragt. Aus der Vielzahl der Antworten wurden fünf Thesen formuliert. Es wird das Ergebnis einer Analyse der Schulbücher zu diesem Inhalt im Beitrag veröffentlicht.

Schlagwörter: Naturwissenschaften, Physikunterricht, System, Bildungswert, Chaos, Naturwissenschaftlicher Unterricht, Struktur, Unterrichtsgegenstand, Strukturbildung, Nichtlineare Physik, Sekundarstufe I, Physik


Autor: Bobertz, Karin; Vogt, Klaus; Komorek, Michael
Titel: Unterricht zu Chaos und Strukturbildung.
Quelle: In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik,(2006) 94, S. 12–14

Abstract: Das im Beitrag vorgestellte modulare Unterrichtskonzept zur nichtlinearen Physik wurde für Grundkurse in der gymnasialen Oberstufe entwickelt und erprobt. Die einzelnen Module werden im Beitrag skizziert. Die Module sollen die Konzepte und Denkweisen der nichtlinearen Physik den Schülern nahe bringen. Die Erprobungen haben gezeigt, dass viele Jugendliche die Zusammenhänge zwischen Instabilität von Systemen und Strukturbildung erfassen können. Das Unterrichtskonzept zielt auf eine fachliche Öffnung des Unterrichts hin. Damit verbunden ist eine methodische Akzentverschiebung hin zu kognitiv anregenden und schülerorientierten Unterrichtsmethoden.

Schlagwörter: Ordnung, Schuljahr 10, Sekundarbereich, Naturwissenschaften, Physikunterricht, Grundkurs, System, Sekundarstufe II, Chaos, Unterrichtsmaterial, Naturwissenschaftlicher Unterricht, Struktur, Selbstorganisation, Strukturbildung, Nichtlineare Physik, Gymnasium, Unterrichtsentwurf, Sekundarstufe I, Physik


Autor: Wilbers, Jens; Bücker, Nils; Komorek, Michael
Titel: Das chaotische Magnetpendel.
Quelle: In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik,(2006) 94, S. 15–19

Abstract: Das Magnetpendel nimmt in der Reihe von Experimenten, die chaotisches Verhalten demonstrieren, eine Sonderstellung ein. Sein Aufbau ist auch für jüngere Schüler durchschaubar. In diesem Artikel soll es vor allem um Erfahrungen mit dem Einsatz des Pendels im Unterricht gehen. Der Ablauf einer Unterrichtseinheit für die Sekundarstufe I ist im Beitrag beschrieben. Diese Unterrichtseinheit stellt gleichzeitig ein Modul im Unterrichtskonzept zum Thema Chaos und Struktur für Grundkurse in der Sekundarstufe II dar.

Schlagwörter: Unterrichtseinheit, Pendel, Sekundarbereich, Magnetpendel, Naturwissenschaften, Physikunterricht, Bewegung , Sekundarstufe II, Unterrichtsmaterial, Naturwissenschaftlicher Unterricht, Nichtlineare Physik, Arbeitsbogen, Unterrichtsentwurf, Sekundarstufe I, Physik


Autor: Reuter, Volker
Titel: Von der Ordnung ins Chaos.
Quelle: In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik,(2006) 94, S. 20–23

Abstract: Der Autor stellt Experimente zur Eigenschaft deterministisch rotierender Elemente vor. 1. Das getriebene Magnetpendel; 2. Das getriebene Pendel; 3. Das Taylor-Couette-System. Die Experimente sind für die 10. Jahrgangsstufe konzipiert. Sie demonstrieren die Wirkung verschiedener Parameter auf das Systemverhalten. Die Messwerterfassung erfolgt mit dem Computer. Der Versuchsaufbau wird beschrieben.

Schlagwörter: Ordnung, Pendel, Schuljahr 10, Magnetpendel, Rotation, Pendelbewegung, Naturwissenschaften, Experiment, Physikunterricht, Mechanik, Bewegung , Chaos, Unterrichtsmaterial, Naturwissenschaftlicher Unterricht, Flüssigkeit, Struktur, Sekundarstufe I, Physik


Autor: Korneck, Friederike
Titel: Wirbel im Unterricht.
Quelle: In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik,(2006) 94, S. 24–27

Abstract: Der Übergang von geordneten zu chaotischen Strukturen lässt sich gut bei Strömungen beobachten: Eine geordnete laminare Strömung geht mit der Bildung charakteristischer Strukturen wie z. B. Wirbeln in eine turbulente Strömung über. Die Autorin skizziert eine umfangreiche Unterrichtsreihe für die 11. Klasse, bei der Schülerinnen und Schüler Einblick in die Strömungsphysik wie auch in Strukturbildungsphänome erhalten. Teile der Unterrichtseinheit, wie z. B. zum Übergang von laminarer zur turbulenten Strömung, sind auch schon gegen Ende der Sekundarstufe I einsetzbar. Dazu stellt der Beitrag mehrere Arbeitsblätter zur Verfügung. (Orig.).

Schlagwörter: Unterrichtseinheit, Schuljahr 10, Schuljahr 11, Turbulenz, Physikunterricht, Strömung, Sekundarstufe II, Chaos, Laminare Strömung, Unterrichtsmaterial, Naturwissenschaftlicher Unterricht, Flüssigkeit, Strukturbildung, Nichtlineare Physik, Hydrodynamik, Sekundarstufe I


Autor: Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim
Titel: Einfache Experimente zur Selbstorganisation.
Quelle: In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik,(2006) 94, S. 28–31

Abstract: Granulate, die in der Natur in vielfältiger Form anzutreffen sind, bilden ganz spezifische Strukturen aus: Lässt man beispielsweise Sand auf einen Haufen rieseln, zeigt sich ein spezifischer Böschungswinkels des Hangs, der durch immer wieder auftretende kleine und große Lawinen stets erhalten bleibt. Führt man einem Granulat Energie zu, indem man es in Schwingungen versetzt, kann man die plötzliche Ausbildung von Strukturen beobachten. Der Artikel beschreibt mehrere Experimente zum Thema, die sich leicht durchführen und auch auf schulischem Niveau erklären lassen. (Orig.).

Schlagwörter: Unterrichtseinheit, Schuljahr 09, Schuljahr 10, Physikunterricht, Sekundarstufe II, Chaos, Unterrichtsmaterial, Naturwissenschaftlicher Unterricht, Struktur, Selbstorganisation, Sand, Strukturbildung, Nichtlineare Physik, Granulat, Sekundarstufe I


Autor: Bücker, Nils; Stavrou, Dimitros
Titel: Strukturen: Zufall trifft Naturgesetz.
Quelle: In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik,(2006) 94, S. 32–37

Abstract: Viele Strukturen in der Natur entstehen durch die Wechselwirkung von zufälligen und gesetzmäßigen Prozessen. Derartige Strukturbildungsprozesse untersuchten die Schülerinnen und Schüler einer 12. Klasse anhand der Beobachtung von Zinkdendriten, von Vorgängen beim viskosen Verästeln sowie von Bénard-Zellen. Im Laufe des Unterrichts gelang es, sie zu einem vertieften Nachdenken über die Rolle des Zufalls anzuregen sowie ihnen die Grundprinzipien von Strukturbildungsprozessen zu vermitteln. (Orig.).

Schlagwörter: Unterrichtseinheit, Schuljahr 12, Zufall, Physikunterricht, Sekundarstufe II, Chaos, Unterrichtsmaterial, Naturwissenschaftlicher Unterricht, Struktur, Strukturbildung, Nichtlineare Physik, Chaostheorie, Fraktal


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