Ideen für interaktiven Physikunterricht mit Simulationen

Diese Ideen für interaktiven Physikunterricht sind zehn fertige Aktivitäten, die die wichtigsten Themen abdecken, von Bewegungsgraphen bis zum Photoeffekt. Jede Idee nennt Ihnen die Simulation, eine Leitfrage, was die Lernenden in zwei bis vier Schritten tun, und das Ergebnis, das sie erhalten sollten, mit Zahlen aus der Simulation selbst. Physik eignet sich gut für Simulationen: Die Lernenden können Reibung entfernen, die Zeit verlangsamen, Kräfte ablesen, die sie nicht sehen können, und einen „Versuch“ in einer Stunde zwanzigmal wiederholen. So bleibt Unterrichtszeit für den schwierigen Teil, das Erklären dessen, was geschehen ist. Alle Simulationen sind auf Simulic kostenlos, und die Lernenden öffnen sie über einen Link oder QR-Code ohne Konto.

Zu den allgemeinen Routinen (Demo am Beamer, Links zum selbstständigen Arbeiten, Hausaufgaben) beginnen Sie mit Interaktive Simulationen im Unterricht einsetzen. Dieser Leitfaden geht tiefer auf physikalische Inhalte ein.

Mechanik: Bewegung, Kräfte und Impuls

1. Wann holt das schnelle Auto das langsame ein?

Klassen 6–8 · Zwei fahrende Autos – Weg-Zeit-Diagramm

Leitfrage: Auto A fährt mit 8 m/s. Auto B fährt mit 4 m/s, startet aber 20 m weiter vorn. Wann und wo holt A B ein?

1. Die Lernenden skizzieren beide Geraden auf Papier und markieren, wo sie sich ihrer Meinung nach schneiden.
2. Drücken Sie mit den Standardwerten auf Start und schalten Sie „Steigungsdreieck Δs/Δt anzeigen“ ein, um jede Geschwindigkeit aus dem Graphen abzulesen.
3. Stellen Sie „Geschwindigkeit von Auto B“ auf 0 und lassen Sie es erneut laufen.

Erwartetes Ergebnis: Die Geraden schneiden sich bei t = 5 s, 40 m vom Start von A entfernt (t = 20/(8 − 4)). Bei stehendem Auto B ist seine Gerade waagerecht, und A erreicht es nach 2,5 s. Fragen Sie dann: Bei welcher Geschwindigkeit von B schneiden sich die Geraden nie? (Bei jeder Geschwindigkeit ab 8 m/s.)

2. Halbiert eine Verdopplung der Masse die Beschleunigung?

Klassen 9–10 · Zweites Newtonsches Gesetz – Ziehen eines Klotzes

Leitfrage: Wenn wir die Masse des Klotzes verdoppeln, aber mit derselben Kraft ziehen, was geschieht mit der Beschleunigung?

1. Lassen Sie die Standardwerte laufen: F = 10 N, m = 2 kg, μ = 0,2, ebene Unterlage. Notieren Sie a aus der Anzeige.
2. Sagen Sie voraus, stellen Sie dann die Masse auf 4 kg und drücken Sie auf Zurücksetzen.
3. Wiederholen Sie beide Durchläufe mit μ = 0.

Erwartetes Ergebnis: Mit Reibung fällt a von 3,04 m/s² auf 0,54 m/s², weit weniger als die Hälfte, weil sich auch die Reibung (μN) verdoppelt und den größten Teil der 10 N auffrisst. Ohne Reibung geht a von 5,0 auf 2,5 m/s², genau die Hälfte. Erweiterung: Stellen Sie die schiefe Ebene auf 30° und finden Sie die kleinste ganzzahlige Kraft, die den Klotz die Schräge hinaufbewegt. Bei 13 N bleibt er liegen (Haftreibung); bei 14 N bewegt er sich mit a = 0,40 m/s².

3. Wohin geht der Impuls bei einem Zusammenstoß?

Klassen 9–11 · Stöße auf der Luftkissenbahn

Leitfrage: Zwei Wagen stoßen zusammen. Ist vorher und nachher irgendetwas gleich?

1. Nutzen Sie die Standardwerte: m₁ = 1 kg mit 3 m/s, m₂ = 2 kg mit −1 m/s, elastisch. Lassen Sie es laufen und übernehmen Sie die Zeilen Vorher und Nachher der Tabelle.
2. Drücken Sie auf „Stoßart wechseln“ für den haftenden (unelastischen) Fall und lassen Sie es erneut laufen.
3. Vergleichen Sie in beiden Fällen Gesamtimpuls und kinetische Energie.

Erwartetes Ergebnis: Der Gesamtimpuls beträgt jedes Mal 1 kg·m/s. Beim elastischen Stoß fahren die Wagen mit etwa −2,33 m/s und 1,67 m/s auseinander, und die kinetische Energie bleibt bei 5,5 J. Wenn sie haften, bewegen sie sich gemeinsam mit 0,33 m/s, und nur etwa 0,17 J kinetische Energie bleiben übrig: 5,33 J wurden zu Wärme und Verformung.

Energie und Wärmelehre

4. Ist ein schwererer Skater unten schneller?

Klassen 7–10 · Skatepark – Erhaltung der mechanischen Energie

Leitfrage: Zwei Skater fahren aus derselben Höhe hinab. Einer hat eine Masse von 25 kg, der andere 100 kg. Wer ist unten schneller?

1. Lassen Sie auf dem Bildschirm Einführung mit der Rampe den Skater vom Rand in 8 m Höhe starten und lesen Sie die Geschwindigkeit unten ab.
2. Ändern Sie „Masse des Skaters“ und wiederholen Sie es.
3. Wechseln Sie zum Bildschirm Reibung, erhöhen Sie μ und beobachten Sie den Balken der thermischen Energie.

Erwartetes Ergebnis: Beide erreichen etwa 12,5 m/s, weil v = √(2gh) nicht von der Masse abhängt. Der schwerere Skater hat die vierfache Energie, nicht mehr Geschwindigkeit. Nutzen Sie für die Klassen 11–12 die Bahn Looping: Die Theorie sagt, der Startpunkt muss mindestens das 2,5-Fache des Loopingradius (2,2 m) über dem tiefsten Punkt liegen, also etwa 5,5 m, sonst verlässt der Skater die Bahn.

5. Warum erwärmt sich das Wasser kaum?

Klassen 8–10 · Thermisches Gleichgewicht – heißer Körper in Wasser

Leitfrage: Ein Aluminiumblock von 0,5 kg mit 100 °C kommt in 1 kg Wasser mit 20 °C. Welche Endtemperatur ergibt sich?

1. Die Lernenden schreiben eine Vorhersage auf. Viele sagen etwa 60 °C, „genau in der Mitte“.
2. Lassen Sie die Standardwerte laufen und lesen Sie die Gleichgewichtstemperatur ab.
3. Tauschen Sie das Material gegen Kupfer, dann gegen Wasser, mit denselben Massen.

Erwartetes Ergebnis: Nur etwa 27,6 °C. Wasser braucht 4200 J, um 1 kg um 1 °C zu erwärmen, Aluminium nur 880 J, das Wasser „gewinnt“ also. Kupfer ergibt 23,5 °C. Heißes Wasser mit 100 °C ergibt 46,7 °C. Machen Sie mit der Simulation zur spezifischen Wärmekapazität weiter: Mit 500 W über 60 s steigt 1 kg Wasser um etwa 7 °C, während 1 kg Aluminium um etwa 34 °C steigt.

Wellen und Licht

6. Welche Frequenzen ergeben eine stehende Welle?

Klassen 10–12 · Stehende Wellen auf einer Saite

Leitfrage: Warum rastet die Saite nur bei bestimmten Frequenzen in ein Muster ein?

1. Beginnen Sie mit den Standardwerten (Saite 1,2 m, Wellengeschwindigkeit 24 m/s, 20 Hz) und zählen Sie Knoten und Bäuche.
2. Verstellen Sie die Frequenz leicht auf 22 Hz und beobachten Sie, wie das Muster wandert. Drücken Sie auf „f auf nächste Eigenfrequenz“.
3. Die Lernenden sagen die niedrigste Frequenz einer stehenden Welle voraus und testen sie dann. Setzen Sie zum Schluss ein Häkchen bei „Rechtes Ende lose“.

Erwartetes Ergebnis: 20 Hz ergeben λ = 1,2 m, zwei Bäuche und drei Knoten. Die Grundfrequenz ist v/2L = 10 Hz, und die Oberschwingungen liegen bei 10, 20, 30, 40 Hz … Mit einem losen Ende passen nur ungerade Viertelwellenmuster: 5, 15, 25 Hz.

7. Den Brechungsindex eines unbekannten Materials bestimmen

Klassen 9–11 · Lichtstrahlen – Brechung, Totalreflexion und Prismen

Leitfrage: Wie können Sie ein durchsichtiges Material bestimmen, das Sie noch nie gesehen haben?

1. Richten Sie auf dem Bildschirm Einführung den Laser aus Luft unter 45° auf Wasser und lesen Sie den Brechungswinkel mit dem Winkelmesser ab.
2. Wählen Sie Unbekannt A als unteres Medium. Messen Sie i und r für drei Winkel und berechnen Sie n = sin i / sin r.
3. Drücken Sie auf „Lösung prüfen“. Setzen Sie dann Glas nach oben und Luft nach unten und finden Sie den Winkel, bei dem der gebrochene Strahl verschwindet.

Erwartetes Ergebnis: Luft zu Wasser unter 45° ergibt r ≈ 32°. Unbekannt A hat n = 1,20 (r ≈ 36° bei 45°), Unbekannt B hat n = 1,60. Glas zu Luft hat einen Grenzwinkel von etwa 41,8°; Wasser zu Luft etwa 48,8°. Das ist eine gute Stelle für eine Zahlenfrage mit einer Toleranz von ± 0,05.

Elektrizität

8. Reihe oder parallel: Welche Lampen leuchten heller?

Klassen 8–10 · Gleichstromkreise bauen

Leitfrage: Zwei gleiche Lampen, eine Batterie. Sind sie in Reihe oder parallel heller?

1. Öffnen Sie die Anfangsschaltung „Zwei Lampen in Reihe“, dann „Zwei Lampen parallel“. Die Lernenden ordnen zuerst die Helligkeit.
2. Messen Sie mit dem Spannungsmesser in beiden Schaltungen die Spannung an jeder Lampe.
3. Bauen Sie auf dem Bildschirm Labor eine 9-V-Batterie mit Widerständen von 10 Ω und 20 Ω in Reihe auf und messen Sie.

Erwartetes Ergebnis: Parallele Lampen sind heller, weil jede die volle Batteriespannung erhält. In der Schaltung mit den Widerständen zeigt der Strommesser 0,30 A, und der Spannungsmesser zeigt 3 V und 6 V, die sich genau zu 9 V addieren. Eine vollständige Stunde zu U = R · I finden Sie im Unterrichtsplan zum Ohmschen Gesetz.

Moderne Physik

9. Warum kann helles rotes Licht kein Elektron herauslösen?

Klassen 11–12 · Photoeffekt

Leitfrage: Löst hellere Strahlung immer Elektronen aus einem Metall?

1. Wählen Sie Natrium (A = 2,28 eV). Stellen Sie die Wellenlänge auf 700 nm und die Intensität auf 100 %.
2. Verringern Sie die Wellenlänge in Schritten von 10 nm, bis Elektronen erscheinen.
3. Ändern Sie bei 400 nm nur die Intensität und probieren Sie dann Zink.

Erwartetes Ergebnis: Bei 700 nm geschieht bei keiner Intensität etwas, weil jedes Photon nur 1,77 eV trägt. Elektronen erscheinen erstmals bei 540 nm (Grenzwellenlänge λ₀ ≈ 544 nm). Bei 400 nm tragen die Photonen 3,10 eV, und Ek(max) = 0,82 eV. Hellere Strahlung ergibt mehr Elektronen, nicht schnellere. Zink braucht Licht unterhalb von etwa 289 nm.

10. Können Sie vorhersagen, welcher Kern als Nächster zerfällt?

Klassen 9–12 · Radioaktiver Zerfall und Halbwertszeit

Leitfrage: Wenn der Zerfall zufällig ist, wie kann eine Halbwertszeit genau sein?

1. Lassen Sie N₀ = 200 mit einer Halbwertszeit von 4 s laufen und lesen Sie N bei 4, 8 und 12 s ab.
2. Wiederholen Sie das mit N₀ = 50, dann mit 400.

Erwartetes Ergebnis: Die Theorie sagt, dass 100, 50 und 25 Kerne übrig bleiben. Die Lernenden sehen, dass niemand sagen kann, welcher Kern als Nächster zerfällt, und doch halbiert sich die Probe alle 4 s. Bei 50 Kernen weicht die Zahl sichtbar von der Kurve ab; bei 400 schmiegt sie sich daran.

Welche Fehlvorstellung greift jede Idee auf?

Wählen Sie Ideen nach der falschen Vorstellung, die Sie in Ihrer Klasse am häufigsten hören, nicht nur nach dem Thema. Diese Tabelle schlägt auch eine Frage vor, die Sie an den Link hängen können.

Idee	Verbreitete falsche Vorstellung	Anzuhängende Frage
1. Zwei Autos	„Die Geraden schneiden sich dort, wo die Autos gleich schnell sind.“	Zahl: Zeit des Treffens (5 s ± 0,1)
2. Zweites Newtonsches Gesetz	„Doppelte Masse heißt immer halbe Beschleunigung.“	Zahl: a bei m = 4 kg (0,54 m/s² ± 0,02)
3. Stöße	„Energie und Impuls sind dasselbe.“	Multiple Choice: Welche Größe bleibt erhalten, wenn die Wagen haften?
4. Skatepark	„Schwerere Körper werden bergab schneller.“	Vorhersage: Wer ist unten schneller?
5. Thermisches Gleichgewicht	„Die Endtemperatur liegt genau in der Mitte.“	Zahl: 27,6 °C ± 0,5
6. Stehende Wellen	„Jede Frequenz ergibt eine stehende Welle.“	Zahl: niedrigste Frequenz (10 Hz ± 0,5)
7. Brechung	„Licht wird immer zum Lot hin gebrochen.“	Zahl: Grenzwinkel (41,8° ± 0,5)
8. Stromkreise	„Parallele Lampen teilen sich die Spannung.“	Kurzantwort: Warum sind parallele Lampen heller?
9. Photoeffekt	„Hellere Strahlung ergibt schnellere Elektronen.“	Vorhersage: Was geschieht bei 700 nm und 100 % Intensität?
10. Radioaktiver Zerfall	„Nach zwei Halbwertszeiten ist nichts mehr übrig.“	Zahl: theoretische Anzahl nach 12 s (25 ± 1)

Vorhersagefragen sperren die Simulation, bis sich die Schülerin oder der Schüler festlegt, sie eignen sich also für die Ideen 4 und 9, bei denen die erste Vermutung am wichtigsten ist.

So setzen Sie diese Ideen im Unterricht ein

Jede Idee passt zu einem von drei Formaten.

• Vorhersage mit der ganzen Klasse. Die Ideen 2, 4 und 5 erzeugen starke falsche Vorhersagen. Lassen Sie abstimmen und führen Sie die Simulation dann am Beamer im Präsentationsmodus aus (hängen Sie ?present=1 an Ihren Link). Der Leitfaden Vorhersagen, beobachten, erklären gibt die vollständige Routine vor, und Unterricht mit Beamer behandelt den Präsentationsmodus und den QR-Code, mit dem die Lernenden auf eigene Geräte wechseln.
• Partnerarbeit mit einem Ziel. Bei den Ideen 1, 6, 7 und 9 ist eine Zahl zu finden. Erstellen Sie auf der Seite Teilen einen Link pro Klasse und legen Sie die Startwerte fest, damit jedes Paar vom selben Aufbau ausgeht.
• Kurzer Check. Hängen Sie ein Fragenset an den Link. Eine Zahlenfrage mit Toleranz eignet sich hier gut: „Wie groß ist der Grenzwinkel von Glas zu Luft?“ (41,8°, ± 0,5°). Wie Sie auf die Antworten reagieren, lesen Sie in Simulationen für formative Leistungsbewertung.

Halten Sie jede Aktivität bei 15–25 Minuten und schließen Sie mit einem schriftlichen „Warum“-Satz ab. Wenn eine Idee einen anderen Aufbau braucht, als die Bibliothek bietet, können Sie auf der Simulationsseite auf Mit KI anpassen drücken und Ihre eigene Kopie mit KI bearbeiten. Prüfen Sie die Werte vor dem Unterricht, denn die Ausgabe der KI kann Fehler enthalten.

Häufige Fragen

Welche Idee eignet sich am besten für eine erste Simulationsstunde?

Der Skatepark (Idee 4) oder die zwei Autos (Idee 1). Beide brauchen fast keine Anleitung, und die Vorhersage spaltet die meisten Klassen.

Kann ich diese Physiksimulationen nutzen, wenn nicht jede Schülerin und jeder Schüler ein Gerät hat?

Ja. Führen Sie sie am Beamer im Präsentationsmodus aus und sammeln Sie Vorhersagen per Handzeichen oder auf kleinen Whiteboards. Paare, die sich ein Smartphone teilen, funktionieren bei jeder Idee hier ebenfalls.

Wie lange dauert jede Idee?

Die meisten dauern 15–20 Minuten, einschließlich der Vorhersage und eines kurzen Gesprächs. Die Ideen 7 und 8 können eine ganze Stunde füllen, wenn die Lernenden eine Messtabelle anlegen.

Wie verhindere ich, dass die Lernenden einfach die erwarteten Werte abschreiben?

Legen Sie auf jedem Klassenlink andere Startwerte fest, zum Beispiel eine andere Saitenlänge in Idee 6 oder eine andere Autogeschwindigkeit in Idee 1. Die Methode bleibt gleich, aber die Antwort ändert sich.

Sind die Zahlen in den Simulationen realistisch?

Sie stammen aus den Standardgleichungen, mit g = 9,8 m/s² und Lehrbuchkonstanten. Es sind Modelle, sie lassen also Dinge aus, etwa den Luftwiderstand in Idee 4 oder die an das Kalorimeter verlorene Wärme in Idee 5. Fragen Sie die Lernenden, was jedes Modell außer Acht lässt.