Physik · Klasse 12

Ideen für aktives Lernen

Kernfusion

Die Kernfusion ist ein abstraktes und komplexes Thema, das durch aktive Methoden greifbar wird. Schülerinnen und Schüler müssen die extremen Bedingungen und physikalischen Zusammenhänge nicht nur verstehen, sondern auch anwenden, um Fehlvorstellungen zu überwinden und ein nachhaltiges Bild zu entwickeln.

• KMK Bildungsstandards
• KMK: Sekundarstufe II - Fachwissen: Wechselwirkung
• KMK: Sekundarstufe II - Bewertung: Technikfolgen

• 20–45 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 4 Aktivitäten

Aktivität 01

• Expertenrunde
• 45 Min. · Kleingruppen

Stationsrotation: Fusionsbedingungen

Richten Sie vier Stationen ein: 1. Temperatur (Heizspirale mit Thermometer simulieren Millionen Grad), 2. Druck (Vakuumglocke mit Pumpen), 3. Plasma (Neon- oder Glimmlampe beobachten), 4. Stabilität (Magnetfeld-Modell mit Eisenfeilspänen). Gruppen rotieren alle 10 Minuten und protokollieren Beobachtungen.

Welche extremen Bedingungen sind für eine Kernfusion erforderlich?

Moderationstipp

Stellen Sie bei der Stationsrotation sicher, dass jede Station klare Aufgabenblätter und Messdaten enthält, damit die Schüler direkt mit den extremen Bedingungen arbeiten können.

Worauf zu achten ist

Teilen Sie die Klasse in Kleingruppen auf. Geben Sie jeder Gruppe eine der Kernfragen des Themas. Lassen Sie sie 10 Minuten lang diskutieren und anschließend ihre Hauptargumente und Schlussfolgerungen der Klasse präsentieren.

• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Aktivität 02

• Expertenrunde
• 30 Min. · Partnerarbeit

Paararbeit: Energiebilanz berechnen

Paare erhalten Daten zu Deuterium-Tritium-Fusion und Uran-Spaltung. Sie berechnen Massendefekte und freigesetzte Energie mit Formeln. Abschließend vergleichen sie Ergebnisse in Plenum.

Warum ist die Fusion energetisch ergiebiger als die Spaltung?

Moderationstipp

Fordern Sie die Paare bei der Energiebilanz auf, ihre Rechnungen schrittweise auf dem Whiteboard zu dokumentieren, um Fehlerquellen gemeinsam zu identifizieren.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie den Schülern eine einfache Energiebilanz-Aufgabe: 'Berechnen Sie die freigesetzte Energie für die Fusion von 1 kg Deuterium mit 1 kg Tritium, wenn der Massendefekt 0,01% der Gesamtmasse beträgt.' Bewerten Sie die korrekte Anwendung von E=mc².

• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Aktivität 03

• Expertenrunde
• 25 Min. · Ganze Klasse

Ganzer-Klasse-Diskussion: ITER-Ausblick

Präsentieren Sie ITER-Videoausschnitte. Schüler notieren Vor- und Nachteile, diskutieren in Plenum Machbarkeit und gesellschaftliche Folgen.

Wie weit ist der Weg zur technischen Nutzung (ITER-Projekt)?

Moderationstipp

Leiten Sie die Ganzer-Klasse-Diskussion zum ITER-Ausblick mit einer provokanten These ein, um die Schüler aktiv in den Dialog einzubinden.

Worauf zu achten ist

Bitten Sie die Schüler, auf einer Karteikarte zwei Sätze zu schreiben: 1. Eine Bedingung, die für die Kernfusion notwendig ist, und warum. 2. Ein technisches Problem, das beim ITER-Projekt gelöst werden muss.

• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Aktivität 04

• Expertenrunde
• 20 Min. · Einzelarbeit

Individuelle Skizze: Tokamak-Modell

Jeder Schüler entwirft einen Querschnitt eines Fusionsreaktors mit Beschriftung von Magnetfeldern, Plasma und Kühlung. Teilen Sie in Kleingruppen aus.

Welche extremen Bedingungen sind für eine Kernfusion erforderlich?

Moderationstipp

Geben Sie den Schülern beim Tokamak-Modell genau 15 Minuten Zeit, um Skizzen mit Beschriftungen anzufertigen, bevor sie ihre Modelle präsentieren.

Worauf zu achten ist

Teilen Sie die Klasse in Kleingruppen auf. Geben Sie jeder Gruppe eine der Kernfragen des Themas. Lassen Sie sie 10 Minuten lang diskutieren und anschließend ihre Hauptargumente und Schlussfolgerungen der Klasse präsentieren.

• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

Beginne mit einem einfachen Experiment oder einer Simulation, um die extremen Bedingungen der Fusion anschaulich zu machen. Vermeide zu frühe Mathematisierung, stattdessen sollten die Schüler zuerst ein Gefühl für die Größenordnungen entwickeln. Nutze Alltagsbeispiele, um die Energieumwandlung in E=mc² greifbar zu machen. Achte darauf, dass du klar zwischen Fusion und Spaltung unterscheidest, da hier oft Verwechslungen auftreten.

Am Ende dieses Aktivitätszyklus können Schülerinnen und Schüler die grundlegenden Bedingungen der Kernfusion erklären, Energiebilanzen mit E=mc² berechnen und die technischen Herausforderungen des ITER-Projekts diskutieren. Sie erkennen den Unterschied zwischen Fusion und Spaltung und verstehen die Rolle der Fusion in Sternen.

---

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

• Während der Stationsrotation zur Fusionsbedingungen hören Sie möglicherweise die Aussage: 'Kernfusion ist nur eine umgekehrte Kernspaltung.'

  Nutzen Sie die Station mit Energiebilanz-Vergleichen, um die Unterschiede in Energieausbeute und Reaktionsabläufen konkret zu berechnen und gegenüberzustellen.

• Während der Stationsrotation zur Fusionsbedingungen könnte die Aussage fallen: 'Fusion kann bei Raumtemperatur stattfinden, wie in kalten Fusionen.'

  Zeigen Sie in der Station mit Plasmasimulationen oder Demonstrationen, wie unrealistisch kalte Fusion ist, und lassen Sie die Schüler selbst die benötigten Temperaturen und Drücke abschätzen.

• Während der Ganzer-Klasse-Diskussion zum ITER-Ausblick wird möglicherweise geäußert: 'Sterne erzeugen Energie durch chemische Verbrennung von Wasserstoff.'

  Lassen Sie die Schüler in der Diskussion auf quantitative Energievergleiche zurückgreifen, indem sie die Energie der Fusion mit der von chemischen Reaktionen gegenüberstellen und so die nukleare Natur der Sternenenergie erkennen.

---

In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Expertenrunde