Sector models - A toolkit for teaching general relativity: III. Spacetime geodesics

TL;DR

This paper introduces a model-based approach using sector models to teach general relativity, focusing on geometric concepts with minimal mathematics, and provides practical activities for undergraduate students.

Contribution

It presents a simplified method for constructing spacetime geodesics on sector models, enhancing teaching tools for understanding general relativity.

Findings

Constructed light and particle paths on sector models.

Applied the method to radial paths near black holes.

Provided accessible teaching materials online.

Abstract

Sector models permit a model-based approach to the general theory of relativity. The approach has its focus on the geometric concepts and uses no more than elementary mathematics. This contribution shows how to construct the paths of light and free particles on a spacetime sector model. Radial paths close to a black hole are used by way of example. We outline two workshops on gravitational redshift and on vertical free fall, respectively, that we teach for undergraduate students. The contribution also describes a simplified calculation of the spacetime sector model that students can carry out on their own, if they are familiar with the Minkowski metric. The teaching materials presented in this paper are available online for teaching purposes at http://www.spacetimetravel.org . ----- Sektormodelle erm\"oglichen einen modellbasierten Zugang zur Allgemeinen Relativit\"atstheorie, der auf das Verst\"andnis der geometrischen Konzepte abzielt und in seinen mathematischen Anforderungen nicht \"uber Schulmathematik hinausgeht. Dieser Beitrag zeigt, wie die Bahnen von Licht und freien Teilchen auf einem raumzeitlichen Sektormodell konstruiert werden k\"onnen. Als Beispiel dienen radiale Bahnen in der N\"ahe eines Schwarzen Lochs. Wir beschreiben zwei Workshops zu den Themen gravitative Rotverschiebung sowie radialer freier Fall, die wir in dieser Form mit Bachelorstudierenden durchf\"uhren. Der Beitrag beschreibt auch eine vereinfachte Berechnung des verwendeten raumzeitlichen Sektormodells, die von Teilnehmer/innen selbstst\"andig durchgef\"uhrt werden kann, falls sie mit der Minkowskimetrik vertraut sind. Die vorgestellten Materialien stehen online unter http://www.tempolimit-lichtgeschwindigkeit.de f\"ur den Unterricht zur Verf\"ugung.