Winkelkoordinate, -geschwindigkeit und -beschleunigung sowie die aufzuwendende Radialkraft sind in einem Excel-Diagramm als Funktion der Zeit grafisch dargestellt. Durch kontinuierliche Veränderung des Parameters E (Summe aus kinetischer und potenzieller Energie) können die Diagramme dynamisch verformt und so die verschiedenen Bewegungsarten von der harmonischen Schwingung bis zum Looping beobachtet und analysiert werden. Die numerisch nach dem Halbschrittverfahren berechneten Diagramme, die man sonst im Unterricht und in der Literatur selten zu sehen bekommt, bieten einen beziehungsreichen Zugang zu vielen Aspekten der für die Jahrgangsstufe 11 vorgesehenen Lerninhalte.
Bewegung auf einer vertikalen Kreisbahn mit Excel
Unterrichtseinheit
Die Schülerinnen und Schüler untersuchen interaktiv die Gesetze der reibungsfreien Bewegung eines Körpers auf einer vertikalen Kreisbahn bei unterschiedlicher Gesamtenergie - vom Fadenpendel bis zum Looping.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 3-6 Stunden
- Arbeitsblatt interaktiv, Arbeitsblatt, Software
- 1 Arbeitsmaterial
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Didaktisch-methodischer Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler arbeiten allein oder zu zweit am Rechner. Zentrales Medium ist neben der Excel-Datei das bereitgestellte Arbeitsblatt mit detaillierten Arbeitsaufträgen. Diese können je nach Intention und Umfang der Unterrichtseinheit auch nur teilweise eingesetzt oder auf verschiedene Abschnitte des Lehrplans verteilt werden. Wegen der Vielfalt der angesprochenen Themen (harmonische Schwingung, Energiesatz, beschleunigte Kreisbewegung, Kräftezerlegung, Newton'sche Grundgleichung F = ma und ihre prinzipielle Bedeutung für die Berechnung von Bewegungen) eignet sich das Material besonders zur vertiefenden Wiederholung oder für ein Projekt, in dem auch das numerische Verfahren und/oder fortgeschrittene Excel-Anwendungen thematisiert werden.
- Theoretischer Hintergrund, Realisierung in Excel, Einsatz des Materials im Unterricht
Die Darstellung der zeitlichen Abhängigkeit der oben genannten kinematischen Größen mithilfe einer Excel-Tabelle bringt eine Reihe neuer Aspekte in den Unterricht, die hier erläutert werden.
Unterrichtsmaterial "Bewegungen auf vertikaler Kreisbahn" zum Download
- vertikale_kreisbewegung.zip
Excel-Datei zur Untersuchung der Bewegung eines Massenpunktes auf einer vertikalen Kreisbahn, Arbeitsblatt (PDF) mit Arbeitsaufträgen zur Excel-Datei und eine GeoGebra-Datei zum theoretischen Hintergrund (Lehrerinformation)
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Vermittelte Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler sollen
- Diagramme physikalisch interpretieren und darüber sachgerecht kommunizieren.
- die Gesetze der Kinematik, insbesondere der harmonischen Schwingung und der Kreisbewegung, den Energiesatz und das Prinzip der Kräftezerlegung anwenden.
- die Grenzen analytischer Methoden und den Vorteil numerischer Lösungen erfahren.
- das Halbschrittverfahren analysieren (optional).
- fortgeschrittene Anwendungen in Excel praktizieren (optional).
Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial
| Thema | Vom Fadenpendel bis zum Looping - Bewegung auf einer vertikalen Kreisbahn mit Excel |
|---|---|
| Autor | Dr. Hans-Joachim Feldhoff |
| Fächer | Physik oder fächerübergreifendes Projekt (Physik/Informatik) |
| Zielgruppe | Jahrgangsstufe 11 |
| Zeitraum | 3-6 Stunden |
| Technische Voraussetzungen | je 1 Rechner für 1-2 Lernende |
| Software | Microsoft Excel, ergänzend für die Lehrkraft: GeoGebra (kostenfreie Software) |
Literatur
[1] Courant
Vorlesungen über Differential- und Integralrechnung 1, 4. Auflage, Springer 1971[2] Grehn/Krause
Metzler Physik, 4. Auflage, Schroedel 2007
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