Ausgehend von den bereits bekannten Versuchen zu Federdehnungen, die mit dem Hooke'schen Gesetz beschrieben werden können, werden die Lernenden durch weitere einfache Versuche mit den Grundbedingungen für eine so bezeichnete harmonische mechanische Schwingung bekannt gemacht. Mit etwas Geschick wird den Schülerinnen und Schülern am Versuch (Projektion einer Kreisbewegung an eine Wand) vorgeführt, wie sich eine Federschwingung mit den Gesetzmäßigkeiten der gleichförmigen Kreisbewegung überlagert und damit exakt beschreiben lässt.
Die harmonische mechanische Schwingung – hergeleitet aus der gleichförmigen Kreisbewegung
Unterrichtseinheit
Diese Unterrichtseinheit befasst sich mit Schwingungsvorgängen, die in ihrer Vielfalt zahlreiche, zum Teil komplexe physikalische Abläufe in den verschiedensten Bereichen bestimmen. Dennoch lassen sich die grundsätzlichen Gesetzmäßigkeiten sehr gut anhand der relativ einfach nachvollziehbaren Herleitungen bei mechanischen Schwingungen – beispielsweise bei Federschwingungen – ableiten.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
- 3 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt
- 2 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Zunächst wird in Form einer kurzen Diskussion der Begriff der Schwingung in Natur und Technik angesprochen. Im Anschluss wird die Federschwingung im Versuch gezeigt sowie die Fragestellung in Aufgabe 1 (Arbeitsblatt 1) besprochen.
10 Minuten -
Erarbeitung
Nun folgt der ergänzende Versuch zu Aufgabe 2 (Arbeitsblatt 1) und eine genaue Analyse, welche physikalischen Zusammenhänge zwischen der Kreisbewegung und der vertikalen Schwingung der Feder bestehen können. Die Auswertung (Aufgabe 2 a sowie 2 b) kann auch als Hausaufgabe fertiggestellt werden.
35 Minuten -
Vertiefung
Nach der Besprechung von Aufgabe 2 (Arbeitsblatt 2) wird mit der Ableitung der Gesetzmäßigkeiten der harmonischen Schwingung begonnen (Aufgabe 3 a Arbeitsblatt 1).
20 Minuten -
Ergebnisse herleiten
Die verschiedenen Gesetze (Aufgabe 3 b Arbeitsblatt 1) werden in kleinen Gruppen abgeleitet und gemeinsam besprochen. Aufgabe 4 a (Arbeitsblatt 1) soll zum Verstehen des Gelernten als Hausaufgabe gemacht werden.
25 Minuten -
Fertigung des Gelernten
Nach Besprechung der Hausaufgabe (Arbeitsblatt 1 und 2) werden die Kurven aus Aufgabe 4 b gezeichnet und verglichen.
30 Minuten -
Üben des Gelernten
Die restlichen Fragen und Aufgaben aus Aufgabe 4 (Arbeitsblatt 1 und 2) werden paarweise bearbeitet. Die Ergebnisse werden abschließend besprochen.
15 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Schwingungen sind in fast allen Bereichen der Natur und natürlich der Technik vorhanden. Man unterscheidet dabei in erster Linie zwischen
- periodischen und nicht periodischen Schwingungen
- gedämpften, ungedämpften und aperiodischen Schwingungen
- freien und erzwungenen Schwingungen.
Am naheliegendsten zur Herleitung von Gesetzen, die Schwingungen beschreiben, sind die Abläufe bei der harmonischen mechanischen Schwingung, weil sie von der Anforderung für die Lernenden gut nachvollziehbar sind.
Vorkenntnisse
Die physikalischen Vorkenntnisse von Lernenden dürften eher eingeschränkt sein – am ehesten könnte das Beschreiben des Hin- und Herschwingens bei einer Kinderschaukel als Einstiegsüberlegung für die Grundvoraussetzungen von Schwingungen dienen.
Didaktische Analyse
Die in nahezu allen Bereichen der Physik vorkommenden Schwingungsvorgänge sind für Schülerinnen und Schüler zunächst nur schwer nachvollziehbar, weil sie nicht so einfach und direkt beobachtbar sind, wie bei der harmonischen mechanischen Schwingung – dennoch lassen sich gerade durch diese einfachen Versuche die Grundlagen für die in der Sekundarstufe II in anderen Bereichen zu besprechenden Schwingungen der Physik legen.
Methodische Analyse
Mithilfe der Herleitung der Gesetzmäßigkeiten aus dem Zusammenhang zwischen gleichförmiger Kreisbewegung und harmonischer Schwingungsbewegung sowie der durch die Auswertung erkennbaren Sinusschwingung lässt sich auch das Verständnis für die Ausbreitung von Schwingungen in Form von Wellen gut vorbereiten.
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Mithilfe dieses Arbeitsblattes lernen die Schülerinnen und Schüler die harmonische mechanische Schwingung anhand gleichförmiger Kreisbewegungen zu verstehen.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- können die Voraussetzungen für das Auftreten von mechanischen Schwingungen beschreiben und erläutern.
- kennen die verschiedenen Arten von Schwingungen und deren Zusammenhang mit den grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der mechanischen Schwingung.
- können die Formeln zur Beschreibung von mechanischen Schwingungen anwenden und auch deren Abhängigkeiten von der Zeit berechnen.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbstständig Fakten und Hintergründe im Internet.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
- müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.
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