Vektoraddition mit statischen Kräften – eine Einführung in die Addition und Zerlegung von Kräften

Unterrichtseinheit

In der folgenden Unterrichtseinheit wird der Einstieg in die Vektoraddition anhand von statischen Kräften für die Sekundarstufe I vorgestellt. Dabei wird ausgehend von einfachen Beispielen gezeigt, wie zwei oder mehrere an einem gemeinsamen Punkt angreifende Kräfte mittels einer vektoriellen Aneinanderreihung durch Kräfteparallelogramme zu einem resultierenden Kraftvektor zusammengefasst werden können.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
  • 1 Unterrichtsstunde
  • 3 Arbeitsmaterialien

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Die Unterrichtseinheit dient dem Einstieg in die Vektoraddition am Beispiel von Kräften im Physikunterricht der Klasse 8 bis 10.

Mit einer zeichnerischen Lösung unter Zuhilfenahme gegebener Größen wie Länge der Kraftvektoren im entsprechenden Maßstab und den jeweiligen Winkeln zwischen den Kraftvektoren lernen Schülerinnen und Schüler den resultierenden Kraftvektor selbst zu konstruieren.

Mit einer Computersimulation (Vorschläge siehe externe Links) lassen sich die eigenen Ergebnisse kontrollieren und durch Veränderung von Beträgen, Richtungen und gegebenenfalls der Zahl von Einzelkräften nahezu beliebig erweitern. Es wäre von großem Vorteil, wenn dazu jedem Lernenden ein Computer zur Verfügung stehen würde.

Didaktisch-methodischer Kommentar

Der Begriff der Kraft als vektorielle Größe kann mithilfe von Arbeitsblatt 01 eingeführt oder wiederholt werden. Kurze Beschreibungstexte und Abbildungen zeigen die Addition von gleichgerichteten Kräften, die Addition von entgegengesetzt gerichteten Kräften, dem Kräfteparallelogramm bei Kräften unterschiedlicher Richtung sowie die Zerlegung von Kräften. 

Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass zu einer Kraft sowohl der Betrag als auch die Richtung und die Orientierung längs der Richtung gehören. Sie haben bereits erläutert, wie sich zwei Kräfte zu einer Gesamtkraft zusammensetzen lassen, sehen aber in den Augen der Klasse immer noch jenes Flackern, welches untrüglich ein gewisses Maß an Unverständnis signalisiert? Dann ist der Zeitpunkt für den Einsatz dieser Unterrichtsstunde gekommen! Vereinbaren Sie für die nächste Physikstunde ein Treffen im Computerraum.

"Freies Spielen" mit der Simulation 

Es ist wichtig, dass jede Schülerin und jeder Schüler einen eigenen PC zur Verfügung hat, weil sonst der gemeinsame Lernfortschritt nicht garantiert ist. Im einfachsten Fall gehen Sie auf die Website von PhET und lassen die Schülerinnen und Schüler mit der Simulation "spielen".

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Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler

  • können in einfachen Zusammenhängen Kräfte als Vektoren darstellen und Darstellungen mit Kraftvektoren interpretieren.
  • stellen Daten (Summenkraft) in sinnvoll skalierten Diagrammen von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar.
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Autor

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Wolfgang Vogg

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