Das Wesentliche dieser Unterrichtseinheit ist die Erkenntnis für die Lernenden, dass jede Bewegung einen Widerstand entgegen der Bewegungsrichtung erfährt. Dieser Widerstand besteht zum einen aus den verschiedenen Formen der Reibung (Haftreibung, Gleitreibung, Rollreibung), zum anderen aus dem geschwindigkeitsabhängigen Luftwiderstand. Dabei lernen die Schülerinnen und Schüler, dass Reibung und Widerstand zwar in vielen Bereichen der Technik nur unter Energieaufwand überwunden werden können, aber gleichzeitig für unsere Fortbewegung unverzichtbar sind – schon Gehen, Fahren oder Bremsen auf einer fast reibungsfreien Unterlage wie etwa Glatteis sind nahezu unmöglich! Ausgehend von bereits vorhandenen Grundkenntnissen der Newton'schen Mechanik werden deren Gesetzmäßigkeiten auf horizontale Bewegungen, die schiefe Ebene und den freien Fall angewandt. Dabei wird der Unterschied zwischen theoretisch reibungsfreien Bewegungen und den in der Realität aber immer vorhandenen Widerstandskräften herausarbeitet und hinsichtlich ihrer Wirkung eingehend bewertet. Fragestellungen und detaillierte Übungsaufgaben erweitern das Verständnis für die Notwendigkeit von Reibung und Luftwiderstand.
Geradlinige Bewegungen unter konstanter Krafteinwirkung
Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit Bewegungen, die auf einer horizontalen Unterlage, einer schiefen Ebene sowie im freien Fall unter dem Einfluss einer konstanten Kraft stattfinden können.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
- 2 bis 3 Unterrichststunden
- Arbeitsblatt, Didaktik/Methodik, Ablaufplan
- 3 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
-
Einstieg
Ausgehend von einfachen, jedem Lernenden bekannten Beispielen, werden die Vorgänge diskutiert, die es ermöglichen, ein Auto auf horizontaler Unterlage zu beschleunigen, zu bremsen oder es mit konstanter Geschwindigkeit fahren zu lassen (Arbeitsblatt 1).
10 Minuten -
Vertiefung
Anhand von Aufgabe 1 (Arbeitsblatt 2) wenden die Lernenden die Newton'schen Gesetze auf die horizontale Bewegung an – die Ergebnisse werden anschließend verglichen und ausführlich diskutiert (Arbeitsblatt 3).
25 Minuten -
Hausaufgabe
Aufgabe 2 (Arbeitsblatt 2) wird im Unterricht kurz besprochen und soll als Hausaufgabe bearbeitet werden.
10 Minuten -
Sicherung
Die Ergebnisse aus der Hausaufgabe werden kurz besprochen und gegebenenfalls verbessert (Arbeitsblatt 2 und 3).
5 Minuten -
Erweiterung des Gelernten
Das Gelernte wird nun auf die Abläufe bei einer schiefen Ebene erweitert. Dazu können die Gesetzmäßigkeiten anhand von Tafelbild und/oder Folien dargestellt werden. Ergänzend erarbeiten die Lernenden die Aufgabe 3 (Arbeitsblatt 2).
30 Minuten -
Hausaufgabe
Die Übungsaufgaben 4 und 5 werden erklärt und von den Lernenden als Hausaufgabe bearbeitet (Arbeitsblatt 2 und 3).
10 Minuten -
Sicherung
Die Lösungen der der Übungsaufgaben 4 und 5 müssen aufgrund des Schwierigkeitsgrades genau besprochen und verbessert werden.
15 Minuten -
Vertiefung
Anhand von Übungsaufgaben 6 (Arbeitsblatt 2 und 3) werden die Vorgänge beim freien Fall - ohne und mit Berücksichtigung des Luftwiderstandes - gemeinsam bearbeitet.
30 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Geradlinige Bewegung unter konstanter Krafteinwirkung
Fahren im Auto oder Radfahren – horizontal, bergauf oder bergab – sind den Schülerinnen und Schüler aus ihrem Alltagsleben hinlänglich bekannt. Die Bedeutung der Reibung sowie des Luftwiderstandes sollte die Lernenden sowohl unter dem Aspekt der Sicherheit als auch des Klimaschutzes interessieren. Zum einen hat eine feuchte und rutschige Unterlage ein großes Gefahrenpotential (Aquaplaning beim Autofahren, Sturzgefahr beim Radfahren vor allem auf Schnee), zum anderen führt der mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunehmende Luftwiderstand bei schnellem Autofahren zu deutlich höheren Schadstoffemissionen als bei niedrigeren Geschwindigkeiten.
Die genannten Aspekte sollten die Lernenden im Unterricht – abgesehen von den physikalischen Gesetzmäßigkeiten – auch zum Nachdenken anregen, nicht zuletzt im Hinblick auf die vor allem auch jüngeren Menschen immer wichtiger werdenden Klimaprobleme (unter anderem" fridays for future").
Vorkenntnisse
Vorkenntnisse von Lernenden können dahingehend vorausgesetzt werden, dass die Grundlagen der Newton'schen Mechanik bereits besprochen sein müssen, wenn man sich im Unterricht mit den wirkenden Kräften bei horizontalen Bewegungsabläufen sowie auf schiefen Ebenen und im freien Fall beschäftigt.
Didaktische Analyse
Hohe Geschwindigkeiten beinhalten immer ein großes Gefahrenpotential – dies richtig einzuschätzen in Abhängigkeit von der Unterlage, auf der man sich bewegt, ist sehr wichtig. Zudem sollten die Lernenden erkennen, dass eine schiefe Ebene auch ein Hilfsmittel darstellt, um zum Beispiel einen schweren Gegenstand auf eine bestimmte Höhe anzuheben.
Methodische Analyse
Durch das Verstehen und Anwenden physikalischer Gesetzmäßigkeiten bei den unterschiedlichen Arten von Bewegungen unter dem Einfluss einer konstanten Kraft werden die Lernenden in die Lage versetzt, Bewegungsabläufe in Abhängigkeit von der jeweiligen Unterlage richtig einzuschätzen.
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In diesem Arbeitsblatt werden Bewegungsabläufe auf horizontaler Unterlage, schiefer Ebene und im freien Fall dargestellt und mit physikalischen Formeln unter Berücksichtigung der auftretenden Widerstandskräfte beschrieben.
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Mit praxisorientierten Fragen und Übungsaufgaben ergänzt dieses Arbeitsblatt die physikalischen Grundlagen aus Arbeitsblatt 1.
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Mit praxisorientierten Fragen und Übungsaufgaben ergänzt dieses Arbeitsblatt die physikalischen Grundlagen aus Arbeitsblatt 1.
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen zu den Fragen und Übungsaufgaben.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen, welchen Gesetzmäßigkeiten Bewegungen bei konstanter Krafteinwirkung folgen.
- kennen die Einflüsse von Reibung und Luftwiderstand auf Bewegungsabläufe.
- können die Wirkungsweise verschiedener Kräfte auf Bewegungsabläufe berechnen und hinsichtlich ihrer Wirkung einschätzen.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet.
- können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
- setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.
