Mysterys Physikunterricht

(1)

Inhaltsverzeichnis

Vorwort . . . 4

1. Mysterys für die Jahrgangsstufen 5–7 1.1 Ich verhalte mich nicht „normal“ – Anomalie des Wassers . . . 7

1.2 „Heureka“ ruft Archimedes – die Stoffeigenschaft Dichte . . . 14

1.3 Tom traut seinen Ohren nicht mehr – der Dopplereffekt . . . 21

1.4 Eine unerwartete Entdeckung – der Ørstedversuch . . . 28

1.5 Immer da, aber nicht immer voll dabei – die Mondphasen . . . 35

2. Mysterys für die Jahrgangsstufen 8–10 2.1 Münze und Feder fallen gleich schnell – der „Freie Fall“ . . . 42

2.2 Ein tiefer Brunnen – Berechnen von Fallstrecke und Fallzeit . . . 49

2.3 Alessandro zuckt – Volta baut die erste Batterie . . . 56

2.4 Hier strahlt etwas – Entdeckung der Radioaktivität . . . 63

2.5 Ganz schön unter Druck – die Magdeburger Halbkugeln . . . 70

2.6 Brennend heiß – der Hohlspiegel . . . 77

3. Möglichkeiten der Diagnose und Förderung . . . 84

4. Möglichkeiten der Leistungsbewertung . . . 88

Quellenverzeichnis . . . 91

zur Vollversion

VORSC

HAU

(2)

Vorwort

„Mysterys im Physikunterricht – eine neue Methode, muss das wirklich sein?“, werden sich vielleicht manche fragen. Auch wenn Sie schon viele Unterrichtsreihen zu den gängigen Themenbereichen des Physikunterrichts der Sekundarstufe I durchgeführt haben, bleibt es schwierig, die Kinder und Jugendlichen hinsichtlich der prozessorientierten Kompetenzen zu fördern. Neben der nötigen Ausrichtung auf die Fachkompetenzen ist es oft erstaunlich, wie viel allein schon auf dem Weg zu einem Lernergebnis vermittelt und erfahren werden kann. Die prozessbezogenen Lernziele sollten daher nicht vernachlässigt werden, sind sie doch in den Bildungsstandards und den Kernlehrplänen der Länder als obligatorische Ziele verankert. Es geht nicht darum, Problemlöse- oder Sozialkompetenzen losgelöst von fachlichen Inhalten zu vermitteln, sondern im Physikunterricht den Lernweg zum Erreichen der fachlichen Kompetenzen zusätzlich für eine Förderung der prozessorientierten Kompetenzen auszunutzen.

Die Mystery-Methode wurde ursprünglich von David Leat (Mysterys Make You Think, 1999) für den Erdkundeunterricht entwickelt. Im offenen und problemorientierten Unterricht er- möglicht diese Methode, Vermutungen zu Problemsituationen aufzustellen und mithilfe von ungeordneten Informationskarten Lösungsansätze zu entwickeln, die in einem Struktur- diagramm aufgezeigt werden.

Das Wort „Mystery“ ist vom lateinischen Nomen „mysterium“ abgeleitet. „Geheimnisvolles im Physikunterricht“ lässt sich beim vorliegenden Titel zurecht erwarten. Die offene Unter- richtsmethode des Mysterys stellt die fachliche Orientierung voran, verbindet diese aber mit einem motivierenden, geheimnisvollen Kontext. Während des Lernprozesses wird Raum ge- schaffen für den Erwerb prozessbezogener Kompetenzen, wie Erkenntnisgewinnung, Kom- munikation und Bewertung. Offene Unterrichtsformen kommen im Physikunterricht häufig zu kurz, da der Planungsaufwand sehr groß erscheint. Oftmals scheint sich die Befürchtung zu bewahrheiten, dass keine ausreichende Ergebnissicherung gelingt. Im ungünstigsten Fall erscheint die eingesetzte Zeit sogar „nutzlos verstrichen“. Gerade im naturwissenschaftli- chen Unterricht – mit zwei oder sogar nur einer Unterrichtsstunde pro Woche – ist Effizienz gefragt. Was soll und kann ein Mystery im Physikunterricht konkret erreichen?

Ein Mystery kann …

•

… konkreten fachlichen Inhalt in einen interessanten Kontext bringen,

•

… durch eine spannende Einstiegsgeschichte motivieren,

•

… mit einer Leitfrage zum Problemlösen anregen,

•

… durch vorbereitete Karten mit Texten oder Bildern für eine fachlich korrekte Lösung sorgen,

•

^{… den}Erwerb prozessbezogener Kompetenzen durch Kommunizieren, Ordnen und Strukturieren unterstützen.

•

Mysterys sind ergebnisoffen hinsichtlich der Struktur, aber ergebnissicher durch vorbereitete Textkarten.

•

Erweiterungs- und Vertiefungskarten ermöglichen eine Differenzierung.

Das Mystery ist daher als Methode für den Einstieg in einen für die Kinder und Jugendlichen noch unbekannten und daher „mysteriösen“ Themenbereich sehr gut geeignet. Dazu muss allerdings das nötige Vorwissen vorhanden sein, um mithilfe der Karten auf die Lösung der Leitfrage zu gelangen. Ist der Themenbereich in Ihrer Klasse noch völlig fremd, kann es zu Schwierigkeiten bei den Lösungsschritten kommen. Andererseits macht ein zu umfang- reiches Vorwissen die Lösung zu offensichtlich.

zur Vollversion

VORSC

HAU

(3)

Vorwort

Ergebnissicherung:

Die Gruppenergebnisse können sehr gut in einem Galerie- bzw. Museumsgang präsentiert werden. Dazu hängt jede Gruppe ihr Plakat im Raum verteilt auf. Jede Gruppe sieht sich das Plakat einer anderen Gruppe an und geht dann (evtl. nach einem akustischen Signal) im Uhrzeigersinn zum nächsten Plakat weiter. Auch kann aus jeder Gruppe eine Person bei dem jeweiligen Gruppenplakat bleiben. Hinsichtlich einer Beobachtungsaufgabe können verschiedene Schwerpunkte gesetzt werden.

Steht weniger Zeit zur Verfügung, ist es sinnvoll, wenn die Plakate für später aufgehängt oder nur die Lösungssätze der einzelnen Gruppen vorgetragen werden.

Ebenso ist es möglich, dass einzelne Gruppen ihr Plakat im Plenum vorstellen.

Um die Mysterys häufiger und ohne neue Kopien einzusetzen, empfiehlt es sich, laminierte Karten herzustellen. Diese Variante ist außerdem zeitsparender, da hierbei das Aufkleben entfällt. Strukturelle Verbindungslinien und ein Lernplakat können dann allerdings nicht erstellt werden.

Die Ergebnissicherung ist als Museumsgang oder als Fotosicherung möglich. Ist ein elektro- nisches Tafelsystem vorhanden, können die Gruppenergebnisse im Plenum gezeigt werden.

Eine Differenzierung erfolgt, wie oben erwähnt, über die optionalen je sechs Erweiterungs- und Vertiefungskarten. Diese können im Voraus oder im Nachhinein dazugegeben werden.

Damit wird auch eine zeitliche Flexibilität gewährleistet, etwa bei 45- oder 60-Minuten-Stun- den bzw. für den Einsatz des Mysterys in einer Doppelstunde. Indem man die Erweiterungs- und Vertiefungskarten gesondert oder aber alle 32 Karten zusammen in die Gruppen gibt, kann ebenfalls hinsichtlich des Schwierigkeitsgrades differenziert werden.

Als Hilfestellung kann der Lösungsvorschlag – mit oder ohne Beantwortung der Leitfrage – ausgelegt werden. Natürlich lassen sich auch einzelne von Ihnen ausgewählte Textkarten für andere Zwecke nutzen.

Viel Freude und Erfolg bei Ihrer Arbeit mit den vorliegenden Mysterys!

Matthias Sauer Burbach, Mai 2019

zur Vollversion

VORSC

HAU

(4)

Matthias Sauer: Mysterys Physikunterricht 5–10 © Auer Verlag

Sachanalyse

An einem heißen Sommertag ist nichts wichtiger als ein kühles Getränk. Doch was soll man tun, wenn nichts Kühles zu finden ist? Eine Flasche in den Kühlschrank stellen? Schnel- ler geht es doch im Gefrierschrank! Wer dann die Zeit aus den Augen verliert, findet seine Flasche zerbrochen vor: Das Wasser hat sich beim Gefrieren ausgedehnt, die Flasche ist geplatzt. Was selbstverständlich erscheint, ist bei genauerem Hinsehen eine große Ausnah- me. Daher spricht man von der Anomalie des Wassers. Für viele Kinder und Jugendliche ist dieses anormale Verhalten des Wassers erst einmal nicht einzuordnen. Bekannt ist, dass Stoffe sich beim Erwärmen ausdehnen und beim Abkühlen zusammenziehen. Wird eine leere Plastikflasche bei Zimmertemperatur geschlossen und in einen Gefrierschrank gestellt, sieht man deutlich die Volumenabnahme der Luft an der zusammengezogenen Flasche.

Ganz anders verhält es sich, wenn eine randvoll mit Wasser gefüllte Plastikflasche in einen Gefrierschrank gestellt wird. Bei einer Abkühlung unter 0 °C platzt die Flasche zwar nicht, dehnt sich jedoch merklich aus. So kann das „anormale“ Verhalten des Wassers gefahrlos beobachtet werden. Wasser hat bei ungefähr 4 °C die höchste Dichte, es dehnt sich also bei niedrigeren und bei höheren Temperaturen aus. Wäre Wasser nicht „anormal“, würden keine Fische den Winter überleben. Doch wegen der Anomalie des Wassers sammelt sich das 4 °C warme Wasser am Seegrund an. Dadurch steht immer flüssiges Wasser zur Verfü- gung. Beim Gefrieren fällt die Dichte des Wassers sprunghaft von 0,999 _cm^g3 auf 0,914 _cm^g3 ab.

Wassereis (Eiswürfel, Eisberge) hat daher ein um ca. 10 % größeres Volumen als flüssiges Wasser und schwimmt. Umgekehrt nimmt beim Schmelzen von schwimmendem Eis der Wasserspiegel keineswegs zu. Das Volumen verringert sich nämlich wieder um ca. 10 %.

Einbettung in die Unterrichtsreihe

Die Anomalie des Wassers ist Gegenstand des Physikunterrichts in den Jahrgangsstufen 5 und 6 im Themenbereich Wärmelehre. Begonnen wird oft mit den drei Aggregatzuständen am Beispiel des Wassers. Wassereis, flüssiges Wasser und Wasserdampf sind aus dem Alltag bekannt. Darauf folgen die Temperaturskalen, wo insbesondere bei der Celsiusskala wieder der Stoff Wasser im Vordergrund steht. Die Ausdehnung von Metallen und Flüssig- keiten beim Erwärmen kann mit vielen bekannten Experimenten dargestellt werden. Das Mystery zum Gegenstand „Anomalie des Wassers“ ermöglicht darauffolgend die Erweite- rung, dass sich Wasser auch beim Abkühlen unter 4 °C ausdehnt. Durch das Alltagsbeispiel einer durch gefrierendes Wasser ausgebeulten Plastikflasche wird an die Erfahrungswelt der Schüler angeknüpft. Am Ende der Unterrichtsstunde sollten auch tatsächlich zwei 0,5-l-Plastikflaschen in einen Gefrierschrank gestellt werden – eine leere und eine randvoll mit Wasser gefüllte. In der folgenden Physikstunde lässt sich der Unterschied zwischen dem Zusammenziehen der Luft und dem Ausdehnen von Wasser beim Gefrieren deutlich demonstrieren. In einem fiktiven Alltagsbeispiel der Einstiegsgeschichte soll besonderes Interesse durch einen Rätselsatz geweckt werden. Als Ergänzung wird die Sprengwirkung des gefrierenden Wassers angesprochen, wie sie bei Straßenschäden, Rohrbrüchen oder bei der Bodenlockerung auftritt. Vertiefend kommen andere Stoffe zur Sprache, die ebenfalls eine Dichte-Anomalie besitzen. Auf die Bedeutung von Wasserstoffbrückenbindungen als Erklärung für die Dichte-Anomalie des Wassers wird in dem Mystery nicht eingegangen.

Ich verhalte mich nicht „normal“ – Anomalie des Wassers Hinweise

zur Vollversion

VORSC

HAU

(5)

Arbeitsblatt

Einstiegsgeschichte

Besser könnte der Sommer nicht sein! Anna und ihre Freundin Sylvie genießen die Ferien in vollen Zügen. Jeden Tag im Freibad sein, bei bestem Wetter: Da braucht man nichts weiter – außer ein kühles Getränk und natürlich ein gutes Eis.

„Alles könnte so entspannt sein, wenn da nicht dieser Kevin immer wieder nerven würde!

So ein richtiger Klugscheißer“, denkt Anna, als Kevin gerade vom Kiosk direkt auf sie zu- kommt: „Habt ihr ’nen kühlen Kopf, Mädels? Dann könnt ihr bestimmt mein Rätsel lösen!“

Eigentlich ist Kevin ein Missgeschick passiert. Er will nun herausfinden, ob das den Mädels nicht passiert wäre.

Die beiden Freundinnen haben gar keine Lust auf Kevins Rätsel – aber sollen sie etwa zugeben, dass sie Kevin nicht das Wasser reichen können? Das kommt gar nicht infrage!

Leer zieh ich mich zusammen und voll werde ich richtig dick!

Wer bin ich?

Lösung:

1. Lest euch gegenseitig die (ausgeschnittenen) Karten vor.

2. Versucht, die Frage zu lösen.

Ordnet dazu die Karten in einer sinnvollen Struktur an.

Tipp: Ihr müsst nicht unbedingt alle Karten verwenden.

3. Klebt anschließend die Karten auf das Plakat und verbindet sie miteinander, damit ein Zusammenhang erkennbar wird. Dazu könnt ihr Oberbegriffe ergänzen.

4. Schreibt eure Lösung der Frage in einem Satz auf das Plakat.

zur Vollversion

VORSC

HAU

(6)

Basiskärtchen

Beim Erhitzen dehnen sich alle Stoffe aus, z. B. auch der Stahlbeton einer Brücke im Sommer.

Die meisten Stoffe ziehen sich beim Abkühlen immer weiter zusammen.

Stellt man eine volle Plastik-Wasser- flasche in einen Gefrierschrank, findet man die Plastikflasche nach einiger Zeit stark ausgebeult wieder.

Eine leere (nur mit Luft gefüllte) Plastikflasche zieht sich beim Abkühlen zusammen.

An einem heißen Sommertag ist nichts nötiger als ein leckeres Eis und ein kühles Getränk.

Im Winter kühlt die kalte Luft das Was- ser an der Oberfläche ab. Es sinkt nach unten.

Das geht so lange, bis der ganze See eine Temperatur von 4 °C hat.

Erst dann kann das Wasser an der Oberfläche weiter abkühlen, bleibt aber oben und gefriert.

Doch Wasser verhält sich anders.

Das nennt man die Dichteanomalie des Wassers.

Beim Abkühlen bis 4 °C zieht sich Was- ser, wie alle anderen Flüssigkeiten, zusammen.

1 Liter Wasser gefriert zu ungefähr 1,1 Liter Wassereis, wiegt aber immer noch 1 kg.

Da die Dichte besagt, wie viel 1 cm³ eines Stoffes wiegt, hat Wassereis eine geringere Dichte als Wasser und schwimmt!

Bei einer weiteren Abkühlung unter 4 °C dehnt sich Wasser jedoch wieder aus.

Beim Gefrieren (0 °C) nimmt das Volumen sogar um fast 10 % zu.

Dadurch entsteht ein so hoher Druck, dass eine Plastikflasche stark ausgebeult wird.

Eisberg und Eiswürfel schwimmen im Wasser:

zur Vollversion

VORSC

HAU

(7)

Basiskärtchen

In jedem stehenden Gewässer (Teich, See aber auch im Meer oder im Ozean) sinkt das 4 °C warme Wasser nach unten.

Ist Wasser wärmer als 4°C, nimmt die Dichte ab.

Ist Wasser kälter als 4 °C, nimmt die Dichte ab.

WASSERTEMPERATUR DICHTE

0 °C 0,99984 g/cm³

1 °C 0,99990 g/cm³

2 °C 0,99994 g/cm³

3 °C 0,99997 g/cm³

4 °C 0,99998 g/cm³

5 °C 0,99997 g/cm³

10 °C 0,99970 g/cm³

20 °C 0,99820 g/cm³

Wasser mit einer Temperatur von 4 °C ist am weitesten zusammengezogen, es hat also die größte Dichte.

1 l Wasser wiegt bei 4 °C genau 1 Kilogramm.

Im Sommer wird das Wasser auf der Oberfläche von der Sonne erwärmt.

Da es sich beim Erwärmen ausdehnt, bleibt das warme Wasser an der Ober- fläche.

Unten im See befindet sich kühleres Wasser, was ein Schwimmer an den Füßen spüren kann.

Wird die Luft in einer leeren Plastik- flasche erwärmt, hört man die Aus- dehnung durch ein deutliches Knacken.

Ein See im Sommer:

Ein See im Winter:

Fische und andere Lebewesen können auch im Winter in tieferem Wasser überleben.

Hätte Wasser nicht diese besondere Dichteanomalie, würden alle Gewässer von unten her vereisen.

Am Grund tiefer Seen und auch in den Meeren und Ozeanen hat das Wasser also immer eine Temperatur von 4 °C.

Temperaturschwankungen finden nur in den oberen Wasserschichten statt.

0 °C 2 °C 4 °C 4 °C

22 °C 18 °C 8 °C 6 °C 4 °C

zur Vollversion

VORSC

HAU

(8)

Matthias Sauer: Mysterys Physikunterricht 5–10 © Auer Verlag Ich verhalte mich nicht „normal“ – Anomalie des Wassers Mögliche Lösung Lösung der Leitfrage: Kevin wollte schnell eine volle Wasserflasche im Gefrierschrank kühlen. Da es auf die leere Plastikflasche Pfand gibt, stellte er sie zusammen mit der vollen in den Gefrierschrank. Nach einer Stunde hat sich die leere zusammengezogen, die volle ist sehr dick geworden. Ein kühles GetränkAnomalie des WassersAuswirkungen auf Gewässer An einem heißen Sommertag ist nichts nötiger als ein leckeres Eis und ein küh- les Getränk.

Beim Erhitzen dehnen sich die meisten Stoffe aus, z. B. auch der Stahlbeton einer Brücke im Sommer.

In jedem Gewässer sinkt das 4 °C warme Wasser wegen seiner größten Dichte nach unten. Ist man aber zu ungeduldig und stellt eine volle Wasserflasche in einen Gefrierschrank, findet man die Flasche zerbrochen wieder.

Doch Wasser verhält sich anders. Das nennt man die Dichteanomalie des Wassers.

Im Sommer wird das Wasser auf der Oberfläche erwärmt. Da es sich beim Erwärmen ausdehnt, bleibt das warme Wasser oben. Eine leere PET-Flasche zieht sich beim Abkühlen zusammen. Eine mit Wasser gefüllte PET-Flasche platzt oder wird sehr dick.

Beim Abkühlen bis 4 °C zieht sich Wasser zusammen. Bei einer weiteren Abkühlung unter 4 °C dehnt sich Wasser aber wieder aus.

Im Winter kühlt die kalte Luft das Wasser an der Oberfläche ab. Es sinkt nach unten. Nur an der Oberfläche bildet sich Eis. Das geht so lange, bis der ganze See eine Temperatur von 4° C hat. Kevin meint mit seinem Rätsel „Leer ziehe ich mich zusammen und voll platze ich!“ zwei PET-Flaschen in einem Gefrier- schrank.

Beim Gefrieren (0° C) nimmt das Volumen sogar um fast 10 % zu. Dadurch entsteht ein so hoher Druck, dass eine Flasche platzt.

zur Vollversion

VORSC

HAU

(9)

Hinweise Münze und Feder fallen gleich schnell – der „Freie Fall“

Sachanalyse

Meistens denken wir über Fallbewegungen nach, wenn etwas Ungewolltes passiert. Das Verb

„fallen“ lernen kleine Kinder ziemlich schnell, nachdem sie die ersten Schritte zurückgelegt haben. Dazu gibt es viele Redewendungen, wie „auf die Nase fallen“, „etwas ist ausgefal- len“ oder „der Kurs ist gefallen.“ In der Physik wird daraus etwas Befreiendes – der „Freie Fall“. Sehr häufig ist dabei, oftmals unterbewusst, folgende Vorstellung zu hören: „Schwere Gegenstände fallen schneller als leichte.“ So dachte wohl auch Aristoteles um 350 v. Chr.

Diese Vorstellung hielt sich hartnäckig, sogar als allgemeine Lehrmeinung an Universitäten, bis um das Jahr 1600 Galileo Galilei offiziell den Irrtum aufklärte. Die Geschichte, dass er gleich große Kugeln aus verschiedenen Materialien (und damit unterschiedlicher Masse) vom Schiefen Turm von Pisa fallen ließ, ist nicht belegt. Dafür aber die Aufzeichnungen Galileo Galileis über Kugeln auf einer schiefen Ebene. Die Grundannahme Galileis „Alle Dinge fallen gleich schnell, und zwar unabhängig von ihrer Masse“, beruht auf einem Gedankenexperi- ment: Bindet man etwas Leichtes und etwas Schwere zusammen, müsste beides zusammen noch schneller fallen. Doch das ist nicht der Fall. Galileo Galilei erklärte den langsamen Fall einer Feder oder eines Laubblattes mit dem durch die äußere Form bedingten Luftwiderstand.

Ohne Luftwiderstand – im Vakuum – fallen tatsächlich alle Dinge gleich schnell.

Einbettung in die Unterrichtsreihe

Ein wichtiger Themenbereich des Physikunterrichts ist die Mechanik. Nachdem Geschwin- digkeit und gleichmäßig beschleunigte Bewegung erarbeitet wurden, kann im Unterricht auf den – durch die Anziehungskraft der Erde bedingten – „Freien Fall“ eingegangen werden.

Als Grundvoraussetzung sollten die Kinder und Jugendlichen sicher sein im Umgang mit den Einheiten ^m_s und ^km_h . Sehr wichtig ist die Richtigstellung des in den Medien häufig gebrauch- ten Begriffs „Stundenkilometer“. So wie in England von mph (miles per hour) gesprochen wird, ist es zwingend notwendig, stets „Kilometer pro Stunde“ bzw. „Meter pro Sekunde“ zu sagen – die Geschwindigkeit muss als Quotient von Strecke und Zeit bereits verinnerlicht sein. Nur dann wird es gelingen, ^m_s₂ als Einheit der Beschleunigung und damit auch der Erd- beschleunigung zu verstehen.

Das Mystery zum Gegenstand „Freier Fall“ ist als Einstieg in dieses Thema gedacht. Auf die Berechnungen der Fallstrecke oder der Fallgeschwindigkeit wird hier nicht eingegangen.

Ausgehend von den historischen Überlegungen Aristoteles und Galileis sollen die Kinder und Jugendlichen mögliche Fehlvorstellungen abbauen und den „Freien Fall“ als gleichmä- ßig beschleunigte Bewegung erklären – allein bedingt durch die Erdanziehung. Dazu werden in dem Mystery einfache Experimente angeführt, die im Nachgang unbedingt durchgeführt werden sollten. So kann das im Mystery Gelernte handlungsorientiert erfahren werden. Das hauptsächliche Experiment, woran auch die Einstiegsgeschichte anknüpft, ist die Fallröhre mit Münze und Feder. Auch wenn keine Vakuumpumpe vorhanden ist, reicht eine Wasser- strahlpumpe aus, um zumindest zeigen zu können, dass im Unterdruck die Feder deutlich schneller fällt. Damit ist bewiesen, dass nicht die Masse (bei der Feder ca. ₂₀₀₀¹ der Münze), sondern einzig der Luftwiderstand den Freien Fall beeinflusst. In den Erweiterungskarten kommt dasselbe, von Apollo 15 auf der Mondoberfläche durchgeführte Experiment zur Sprache. Vertiefend können die Kinder und Jugendlichen etwas über die Ursache der auf dem Mond deutlich langsameren Fallbewegung erfahren.

zur Vollversion

VORSC

HAU

(10)

Arbeitsblatt

Einstiegsgeschichte

Eigentlich mag Lena Physik. Ihr Physiklehrer, Herr Schneider, hat gesagt, es gehe immer um Bewegungen: Bewegungen von Körpern, Bewegungen von Licht und Schall, Bewegungen von Elektronen. Aber heute, in der fünften Stunde, hat Lena keine Lust, sie will sich selbst bewegen. Ja wirklich, sie sich selbst – und nicht irgendwelche Teilchen! Nachher wird sie mit ihren Freundinnen Anna und Bea joggen und danach ist ein Filmabend geplant. Schließlich ist heute Freitag.

Lena denkt: „Was macht Herr Schneider da vorne eigentlich? Ok, er lässt Dinge fallen, Mün- zen und Federn. Klar, es geht um Bewegungen.“ Genauso, wie die Feder in der Luft, schwebt Lena wieder mit ihren Gedanken davon. Nur noch eine Stunde, dann ist Wochenende … Nachdenklich schaut Lena nach vorne. Plötzlich fällt die Feder gleich schnell wie die Münze und es klingelt zum Stundenende.

Wie können Feder und Münze gleich schnell fallen?

Lösung:

1. Lest euch gegenseitig die (ausgeschnittenen) Karten vor.

2. Versucht, die Frage zu lösen.

Ordnet dazu die Karten in einer sinnvollen Struktur an.

Tipp: Ihr müsst nicht unbedingt alle Karten verwenden.

3. Klebt anschließend die Karten auf das Plakat und verbindet sie miteinander, damit ein Zusammenhang erkennbar wird. Dazu könnt ihr Oberbegriffe ergänzen.

4. Schreibt eure Lösung der Frage in einem Satz auf das Plakat.

zur Vollversion

VORSC

HAU

(11)

Basiskärtchen

Eine Fallröhre ist ein luftdicht ver- schließbares Glasrohr.

Mit einer Wasserstrahlpumpe (oder besser mit einer Vakuumpumpe) kann darin ein deutlicher Unterdruck erzeugt werden.

Da die Beschleunigung beim Freien Fall durch die Anziehungskraft der Erde hervorgerufen wird, heißt der Beschleu- nigungsfaktor Erdbeschleunigung.

Dieser Faktor wird mit der Abkürzung g bezeichnet.

Während des gesamten Falls ist die Beschleunigung konstant.

Die Erdbeschleunigung g beträgt etwa 10 ^m

s² (für Mitteleuropa genauer: 9,81 ^m

s²).

Die Geschwindigkeit eines fallenden Körpers nimmt also jede Sekunde um ca. 10 ^m_s bzw. 36 ^km_h zu.

Um zu beweisen, dass nur der Luftwi- derstand einen Einfluss auf die Fallge- schwindigkeit hat, kann ein Fallversuch im Vakuum oder in deutlichem Unter- druck durchgeführt werden.

Der Freie Fall

Als „Freien Fall“ bezeichnet man die gleichmäßig beschleunigte Bewegung eines fallenden Körpers ohne Einfluss des Luftwiderstands.

Ist der Luftwiderstand gleich, fallen alle Gegenstände gleich schnell.

Die Masse hat keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit beim Freien Fall.

Die Geschwindigkeit nimmt proportio- nal mit der Zeit zu.

„Ohne Luftwiderstand, das heißt im Vakuum, fallen alle Dinge gleich schnell.“

Galileo Galilei

In der luftleeren Fallröhre fällt die Feder fast gleich schnell wie die Münze.

Fallbewegungen von kompakten Körpern entsprechen bei geringen Höhen – trotz des Luftwiderstands – in etwa einem Freien Fall.

Das kann zum Beispiel eine Kugel aus 20 m Höhe oder ein Turmspringer aus 10 m sein.

Fällt ein DIN-A4-Blatt über seine lange Kante, ist die Fallbewegung recht schnell. Ein waagerechtes DIN- A4-Blatt segelt langsam zu Boden.

Beide Blätter sind gleich groß und gleich schwer – die Lage beeinflusst aber den Luftwiderstand.