'Keine Kraft ohne Gegenkraft!' - Wechselwirkungsaspekte bei Kräften

Datum: 02. Oktober 2008 Autor: Laura Kommentare: 0

Zusätzliche Informationen:

"Keine Kraft ohne Gegenkraft!" - Wechselwirkungsaspekte bei Kräften

Inhaltsverzeichnis:

1. Analyse der Rahmenbedingungen und Voraussetzungen
2. Sachanalyse des Themas
3. Didaktische Analyse
4. Lernziele
5. Methodische Überlegungen und Medienwahl

1. Analyse der Rahmenbedingungen und Voraussetzungen

Da dieser Unterrichtsentwurf nicht für eine konkrete Klasse konzipiert wurde, werden hier nur die fachlichen Grundlagen dargelegt, welche wir für unsere Unterrichtsstunde voraussetzen.
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Den Schülern sollte Folgendes bekannt sein:
- der physikalische Kraftbegriff
- Auswirkungen von Kräften (Verformung, Beschleunigung)
- Umgang mit einem Kraftmesser
- Maßeinheit „Newton"

2. Sachanalyse

Der physikalische Kraftbegriff:
Kraft ist eine Fähigkeit, etwas zu bewirken. Als physikalischer Fachbegriff bezeichnet Kraft die Fähigkeit die Bewegung eines Körpers zu ändern (Richtungsänderung oder Änderung der Geschwindigkeit) oder einen Körper zu verformen. Wichtig ist dabei zu beachten, dass man Kraft nicht „hat", sondern Kraft immer von einem Körper auf einen anderen „wirkt". Dass auch „tote" Gegenstände (z.B. ein Buch, das auf dem Tisch liegt) eine Kraft ausüben können, ist dabei für den Schüler nicht selbstverständlich. Er schreibt meist nur lebenden Dingen (Mensch, Tier) oder Maschinen diese Möglichkeit zu. Daher muss die genaue Bedeutung des physikalischen Fachbegriffs sorgfältig ausgearbeitet werden.

Das 3. Newtonsche Axiom:
Eine Kraft F von einem Körper A auf einen Körper B tritt nie alleine auf. Denn Kräfte treten immer paarweise auf. Übt Körper A eine Kraft auf Körper B aus (A->B), wirkt auch eine zweite Kraft von Körper B auf Körper A (B->A). Diese beiden Kräfte treten gleichzeitig auf, sind gleich groß (Betragsgleichheit) und wirken entgegengesetzt.
Auch Gleichgewichtskräfte treten häufig paarweise auf. Daher ist es wichtig diese genau von den Wechselwirkungskräften zu unterscheiden. Während Gleichgewichtskräfte immer auf denselben Gegenstand wirken, ist es wichtig zu beachten, dass Wechselwirkungskräfte immer auf zwei verschiedene Körper wirken.
Das 3. Newtonsche Axiom in der Vektorschreibweise lautet daher:

Schwierigkeiten bereitet dieses Gesetz oft bei den unterschiedlichsten Situationen.
So z.B. beim Magneten: Für viele Menschen ist der Magnet der „Aktive", das Eisenstück der „Passive". Hier gilt es falsche, schon gefestigte Vorstellung zu überwinden. Denn auch hier wirken beide Kräfte, Kraft und Gegenkraft, was bedeutet, dass auch das Eisenstück den Magneten anzieht.
Das gleiche Problem taucht bei der Erklärung der Erdanziehungskraft auf. Natürlich zieht die Erde Gegenstände an, aber dass auch die Gegenstände die Erde anziehen ist nicht nur für Schüler, sondern meist auch für jeden Nicht-Physiker schwer vorstellbar.
Zur Erklärung dieses Aspektes wird das 2. Newtonsche Axiom herangezogen: F = m*a
Wirkt also auf einen Körper eine Kraft, so wird er in Richtung der Kraft beschleunigt. Die Beschleunigung ist der Kraft direkt, der Masse des Körpers umgekehrt proportional. Nimmt also die Masse zu, nimmt die Beschleunigung bei gleich bleibender Kraft ab.

Beispiel:
Lässt man einen Ball mit einer Masse von100 g fallen, so wird er mit 9,81 m/s2 nach unten beschleunigt und auf ihn wirkt eine Kraft von rund 1 N, da er von der Erde angezogen wird. Der Ball übt eine gleich große und entgegengesetzt gerichtete Kraft auf die Erde aus.
Warum beschleunigt die Erde dann nicht aufwärts Richtung Ball?
Weil die Masse der Erde so groß ist, ist die Beschleunigung der Erde viel zu klein, um bemerkt zu werden.

3. Didaktische Analyse

Das Thema im Kontext des Bildungsplans
Das „Wechselwirkungsgesetz" erscheint im Bildungsplan der Realschule unter der Leitidee „Wechselwirkung" neben anderen Stichpunkten wie „Kraftwirkungen", „Trägheitsgesetz" und „Impuls". Dabei nennt der Bildungsplan für das Fach NWA allgemeine Punkte, wie z.B. :

Die Schüler können
- Gesetzmäßigkeiten vermuten
- Versuche durchführen
- Gesetzmäßigkeiten überprüfen
- Naturwissenschaftliche Erkenntnisse in Alltagssituationen nutzen und anwenden

Daneben steht in den Klassen 8 und 9 die Erarbeitung von fachspezifischen Grundlagen im Vordergrund, weshalb wir unser Thema in die 8. Klasse einordnen würden.

Zur Bedeutung für die Lebenswirklichkeit der Schüler und Schülerinnen
Jeder Schüler ist in seinem Alltag mit Kräften, wie auch mit ihren Gegenkräften und somit schon mit dem ganzen Wechselwirkungsgesetz konfrontiert. Jedoch werden sie vom Schüler nicht unbedingt als solche wahrgenommen. Die Schüler haben ihre Erfahrungen gemacht, und sich dem entsprechend eine Vorstellung gewisser Naturgesetze schon zurechtgelegt. Unsere Aufgabe im Physikunterricht ist es nun, den Blick der Schüler für physikalische Inhalte und Gesetzmäßigkeiten zu schulen und sie zu lehren, die richtigen Fragen zu stellen. Außerdem sollten wir ihnen auch die möglichen Lösungsmöglichkeiten, sowie die dafür nötigen Hilfsmittel aufzeigen. Naturwissenschaftliches Denken, das richtige Fragen und genaues Hinschauen muss in vielerlei Hinsicht erst gelernt werden. In dieser Stunde gilt es Beobachtungen zu machen, Thesen aufzustellen und diese zu überprüfen bzw. anzuwenden.

Zum exemplarischen Charakter des Themas
Kraft und Gegenkraft stehen zum einen exemplarisch für Inhalte der Physik, die auch jedem Nicht-Physiker zunächst als nicht so kompliziert erscheinen. Jeder kann zunächst etwas mit den Begriffen anfangen. Wie bei vielen Themen der Physik wird die Komplexität des Themas erst bei näherem Hinsehen deutlich.
Kraft und Gegenkraft stehen dabei exemplarisch für viele Aspekte des Prinzips der Wechselwirkung, welch auch außerhalb der Physik auftauchen.

Zu möglichen Lernschwierigkeiten und falschen Schülervorstellungen
Schon der Kraftbegriff wirft hier oftmals einige Unklarheiten auf. Durch den Sprachgebrauch des Begriffs „Kraft" konzipiert sich der Schüler von Anfang an eine falsche Vorstellung von „Kraft" im physikalischen Sinne. Selbst bei Erwachsenen ist diese falsche Vorstellung von „Kraft haben" häufig noch in den Köpfen verankert.
Auch dadurch fällt es den Schülern häufig schwer, sich vorzustellen, wie ein „toter" Gegenstand, wie etwa eine Wand, gegen welche ein Auto fährt, eine Kraft ausüben kann. Mit „Kraft ausüben" verbinden die Schüler meist eine Aktivität, was nur etwas Lebendes bewirken kann.
Er sieht also meist einen Körper als aktiv, den zweiten nur als passiv an. Im besonderen Fall des Magneten wie auch der Erdanziehungskraft, treten diese Lernschwierigkeiten natürlich besonders deutlich hervor. So würde der Schüler meist den Magneten bzw. die Erde als aktiv, das Eisenstück bzw. Gegenstände auf der Erde als passiv bezeichnen.
Oftmals wird die Gegenkraft auch nur als eine Art Hindernis für die wirkende Kraft wahrgenommen und nicht als entgegengesetzt wirkende und betragsgleiche Kraft anerkannt.
Da Wechselwirkungskräfte immer paarweise auftreten, stellt häufig auch die Abgrenzung von Gleichgewichtskräften für die Schüler eine Lernschwierigkeit dar.

Zur Struktur des Inhalts
- Anhand der Einleitung sollen die Schüler auf die Problemstellung aufmerksam gemacht werden.
- Im ersten Schülerversuch sollen die Schüler die Wechselwirkungskräfte selbst spüren.
- Die Grundprinzipien werden aufgestellt.
- Die Schüler überprüfen die Gesetzmäßigkeit.
- Das Prinzip wird auf Alltagssituationen übertragen.

4. Lernziele

Feinziele (Teilziele)
Die Schüler sollen:
- erkennen, wo Kräfte wirken (Folie - Einstieg)
- Vorstellungen und Vorkenntnisse mit einbringen beziehungsweise Thesen aufstellen
- erkennen, dass ein Körper A, der auf einen Körper B eine Kraft (Zug oder Druck) ausübt, gleichzeitig eine gleich große Kraft in Gegenrichtung erfährt (Wechselwirkungsgesetz)
- ein Verständnis entwickeln (mit dem Rollbrett), dass zu jeder Kraft eine Gegenkraft gehört
- anhand einer Situation zeigen, dass Kraft und Gegenkraft immer paarweise, betragsgleich und gleichzeitig auftreten
- durch Bestimmung des Ansatzpunktes der Kraft Wechselwirkungskräfte identifizieren können
- anhand eines Versuchs einen Zusammenhang von Masse und Beschleunigung erkennen. Mit diesem Modell sollen sie akzeptieren, dass die Erde nicht nur anzieht, sondern auch angezogen wird
- durch die Versuche feststellen, dass dieses Gesetz nicht nur für Lebewesen und Motoren gültig ist, sondern auch für die magnetischen (und elektrischen) Kräfte merken, dass das Wechselwirkungsgesetz universell gültig ist
- den physikalischen Kraftbegriff und seine Auswirkungen verstehen das 3. Newtonsche Gesetz in Worten wieder geben können
- selbst eine Regel formulieren und diese später mit den Versuchen überprüfen
- zwei Beispiele nennen können, die veranschaulichen, dass auf Körper eine Kraft und eine Gegenkraft wirkt
- erkennen, dass die Gewichtskraft eine Kraft ist, mit der ein Körper infolge der Gravitationskraft auf einen zweiten Körper wirkt. Vertrauen in ihre Ergebnisse haben eine Abgrenzung zu den Gleichgewichtskräften herleiten können

5. Methodische Überlegungen und Medienwahl

Wir haben uns für einen Einstieg mit Folie entschieden, da diese überall "durchführbar" ist. Man braucht keine besonderen Materialien und kann die Folie immer und überall einsetzen. Wir denken, die Folie mit der Crash-Situation spricht die Schüler eher an, als eine "langweilige" Abschleppsituation.

Die Tatsache das hier sowohl eine Kraft auf die Wand wirkt, als auch eine zweite Kraft auf das Auto, ist für Schüler als Einstieg in das Thema fassbar.
Die Folie wird ohne Überschrift und ohne vorgegebene Fragestellung aufgelegt, um die Kommentare der Schüler zu sammeln und weiter zu verfolgen. Die Kommentare zu dem Zusammenstoß werden an der Tafel gesammelt. Die Schüler sollen ihre Reaktionen und Antworten begründen. Das Ziel dieses Einstieges ist es, auf folgende Fragen einzugehen; Welche Kräfte wirken? und Von wem auf wen? Sie werden aber nicht mit richtig oder falsch bewertet.

Nachdem diese Fragen geklärt worden sind oder die Schüler zumindest Vermutungen gemacht haben, werden wir mit einem Schüler einen Versuch vor der Klasse durchführen. Der Schüler soll auf ein Rollbrett steigen, ohne Hilfe, ohne sich irgendwo festzuhalten und das Brett darf sich nicht bewegen. Die Klasse soll auch hier vermuten, ob es gelingt oder nicht. Dieser Versuch kann mit ganz ungläubigen Schülern auch noch einmal wiederholt werden.

Anschließend sollen die Schüler versuchen die Aspekte, den Zusammenhang der beiden Versuche herzustellen, zu erschließen. Der Transfer kann in der 8. Klasse Realschule geleistet werden. Das Grundprinzip wird gemeinsam erarbeitet und durch einen Merksatz (am besten von einem Schüler) schriftlich festgehalten.

In der Stunde sollen vier verschiedene Stationen durchlaufen werden. Alle vier Stationen werden in Gruppen durchlaufen. Jeder Schüler bekommt an jeder Station ein Arbeitsblatt mit Arbeitsauftrag. Die Aufträge bestehen darin, Experimente durchzuführen und auch Fragen beziehungsweise Aufgaben zu bearbeiten. Die Aufgabenblätter lassen so viel Platz, dass jeder Schüler seine Ergebnisse gleich auf sein Blatt eintragen kann und sich eventuell weitere Gedanken notieren kann. Die Ergebnisse der Stationen werden am Ende der Stunde gemeinsam besprochen.
Eine Alternative wäre mehr Stationen vorzubereiten und die Schüler in Partnerarbeit die Stationen bearbeiten zu lassen. Aber mehr Stationen bedeutet mehr besprechen. Und wir sehen darin ein Problem. Man wird wahrscheinlich mit dem ganzen Stoff der vielen Stationen nicht ganz fertig werden.
Mit vielen verschiedenen Stationen könnte man unterrichten, wenn man zwei bis drei Schulstunden Zeit hat.
Die erste Station „Wer zieht an wem?" soll zeigen, ob die Decke stärker an der Lampe zieht oder die Lampe doch stärker an der Decke. Die zweite Station „Unterschiedliche Bewegungen trotz Gleichheit von Zug und Gegenzug" soll zur Verdeutlichung der Erdbewegung dienen. Da die Erde so schwer ist, merkt man keine nennenswerte Bewegung. Der Schüler mit dem schweren Rollbrett soll sozusagen die Erde darstellen. Bei der dritten Station vergleichen wir „Zug und Gegenzug". Ein Schüler zieht einen anderen Schüler auf einem Rollbrett gleichmäßig nach hinten. Die letzte, vierte Station „Wer zieht an wem?" ist ähnlich der ersten Station. Hier kann der Schüler Vermutungen anstellen und Thesen aufstellen. Zieht nun der Magnet die Eisenstange an oder doch umgekehrt?

Die einzelnen Stationen werden am Ende besprochen und zur Verdeutlichung mit Situationen aus dem Alltag (auf EIS laufen, ....) gestärkt. Als möglichen Puffer könnte man sich auch einen kleinen Film anschauen, sei es von einer Abschleppsituation, Crash-Situation oder doch von jemandem der auf Eis läuft und hinfällt). Weglassen könnte man hier im Notfall die Station 4 „Wer zeiht an wem?" aus dem Grund, das wir schon bei Station eins auch eine „Wer zeiht an wem?" Station haben und die vierte Station sicher die ist, mit den meisten Lernproblemen. Für diese Station muss man sich viel Zeit nehmen, um mit den Schülern darüber zu reden.