Kraft

Di­dak­ti­sche Hin­wei­se

Der Be­griff „Kraft“ ist den Schü­le­rin­nen und Schü­lern wahr­schein­lich aus ihrem All­tag schon be­kannt. Die­sen All­tags­be­griff gilt es nun in den Be­griff der phy­si­ka­li­schen Kraft über­zu­füh­ren. Mit­hil­fe von Bei­spie­len aus ihrem All­tag kann man den Schü­le­rin­nen und Schü­lern sehr ein­fach zei­gen, dass man eine Kraft nicht sehen kann, son­dern sie nur an ihrer Wir­kung er­kennt.

So wird bei­spiels­wei­se der Be­we­gungs­zu­stand eines Fuß­balls beim Tor­schuss ge­än­dert und gleich­zei­tig wird er noch ver­formt. Ein an­de­rer Ein­stieg in das Thema wäre ein Bild eines Bo­dy­buil­ders zu zei­gen und die Frage zu stel­len, wie man über­prü­fen könn­te, ob die­ser Mensch tat­säch­lich „so viel Kraft hat“ wie es den An­schein hat.

Die Wir­kun­gen von Kräf­ten kann man im Un­ter­richt an ei­ni­gen Hand­ver­su­chen auf­zei­gen:

Be­we­gungs­zu­stand än­dern:

• Ein Fahr­wa­gen wird be­schleu­nigt oder ab­ge­bremst
• Eine rol­len­de Kugel er­fährt eine Rich­tungs­än­de­rung (durch me­cha­ni­sche Kraft­ein­wir­kung oder durch einen Ma­gne­ten)

Ver­for­mung :

• Ein Fahr­wa­gen trifft auf ein Stück Knet­mas­se
• Ein Stück Pa­pier wird zer­knüllt
• Ein Luft­bal­lon wird zu­sam­men­ge­drückt
• Eine Feder wird ge­dehnt

Die Ver­for­mung der Feder kann man im Schü­ler­ver­such nun ge­nau­er un­ter­su­chen las­sen. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler hän­gen un­ter­schied­li­che Mas­se­stü­cke an un­ter­schied­li­che Fe­dern und no­tie­ren sich je­weils die ent­spre­chen­den Deh­nun­gen. Bei ge­naue­rem Be­trach­ten ist zu er­ken­nen, dass die an­ge­häng­te Masse bzw. deren Ge­wichts­kraft pro­por­tio­nal zur Deh­nung der Feder ist. Die­ser Zu­sam­men­hang kann mit einem Kraft-Deh­nungs-Dia­gramm auch gra­fisch dar­ge­stellt und aus­ge­wer­tet wer­den. Im An­schluss an die­sen Ver­such ver­ste­hen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler auch, wes­halb für die Kraft­mes­ser Fe­dern ver­wen­det wer­den. An die­ser Stel­le muss er­wähnt wer­den, dass die Feder ein Spe­zi­al­fall ist. Mit­hil­fe eines Gum­mi­ban­des lässt sich sehr leicht zei­gen, dass das Hoo­ke­sche Ge­setz nicht für alle dehn­ba­ren Kör­per gilt.

Im An­schluss bie­tet es sich an, das Träg­heits­ge­setz und das Wech­sel­wir­kungs­ge­setz ein­zu­füh­ren. Diese kann man auch wie­der an Bei­spie­len aus dem All­tag auf­zei­gen:

Träg­heits­ge­setz : Ver­hal­ten von In­sas­sen bzw. Ge­gen­stän­den beim Brems­vor­gang im Auto.

Wech­sel­wir­kungs­ge­setz : 2 Schü­le­rin­nen/Schü­ler auf einem Skate­board, die ge­mein­sam an einem Seil zie­hen.

Die Ad­di­ti­on von Kräf­ten kann man sehr schön mit Kraft­mes­sern ver­an­schau­li­chen. An einer Ma­gnet­ta­fel las­sen sich die Kraft­mes­ser ein­fach an­brin­gen und durch ihr Ver­schie­ben die un­ter­schied­li­chen Er­geb­nis­se auf­zei­gen. Al­ter­na­tiv kann man dies auch mit­hil­fe einer Si­mu­la­ti­on (Java-App­let; s. Li­te­ra­tur­hin­wei­se) zei­gen.

Die qua­li­ta­ti­ve Ein­füh­rung des Im­puls­be­grif­fes kann am Ende der Un­ter­richts­ein­heit zur Kraft er­fol­gen oder im Zu­sam­men­hang mit dem Träg­heits­ge­setz.
Eine wei­te­re Mög­lich­keit wäre es, den Kraft­be­griff über den Im­puls ein­zu­füh­ren. Diese Mög­lich­keit wird im Rah­men des Karls­ru­her Phy­sik­kur­ses aus­führ­lich be­schrie­ben und wird in die­ser Hand­rei­chung nicht näher er­läu­tert.

Wei­te­re Hand- und De­mons­tra­ti­ons­ver­su­che sowie Ar­beits­blät­ter rund um das Thema „Kraft“ sind im Quel­len­ver­zeich­nis zu fin­den.
Das Kar­ten­rät­sel kön­nen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler am Ende der Un­ter­richts­ein­heit zur Wie­der­ho­lung der Be­griff­lich­kei­ten durch­füh­ren. Hier­zu müs­sen die Kar­ten aus­ge­druckt und aus­ge­schnit­ten wer­den. Wenn alle Be­grif­fe ihrem rich­ti­gen Part­ner zu­ge­ord­net wur­den, er­gibt sich eine Py­ra­mi­de als Lö­sung.

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