Stunden 7 - 13

Anwendung der NBG:
Schwerpunkt Beschleunigung

Anwendung der NBG auf eindimensionale Probleme mit Schwerpunkt Beschleunigung

Die NBG wird nun mit der Beschleunigungsbrille betrachtet, indem Vorgänge thematisiert werden, die keine Richtungsänderung besitzen (den Schülern sind solche Bewegungsabläufe zur Genüge bekannt). Siehe hierzu das Arbeitsblatt Kraft und Beschleunigung .

Wechselwirkungsgesetz

Es sollten zwei Schüler aus der Klasse das Experiment mit den Inlinern oder auch Skateboards nachstellen. Die beiden anschließenden Fahrbahnversuche verdeutlichen das Wechselwirkungsprinzip noch besser, da erfahrungsgemäß einer der SuS beim Experiment die Bewegung etwas ausbremst.

Ist hierfür kein Experimentiermaterial an der Schule, können auch die entsprechenden Filmsequenzen aus der Materialsammlung gezeigt werden.

Danach folgt eine Formulierung des Wechselwirkungsgesetzes und das Herausarbeiten, dass die Kräfte betragsgleich, einander entgegen gerichtet und am jeweils anderen Körper angreifen. Dies wird in dem vorgesehenen Kasten notiert.

Die Varianten 1 und 2 vertiefen das Wechselwirkungsprinzip, da der Wagen mit größerer Masse eine kleinere Geschwindigkeitsänderung erfährt.

Variante 2 hilft zur Quantifizierung bzw. Bestätigung, dass die Wechselwirkungskräfte gleichen Betrag haben: Mit der Newtonschen Bewegungsgleichung folgt, Als Hilfe für die beiden Varianten sollte gegeben werden, dass die Einwirkzeit des Kräftepaares identisch ist.

Im Vergleich zum anderen Experimentierwagen erhält der Wagen doppelter Masse nur die halbe Zusatzgeschwindigkeit (es kann auch direkt über Impulsänderung argumentiert werden). Folglich muss laut der Newtonschen Bewegungsgleichung der Kraftbetrag auf beide Experimentierwagen gleich groß gewesen sein.

Eine schöne Ergänzung zur Betrachtung der wirkenden Kräfte bei Wechselwirkungen zwischen Schlägern und Bällen bieten die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Prof. Vollmer der FH Brandenburg, die unter http://www.pro-physik.de/details/phiuznews/1305309/Von_Baellen_und_Schlaegern.html angesehen werden können.

Kräfte an der schiefen Ebene

Arbeitsblatt, das sich am Kontext des Mountainbike Fahrens orientiert. Das Arbeitsblatt leitet die SuS an, selbstständig die Komponenten der Hangabtriebskraft und der Normalkraft zu erarbeiten. Auch hier wird komplett auf ein statisches Betrachten verzichtet.

Mit den Kenntnissen über die Kraftkomponenten der Gewichtskraft an der schiefen Ebene kann die Betrachtung von Beschleunigungsprozessen unter Verwendung der NBG nun erweitert werden. Hierzu sollte jedoch zuvor das Bestimmen von Reibungskräften über die Normalkraft den Schülern an die Hand gegeben werden.

Kräftegleichgewicht

Das Thema Kräftegleichgewicht wird zunächst in der Dynamik eingeführt. Hier liegt ein Concept-Cartoon vor, der die Frage aufwirft, weshalb sich ein Mädchen, das mit dem Fahrrad fährt und ordentlich in die Pedale tritt, trotzdem mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegt. Es wird also wieder kontextorientiert eine Alltagserfahrung aus der Welt der Schüler aufgegriffen. Als Lernvoraussetzung kann die Kenntnis des Wechselwirkungsgesetzes angenommen werden.

Die Schüler erhalten ein Begriffsgerüst in Form von Begriffskärtchen, dass ihnen eine Hilfe sein kann, das Phänomen des Kräftegleichgewichts auszuformulieren.

Hier sollen sich die Schüler wieder an das ICH-DU-WIR-Schema halten.

Kräftegleichgewicht und Wechselwirkung

Die SuS werden mit diesem Arbeitsblatt auf das Prinzip geführt, dass Wechselwirkungspaare immer an zwei unterschiedlichen Körpern angreifen, nämlich an den Körpern die miteinander wechselwirken und das Kräftegleichgewicht bedeutet, dass mindestens zwei andere Körper (oder Felder) mit dem betrachteten Körper wechselwirken und ihn eben durch diese Krafteinwirkung im Kräftegleichgewicht halten.

Skalar und Vektor

Die SuS lernen das Prinzip kennen, dass eine vektorielle Größe über Multiplikation mit einer skalaren Größe verknüpft, wieder eine Vektorgröße ergeben kann und diese dann die selbe Richtung aufweist, wie die ursprüngliche Vektorgröße. Nachdem sie das Prinzip kennengelernt haben, sollen sie dieses mit den bisher bekannten Größen der Dynamik verifizieren.