Videoanalyse zu s ~ t² Stand: Kompetenzen und Kompetenzerwartungen

Transkript

1 Videoanalyse zu s ~ t² Stand: Schulart Realschule Jahrgangsstufen 10 Fach Physik Übergreifende Bildungs- und Medienbildung / Digitale Bildung Erziehungsziele Zeitrahmen eine Unterrichtsstunde Benötigtes Material Video der Anfahrt eines S-Bahn-Zuges Kompetenzen und Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler identifizieren eine konstante Kraft als Ursache für eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung (z. B. freier Fall), indem sie Änderungen von Bewegungszuständen analysieren. Mit den entsprechenden Bewegungsgleichungen führen sie unter Berücksichtigung der Einheiten und sinnvoller Genauigkeit Berechnungen durch. In alltagsrelevanten Kontexten, zum Beispiel im Straßenverkehr, bestimmen sie mithilfe der Grundgleichung der Mechanik die Beträge wirkender Kräfte und herrschender Beschleunigungen.. (Kompetenzerwartung 10 (I), 10 (II/III)) Seite 1 von 6

2 Aufgabe: Videoanalyse zu s ~ t² Das Video der Anfahrt eines S-Bahnzuges 423/433 mit 2 Waggons wird gezeigt: 1. Analysieren Sie die Bewegung der Abfahrt des Zuges mithilfe eines Videoplayers physikalisch (S-BAHNZUG 423/433). 2. Ermitteln Sie die Beschleunigungskraft der S-Bahn. Seite 2 von 6

3 Gestufte Hilfen: 1. Welche Art der Bewegung scheint hier vorzuliegen? 2. Welche Messwerte (physikalischen Größen) kann man anhand des Videos in einer Wertetabelle erfassen? (zusätzliche Hilfen: a) Die Zeit t kann man mit der Zeitangabe des Videoplayers bestimmen. b) Für die Zeit t muss das Video jeweils beim Vorbeifahren der vier Waggonteilenden der Waggons an dem Pfosten, an dem am Filmanfang die Spitze des Zuges zu sehen ist, angehalten und die Zeit am Videoplayer abgelesen werden. (Eine feinere Zeitabstufung erhält man, wenn man die Anzahl der Bilder pro Sekunde ermittelt.) c) Eine weitere Größe neben der Zeit t kann man mit Hilfe der technischen Daten der Baureihe 423 (z.b. durch Internet-Recherche) erarbeiten. d) Die weitere Größe ist der zurückgelegte Weg s. e) Der zurückgelegte Weg ist jeweils die Zugteillänge, die an der Markierung bereits vorbeigefahren ist. f) Mit der Internet-Recherche zum S-BAHNZUG 423/433 kann die Zugteillänge mithilfe der Wagenlänge des jeweils vorbei gefahrenen Waggons ermittelt werden. 3. Wie kann man die Tabelle aus der Hilfe b) auswerten, um die Vermutung aus Hilfe a) zu überprüfen? 4. Recherchieren Sie die Gesamtmasse des S-Bahn-Zuges der Baureihe 423/433. Seite 3 von 6

4 Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler 1. a) Es kann sich um eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung handeln. 2. Die Zeit t in s und die zurückgelegte Wegstrecke s in m können ermittelt werden: Für den zurückgelegten Weg s kann man die Länge von Endwagen und Mittelwagen aus dem Datenblatt (z.b. bei Wikipedia) ermitteln: Auszug aus dem Datenblatt der Baureihe et423: ( Mögliche Quellen: und ) Aufbau: Steuerwagen Mittelwagen Mittelwagen - Steuerwagen Gesamtlänge über Kupplung (LüK) mm Länge Steuerwagen ( ) mm Länge Mittelwagen ( ) mm Türen pro Fahrzeugseite 12 Antrieb: Stromsystem V, 16 2/3 Hz Fahrmotor: 8 wassergekühlte Drehstromasynchronmotoren (Adtranz) Gesamtleistung (Stundenleistung) 2350 kw Gesamtfahrzeug Fahrgäste max. 544 Masse des Zugs: - leer 105,0 t - besetzt 119,4 t Anfahrbeschleunigung 1,0 m/s 2 Bremsverzögerung 0,9 m/s 2 Höchstgeschwindigkeit 140 km/h Aus dem Datenblatt ergibt sich: Endwagen: 17,84 m und Mittelwagen 15,06 m 3. Ermittelte und ausgewertete Wertetabelle: t in s 0 7,5 10,2 12,8 15,2 16,9 18,5 20,0 21,4 s in m 0 17,8 32,9 48,0 67,4 85,2 100,3 115,4 133,2 t² in s² 0 56, s t² in m s² - 0,32 0,316 0,293 0,292 0,298 0,293 0,289 0,291 Ergebnis: Es handelt sich um eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung. Mittelwert: s t 2 = 0,30 m s 2 Seite 4 von 6

5 4. Masse des S-BAHNZUG 423/433 mit 2 Waggons aus dem Datenblatt (siehe oben): m = 239 t ( Besetztgewicht") Es gilt: Beschleunigung a = 2s t2, also beschleunigt der S-BAHNZUG 423/433 mit a = 2 0,30 m a = 0,60 m s² s² Mit der Grundgleichung der Mechanik kann man die Anfahrtskraft F A mit Hilfe der Beschleunigung a und der Gesamtmasse m berechnen: F A = m a F A = kg 0,60 m s 2 F A = kg 0,60 N kg F A = 0,14 MN Hinweise zum Unterricht Die gestuften Hilfen sollten nur zurückhaltend genutzt werden, wenn die Schüler mit ihrer eigenen Lösungsstrategie nicht mehr weiterkommen. Zudem kann diese Aufgabe in unterschiedlichen Sozialformen gelöst werden, die Hilfen also auch nur individuell und selbst dann nur schrittweise angeboten werden. Der zweite Teil der ursprünglichen Aufgabe verlangt nach der Berechnung der Beschleunigung a und kann erst nach der Grundgleichung der Mechanik gestellt werden. Zur Auswertung der Videos lässt sich zum Beispiel der VLC Media Player mit dem Plugin Jump to time verwenden. Grafische Veranschaulichung der Messwerte: Anregungen zum weiteren Lernen Seite 5 von 6

6 Man kann diese Aufgabe noch weiter nutzen, z. B bei einem Besuch eines Bahnhofes mit der Klasse den Start eines Zuges selber filmen und später auswerten. Auch negative Beschleunigungen (Bremsungen) können ähnlich ausgewertet werden. Beispiel: Negative Beschleunigung in der Aufgabe zu v ~ t. Quellen und Literaturangaben Video und Videoausschnitt ISB 2017 Wikipedia-Verweise oben: am Daniel Lurz: Technische Daten Baureihe 423. Archiviert vom Original am 21. August 2006; abgerufen am 4. März Seite 6 von 6