Lehrprobe im Fach Physik

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1 Lehrprobe im Fach Physik Thema der Unterrichtseinheit: Bewegung von Körpern Thema der Unterrichtsstunde: Das Weg Zeit Diagramm der geradlinig gleichförmigen Bewegung Name: Jens Bernheiden Schule: Schulleiterin: Seminarleiterin: Studienleiter: Mentor: Klasse: 7 Stunde: Datum:

2 1. Bemerkungen zur Lerngruppe Anthropogene Voraussetzungen Soziokulturelle Voraussetzungen Seite 2 von 2

3 2. Sachanalyse In der Klassenstufe 7 werden entsprechend der Rahmenrichtlinien 3 Stoffgebiete unterrichtet: 1. Strahlenoptik 2. Wärmelehre I 3. Mechanik I. Die ersten beiden Stoffgebiete sind abgeschlossen. In der Mechanik wurden bisher Volumen und Masse von Körpern und Die Dichte von Stoffen behandelt. Die vorliegende Stunde bettet sich als 4. Stunde in das Teilgebiet Bewegung von Körpern ein. Gegenstand der ersten Stunden zu diesem Teilgebiet waren: 1. Bewegungsbegriff und Bewegungsarten 2. Definition der Geschwindigkeit 3. Bestimmen der Geschwindigkeit durch Rechnen In dieser Stunde soll das Anfertigen und Auswerten von Weg Zeit Diagrammen zur geradlinig gleichförmigen Bewegung im Vordergrund stehen. Die Lernenden sollen außerdem im Messen der Geschwindigkeit geschult werden. Die Messung soll in dieser Stunde elementar durch einfache Zeitmessung mit der Uhr und Wegmessung mit dem Lineal erfolgen. In den folgenden Stunden sollen dann auch genauere Methoden der Zeitmessung (z.b. Lichtschranken) vorgestellt werden. An der Praxis orientierte Aufgaben zur Berechnung der Geschwindigkeit sollen den Abschluss zu diesem Teilgebiet der Mechanik bilden. Danach werden Kräfte und ihre Wirkungen behandelt. In der Physik versteht man unter der Bewegung eines Körpers die Veränderung seines Ortes mit der Zeit relativ zu einem Bezugssystem. Zur Beschreibung der Bewegung eines Körpers genügt es häufig, die Ortsangaben auf einen bestimmten Punkt des Körpers zu beziehen. Die Bewegung eines Körpers wird durch die Angabe seines Weges s als Funktion der Zeit t beschrieben. Die Zuordnung von Zeit und Weg kann durch eine Wertetabelle, durch ein Diagramm oder durch eine Gleichung gegeben sein. Zeit t und Weg s sind physikalische Größen. Der Weg s ist ein Vektor s, die Zeit t ein Skalar. Neben dem Größenwert des Weges müsste also immer auch die Richtung angegeben werden. Die im SI Einheitensystem festgelegte Einheit der Zeit ist die Sekunde: [t] = 1 s, die des Weges ist das Meter: [s] = 1 m. Die Geschwindigkeit ist eine abgeleitete Größe. Die Durchschnittsgeschwindigkeit v zwischen zwei beliebigen Messpunkten (t 1 ;s 1 ) und (t 2 ;s 2 ) einer Bewegung ist der Quotient aus dem zurückgelegten Wegabschnitt und der verflossenen Zeit: s v = t 2 2 s t 1 1 s = t Die Momentangeschwindigkeit v für einen bestimmten Zeitpunkt kann durch den Grenzwert der Durchschnittsgeschwindigkeit folgendermaßen ausgedrückt werden: v = t 0 s ds = t dt lim (2) Die Momentangeschwindigkeit ist also die Ableitung des Weges nach der Zeit. Da der Weg ein Vektor ist, ist auch die Geschwindigkeit ein Vektor. Zur vollständigen Angabe der Geschwindigkeit gehört also neben der Angabe des Größenwertes auch die Angabe der Richtung, in die sich der Körper bewegt. Bewegungen, die man bei allen möglichen Vorgängen in der Umwelt beobachtet, sind durchweg kompliziert. Daher ist es sinnvoll, aus der Vielfalt der Bewegungen die Grundformen herauszufinden. Nach der Richtung klassifiziert man einfache Bewegungen in geradlinige Bewegungen, Kreisbewegungen und Schwingungen. Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit nennt man gleichförmig; beschleunigte bzw. verzögerte Bewegungen nennt man ungleichförmig. (1) Seite 3 von 3

4 3. Didaktische Rechtfertigung Die Rahmenrichtlinien des Landes Mecklenburg Vorpommern verlangen bei der Behandlung des Stoffgebietes Mechanik I die Aufnahme des Weg Zeit Diagramms einer geradlinig gleichförmigen Bewegung. Zu Beginn der Stunde sollen die Schülerinnen und Schüler die wesentlichen Erkenntnisse der vergangenen Stunden reproduzieren. Dazu gehören der Bewegungsbegriff, die Arten der Bewegungen und die Definition der Geschwindigkeit. Diese Wiederholung soll ein einheitliches Ausgangsniveau schaffen und als Grundlage dienen, die in Bezug auf die physikalische Beschreibung einfachste der vorliegenden Bewegungsarten, die geradlinig gleichförmige Bewegung, herauszufiltern. Die Durchführung des Demonstrationsexperimentes soll mit den Lernenden gemeinsam erarbeitet werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen dadurch vor allem befähigt werden, aus dem vorhandenen Wissen die bei einem Experiment zu messenden Größen abzuleiten. Die Schülerinnen und Schüler werden bei der Auswertung des Demonstrationsexperiments zum zweiten Mal im Physikunterricht mit der Erstellung von Diagrammen aus mehreren Messwerten konfrontiert. Da das Erstellen von Diagrammen in der Physik von bedeutender Wichtigkeit ist, soll hier besonders auf sorgfältige, exakte Arbeitsweise geachtet werden. Die Schülerinnen und Schüler werden bei der Auswertung des Demonstrationsexperiments außerdem erkennen, dass jede Messung mit Fehlern behaftet ist. Das Einzeichnen der Gerade im Weg Zeit Diagramm der geradlinig gleichförmigen Bewegung ist ein exemplarisches Beispiel für eine Art der Messfehlerbehandlung in der Physik. Die Schülerinnen und Schüler müssen bei der Interpretation des Diagramms Kenntnisse aus der Mathematik anwenden. Der Begriff Proportionalität ist im Zusammenhang mit der geradlinig gleichförmigen Bewegung noch nicht gefallen. So müssen die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen über Proportionalität auf einen neuen Sachverhalt beziehen. Die Schülerinnen und Schüler sollen bei der Arbeit mit dem Diagramm erkennen, dass Diagramme nicht zum Selbstzweck gezeichnet werden. Deshalb werden neben der Interpretation auch Ableseübungen im Vordergrund stehen. Am Ende der Stunde bzw. zu Hause sollen die Schülerinnen und Schüler das in der Stunde erarbeitete Wissen auf eine andere Messwertreihe anwenden. Innerhalb der Auswertung soll ein Vergleich mit dem Diagramm der ersten Messwertreihe erfolgen. Die Schülerinnen und Schüler werden also auch in dieser Phase mit typischen naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen vertraut gemacht. 4. Angestrebtes Unterrichtsergebnis Die Schülerinnen und Schüler lernen das Weg Zeit Diagramm der geradlinig gleichförmigen Bewegung kennen. Die Schülerinnen und Schüler sollen aus vorgegebenen Messwertpaaren ein Diagramm sorgfältig und exakt erstellen können. Die Schülerinnen und Schüler sollen Weg Zeit Diagramme geradlinig gleichförmiger Bewegungen interpretieren können. Die Schülerinnen und Schüler sollen aus Diagrammen Werte ablesen können. 5. Überlegungen zur Methode Zu Beginn der Unterrichtsstunde erhalten die Schülerinnen und Schüler Gelegenheit, Fragen zu stellen. Dies sind die Lernenden gewohnt. In dieser Stunde sind jedoch wenige Fragen zu erwarten, da sich die Fragen erwartungsgemäß eher am Anfang solcher Stunden häufen, in denen eine Leistungskontrolle geschrieben wird und in der letzten Stunde die Leistung der Lernenden kontrolliert wurde. Die Schülerinnen und Schüler sollen dennoch wissen, dass sie Fragen, die die Physik betreffen, jederzeit stellen können. In einem kurzen Unterrichtsgespräch wird das für diese Stunde notwendige Wissen reproduziert. Danach wird die nähere Untersuchung der geradlinig gleichförmigen Bewegung als Ziel herausgestellt. Ausgehend von diesem Ziel wird im Unterrichtsgespräch erörtert, welche Größen beim vorliegenden Versuch gemessen werden müssen. Als Demonstrationsexperiment wurde bewusst ein solch einfaches Experiment gewählt. Alternativ hätte man die Luftkissenbahn, ein Eisenbahnmodell, Elektroautos oder ähnliches einsetzen können. Gegenüber allen Alternativen spricht für das Ziehen eines Holzklotzes, dass weniger ablenkende Einflüsse auftreten werden. Für gute Messergebnisse muss man dem Körper bei der Luftkissenbahn einen wohldefinierten Impuls, z.b. über einen Elektromagneten, zukommen lassen. Dies und die Verminderung der Reibung durch Luftströmung setzt mehr Erläuterungen im Vorfeld voraus und lenkt die Schülerinnen und Schüler vom Wesentlichen ab. Eisenbahnmodelle liefern bei sehr niedriger Geschwindigkeit nicht so gute Ergebnisse für die gleichförmige Bewegung. Höhere Geschwindigkeiten bedeuten aber bei gleichen Wegen schwer messbare kürzere Zeiten. Seite 4 von 4

5 Deshalb wäre es dann sinnvoll, die Zeitmessung über mechanische Schalter oder Lichtschranken zu bewerkstelligen, was aber bedeuten würde, dass man den Weg nach einer Durchfahrt der Eisenbahn verändern muss. Mehrere Durchfahrten der Eisenbahn wären notwendig. Die Schülerinnen und Schüler haben im Physikunterricht noch nie die Geschwindigkeit eines Körpers gemessen, so dass es zweckmäßiger erscheint, die Wege des Körpers in Abhängigkeit von der fortschreitenden Zeit zu messen. Außerdem trägt man auch im Diagramm den Weg als Funktion der Zeit ab. Bei dem Experiment mit z.b. einem Eisenbahnmodell würde die Zeit als Funktion des Weges gemessen werden, eine Schwierigkeit, die mit dem gewählten Experiment vorerst eliminiert wird. Die Zeitmessung bei dem Eisenbahnmodell würde über Geräte vorgenommen werden, die die Schülerinnen und Schüler noch nicht kennen. Die Zeitmessung mit der Uhr ist ihnen jedoch vertraut. Möglichkeiten genauerer Zeitmessungen sollen in den nachfolgenden Stunden erläutert werden. Dann wird auch die Messung der Zeiten bei Vorgabe der Wege keine Schwierigkeiten bereiten. Für Experimente wie das Eisenbahnmodell, Elektroautos oder auch die Luftkissenbahn würde sprechen, dass sie näher an der Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler liegen und somit vielleicht mehr motivieren würden. Das Ziehen des Holzklotzes durch das Aufwickeln einer Schnur kann mit einem Fahrstuhl oder einem Kran verglichen werden. Die Schwierigkeit der Übertragung des Experiments auf die Realität besteht dann aber darin, dass die vertikale Bewegung in eine horizontale übertragen wurde. Das Experiment soll von zwei Lernenden mit Unterstützung durch den Lehrer durchgeführt werden. Es werden gleich zwei Messreihen mit unterschiedlichen Motordrehzahlen aufgenommen, damit in einer Übungsphase das Erlernte selbstständig von den Schülerinnen und Schülern angewendet werden kann. Der Lehrer wird bewusst von einer Änderung der Motordrehzahl reden, da der Begriff den Schülerinnen und Schülern aus dem Alltag bekannt sein dürfte und erst bei der vergleichenden Analyse der Diagramme der beiden Messwertreihen ein Vergleich der Geschwindigkeiten erfolgen soll. Die gemeinsame Erarbeitung des Diagramms für die erste Messwertreihe soll durch ein Unterrichtsgespräch erfolgen, wobei das Diagramm an der Tafel vom Lehrer entwickelt wird. Erst nachdem das Diagramm an der Tafel vollständig ist, sollen die Schülerinnen und Schüler es auf Millimeterpapier übernehmen. Dadurch wird die Aufmerksamkeit der Schülerinnen und Schüler bei der Erarbeitung des Diagramms nicht durch eigene Tätigkeiten abgelenkt. Millimeterpapier wurde gewählt, um die Schülerinnen und Schüler mit der exakten Arbeitsweise einer Naturwissenschaft vertraut zu machen. Nachdem die Schülerinnen und Schüler das Diagramm übernommen haben, wird im Unterrichtsgespräch das Diagramm interpretiert. Diese Phase verlangt wieder die volle Aufmerksamkeit der Lernenden, da die Interpretation eines Diagramms den Schülerinnen und Schülern erfahrungsgemäß Schwierigkeiten bereitet. Den Schülerinnen und Schülern wird die Schrittfolge zum Interpretieren als Arbeitsblatt ausgehändigt. Dann sollen sie die Schrittfolge jeder für sich abarbeiten. Im Unterrichtsgespräch werden die Interpretationsversuche zusammengetragen. Nach der Interpretation werden Ableseübungen am Diagramm durchgeführt. Diese beinhalten das Bestimmen eines Weges zu einer vorgegebenen Zeit als auch das Ablesen der Zeit zu einem vorgegebenen Weg. Zu Hause sollen die Schülerinnen und Schüler nun das erarbeitete Wissen allein anwenden und die zweite Messwertreihe in einem neuen Diagramm darstellen. Eventuell wird diese Übung mit in die Stunde verlagert. Denkbar wäre auch ein Einzeichen der Messwerte in demselben Diagramm. Dadurch wäre natürlich ein besserer Vergleich der Geschwindigkeiten über die Anstiege der Geraden möglich. Vermutlich werden jedoch viele Schülerinnen und Schüler dieser Klasse durch zwei Kurven in einem Diagramm verwirrt. Deshalb erscheint es sinnvoller, das Einzeichnen erst in einem separaten Diagramm zu üben und evtl. später die Geraden zusätzlich in einem Diagramm darzustellen. Die Geschwindigkeiten der beiden gemessenen Bewegungen sollen erst berechnet werden, nachdem der Geschwindigkeitsvergleich mit Hilfe der Diagramme erfolgt ist. Dann wird durch Berechnung aller einzelnen Werte nochmals das Kennzeichen der gleichförmigen Bewegung gefestigt. Da im Physikunterricht noch nicht mit Millimeterpapier gearbeitet wurde, fällt es schwer, die Schnelligkeit der Schülerarbeit einzuschätzen. Der Lehrer wird, gerade weil Wert auf die gewissenhafte und exakte Erstellung eines Diagramms gelegt wird, keinen übermäßig großen Zeitdruck auf die Schülerinnen und Schüler ausüben. Die Schülerinnen und Schüler sind nicht sehr im Unterrichtsgespräch geübt. Die Unterrichtsgespräche verlaufen noch sehr lehrerzentriert. Es fällt den Lernenden schwer, sich auf die Aussagen des Vorredners zu beziehen. Deshalb kann es sein, dass das Unterrichtsgespräch dahingehend abgewandelt wird, dass die Schülerinnen und Schüler erst nachdem sie die Aussage des Vorredners zusammengefasst haben, ihre Meinung zu dem Sachverhalt kundtun dürfen. Diese Übung zur Kommunikation, die vor allem das Zuhören schult, wurde bereits zweimal angewandt. Als nachteilig lässt sich erkennen, dass das Unterrichtsgespräch sehr verlangsamt und auch falsche Aussagen oft wiederholt werden. Seite 5 von 5

6 6. Verlaufsplanung Zeit Inhalt Methoden 11:35 Fragen der Schülerinnen und Schüler UG Medien und Hilfsmittel 11:37 Reproduktion des bekannten Wissens Bewegungsbegriff Bewegungsarten Definition der Geschwindigkeit 11:40 Demonstrationsexperiment Erarbeitung der zu messenden Größen Aufnahme von zwei Messwertreihen 11:50 Erarbeitung des Weg Zeit Diagramms Festlegen der Achsen (Größen und Einteilung) Einzeichnen der Messwerte 11:55 Schülerinnen und Schüler übernehmen die Messwerte und das Diagramm ins Heft (Schülerinnen und Schüler, die schnell fertig sind, interpretieren das Diagramm mit Hilfe der Schrittfolge) 12:05 Interpretation des Diagramms laut Schrittfolge Einzeichnen der Geraden, Proportionalität UG UG UG, LT EA EA UG DE, Tafel Tafel Millimeterpapier Schrittfolge zum Interpretieren Schrittfolge zum Interpretieren 12:15 Ableseübungen Zeit gegeben, zugehöriger Weg gesucht Weg gegeben, zugehörige Zeit gesucht UG Tafel HA: Zeichnen eines Weg Zeit Diagramms für die zweite Messwertreihe Abbruchmöglichkeiten und Alternativen: Die Ableseübungen können in die Hausaufgabe verlagert werden. Ist die Zeit sehr knapp, kann die Interpretation des Diagramms in die Hausaufgabe verlagert werden. Am Ende der Stunde wird dann nur das Einzeichnen der Geraden motiviert und Ableseübungen durchgeführt. Steht viel Zeit zur Verfügung, ist denkbar, die Erstellung des zweiten Diagramms in der Unterrichtsstunde zu beginnen. Zu Hause können dann Ableseübungen durchgeführt und die Geschwindigkeiten verglichen werden. Die Wegdifferenzen bei den Messwerten können zur Festigung des Merkmals einer gleichförmigen Bewegung berechnet werden. 7. Literatur und Medien Meyer, Schmidt: Physik 7 Mecklenburg-Vorpommern; Paetec Verlag 1995 Grehn, Krause: Metzler Physik; Schroedel Verlag 1998 Physik für die Sekundarstufe I Band 1; Cornelsen Verlag 1991 Unterrichtshilfen Physik Klasse 6; Volk und Wissen Verlag 1983 Physik 6; Volk und Wissen Verlag Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen UG... Unterrichtsgespräch LT... Lehrertätigkeit EA... Einzelarbeit DE... Demonstrationsexperiment Seite 6 von 6

7 9. Tafelbild Das Weg Zeit Diagramm der geradlinig gleichförmigen Bewegung Klotz Motor 5s 5s 5s Messung 1 Messung 2 Zeit t in s Zeit t in s Weg s in cm Weg s in cm Bei der geradlinig gleichförmigen Bewegung sind Weg s und Zeit t proportional: s ~ t. Im Weg Zeit Diagramm liegen die Messwertpaare auf einer Geraden, die durch den Nullpunkt geht. Ergänze mit Hilfe des Diagramms: Zeit t in s Weg s in cm HA: Weg Zeit Diagramm für Messung 2 zeichnen Seite 7 von 8

8 10. Arbeitsblätter Schrittfolge zur Interpretation von Diagrammen 1. Nenne das Teilgebiet, dem der gegebene Sachverhalt zuzuordnen ist. 2. Gib die in der Darstellung enthaltenen Größen an. 3. Welcher Zusammenhang zwischen den Größen wird dargestellt? Welche wesentliche Aussage wird betont? 4. Unter welchen Bedingungen gilt dieser Zusammenhang? Seite 8 von 8