Lehrprobe im Fach Physik

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1 Lehrprobe im Fach Physik Thema der Unterrichtseinheit: Mechanik II Thema der Unterrichtsstunde: Mechanische Arbeit und mechanische Leistung Name: Jens Bernheiden Schule: Schulleiter: Seminarleiterin: Studienleiter: Mentor: Klasse: 8 Stunde: Datum:

2 1. Bemerkungen zur Lerngruppe Anthropogene Voraussetzungen Soziokulturelle Voraussetzungen Seite 2 von 7

3 2. Sachanalyse In der Klassenstufe 8 werden entsprechend der Rahmenrichtlinien die drei Stoffgebiete Mechanik II, Elektrizitätslehre I und Wärmelehre II unterrichtet. In der Mechanik standen bisher die Kräfte im Mittelpunkt des Unterrichts. Die kraftumformenden Einrichtungen sollen im Anschluss an die Einführung der physikalische Größen Arbeit, Leistung und Energie zur Festigung der neuen Begriffe behandelt werden. Die vorliegende Stunde bettet sich als 5. Stunde in das Teilgebiet Arbeit, Leistung, Energie ein. Die Begriffe Arbeit und Leistung wurden in den vergangenen Stunden definiert. Die Schülerinnen und Schüler haben schon in einigen Aufgaben mechanische Arbeiten und Leistungen berechnet. In dieser Stunde soll die Systematisierung der Begriffe Kraft, Arbeit und Leistung und die Planung und Auswertung eines Experiments zur Bestimmung der Leistung im Vordergrund stehen. Leistungsdaten von Pkw- Motoren sollen die Verbindung zur Praxis schaffen. In den folgenden Stunden werden der Energiebegriff und die kraftumformenden Einrichtungen behandelt. Arbeit und Energie gehören zu den wichtigsten Begriffen in der Physik. Mechanische Arbeit wird von einem Körper verrichtet, wenn sich der Angriffspunkt der Kraft durch die Kraftwirkung eine bestimmte Strecke fortbewegt. Eine Voraussetzung dafür ist, dass die Kraft eine Komponente in Richtung des Weges besitzt. Der Begriff Energie ist eng mit dem Begriff der Arbeit verbunden und beschreibt die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Wenn ein System Arbeit an einem anderen System ausführt, dann wird Energie zwischen den Systemen ausgetauscht. Die Leistung gibt an, wie schnell Energie von einem System auf ein anderes übertragen wird. Mechanische Arbeit ist das Produkt aus der Kraft, die die Arbeit an einem Körper verrichtet, und der Verschiebung des Angriffspunktes der Kraft. Handelt es sich um einen Massepunkt, der sich in einer Dimension unter dem Einfluss einer zeitlich konstanten Kraft bewegt und ist θ der Winkel zwischen der Kraft und der Verschiebung x, so beträgt die verrichtete Arbeit: W = F cos θ x = Fx x. (1) Die Arbeit ist eine skalare Größe, die einen positiven Wert annimmt, wenn die Kraft und die Verschiebung in die gleiche Richtung zeigen, und einen negativen, wenn sie entgegengesetzte Richtungen haben. Die SI-Einheit der Arbeit ist 1Joule (1J = 1Nm). Die verrichtete Arbeit kann als Fläche unter der Verschiebung-Kraft-Kurve interpretiert werden. Ist die Kraft nicht konstant, so berechnet sich die Arbeit zu: x2 W = F dx x. (2) Bewegt sich ein Massepunkt auf einer beliebigen Bahn im Raum und schließt die Kraft der Richtung der Verschiebung Tangentialkomponente F S der Kraft F an die Bahnkurve: Allgemein kann man die Arbeit mit Hilfe des Skalarproduktes definieren: i x1 F einen Winkel θ mit s ein, so berechnet sich die mechanische Arbeit über die s2 W = F ds s. (3) s1 s2 = F s1 W d s (4) Wenn mehrere Kräfte F auf einen Massepunkt wirken, und ihn um die Strecke gesamte Arbeit: W = F i d s i Die mechanische Leistung ist die pro Zeiteinheit verrichtete Arbeit: wobei d s verschieben, dann ist die ges (5) dw F d s F v dt = = = = F v dt dt dt J d s = v dt die Verschiebung des Teilchens ist. Die SI-Einheit der Leistung ist 1Watt ( 1 W = 1 ). s P, (6) Seite 3 von 7

4 3. Didaktische Rechtfertigung Die Rahmenrichtlinien des Landes Mecklenburg Vorpommern verlangen bei der Behandlung des Stoffgebietes Mechanik II die Behandlung der physikalischen Größen mechanische Arbeit und mechanische Leistung. Zu Beginn der Stunde sollen die Schülerinnen und Schüler die wesentlichen Erkenntnisse der vergangenen Stunden reproduzieren. Dazu gehören u.a. die Definitionen, Formelzeichen, Einheiten und Definitionsgleichungen der physikalischen Größen Arbeit und Leistung. Diese Wiederholung soll ein einheitliches Ausgangsniveau schaffen und als Grundlage dienen, das in dieser Stunde zu behandelnde Experiment mit den Schülern zusammen zu planen. Außerdem wird das bisher Gelernte strukturiert, die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Größen treten deutlich hervor. Die Übersicht lt. Tafelbild soll die Zusammenhänge visuell verankern. 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 das am Anfang der Stunde Wiederholte anwenden müssen. Sie werden außerdem erkennen, dass mechanische Arbeit und mechanische Leistung zwei unterschiedliche physikalische Größen sind, da die verrichtete Arbeit gleich, die Leistung jedoch unterschiedlich ist. In der Diskussion über Leistungen von Pkw-Motoren sollen die Schülerinnen und Schüler befähigt werden, Angaben der Autohersteller kritisch zu hinterfragen. Die Schülerinnen und Schüler müssen dazu Leistungsdiagramme interpretieren. Sie üben eine wichtige Arbeitstechnik der Naturwissenschaft Physik. Außerdem erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass Diagramme in der Technik von elementarer Bedeutung sind. Zu Hause sollen die Schülerinnen und Schüler eine komplexe Aufgabe zur mechanischen Arbeit und Leistung lösen. Dazu müssen sie ihr Wissen über die behandelten physikalischen Größen anwenden. 4. Angestrebtes Unterrichtsergebnis Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Zusammenhänge zwischen den Größen Kraft, Weg, Zeit, mechanische Arbeit und mechanische Leistung. Die Schülerinnen und Schüler wissen, wie man die mechanische Leistung eines Motors experimentell bestimmen kann. Die Schülerinnen und Schüler können einfache Berechnungen zur mechanischen Leistung durchführen. Die Schülerinnen und Schüler erkennen den Praxisbezug der Physik am Beispiel der Leistung von Pkw- Motoren. Die Schülerinnen und Schüler können die Leistungsangaben von Motoren kritisch werten. 5. Überlegungen zur Methode Zu Beginn der Unterrichtsstunde erhalten die Schülerinnen und Schüler Gelegenheit, Fragen zu stellen. Dies sind die Lernenden gewohnt. In einem Unterrichtsgespräch wird das für diese Stunde notwendige Wissen reproduziert. Die Übersicht soll dazu dienen, die Konzentration der Lernenden auf das Wesentliche zu lenken. Da die Formelzeichen und Einheiten von den Lernenden noch oft durcheinandergebracht werden, erscheint es notwendig, auch diese in der Übersicht aufzuführen. Die Schülerinnen und Schüler werden leicht abgelenkt. Deshalb soll die Übersicht erst nach der Erarbeitung in die Hefte übertragen werden. Das Demonstrationsexperiment wird mit den Lernenden zusammen geplant und durchgeführt. Schwerpunkt bei der Planung bildet das Bestimmen der zu messenden physikalischen Größen. Erwartungsgemäß haben dabei viele Schülerinnen und Schüler Schwierigkeiten. Mit der Übersicht vom Anfang der Stunde sollten die größten Schwierigkeiten jedoch im Vorfeld beseitigt sein, so dass die Planung des Experiments kaum Probleme bereiten dürfte. Das Experiment wird vom Lehrer unter Einbeziehung eines Schülers durchgeführt. Der Schüler misst die Zeit, die der Motor braucht, um das Gewicht die Strecke s nach oben zu ziehen. Es werden zwei Messungen bei unterschiedlichen Drehzahlen vorgenommen, damit den Schülerinnen und Schülern bei der Auswertung der Unterschied der Begriffe Arbeit und Leistung deutlich wird. Die verrichtete Arbeit ist in beiden Messungen gleich groß, die Leistung, die angibt, wie schnell die mechanische Arbeit verrichtet wird, ist unterschiedlich. Die Schülerinnen und Schüler haben schon Aufgaben zur Bestimmung mechanischer Leistungen gerechnet. Bei der Auswertung des Experiments sind deshalb keine großen Schwierigkeiten zu erwarten. Die Lernenden übernehmen die Versuchsanordnung mit ins Heft, damit die Rechnung jederzeit visuell mit dem Erlebten verbunden werden kann. Die Schülerinnen und Schüler werden nach dem Experiment mit den Leistungsdiagrammen von Pkw-Motoren konfrontiert, aus denen hervorgeht, wie die Leistung eines Motors von der Drehzahl abhängt. Die Schülerinnen und Schüler werden aufgefordert, das erste Diagramm zu interpretieren. Die Arbeitstechnik Interpretation eines Diagramms beherrschen die Lernenden nicht sehr gut, so dass es nötig erscheint, diese Technik zu üben. Ausgehend von dem Ergebnis des Experiments, dass bei höherer Drehzahl die Leistung eines Motors größer ist, Seite 4 von 7

5 werden die Schülerinnen und Schüler auf den Abfall der Kurve oberhalb einer gewissen Drehzahl aufmerksam gemacht. Außerdem sollen die Lernenden erkennen, dass im Alltag meist nur von der maximalen Leistung eines Autos gesprochen wird. Die gewählte Hausaufgabe fördert zu Tage, dass ein Auto beim Fahren Arbeit zur Überwindung der Reibung verrichten muss. Die Aufgabe ist eng mit dem Gegenstand der Unterrichtsstunde verbunden, so dass die Schülerinnen und Schüler sich leichter mit der Aufgabe identifizieren können. Bei der Bearbeitung von physikalischen Aufgaben sind die Lernenden nicht gewissenhaft genug, was zu vielen Fehlern führt. Es wird daher sehr streng auf die äußere Form der Bearbeitung geachtet. Mit der Einführung der physikalische Größen mechanische Arbeit und mechanische Leistung ist es möglich, erstmals im Physikunterricht komplexere Rechenaufgaben zu stellen. Gerade solche Aufgaben zeigen die Notwendigkeit einer exakten, sauberen Arbeitsweise. Alternativ zu dem geplanten Unterrichtsverlauf hätte man den Praxisbezug (Leistungsdiagramme von Pkw- Motoren) an den Anfang der Stunde setzen können. Ausgehend von den Diagrammen hätte man der Frage nachgehen können, wie man die Leistung eines Motors bestimmen könnte. Die Schüler hätte man sicher besser motivieren können, als mit der Wiederholung des Stoffs der letzten Unterrichtsstunden. Die Erfahrung zeigt aber, dass eine disziplinierte Atmosphäre mit der geplanten Wiederholung besser herzustellen ist. Man hätte auch das Experiment am Anfang der Stunde planen und durchführen können. Das hätte aber zur Folge, dass die Übersicht zum Zusammenhang der physikalische Größen Leistung und Arbeit gleichzeitig mit der Planung des Experiments im Kopf der Schüler entstehen müsste. Dies hätten sicherlich einige der Lernenden bewältigt. Viele Schülerinnen und Schüler wären aber überfordert gewesen. Gerade diese Schülerinnen und Schüler können aber im geplanten Unterrichtsverlauf die erarbeitete Übersicht auf das Experiment übertragen. Die Versuchsskizze oder die Übersicht hätte man den Schülerinnen und Schülern als Arbeitsblatt zur Verfügung stellen können. Die Schülerinnen und Schüler brauchen sehr lange, Tafelbilder abzuschreiben. Mit Arbeitsblättern hätte man wertvolle Unterrichtszeit gespart. Andererseits sollen die Lernenden schnell und exakt schriftliche Aufzeichnungen erstellen können. Selbst Geschriebenes prägt sich besser ein. Die Variante des Abschreibens erscheint in dieser Klasse zur Zeit sinnvoller, da die schriftlichen Arbeiten sehr große Mängel an Qualität und Quantität aufweisen. Die Fehler bei der Zeitmessung des Experiments hätte man durch Einsatz einer Lichtschrankenanordnung geringer halten können. Die Aussagen des Experiments werden durch die ungenaue Zeitmessung jedoch nicht wesentlich beeinflusst. Die Entscheidung fiel deshalb auf den einfacheren Versuchsaufbau, der für die Lernenden leichter zu durchschauenden ist. Seite 5 von 7

6 6. Verlaufsplanung Zeit Inhalt Methoden 11:50 Fragen der Schülerinnen und Schüler UG Medien und Hilfsmittel 11:53 Systematisierung Zusammenhänge zwischen mechanischer Arbeit und mechanischer Leistung UG Tafelbild 12:00 Schüler übernehmen Übersicht ins Heft EA 12:05 Planen des DE Aufgabenstellung für das DE Festlegen der zu messenden Größen Besprechen der Experimentieranordnung 12:10 Durchführung des Experiments 2 Messungen bei unterschiedlichen Drehzahlen 12:15 Auswertung des Experiments Tafelbild übernehmen mechanische Arbeit und Leistungen berechnen LV, UG LT, ST Tafelbild 12:25 Vergleich und Diskussion der Ergebnisse UG Tafelbild 12:30 mechanische Leistungen von Pkw Motoren UG Folie; Arbeitsblatt 12:35 EA DE HA: Aufgabe 1 Abbruchmöglichkeiten und Alternativen: UG über Leistungen von Pkw Motoren in die nächste Stunde verlagern; Auswertung des Experiments und Aufgabe 1 zur mechanischen Arbeit und Leistung als HA Leistungen von Pkw Motoren in die nächste Stunde verlagern Übungen zu den Einheiten der mechanische Arbeit und Leistung Aufgabe 1 zur mechanischen Arbeit und Leistung wird im Unterricht begonnen 7. Literatur und Medien Meyer, Schmidt: Physik 8 Mecklenburg-Vorpommern; Paetec Verlag 1996 Grehn, Krause: Metzler Physik; Schroedel Verlag 1998 Paul A. Tipler: Physik; Spektrum Akademischer Verlag 1994 Unterrichtshilfen Physik Klasse 7; Volk und Wissen Verlag 1984 Physik 7; Volk und Wissen Verlag Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen UG... Unterrichtsgespräch LT... Lehrertätigkeit ST... Schülertätigkeit LV... Lehrervortrag EA... Einzelarbeit DE... Demonstrationsexperiment Seite 6 von 7

7 9. Tafelbild Mechanische Leistung eines Elektromotors zu messende Größen: zu berechnende Größen: F, s, t W, P Auswertung: W Hub = F Hub. s W =.N..m W =.J F Hub F G s Messung: F Hub =.N s =.cm =...m niedrige Drehzahl: t 1 =...s hohe Drehzahl: t 2 =...s WHub P1 = t1... J P1 =... s P 1 =.W WHub P2 = t 2... J P2 =... s P 2 =.W Motor Mechanische Arbeit und mechanische Leistung Kraft F 1N Weg s 1m Zeit t 1s Seite 7 von 8 Mechanische Arbeit W W = F. s F=konst.; F s 1J = 1Nm Mechanische Leistung P W P = t Arbeit gleichmäßig verrichten 1W = 1 s J

8 10. Arbeitsblätter und Folien Leistungsdiagramme von Pkw-Motoren Porsche 911 Carrera VW Golf V Audi A8 2.5 TDI Aufgabe 1: Die drei Autos seien so beladen, dass ihre Masse jeweils 1,5t beträgt. Jedes Auto überwindet in 19s auf einer 500m langen Steigung einen Höhenunterschied von 50m. Die Reibungskraft beträgt 400N. Wie hoch sind die durchschnittlichen Drehzahlen der Motoren? Seite 8 von 8