Leistungsumsatz bei Bewegung NWA-Tag 2011: Der Mensch

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1 Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (RS) Reutlingen Fächerverbund: Naturwissenschaftliches Arbeiten Leistungsumsatz bei Bewegung NWA-Tag 2011: Der Mensch Eingereicht von Sonja Klingler und Marc Sagstetter

2 INHALTSVERZEICHNIS 1. Fachliche Anmerkung Was ist Leistung? Die menschliche Leistung Didaktisch relevante Anmerkung Bezug zum Bildungsplan Schülervorstellungen Schwierigkeitsanalyse Fächerverbindendes Arbeiten Methodische Umsetzung Literaturangaben

3 1. Fachliche Anmerkung 1.1 Was ist Leistung? Spricht man in der Physik von Leistung, so beschreibt man den Zusammenhang zwischen der verrichteten Arbeit und der dazu benötigten Zeit. Physikalische Arbeit wird jedoch nur verrichtet, wenn ein Körper einen Weg zurücklegt und dabei eine Kraft in Wegrichtung wirkt. Formel: Das Formelzeichen für die Leistung ist P (englisch: power): = = = Einheit: Betrachtet man nun die Einheit der Leistung, so ergibt sich aus dem Quotient von Arbeit und Zeit die Einheit Watt: = t = = = Dies bedeutet: Um ein Watt Leistung zu erbringen, so muss man einen Gegenstand mit einer Kraft von einem Newton in einer Sekunde um einen Meter anheben. Physikalisches Hintergrundwissen: physikalische Größe Formelzeichen Formel Maßeinheit Bemerkung Arbeit W W=F s Nm= J(oule) Physikalische Arbeit wird nur verrichtet, wenn ein Körper einen Weg zurücklegt und dabei eine Kraft in Wegrichtung wirkt Kraft F F=m g N(Newton) 1 N 100g Um die Kraft zu bestimmen kann ein Federkraftmesser verwendet werden. m ist die Masse g ist die Erdbeschleunigung. Erde: 9,81 ² 3

4 1.2 Die menschliche Leistung Die menschliche Muskelleistung kann von Mensch zu Mensch variieren. Beim Spazierengehen beispielsweise bringt Muskel eine Leistung von ca. 30 Watt aufbringen. Diese Leistung kann ein normaler Mensch über viele Stunden (Dauerleistung) halten. Dem gegenüber stehen die sogenannten Spitzenleistungen. Diese können jedoch nur eine kurze Zeit (unter einer Sekunde) aufrecht erhalten werden. Ein Beispiel für die Spitzenleistung ist der Absprung beim Hochsprung. Hier wird innerhalb von 0,2 Sekunden der Körperschwerpunkt um ca. einen Meter angehoben. Dies entspricht einer Leistung von ca W. Einige Kenndaten sind im Nachfolgenden aufgelistet. menschliche Tätigkeit Zeit Muskelleistung Spazierengehen beliebig 30 Watt Radfahren 2 h 130 Watt Hometrainer 3 min 300 Watt Treppenlaufen 10 s 500 Watt Hochsprung 0,2 s 2800 Watt aus: raschweb.de/emg/g8 Ph 8/Ph8b-Leistung-Mensch-Maschine.pdf Auch im Schlaf erbringt der Mensch Leistung. Diese wird als Ruheleistung betrachtet und beträgt ungefähr 60 Watt. Durch die verschiedenen Umwandlungsprozesse im Körper, das Aufrechterhalten der Körpertemperatur und der Blutzirkulation benötigt der Körper pro Tag etwa 5000 KJ (Jugendlicher), die mit der Nahrung aufgenommen werden. Im Durchschnitt kann gesagt werden, dass der Mensch einen Wirkungsgrad von 25 % besitzt. Dies bedeutet, dass man die physikalische Arbeit mit dem Faktor vier multiplizieren muss, um den tatsächlichen Leistungsumsatz zu erhalten. 4

5 2. Didaktisch relevante Anmerkung 2.1 Bezug zum Bildungsplan Schon in der Einführung des Bildungsplans kann das Thema verortet werden. Unter dem Punkt Kenntnisse sollen die Schülerinnen und Schüler elementare Kenntnisse über die uns umgebende und tragende physische Welt [ ], über die klassischen Gebiete und wesentlichen Gesetzen der Physik 1 erarbeiten. Zusätzlich ist es wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler eine gegebene Größe in ein Verhältnis zu einen anderen setzen 2 können. Auch in den Leitgedanken zum Kompetenzerwerb findet das Thema Legitimation. Innerhalb des Fächerverbundes NWA sollen die Schüler erkennen, dass durch eigenes Experimentieren und anschließendem Reflektieren neue physikalische Erkenntnisse erworben werden können. Der Bildungsplans 2004 sieht vor, dass bis zum Ende der Klassenstufe 7 verschiedene Kompetenzen und Inhalte erreicht werden müssen, die anschließend in den Klassenstufe 8-10 aufgegriffen und vertieft werden können. Bei diesem Thema geht es darum, dass die Schülerinnen und Schüler die Fähigkeit erwerben, Fragen an die Natur zu stellen [ ] und Antworten durch Primär- oder Sekundärerfahrungen zu finden 3. Die Erkenntnisse und Antworten können die Schülerinnen und Schüler durch Primärerfahrungen erhalten, indem sie Versuche durchführen 4 und Ergebnisse reflektieren, diskutieren und bewerten 5. Zusätzlich sollen die Schüler während der Teamarbeit Kooperations- und Kommunikationsformen für zielgerichtetes Arbeiten erwerben 6. Im Bereich des Kompetenzerwerbs durch das Erschließen von Phänomenen, Begriffen und Strukturen sollen die Schülerinnen und Schüler in der Lage sein, grundlegende Größen versuchstechnisch [zu]erfassen und mathematisch dar[zu]stellen 7. 1 Ministerium für Kultus, Jugend und Sport. Baden-Württemberg (2004): S.14 2 Ministerium für Kultus, Jugend und Sport. Baden-Württemberg (2004): S.15 3 Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg (2004) S Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg (2004) S Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg (2004) S Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg (2004) S Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden Württemberg (2004) S. 98 5

6 2.2 Schülervorstellungen Im Alltag begegnen die Schülerinnen und Schüler dem Begriff Leistung immer wieder. Dabei wird er oftmals im Zusammenhang von schulischen Leistungen oder besonders hervorragenden Ergebnissen einer Arbeit genannt. Auch im Sport spielt der Leistungsbegriff eine Rolle. Die Schülerinnen und Schüler benutzen Leistung, wenn eine Arbeit besonders gut gemacht wurde. Allerdings bekommt der Begriff in der Physik nun eine weitere Bedeutung. Hier beschreibt er die geleistete Arbeit beziehungsweise die umgewandelte Energie innerhalb einer bestimmten Zeit. Dieser Zusammenhang ist für die Schülerinnen und Schüler bis zum Zeitpunkt der Aufarbeitung innerhalb des Physikunterrichts unbekannt. 2.3 Schwierigkeitsanalyse Unter dem Begriff Leistung versteht man in der Alltagssprache etwas anderes als in der physikalischen Sprache. Dies kann zu Schwierigkeiten im Unterricht führen. Aus diesem Grunde ist es wichtig, die Herangehensweise an das Thema genau zu überdenken. Zum Einen gibt es die klassische Möglichkeit, den Leistungsbegriff über die Arbeit zu definieren und somit einen Bezug zum Vorwissen der Schülerinnen und Schüler zu knüpfen. Wurden jedoch auch vorhergehende Themen über den Energiebegriff erarbeitet, so bietet sich diese Möglichkeit auch beim Thema Leistung an. Dabei wird Leistung als Energieumwandlung pro Zeit definiert. Das Thema bietet jedoch noch weitere Schwierigkeiten, sobald wir die Versuche, welche die Schülerinnen und Schüler in diesem Zusammenhang machen genauer unter die Lupe nehmen. Zum Einen kann die menschliche Leistung nur sehr schwer verständlich gemacht werden. Bei einem Spaziergang leistet unser Muskel 30 Watt, beim Schlafen leistet der Mensch 60 Watt. Für eine geringe Leistung müssen wir uns oftmals schon sehr anstrengen, während unser Körper ganz nebenbei, ohne dass wir es bemerken schon sehr viel leistet. Zum Anderen entspricht die physikalische Leistung nicht der wirklich erbrachten Leistung. Physikalische Arbeit wird nur erbracht, wenn ein Weg zurückgelegt wird und dabei eine Kraft in Wegrichtung wirkt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Gegenstand hochgehoben wird. Wird ein Gegenstand wieder langsam auf dem Boden abgesetzt, so wird physikalisch keine Arbeit verrichtet. Der Wirkungsgrad eines Menschen beträgt deshalb nur etwa 25%. Bezüglich dieses Aspektes wird im Unterricht meist eine didaktische Reduktion vorgenommen. 6

7 2.4 Fächerverbindendes Arbeiten Bei diesem Thema kann zusätzlich der biologische Aspekt eingebracht werden. Hat man die physikalische Leistung behandelt, so kann zuerst auf das Thema Muskeln eingegangen werden. Hier kann der Wirkungsgrad des menschlichen Körpers, aber auch die verschiedene Vorgänge im Muskel angesprochen werden. Als Abschluss dient die Umrechnung von KJ auf Kcal und somit das Thema der Nahrungsaufnahme und Kalorienverbrennung. 3. Methodische Umsetzung Dieses Thema können die Schülerinnen und Schüler selbst erfahren. Wie schon das alte chinesische Sprichwort sagt - Sag es mir und ich werde es vergessen, zeig es mir und ich werde mich daran erinnern, beteilige mich und ich werde es verstehen - ist es sehr wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler eigenständig naturwissenschaftlich Arbeiten. Sie erhalten so eigene Werte, die sie anschließend in einen Gesamtkontext bringen können. Durch die Selbsterfahrung mittels Lernstationen erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass physikalische Leistung in den verschiedensten Alltagssituationen vorkommt und berechnet werden kann. Die Lernstationen sind so konzipiert, dass die Durchführung der fünf Stationen und die anschließende Besprechung in einer Doppelstunde Physik durchgeführt werden kann. Die Arbeitsblätter sind so aufgebaut, dass benötigte Materialien, Versuchsvorbereitung, -durchführung und -auswertung vorgegeben sind. Je nach Leistungsstand der Klasse kann die Versuchsdurchführung mit den Schülerinnen und Schülern zu Beginn der Stunde herausgearbeitet werden. In diesem Fall sind die Schüler an der Planung des Versuchs mitbeteiligt. Nach der Versuchsdurchführung kann zuerst der Gewinner gekürt werden, die am meisten Leistung aufgebracht hat. Anschließend muss eine Auswertungsphase erfolgen. Hier sollten Werte verschiedener Schüler betrachtet werden. Beispielsweise: 1.) Treppenlaufen: gleiche Zeit warum hat der größerer Schüler mehr Leistung erbracht als ein kleinerer Schüler 2.)Warum muss ein kleinerer Schüler mehr Liegestützen machen, als ein größerer, damit er gleichviel Leistung erbringt. Das Ziel ist hierbei auf die Zusammensetzung der Leistungsformel einzugehen. Die Leistung ist abhängig von der Kraft, Weg und Zeit. 7

8 Physik Leistungsmessung Datum:. Station 1 benötigte Materialien: Skizze: Personenwaage Maßband (10 m) Stoppuhr (eigene Aufnahme) Vorbereitung zum Versuch: 1.) Messt die senkrechte Höhe eures Treppenhauses. 2.) Bestimmt eure Masse. Leise!!! Versuchsdurchführung: Einer aus dem Team läuft so schnell es geht die Treppe hinauf, die anderen stoppen die Zeit. Versuchsauswertung: Tragt alle Werte in die Tabelle ein. Wer von euch hat die größte Leistung? Name Masse in kg m Kraft in N F Hubweg in m s Arbeit in J W= F s benötigte Zeit in s t Leistung in W =

9 Physik Leistungsmessung Datum:. Station 2 benötigte Materialien: Skizze: Personenwaage Meterstab Stoppuhr (eigene Aufnahme) Vorbereitung zum Versuch: 1.) Geht in den Liegestütz. Dabei sind beide Hände auf der Personenwaage. Ermittelt so, welche Masse eure Hände nachher anheben müssen. 2.) Bestimmt eure Hubhöhe, indem ihr ermittelt, welche Höhe ihr bei einer Liegestütze verrichtet. Versuchsdurchführung: Einer aus dem Team macht Liegestützen, die anderen zählen die Anzahl der Wiederholungen und stoppen die Zeit. Versuchsauswertung: Tragt alle Werte in die Tabelle ein. Wer von euch hat die größte Leistung? Name Masse in kg m Kraft in N F Hubweg in m s Arbeit in J W= F s benötigte Zeit in s t Leistung in W = 9

10 Physik Leistungsmessung Datum:. Station 3 benötigte Materialien: Skizze: Personenwaage Maßband (10 m) Stoppuhr Kanister mit Wasser (eigene Aufnahme) Vorbereitung zum Versuch: 1.) Messt die senkrechte Höhe eures Treppenhauses. 2.) Bestimmt die Kraft, die benötigt wird, um den Kanister hochzuziehen. Leise!!! Versuchsdurchführung: Einer aus dem Team zieht so schnell es geht, den Kanister nach oben, die anderen stoppen die Zeit. Versuchsauswertung: Tragt alle Werte in die Tabelle ein. Wer von euch hat die größte Leistung? Name Masse in kg m Kraft in N F Hubweg in m s Arbeit in J W= F s benötigte Zeit in s t Leistung in W = 10

11 Physik Leistungsmessung Datum:. Station 4 benötigte Materialien: Skizze: Personenwaage Meterstab Stoppuhr Hantel (eigene Aufnahme) Vorbereitung zum Versuch: 1.) Messt die Hubhöhe bei jedem einzelnen. (Hubhöhe: Arm gestreckt nach oben zu Arm gestreckt nach unten) 2.) Bestimmt die Masse der Hantel. Versuchsdurchführung: Einer aus dem Team hebt so schnell es geht, die Hantel nach oben und wieder nach unten. Dies wird so oft es geht wiederholt. Die anderen zählen die Anzahl der Wiederholungen und stoppen die Zeit. Versuchsauswertung: Tragt alle Werte in die Tabelle ein. Wer von euch hat die größte Leistung? Name Masse in kg m Kraft in N F Hubweg in m s Arbeit in J W= F s benötigte Zeit in s t Leistung in W = 11

12 Physik Leistungsmessung Datum:. Station 5 benötigte Materialien: Skizze: Personenwaage Meterstab Stoppuhr Stuhl (eigene Aufnahme) Vorbereitung zum Versuch: 1.) Messt die Stuhlhöhe(=Hubhöhe) 2.) Bestimmt die Masse von jedem Teammitglied. Versuchsdurchführung: Einer aus dem Team steigt so schnell es geht auf den Stuhl und wieder herunter. Dieser Vorgang wird so oft es geht wiederholt. Die anderen zählen die Anzahl der Wiederholungen und stoppen die Zeit. Versuchsauswertung: Tragt alle Werte in die Tabelle ein. Wer von euch hat die größte Leistung? Name Masse in kg m Kraft in N F Hubweg in m s Arbeit in J W= F s benötigte Zeit in s t Leistung in W = 12

13 4. Literaturangaben MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN WÜRTTEMBERG (2004): Bildungsplan für die Realschule. Villingen-Schwenningen: Neckar Verlag. SCHULE UND LERNEN (2010): Schülerduden. Physik. Das Fachlexikon von A-Z. Mannheim, Leipzig, Wien, Zürich: Dudenverlag. Schulbücher: BARMEIER, M. (2009): Prisma. NWA. Physik 4/5. Baden-Württemberg. Stuttgart: Klett. CIEPLIK, D. (2007): Erlebnis. Naturwissenschaft Physik 3. Baden-Württemberg. Braunschweig. Schroedel. HEPPMANN, B. (u.a.) (2007): Natur und Technik. Physik. 7/8. Nordrhein-Westfalen. Berlin: Cornelsen. MUCKENFUSS, H (u.a.) (2007): Interaktiv Physik. Naturwissenschaftliches Arbeiten 1/2. Realschule. Baden-Württemberg. Berlin: Cornelsen. Internetquellen: Ph 8/Ph8b-Leistung-Mensch-Maschine.pdf (letzter Zugriff: )