Begleitheft zur Unterrichtsreihe BALANCE

Transkript

1 Begleitheft zur Unterrichtsreihe BALANCE

2 Anmerkungen: Das grau Hinterlegte befindet sich nicht im Laborbuch für die Schülerinnen und Schüler (SuS). Fragen an die Klasse sind kursiv gedruckt.

3 1. Unterrichtsstunde Einstiegsfrage 10 min Was ist Balance, was ist ein Schwerpunkt? Der Betreuer steht auf einem Bein und zeigt verschiedene Positionen, ohne dabei umzufallen. Bilder zeigen: Warum fallen die Steine oder der Emu nicht um? Warum fallen die Steine oder der Emu nicht um? Gemeinsam: Sammlung der Vermutungen an der Tafel, Betreuer ordnen die Vermutungen an der Tafel Schwerpunkt auf Bildern zeigen lassen: An dieser Stelle den Begriff Schwerpunkt noch nicht erklären, sondern erst am Ende wieder darauf eingehen!

4 1. Versuch: Die Streichholzschachtel Jedes Kind bekommt eine Streichholzschachtel und versucht, die auf der Kante liegende Schachtel senkrecht mit einem Finger aufzustellen. Der Betreuer macht es vor, wobei es bei ihm immer klappt. Der Betreuer muss darauf achten, die Streichholzschachtel immer mit der richtigen Kante auf dem Tisch zu platzieren. Wettbewerb Streichholzschachtel In diese Tabelle könnt ihr eure Ergebnisse eintragen. Schreibt zuerst eure Namen in die erste Spalte, dann könnt ihr anfangen. Schreibt nach jeder Runde eure Ergebnisse in die Tabelle. Wenn die Schachtel steht, dann könnt ihr ein machen. Wenn die Schachtel umfällt, könnt ihr ein X machen. 20 min Name Wer hat bei euch gewonnen? Gemeinsame Auswertung: Vergleich der Betreuer-Statistik mit der der Kinder. Vermutung: Warum klappt es bei den Betreuern zu 100 %? Vermutungen an der Tafel sammeln und danach das Rätsel auflösen. Warum funktioniert es nur in der einen Position?

5 Der Mensch und sein Schwerpunkt Diskussionsfragen: Warum fällt der Mensch nicht um, obwohl er mit seinen Füßen nur auf einer relativ kleinen Standfläche steht und dabei seinen schweren Körper balancieren muss? 15 min Was denkt ihr, wo bei uns Menschen der Schwerpunkt liegt? Hinweis für die Lehrkraft: (Nicht vorlesen!!) Der Schwerpunkt eines zweidimensionalen Körpers liegt genau an der Stelle, an dem er im Gleichgewicht ist und nicht auf eine Seite kippt, wenn man ihn an dieser Stelle unterstützt oder aufhängt. Zweidimensional wäre z.b. ein Stück Karton in beliebiger Form, aber z.b. keine unförmige Kartoffel. Unser Körper ist zwar nicht in idealer Weise zweidimensional, aber in der Physik ist das Vereinfachen erlaubt. Wie könnten wir das also bei uns überprüfen? Vorschläge sammeln und ausprobieren Gymnastikball: Könnte der Ball in irgendeiner Weise dafür nützlich sein, den Schwerpunkt des Menschen herauszufinden? (Hinlegen auf den Gymnastikball.) Möchte es jemand ausprobieren? (1 Person!)

6 2. Stabilität: Je stabiler ein Gegenstand oder ein Körper steht, desto mehr Kraft braucht es, ihn zum umfallen zu bringen. Ein Gegenstand steht umso stabiler, je größer die Auflagefläche und je tiefer der Schwerpunkt liegt. 25 min Welches Wort passt an welche Stelle im Text: mehr Schwerpunkt stabiler Auflagefläche 3. Welche Kraft bringt uns immer wieder auf den Boden zurück? Die Schwerkraft sorgt dafür, dass man beim Hüpfen wieder auf den Boden zurückkommt. Sie wirkt von jedem Punkt der Erde zum Erdmittelpunkt hin. Deshalb fallen auch die Menschen in Neuseeland (auf der anderen Seite der Erdkugel) nicht von der Erde.

7 2. Unterrichtsstunde Hilfsmittel zur Schwerpunktbestimmung das Lot Kennt ihr das Wort Lot? Habt ihr so etwas zu Hause? Maurer benutzen das, um z.b. immer im Lot, d.h. nicht schief zu mauern, Tapezierer um die Bahnen gerade anzubringen.. Wohin zeigt das Lot? Vermutungen an der Tafel sammeln. Zeigt das Lot überall auf der Welt in die gleiche Richtung? (Veranschaulichung mit Hilfe des Wasserballs) Das Lot zeigt immer zum Erdmittelpunkt. d.h. die Menschen in Neuseeland können z.b. nicht von der Erde fallen. Eine große Kraft, die sogenannte Schwerkraft (Gravitation) wirkt auf uns ein, immer in Richtung Erdmittelpunkt. Mit dem Lot den Schwerpunkt eines beliebigen zweidimensionalen Körpers bestimmen. Versuch Turm mit Lotschnur Diskussion verschiedener Fragen: Wohin zeigt das Lot? Was passiert, wenn ich den Turm schief stelle? Was passiert mit dem Lot im Verhältnis zu der unteren Platte? Wie schief kann ich den Turm stellen, ohne dass er umkippt? Beschreibung mit Hilfe des Lots Mit einer Versuchsperson ausprobieren lassen, wobei alle anderen beobachten. Wohin zeigt das Lot beim Umkippen? Beim Umkippen zeigt das Lot außerhalb der Grundfläche

8 (Standfläche). Wie ist das bei uns Menschen? Diesen Versuch kann jeder selbst ausprobieren, der Betreuer führt es vor. Versuchsanleitung: Mit der rechten Fußaußenkante ganz dicht an die Wand stellen, dabei die rechte Wange ebenfalls an die Wand drücken und versuchen, in dieser Position das linke Bein zu heben. Gelingt das? 10 min Vergleich mit dem Turm: Stellt euch vor, die untere Platte ist euer Fuß und ihr haltet euer Lot möglichst nah an den Körperschwerpunkt, den wir vorher auf dem Ball herausgefunden haben. Probiert dies nun mit dem Lot am Bauchnabel - Einer aus eurer Gruppe nimmt das Lot, hält es am Bauchnabel fest und neigt sich langsam zur Seite, wobei gleichzeitig der restliche Körper ganz steif bleibt. - Der Rest der Gruppe beobachtet das Lot. Was könnt ihr für folgende Positionen feststellen: o Lot innerhalb der Standfläche? o Lot außerhalb der Standfläche? o Lot am Rand der Standfläche? - Drei Positionen festhalten: o Lot innerhalb der Standfläche (Foto mit Schuhen und Fläche) = Gleichgewicht stabil o Lot außerhalb der Standfläche = Verlust des Gleichgewichts, die Person fällt um o Lot am Rande der Standfläche = instabiles Gleichgewicht Optimierung: Wie kann ich die Stabilität oder mein

9 Gleichgewicht erhöhen? Gewicht auf der Standfläche platzieren oder Standfläche vergrößern, z.b. Grundplatte durch eine größere ersetzen. Testet die drei Positionen noch einmal mit den Türmen. 4. Das Schnurlot Welcher Handwerker benutzt als Werkzeug ein Lot? Bäcker Maurer Metzger Tapezierer Der Maurer wiegt mit dem Lot Steine. Ja Nein Der Tapezierer prüft mit dem Lot, ob die Tapetenbahnen gerade an der Wand ausgerichtet sind. Ja Nein Der Maurer nutzt das Lot, um gerade, senkrechte Mauern zu bauen. Ja Nein Der Bäcker prüft damit, ob der Hefeteig genügend gegangen ist. Ja Nein Unterstreiche jeweils die richtige Aussage: Zeigt das Lot auf die Standfläche, dann ist das Gleichgewicht stabil / instabil.

10 Zeigt das Lot an den Rand der Standfläche, dann ist das Gleichgewicht stabil /instabil. 15 min Was passiert, wenn das Lot auf eine Fläche zeigt, die außerhalb der Standfläche liegt? Der Körper fällt um. Bodensee aus Holz zeigen und fragen: Weiß jemand was das darstellt? Auf der D-Karte Stuttgart und dann den Bodensee zeigen. Wie könnte man den Schwerpunkt beim Bodensee finden? Ihr könnt das jetzt alleine ausprobieren und dann versuchen, den See auf dem Holzkegel auszubalancieren. Wer von euch schafft es am Schnellsten? 5. Wo hat der Bodensee seinen Schwerpunkt? Versuche, den Bodensee aus Holz so auf deiner Fingerspitze auszubalancieren, dass er waagrecht auf der Spitze liegen bleibt. Wie gelingt euch das möglichst schnell? Probiere es aus und notiere, was du beobachtet hast:

11 Danach den Trick aus der Mathematik zeigen: Der mathematische Lösungsweg: 45 min gesamt Du brauchst für den Versuch: Lot an der Schnur, Kreide und eine Schraube, an der du den See an den Aufhängepunkten aufhängen kannst. 1. Hänge den See an einem der Aufhängepunkte an der Schraube auf und warte, bis er nicht mehr pendelt. 2. Streiche die Schnur des Lots mit Kreide ein und hänge das Lot an der Schnur ebenfalls an die Schraube. Sobald sich der See und das Lot in Ruhe befinden, sich also nicht mehr bewegen, fixierst du die Schnur des Lots am unteren Ende mit einem Finger, mit der anderen Hand zupfst du vorsichtig an der Schnur wie an einer Saite und markierst damit die so genannte Schwerelinie. Wiederhole den Vorgang, aber hänge den See diesmal am anderen Aufhängepunkt auf. Überprüfe das Ergebnis mit dem Holzkegel. SuS können die Aufhängepunkte der anderen Teams vergleichen. Die Position der Aufhängepunkte spielt keine Rolle. Optional: Freies Pappobjekt ausschneiden und Versuch wiederholen.

12 6. Schwerpunkt von zweidimensionalen Körpern Der Bodensee aus Holz schwebt horizontal auf der Spitze der Holzpyramide. Wie ist dir das gelungen? Ergänze die folgenden Sätze: Ich habe den Bodensee an zwei Aufhängepunkten aufgehängt. Die Schnur mit dem Lot habe ich als Schlagschnur benutzt und die Schwerelinie für jeden Aufhängepunkt mit Kreide markiert. Die beiden Schwerelinien treffen sich immer im Schwerpunkt. Schwerelinie Schwerpunkt Aufhängepunkten Der Schwerpunkt eines zweidimensionalen Körpers liegt genau an der Stelle, an dem er im Gleichgewicht ist und nicht auf eine Seite kippt, wenn man ihn an dieser Stelle unterstützt oder aufhängt. kippt Gleichgewicht aufhängt zweidimensionalen

13 7. Der schiefe Turm von Pisa Wie konnte der schiefe Turm von Pisa vor dem Umstürzen bewahrt werden? Ideen für Statiker sammeln Vergleich mit einer menschlichen Turmkonstruktion (Akrobatikeinlage):

14 3. Unterrichtsstunde - Nachbearbeitung durch die Lehrkraft 8. Besen Wie könnten wir den Schwerpunkt beim Besen einfach bestimmen? Wir vereinfachen die Form des Besens wieder und nehmen an, dass der Besen den Schwerpunkt an der Stelle hat, an dem er im Gleichgewicht ist und nicht auf eine Seite kippt. Zuerst Vorschläge sammeln und danach jeden Vorschlag praktisch ausprobieren lassen. Was fällt euch dabei besonders schwer? Wie ist der schnellste Weg zum Schwerpunkt? Besen Nimm den Besen mit dem langen Stiel zur Hand. Lege ihn auf deine, weit auseinander gehaltenen, Zeigefinger (siehe Foto). Bewege nun deine Hände ganz langsam und unter sanftem Druck aufeinander zu. Beschreibe deine Beobachtungen!.. Zuerst rutscht nur der Finger, der sich am Besenstielende befindet. Wenn sich dieser Finger dem 2. Finger nähert, kehren sich die Verhältnisse um. Je näher die Finger dem Schwerpunkt kommen, desto schneller wechseln sich der linke und der rechte Finger beim Rutschen ab. Wo sie aneinander stoßen, ist der Schwerpunkt. Der Effekt ist die Gleit- und Haftreibung.

15 Wann ist der Besen im Gleichgewicht? Wenn man den Besen an der Stelle auseinander sägen würde, an der sich deine Finger treffen, wären dann beide Teile gleich schwer? Überprüfe deine Vermutung mit dem Ast, der Säge und der Waage. Trage die Massen der zwei Aststücke unten ein und vergleiche! Wenn wir den Besen an dieser Stelle auseinander sägen würden, was denkt ihr: Sind beide Teile gleich schwer? Abstimmung an der Tafel Wir wollen natürlich nicht die Besen zerstören, aber aus dem Wald haben wir ein paar Äste geholt, mit denen wir das überprüfen können. 1. Schwerpunkt bestimmen 2. Durchsägen 3. Abschätzen lassen, welches Teil schwerer ist 4. Genaues Abwiegen und Ergebnisse an der Tafel notieren Hinweis auf Gewichtstäuschung (Marktfrau oder mann): Mit geschlossenen Augen lässt es sich besser

16 abschätzen, ob ein Gewicht schwerer ist als das andere. Unsere Augen lassen sich von der Größe täuschen. Auf die Eingangsvermutungen auf der Tafel zurückkommen Fazit: Der Schwerpunkt ist nicht unbedingt der Punkt, an dem das Gewicht links und rechts vom Schwerpunkt gleich groß ist. Welche Aussage stimmt? Bei einem verzweigten Ast sind die beiden Hälften links und rechts vom Schwerpunkt nicht unbedingt gleich schwer. immer gleich schwer. Bei welchem Spielzeug hat das Ausnutzen des Schwerpunkts eine praktische Bedeutung? Bild Wippe (an der Tafel und anderes Bild im Laborbuch) Schaue dir das Bild unten an. Kann das so stimmen? Ja Nein Überprüft mit dem Lineal und den Radiergummis oder anderen Gegenständen, ob das Kaninchen die Wippe wirklich so in diese Position bringen kann.

17 Stimmt das Bild? Diskutiert eure Vermutung. Überprüft eure Vermutung: Seht in eurer Kiste nach, ob ihr Experimentiermaterial findet, mit dem ihr das überprüfen könnt (Lineal, Radiergummis und Knete). Position: Radiergummi in die Mitte des Lineals, schwere Kugel rechts außen, leichte Kugel in der Mitte der linken Seite. 1. Was muss verändert werden, damit die Kugeln (Personen) in ihrer jetzigen Sitzposition ins Gleichgewicht kommen? 2. Vergleicht noch einmal mit dem Besen Fazit: Jede Seite der Wippe hat einen eigenen Schwerpunkt und es gibt einen gemeinsamen Schwerpunkt. Wenn beide Personen gleich schwer sind, liegt der gemeinsame Schwerpunkt genau in der Mitte. Wenn die Person links halb so viel wiegt, dann muss sie doppelt so weit raus rücken. Wenn sie ein Drittel wiegt, dreimal so weit. Die Position des Gewichts spielt eine Rolle bei der Schwerpunktbestimmung. Wie könnten das Kaninchen und der Elefant auf der Wippe stehen, damit das Bild stimmt? Zeichnet verschiedene, mögliche Positionen ein.

18 9. Die Wippe und das Gleichgewicht Betrachte den Elefanten und das Kaninchen. Kann es sein, dass die beiden in dem einen oder anderen Bild im Gleichgewicht sind? Umrahme den Fall oder die Fälle, in denen das sein kann.

19 Damit eine Wippe im Gleichgewicht ist, muss eine leichtere/schwerere Person weiter außen/innen sitzen, als eine schwerere/leichtere Person. außen innen leichtere schwerere Wo ist dieser Effekt im Alltag noch nützlich?.... Basteleinheit: Ballerina oder Clown zur Auswahl Spielereien: Balancieren auf dem Seil und anderen Gegenständen (evtl. im Sportunterricht) (Grafiken von: