Körper in Bewegung Bremsvorgänge

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1 Didaktische FWU-DVD Körper in Bewegung Bremsvorgänge Physik Klasse 8 13 Trailer ansehen

2 Schlagwörter Beschleunigung; Bewegung; Bremsen; Bremsprozesse; Bremsvorgänge; Bremsweg; Endgeschwindigkeit; Energieumwandlung; Fallbewegungen; Fallschirm; Flüssigkeit; Flugzeuge; Fluide; Gase; Gefälle; Geschwindigkeit; Impuls; Insassenrückhaltesysteme; Kinematik; Kräfte; Kräftegleichgewicht; Luftwiderstand; Mechanik; Newton, Isaac; Notfallspuren; Querschnittsfläche; Reibung; Rekuperationsbremsen; Retarder; Schubumkehr; Schwerkraft; Steigung; Straßenverkehr; Trägheitsaxiom; Weltall; Widerstand; Wirbelstrombremsen Systematik Physik Klassische Mechanik Kinematik, Dynamik Klassische Mechanik Technische Anwendungen 2

3 Zum Inhalt Bremsvorgänge (Film 30 min) Kurze Realfilmsequenzen stellen Situationen vor, in denen auf festem Boden, in Fluiden oder sogar im luftleeren Raum gebremst wird. Diese Situationen werden dann in einfacher Weise physikalisch analysiert. Auch kleine Handexperimente werden vorgeführt. Protagonist ist Sven, der sich als Radfahrer selbst verschiedenen Kraftwirkungen aussetzt, die Handexperimente vorführt und auch sonst für kurzweiliges Lernen sorgt. So radelt Sven zu Beginn durch die Weinberge und kann am eigenen Leib die beschleunigende oder auch verzögernde Wirkung der Schwerkraft erfahren. Ausgehend vom Trägheitssatz werden die verschiedenen Wirkungen von Kräften auf die Bewegung untersucht, bevor sich daraus gezielt das Konzept des Bremsens entwickelt. Anschließend wird der Vorgang des Bremsens unter dem Gesichtspunkt der Energieumwandlungen behandelt. Bei der genaueren Untersuchung von Bewegungen auf festem Boden finden sich vielfältige Beispiele bis hin zu Retardern sowie Notfallspuren im Gebirge und auch der Bremsweg wird physikalisch betrachtet. Daraufhin folgt die Betrachtung von Bremsvorgängen in Gasen, vor allem bei Fallbewegungen in der Luft. Zusätzlich wird auch erklärt, wie Flugzeuge geplant an Höhe gewinnen oder verlieren können und wie sie ihre Geschwindigkeit verändern. Die Bremsvorgänge in Flüssigkeiten sind von den Grundlagen her vergleichbar mit denen in Gasen, hier werden hauptsächlich ein paar mehr Anwendungsbeispiele gezeigt, vor allem auch bei Booten und Schiffen. Die Produktion schließt mit einer Sequenz zu Bremsvorgängen im Weltall, wo der Begriff des Impulses eingeführt wird und die Kraft als zeitliche Änderung des Impulses vorgestellt wird. Filmsequenzen Bewegungen und Kräfte (Filmsequenz 3:20 min) In dieser einführenden Sequenz radelt Sven zunächst durch Weinberge. Da Sven auch irgendwann anhalten möchte, muss er auch bremsen. Das Trägheitsaxiom von Newton wird genannt. 3

4 Als Konsequenz daraus ist leicht zu sehen, dass jede Änderung eines Bewegungszustandes nur durch die Wirkung von Kräften erfolgen kann. Bremsen und Energie (Filmsequenz 2:20 min) Nachdem die Vorgänge beim Bremsen und Beschleunigen aus Sicht der wirkenden Kräfte eingeführt sind, wird nun ins Energiebild gewechselt. Bremsvorgänge nehmen Bewegungsenergie aus dem System heraus, indem die Bewegungsenergie in andere Energieformen gewandelt wird. Diese Betrachtungsweise vereinfacht vor allem das Verständnis von Bremsprozessen, die nicht auf Reibung beruhen. Bremsvorgänge auf festem Boden (Filmsequenz 5:20 min) In dieser Sequenz werden verschiedene Möglichkeiten betrachtet, wie man auf festem Boden bremsen kann. Die Beispiele reichen vom Stehenbleiben eines Menschen durch Verformung der Muskeln über die klassischen auf Reibung basierenden Bremssysteme bis hin zu verschleißfreien Systemen wie Retardern und Wirbelstrombremsen. Dazu kommen noch äußere Notfallsysteme wie Notfallspuren. Bremsweg und Beschleunigung (Filmsequenz 4:00 min) Am Beispiel eines Pfeils, der in einer Zielscheibe stecken bleibt, wird der Begriff des Bremswegs eingeführt. Auch weitere einfache Beispiele zeigen, wie ein Bremsweg, vor allem auch im Fall eines Aufpralls, aussieht und welche Beschleunigungen in einem solchen Fall wirken. Ein Rechenbeispiel führt zu einem wahrscheinlich verblüffenden Ergebnis. 4

5 Bremsen im Straßenverkehr (Filmsequenz 2:40 min) Aus der vorigen Sequenz ergibt sich zwangsläufig die Frage nach Bremsvorgängen im Straßenverkehr und vor allem auch nach dem Schutz des Menschen im Falle eines Aufpralls. Die Insassenrückhaltesysteme werden auf ihre Wirkungsweise hin untersucht. Im Anschluss werden auch Systeme vorgestellt, die außerhalb eines Fahrzeuges sind und bei einem Aufprall den Bremsweg verlängern, wie Prellböcke im Schienenverkehr. Bremsen in Gasen (Filmsequenz 4:30 min) Als Nächstes werden Bremsvorgänge in Gasen untersucht. Hauptsächlich wird hier analysiert, wie der Luftwiderstand dafür sorgt, dass Körper mit verschiedener Masse verschieden schnell fallen. Im Anschluss wird auch die Wirkung von Fallschirmen betrachtet und die Endgeschwindigkeit als Begriff eingeführt. Zuletzt erfolgt eine kurze Betrachtung der Gegebenheiten bei Flugzeugen. Bremsen in Flüssigkeiten (Filmsequenz 2:40 min) Nachdem bei Bremsvorgängen in Gasen die Luftwiderstandskraft genauer betrachtet wurde, kann man nun die Bremsvorgänge in Flüssigkeiten analog betrachten. Die Vergrößerung der Querschnittsfläche in Bewegungsrichtung stellt die einfachste Art zu bremsen dar. 5

6 Andere Mechanismen, die vorgestellt werden, sind ähnlich der Schubumkehr beim Flugzeug. Bremsen im Weltall (Filmsequenz 4:00 min) Im Weltall gibt es keine Reibung. Erfolgreiche Weltraummissionen zeugen aber davon, dass man auch im Weltall manövrieren kann. Mithilfe einer Spielzeugrakete demonstriert Sven das Prinzip dieser Art der Manipulation von Bewegungen. Hier wird auf einfachste Weise der Impuls eingeführt und die Kraft als zeitliche Änderung des Impulses vorgestellt. Grafiken Bewegungsarten (Grafik) Die Grafik gibt einen Überblick über die verschiedenen Bewegungsarten: Gleichförmige Bewegungen sind Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit. Ungleichförmige Bewegungen können beschleunigte oder verzögerte Bewegungen sein. In Hinblick auf die Zielgruppe der Produktion wird auf eine weitere Unterscheidung in ungleichmäßig beschleunigte oder verzögerte Bewegungen verzichtet. Verschiedene Arten der Beschleunigung (2 Grafiken) Beschleunigung bedeutet, dass man schneller wird, langsamer wird oder die Richtung ändert. Diese Unterschiede können hier anschaulich erarbeitet werden. Schneller werden (Grafik) Um schneller zu werden, erfährt ein Körper eine positive Geschwindigkeit und eine positive Beschleunigung. Abbremsen (Grafik) Um abzubremsen, erfährt ein Körper eine positive Geschwindigkeit und eine negative Beschleunigung. Die gleichförmige Bewegung (3 Grafiken) / Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung (3 Grafiken) / Die gleichmäßig verzögerte Bewegung (3 Grafiken) Zur Lernzielkontrolle zeigen je drei Grafiken verschiedene Zeit-Weg-Diagramme, Zeit-Geschwindigkeits-Diagramme und Zeit-Beschleunigungs-Diagramme, anhand derer die Schülerinnen und Schüler erkennen sollen, ob es sich bei den dargestellten Kurven um gleichförmige Bewegungen, gleichmäßig beschleunig- 6

7 te oder gleichmäßig verzögerte Bewegungen handelt. Die Übung soll die Schülerinnen und Schüler unter anderem dazu anleiten, die Beschriftung der Koordinatenachsen genau zu lesen, bevor sie die Grafiken interpretieren. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler kennen den Trägheitssatz; kennen den Zusammenhang zwischen Bremsen und Energieumwandlung; kennen die Rolle der Reibung bei Bewegungen auf festem Boden; kennen Bremsvorgänge, die auf Reibung zwischen Festkörpern basieren; kennen den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit, Bremsweg und wirkender Beschleunigung; erkennen, dass die Länge des Bremsweges einen Einfluss auf die bei einem Aufprall wirkende Beschleunigung hat; erkennen, dass der Widerstand von Gasen und Flüssigkeiten diejenige Kraft ist, die zum Bremsen in diesen Medien benötigt wird; erkennen, dass die Querschnittsfläche in Bewegungsrichtung diejenige Größe ist, die sich zur Regulierung von Bremsvorgängen in Gasen und Flüssigkeiten am einfachsten manipulieren lässt; 7

8 können beschreiben, wie sich die Länge des Bremsweges auf die wirkende Beschleunigung auswirkt; können die Energieumwandlungen beschreiben, die bei verschiedenen Bremsvorgängen stattfinden; können beschreiben, wie Kräfte die Bewegung eines Objektes beeinflussen. Didaktische Hinweise Der Film zeigt eine Vielzahl an Bremsvorgängen auf festem Boden, in Gasen und Flüssigkeiten und auch im luftleeren Raum. Soweit möglich besteht die Produktion aus Realfilmaufnahmen, an wenigen Stellen finden sich Animationen zur Verdeutlichung von Prozessen, die der Kamera nicht zugänglich sind. Die Untersuchung der Vorgänge orientiert sich bewusst nur an allgemeinen Konzepten wie Kräftegleichgewicht, Einfluss von Kräften auf die Bewegung, Energieerhaltung und Energieumwandlungen. So lassen sich auch die scheinbar komplizierten und vielfältigen Bremsvorgänge einfach erfassen und verstehen. Die allen Prozessen gemeinsamen physikalischen Konzepte haben Vorrang vor verwirrenden Details. So wird die physikalische Denk- und Vorgehensweise, die Reduktion eines Problems auf das Grundlegende und Notwendige, durch die gesamte Produktion hindurch vorgestellt und eingeübt. Die kurzweilige, lebhafte Mischung aus der sonst oft als trocken empfundenen Bereitstellung von mechanischen Sachverhalten und Praxisbeispielen für die technische Umsetzung aus der Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler erlaubt eine abwechslungsreiche Auseinandersetzung mit dieser zentralen Thematik. Wichtige Sachverhalte tauchen an mehreren Stellen auf und können so gefestigt werden, ohne dass eine reine Wiederholung erfolgt. Die Produktion kann im Rahmen der folgenden Themenschwerpunkte eingesetzt werden: Bewegungen und Kräfte Bremsen und Energie Bremsvorgänge auf festem Boden Bremsweg und Beschleunigung Bremsen im Straßenverkehr Bremsen in Gasen Bremsen in Flüssigkeiten Bremsen im Weltall Verschiedene Arten der Beschleunigung 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen sowie den Grafiken und den ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Bremswege 2) Luftwiderstand und Fallschirme 3) Auswertung der Abbildung 4.1) Lückentext 4.2) Lückentext (für Experten) 5) Retarder Bewegungsarten Verschiedene Arten der Beschleunigung (2 Grafiken) Schneller werden Abbremsen Die gleichförmige Bewegung (3 Grafiken) Die gleichmäßige beschleunigte Bewegung (3 Grafiken) Die gleichmäßig verzögerte Bewegung (3 Grafiken) Filmtext zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Untermenü Hauptmenü Körper in Bewegung Bremsvorgänge Bremsvorgänge Film 30 min Bremsvorgänge Sequenzen Bewegung und Beschleunigung Grafiken Arbeitsmaterial Bremsvorgänge Bewegungen und Kräfte 3:20 min Bremsen und Energie 2:20 min Bremsvorgänge auf festem Boden 5:20 min Bremsweg und Beschleunigung 4:00 min Bremsen im Straßenverkehr 2:40 min Bremsen in Gasen 4:30 min Bremsen in Flüssigkeiten 2:40 min Bremsen im Weltall 4:00 min Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter 14 Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Bewegung und Beschleunigung Bewegungsarten Grafik Verschiedene Arten der Beschleunigung Grafik Schneller werden Abbremsen 2 Grafiken Die gleichförmige Bewegung Grafik Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung Grafik Die gleichmäßig verzögerte Bewegung Grafik 10

11 Produktionsangaben Körper in Bewegung Bremsvorgänge (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2016 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design Dicentia Germany GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild Bildnachweis rashpil fotolia, Style-O-Mat fotolia, zera93 fotolia, Rudie fotolia Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker, Dr. Maike Schuchmann Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Bremsvorgänge Produktion SchwabenFilm im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2016 Drehbuch Markus Matschke Regie und Schnitt Sven Falge, Markus Matschke Kamera Jean-Pierre Weingart Animation David Adolf, Sven Falge, Markus Matschke, Dennis Dermann Fotograf HGG-Zirlerbergstraße- Notwer.JPG H. G. Graser Musik bluevalley Sounddesign und Mischung Tobias von Brockdorff TONSCHIEBER Tonstudio-Stuttgart Sprecher Fabian Gröver Fachberatung Dr. Sylvia Becker Vielen Dank an Skytandem.de, Constantin Knupfer, Kevin Böhringer, Susanne Boesel, Alex Boesel, Nicolai Noll, Sportschule Park, Tatiana Wenske, Silvia Chevalier, Thomas Matschke, Marco Kugel, NASA, in.stuttgart Veranstaltungsgesellschaft, Christian Eisenhardt, Heinz Matschke, Bootscrew 2016 Redaktion Dr. Maike Schuchmann Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2016 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Körper in Bewegung Bremsvorgänge Wir nehmen ihn oftmals als ein Ruckeln wahr und manchmal führt er auch zu einem kurzen Schreckmoment. Ein Bremsvorgang ist physikalisch gesehen eine Bewegung mit einer negativen Beschleunigung. Dabei haben unterschiedliche Reibungsarten diverse Auswirkungen. In der Produktion werden verschiedene Bremsmethoden anschaulich erklärt und Bremsvorgänge auf unterhaltsame Weise durchschaubar gemacht. Laufzeit 30 min Klasse 8 13 Sprache Film 1 Filmsequenzen 8 Arbeitsblätter 5 DE Grafiken 14 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass das bloße Fehlen einer Krafteinwirkung noch nicht ausreicht, um eine Bewegung zu stoppen; erkennen, dass Kräfte die Ursache für jede Art der Änderung eines Bewegungszustandes sind; erkennen, dass zur gezielten Änderung eines Bewegungszustandes eine gezielte Krafteinwirkung erforderlich ist; kennen die allgemeine Formulierung der Kraftdefinition; kennen Bremsvorgänge, die auf Impulsänderung basieren; können Beschleunigungen beim Bremsen berechnen. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 8 13 Bewegungen und Kräfte Bremsen und Energie Bremsvorgänge auf festem Boden Bremsweg und Beschleunigung Bremsen im Straßenverkehr Bremsen in Fluiden Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG Bremsen im Weltall GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de