Wie Rampen helfen: Hinweise, Lösungen und Hilfen

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1 Wie Rampen helfen: Hinweise, Lösungen und Hilfen Das Material wurde mehrfach erfolgreich im Unterricht eingesetzt. Anregungen, Kritik und Hinweise an: Oliver Pechstein Barnim-Gymnasium (Berlin-Lichtenberg) Kontext Rampen an Bauwerken und Verkehrsmitteln für Rollstuhlfahrer behindertengerechtes Bauen Vorbemerkung Das Vorgehen ist hypothetisch-deduktiv, das zielgerichtete auf die Hypothesen orientierte Experimentieren erhöht die Nachhaltigkeit des Lernprozesses. Das Material berücksichtigt darüber hinaus das Konzept des problemlösenden Lernens. Problemgenerierung 0. Einführung in den Kontext 1. Ein erstes Experiment Problempräzisierung 2. Eine Hypothese über Rampen Lösungsvorschläge 3. Wir planen ein Experiment zur Überprüfung der Hypothese Prüfen der Lösungsvorschläge 4. Wir überprüfen, ob die goldene Regel für Rampen gilt Vernetzung und Transfer 5. Wir stellen weitere Hypothesen über Rampen auf Wir fassen unsere Ergebnisse zusammen 7. Wir wenden unser Wissen über Rampen an 8. Wir beurteilen Rampen 9. Planung einer Rampe Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 1

2 Kompetenzentwicklung Vorausgesetzte Kompetenzen Angestrebte Kompetenzen Kompetenzbereiche Die Schülerinnen und Schüler... Erkenntnisgewinnung können Kräfte messen, führen einfache Experimente nach Anleitung durch, werten Daten mit Hilfe von Diagrammen aus, Fachwissen erkennen physikalische Sachverhalte im Kontext, Kraftbegriff, Goldene Regel der Mechanik am Beispiel Rollen und Flaschenzüge, Haftreibung (nur für einzelne Teilaufgaben), Bewertung können zu einem Sachverhalt ein Bewertungskriterium auswählen, Kommunikation dokumentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit, präsentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit Kompetenzbereiche Die Schülerinnen und Schüler... Erkenntnisgewinnung formulieren Hypothesen, die durch Experimente überprüfbar sind, planen Experimente mit dem Prinzip der Variablenkontrolle, führen Experimente unter Beachtung des Prinzips der Variablenkontrolle durch, verifizieren Hypothesen, Fachwissen wissen, dass die goldene Regel gilt auch für andere Geräte gilt, wenden die Goldene Regel im Kontext an, Bewertung können Beziehungen zwischen einer Sachlage und mehreren Bewertungskriterien herstellen, unterscheiden physikalische und andere Bewertungskriterien, formulieren für eine Sachlage Bewertungskriterien. Kommunikation dokumentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit präsentieren die Ergebnisse ihrer Arbeit mit Folien oder Plakaten. 0. Einstieg Ein ansprechendes Bild von den Paralympics findet man hier: (gesichtet am ) Der Sportler überwindet eine äußerst steile Rampe. Deutlich wir auch die Kippgefahr. Möglich sind auch Bezüge zur eigenen Schule oder Bauwerken in der direkten Umgebung, wenn dort Rampen vorhanden sind. Auch Auffahrten, die nicht für Rollis gebaut wurden können daraufhin untersucht werden, ob sie für Rollis geeignet sind. 1. Ein erstes Experiment Hinweise zum Experiment Sollte kein Rollstuhl zur Verfügung stehen, kann sich auch eine Schülerin oder ein Schüler auf einen Rollwagen oder Möbelroller (Hausmeister) setzen und hochziehen lassen. Dabei kann mit geeigneten Kraftmessern (Messbereich 100N oder eine Federwaage aus dem Baumarkt) auch die Kraft gemessen werden. Der Kraftmesser muss mit einem Seil mit dem Rollwagen bzw. dem Rollstuhl verbunden werden. Es muss geklärt werden, dass Zugkraft=Schubkraft gilt. Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 2

3 2. Eine Hypothese über Rampen Lukas Anna Lukas Anna Lukas Anna Lukas Anna Lukas Markiere die wesentlichen physikalischen Aussagen, die in dem Gespräch von Anna und Lukas enthalten sind! Die Rampe wird ja ganz schön groß. Die Rampe muss so groß sein, damit sie nicht zu steil wird. Wenn eine Rampe zu steil ist, schafft es doch kein Rolli allein da raufzufahren. Ach so, je flacher die Rampe sein soll, desto größer wird sie. Da könnte man ja auch sagen, wenn die Rampe länger ist, benötigt man weniger Kraft beim Hochfahren. Das erinnert irgendwie an die goldene Regel der Mechanik aus der Physik, die habe ich aber vergessen. Wenn man einen Körper um eine bestimmte Höhe anheben möchte, so gilt: Wenn die erforderliche Kraft verkleinert wird, so muss der Weg vergrößert werden. Kraft und Weg sind zueinander antiproportional. Wir haben doch die goldene Regel nur bei den Rollen und Flaschenzügen benutzt. Ob die goldene Regel auch für Rampen gilt? Ich glaube schon. Es gibt sicher noch andere Größen, die man beachten muss, vielleicht den Höhenunterschied und die Gewichtskraft des Rollstuhls samt Fahrer. Welche physikalische Hypothese wird in dem Gespräch formuliert? Die goldene Regel der Mechanik gilt auch für Rampen. Dabei müssen der Höhenunterschied und die zu hebende Gewichtskraft gleich bleiben. 3. Wir planen Experimente zur Überprüfung der Hypothese Nenne die physikalischen Größen, die in dem Experiment gemessen werden müssen! Zugkraft, Länge, Höhe, Gewichtskraft (Masse) Plane mit Hilfe der folgenden Tabelle das Experiment zur Überprüfung der Vermutung! Experiment Wir verändern Wir lassen unverändert Skizzen der Experimente Überprüfung: Gilt die goldene Regel? Länge Höhe Gewichtskraft Zusatzaufgabe: Begründe, warum der Einfluss der Neigung der Rampe nicht extra untersucht werden muss! Die Neigung hängt bei konstanter Höhe nur von der Länge ab. Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 3

4 4. Wir überprüfen, ob die goldene Regel für Rampen gilt Hinweis zum Experiment Sollten keine verschieden langen Rampen zur Verfügung stehen, kann die effektive Länge der Rampe geändert werden, in dem man die Rampe über der Tischkante überstehen lässt. Gemessen wird nur die Länge von der Tischkante bis zum Ende der Rampe. Länge l Kraftmesser Höhe h Messwerttabelle: Unveränderte Größen: Höhe der Rampe h = 10cm Gewichtskraft des Wagens F G = 2,0N Länge in cm 10 direktes Hochheben Zugkraft F Zug in N 2,0 1,0 0,68 0,51 0,42 *F in cm*n (optional) ,4 20,4 21 Tischplatte Auswertung: Je länger die Rampe bei gleicher Höhe, desto kleiner ist die Zugkraft. Wenn man die Länge verdoppelt, beträgt die Zugkraft nur noch die Hälfte. Die Zugkraft ist antiproportional zur Länge. Die Messwerte stimmen mit der goldenen Regel der Mechanik überein. Zusatzaufgabe Der kürzeste Weg wäre das direkte Hochheben des Wagens. Untersuche, welche Kraft dazu erforderlich ist. Formuliere ein Versuchsergebnis. Die erforderliche Kraft ist gleich der Gewichtskraft. 5. Wir stellen weitere Hypothesen auf und überprüfen diese Stelle für den Einfluss einer dieser beiden Größen auf die Zugkraft eine Hypothese auf! Je höher die Gewichtskraft des Rollstuhls und des Rollstuhlfahrers ist, umso größer muss auch die Kraft beim Hochfahren sein. Bedingungen: Länge und Höhe der Rampe bleiben unverändert. Je größer der Höhenunterschied, desto größer ist die Zugkraft beim Hochfahren. Bedingungen: Länge und Gewichtskraft bleiben unverändert. Plane für die Überprüfung dieser Hypothese ein Experiment! Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 4

5 Wir verändern Gewichtskraft des Wagens Wir lassen unverändert Länge der Rampe Höhe der Rampe Skizzen der Experimente Höhe der Rampe Länge der Rampe Gewichtskraft des Wagens Teilversuch Gewichtskraft Unveränderte Größen: Länge der Rampe = 50cm Höhe der Rampe h = 10cm Gewichtskraft F G in N 0,50 1,0 1,5 2,0 Zugkraft F Zug in N 0,09 0,20 0,31 0,42 F Zug /F G (optional) 0,18 0,2 0,21 0,21 Auswertung: Je höher die Gewichtskraft bei ansonsten gleichen Abmessungen der Rampe, desto größer die Zugkraft. Verdoppelt man die Gewichtskraft, so verdoppelt sich auch die Zugkraft. Die Zugkraft ist proportional zur Gewichtskraft. Teilversuch Höhe Unveränderte Größen: Länge der Rampe = 50cm Gewichtskraft des Wagens F G = 2,0N Höhe h in cm Zugkraft F Zug in N 0,42 0,80 1,18 1,65 F/h in N/cm(optional) 0,042 0,04 0,039 0,041 Auswertung: Je höher die Rampe bei gleicher Länge ist, desto größer ist die Zugkraft. Wenn man die Höhe verdoppelt, so verdoppelt sich die Zugkraft. Die Zugkraft ist proportional zur Höhe. Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 5

6 6. Wir fassen unsere Ergebnisse zusammen Es empfiehlt sich, die Plakate im Unterricht anfertigen zu lassen. Die Auswertung kann im Rahmen einer Posteraustellung mit Präsentationen erfolgen. Zeitrahmen: 2 Stunden Anfertigung, eine Stunde Auswertung. Die Abbildungen zeigen Beispiele für im Unterricht angefertigte Poster aus einer achten Klasse (Barnim-Gymnasium, Berlin-Lichtenberg). Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 6

7 7. Wir wenden unser Wissen über Rampen an Als Bild kann das im Einstieg vorgestellte Bild verwendet werden (s.o.). Schätze für eine Rampe in der Umgebung der Schule die Kraft ab, mit der eine Rollstuhlfahrerin diese Rampe hinauf rollen muss. Mögliche Hilfen Lösungen - Schätze die Gewichtskraft einer Rollstuhlfahrerin mit Rollstuhl. z.b.: F G = 800N (Rollstuhlfahrerin m=60kg F G =600N und Rollstuhl m=20kgf G =200N) - Überlege Dir eine konkrete Rampe. z.b.: 12mal länger als hoch: l=12m, h=1m 20mal länger als hoch: l=20m, h=1m - Wende die Goldene Regel der Mechanik Beim 12fachen Weg benötigt man ein Zwölftel an. - Berechne die Kraft zunächst für eine Rampe, die 12mal länger ist als das Hindernis hoch ist. - Berechne anschließend die Kraft für eine Rampe, die 20mal länger ist als das Hindernis hoch ist. der Kraft. ca. 70N für die 12fache Länge ca. 40N für die 20fache Länge Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 7

8 8. Wir beurteilen Rampen Im Zentrum steht die Entwicklung von Bewertungskompetenz. Hintergrundwissen Laut DIN gilt für barrierefreies Bauen von Rampen: - maximal 6% Steigung - Zwischenpodest von mindestens 150 cm ab 600 cm Rampenlänge. - Radabweiser beiderseits 10 cm hoch bei Rampen und Zwischenpodesten. - beidseitige Handläufe - Bewegungsflächen von 150 cm x150 cm sind am Anfang und Ende der Rampe anzuordnen. - Die Steigung muss nicht nur begrenzt werden, damit sie überwindbar ist, es muss auch die Möglichkeit des Abbremsens bestehen und die Kippgefahr ausgeschlossen werden. Quelle: (gesichtet am ) Weitere Informationen z.b. (gesichtet am ). Wie gut sind die Rampen in der Nähe unserer Schule für Rollstuhlfahrer geeignet? Teilaufgabe: Vorüberlegungen Überlegt euch in eurer Gruppe, welche Eigenschaften eine Rampe haben sollte, damit sie gut für Rollstuhlfahrer geeignet ist. Formuliert diese Eigenschaften als Beurteilungskriterien. Lösungen zu den Vorüberlegungen Mögliche Kriterien sind u.a.: - Eine Rampe muss den Regeln für den Rampenbau entsprechen. - Eine Rampe darf nicht zu lang sein. - Eine Rampe muss ausreichend breit sein. - Eine lange Rampe sollte Zwischenpodeste als Erholungsmöglichkeiten bieten. - Eine Rampe muss ein Geländer haben, damit sie sicher ist. - Der Belag darf nicht zu glatt sein. - Die Rampe muss gut erreichbar sein. Mögliche Hilfen - Überlegt euch, welche Abmessungen eine Rampe haben sollte. - Ein Rollstuhlfahrer kann nicht ständig bergauf rollen. Wodurch kann dies verhindert werden? - Wodurch kann verhindert werden, dass ein Rollstuhlfahrer von der Rampe wegrutscht? Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 8

9 Teilaufgabe 2: Beurteilen konkreter Rampen Untersucht und beurteilt verschiedene Rampen für Rollstuhlfahrer in der Nähe eurer Schule. Lösungen zum Beurteilen konkreter Rampen Entsprechend dem untersuchten Beispiel: Skizze der Rampe Abmessungen der Rampe Bestätigung der Rampenregel (Angabe, wie viel mal länger als hoch die Rampe ist) Beurteilung der weiteren Kriterien, in wieweit diese erfüllt sind Mögliche weitere Gesichtspunkte: Kann die Rampe auch für Kinderwagen, Radfahrer oder andere genutzt werden? Wie fügt sich diese Rampe in die Gestaltung des Bauwerkes ein? Mögliche Hilfen Messungen an der Rampe - Fertigt eine Skizze der Rampe an! - Messt die Länge und den Höhenunterschied, den die Rampe überwindet! - Tragt eure Messwerte in die Skizze ein! Beurteilen der Rampe Es ist möglich einen Kriterienkatalog, der von einer Schülergruppe oder im Unterricht erarbeitetet wurde, für alle vorzugeben. Beurteilt die Rampe nach den folgenden Kriterien! Kreuzt an! Die Rampe entspricht den Regeln für den Rampenbau. Die Rampe ist ausreichend breit. Die Rampe ist nicht zu lang. Die Rampe hat Zwischenpodeste als Erholungsmöglichkeiten. Die Rampe hat ein Geländer, damit sie sicher ist. Die Rampe hat Radabweiser, damit sie sicher ist. Der Belag ist so stumpf, dass die Räder haften. trifft völlig zu trifft teilwe ise zu trifft eher nicht zu trifft nicht zu Bemerkungen Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 9

10 9. Planung einer Rampe In der Diskussion werden verschiedene Argumente vorgebracht. Welche der Argumente sind im Wesentlichen physikalische Argumente? Gib wenn möglich, eine kurze physikalische Begründung für das Argument an! Argument Die Gestaltung der Rampe muss zum Schulgebäude passen. Die Rampe darf nicht zu groß werden. physikalis ch begründb ar nicht physikalis ch begründb ar Physikalische Begründung (wenn möglich) Zuordn ung B, C A, C Die Rampe muss mindestens 12m lang sein. Die Rampe sollte 20m lang sein. Die Rampe benötigt einen Zwischenpodest zum Ausruhen. Die Rampe muss so gestaltet sein, dass sie von der Hofaufsicht gut einsehbar ist. Der Belag der Rampe darf nicht zu glatt sein. Für den Bau der Rampe sollen preiswerte Materialien verwendet werden. Verringern der Kraft (goldene Regel) Noch besseres Verringern der Kraft Haftreibung B, D D B, D C B, D A Zusatzaufgabe Ordne die Argumente den Teilnehmern der Diskussion zu, in deren Interesse das Argument wahrscheinlich ist! Die Zuordnung der Argumente zu den Perspektiven der Beteiligten ist nicht in jedem Fall eindeutig möglich, dennoch können Motive diskutiert werden. 10. Rampen lösen Probleme Erarbeitet ein Poster zur Anwendung von Rampen in verschiedenen Bereichen. Recherchiert im Internet nach möglichen Beispielen für die Verwendung von Rampen. Bereitet euch auf die Präsentation des Posters vor. Mögliche Anwendungen - Mobile Rampen für Rollstuhlfahrer in verschiedensten Ausführungen - Rampen an Bauwerken (Barrierefreiheit) - Serpentinen (Straßen) - Zahnradbahnen (Schienenverkehr) - Parkhäuser - Rampen zum Beladen von Lastwagen - Einstiegshilfen für Hunde etc. Verschiedenste Bauformen sind möglich. Es könnte auch der Versuch gemacht werden, die Anwendungen in einem Mindmap zu strukturieren. Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 10

11 11. Aufgaben zur Überprüfung des Kompetenzfortschrittes Präsentationen der Arbeitsergebnisse ermöglichen eine Rückmeldung und geben Bewertungsgelegenheiten. Auf der folgenden Seite finden sich mögliche schriftliche Testaufgaben. Wesentlich ist Aufgabe 4: Ziel ist die Anwendung auf einen neuen noch unbekannten Kontext, um die Kompetenzen im Bereich der Erkenntnisgewinnung (Hypothesen bilden, Versuche planen) zu prüfen. Ein Foto eines hydraulischen Wagenhebers sollte vorgelegt werden. Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 11

12 Testaufgaben 1. Nenne die Goldene Regel der Mechanik. 2. Erkläre, warum eine Rampe für Rollstuhlfahrer mindestens 17mal länger als hoch sein muss. 3. Frau Müller fährt mit ihrem Auto mit gleichbleibender Geschwindigkeit einen Berg hoch. Der Höhenunterschied beträgt 30m. Die Straße ist 600m lang, die Steigung der Straße ändert sich nicht. Das Auto hat mit Fahrerin und Gepäck eine Masse von 1600kg. a) Skizziere den Sachverhalt. Zeichne in die Skizze die gegebenen Größen ein. b) Bestimme die Kraft, die der Motor zum Hochfahren aufbringen muss. c) Berechne die Hubarbeit, die dabei verrichtet wird. 4. Frau Müller hat eine Reifenpanne und will das Rad wechseln. Mit einem hydraulischen Wagenheber kann sie das Auto mit einer kleinen Kraft anheben. Für den Wagenheber gilt die goldene Regel der Mechanik. Die Skizze zeigt das Grundprinzip eines solchen Wagenhebers. Die in der Skizze eingezeichneten Größen beeinflussen sich gegenseitig. Der Pumpkolben wird von Frau Müller mit einer kleinen Kraft F 1 nach unten gedrückt, der Arbeitskolben drückt das Auto mit einer großen Kraft F 2 nach oben. a) Vergleiche die Wege, die der Pumpkolben und der Arbeitskolben zurücklegen. b) Ihre Tochter Luise stellt die folgende Hypothese auf: Die Kraft F 2 am Arbeitskolben ist umso größer, je größer die Fläche A 2 des Arbeitskolbens ist. Plane ein Experiment, mit dem diese Hypothese untersucht werden kann. c) Stelle eine eigene Hypothese auf. Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 12

13 EWH 1 Wenn man eine Kraft verringern will, muss man Weg zusetzen. oder Kraft und Weg sind antiproportional. oder... 2 Die Rampe muss sehr lang sein, damit ein Rollstuhlfahrer sehr wenig Kraft benötigt, um die Rampe empor zurollen. Aspekt Kraft sparen 3a Skizze Aspekt Bezug zum Rolli mit Größen und Formelzeichen BE Kommentar 3b F G =16000N Der Weg ist 15mal länger geworden. Die Kraft beträgt nur noch 1/15 der Gewichtskraft. F Z =1066,66N=1070N Antwortsatz 3c W=F*s W=16000N*300m W= J=4,8MJ 4a Der Weg am Pumpkolben ist größer als der Weg am Arbeitskolben. 4b Die Fläche am Arbeitskolben A 2 muss verändert werden, die Kraft F 2 wird gemessen. A 1 =konstant, F 1 =konstant 5 Rechnen mit der Masse -2P Kein Punkt Abzug, wenn alles andere konstant dort steht. Summe 18 Punkte Gleichwertige Antworten werden anerkannt. Lernaufgabe Rampen: Hinweise für Lehrkräfte O. Pechstein Seite 13