Didaktik der Anwendungen der Physik Klettern

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Swen Bayer
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1 Didaktik der Anwendungen der Physik Klettern Wie können Kletterkarabiner brechen? Jannik Bäumer Jannik Bäumer 1 / 21

2 Inhaltsverzeichnis Sachanalyse Welt der SuS Unterrichtsentwurf Jannik Bäumer 2 / 21

3 Sachanalyse Welt der SuS Unterrichtsentwurf Literatur Einleitung Abbildung: Gebrochene Karabiner (1) Jannik Bäumer 3 / 21

4 Überblick Sachanalyse Welt der SuS Unterrichtsentwurf Jannik Bäumer 4 / 21

5 Klettern Material: Karabiner, Seil, Hüftgurt Jannik Bäumer 5 / 21

6 Klettern Material: Karabiner, Seil, Hüftgurt Hallenklettern und Klettern am Fels Jannik Bäumer 5 / 21

7 Klettern Material: Karabiner, Seil, Hüftgurt Hallenklettern und Klettern am Fels Toprope-, Vorstieg- und Standsicherung Jannik Bäumer 5 / 21

8 Physik beim Klettern Welche Physikalischen Größen und Gesetzmäßigkeiten spielen beim Klettern eine (besonders große) Rolle? Jannik Bäumer 6 / 21

9 Physik beim Klettern Welche Physikalischen Größen und Gesetzmäßigkeiten spielen beim Klettern eine (besonders große) Rolle? Kräfte, Momente, Impuls, Massen, Arbeit, Leistung, Elastizität, Beschleunigungen, Reibungskoeffizienten, Festigkeit... Jannik Bäumer 6 / 21

10 Physik beim Klettern Welche Physikalischen Größen und Gesetzmäßigkeiten spielen beim Klettern eine (besonders große) Rolle? Kräfte, Momente, Impuls, Massen, Arbeit, Leistung, Elastizität, Beschleunigungen, Reibungskoeffizienten, Festigkeit... Erhaltungssätze, Bewegungsgesetze (Newtonschen Axiome), Hebelgesetze, Momentengleichgewicht, Flaschenzug, Fadenpendel,... Jannik Bäumer 6 / 21

11 Flaschenzug Jannik Bäumer 7 / 21

12 Momente Abbildung: Drehmomentenscheibe Bearbeitet aus:(11) Jannik Bäumer 8 / 21

13 Physik beim Sturz in eine Sicherung Abbildung: Kräfte beim Toprope bei Belastung der Sicherung. (1) Jannik Bäumer 9 / 21

14 Fangstoß Herleitung einer Formel zur Berechnung des Fangstoß, ohne Betrachtung der Reibung. E = Spannung Dehnung = F/q x/l Jannik Bäumer 10 / 21

15 Fangstoß Herleitung einer Formel zur Berechnung des Fangstoß, ohne Betrachtung der Reibung. E = Spannung Dehnung = F/q x/l F = Eq x l Nach Integration von 0 bis x (maximale Seildehnung) und Anwenden der Energieerhaltung Eq 2l x2 max = mg(h + x max ) Jannik Bäumer 10 / 21

16 Fangstoß Herleitung einer Formel zur Berechnung des Fangstoß, ohne Betrachtung der Reibung. E = Spannung Dehnung = F/q x/l F = Eq x l Nach Integration von 0 bis x (maximale Seildehnung) und Anwenden der Energieerhaltung Auflösen nach x max : Eq 2l x2 max = mg(h + x max ) x max = mgl Eq + (mgl ) 2 + 2mglh Eq Eq Jannik Bäumer 10 / 21

17 Fangstoß Nach einsetzen von x max ergibt sich für die maximale Kraft: F = mg + (mg) 2 + 2mgEq h l h l = Sturzhoehe Seillaenge : Sturzfaktor (erhöht sich bei Reibung) Jannik Bäumer 11 / 21

18 Fangstoß Nach einsetzen von x max ergibt sich für die maximale Kraft: F = mg + (mg) 2 + 2mgEq h l h l = Sturzhoehe Seillaenge : Sturzfaktor (erhöht sich bei Reibung) Welche Kraft wirkt auf eine 100kg schwere Person bei einem Fangstoß von 2kN? Jannik Bäumer 11 / 21

19 Überblick Sachanalyse Welt der SuS Unterrichtsentwurf Jannik Bäumer 12 / 21

20 Schülerbezug Alltagsbezug (Je nach Region) Jannik Bäumer 13 / 21

21 Schülerbezug Alltagsbezug (Je nach Region) Klettern ist Trendsport Jannik Bäumer 13 / 21

22 Schülerbezug Alltagsbezug (Je nach Region) Klettern ist Trendsport Interesse bei Jungen und Mädchen Jannik Bäumer 13 / 21

23 Schülerbezug Alltagsbezug (Je nach Region) Klettern ist Trendsport Interesse bei Jungen und Mädchen In Verknüpfung mit aktivem Klettern ist die Beschäftigung mit dem Thema noch eindrücklicher Jannik Bäumer 13 / 21

24 Exemplarischer Charakter Anwendung der Berechnung von Gewichtskräften Jannik Bäumer 14 / 21

25 Exemplarischer Charakter Anwendung der Berechnung von Gewichtskräften Darstellung von Kräften durch Pfeile Jannik Bäumer 14 / 21

26 Exemplarischer Charakter Anwendung der Berechnung von Gewichtskräften Darstellung von Kräften durch Pfeile Superpositionsprinzip von Kräften Jannik Bäumer 14 / 21

27 Exemplarischer Charakter Anwendung der Berechnung von Gewichtskräften Darstellung von Kräften durch Pfeile Superpositionsprinzip von Kräften Wirkung von Hebeln Jannik Bäumer 14 / 21

28 Lernschwierigkeiten Sehr viele Lernschwierigkeiten beim Begriff der Kraft. Insbesondere, da dieser im Alltag nicht scharf definiert ist. Sich bewegende Körper haben Kraft Jannik Bäumer 15 / 21

29 Lernschwierigkeiten Sehr viele Lernschwierigkeiten beim Begriff der Kraft. Insbesondere, da dieser im Alltag nicht scharf definiert ist. Sich bewegende Körper haben Kraft Aktive vs. passive Körper Jannik Bäumer 15 / 21

30 Lernschwierigkeiten Sehr viele Lernschwierigkeiten beim Begriff der Kraft. Insbesondere, da dieser im Alltag nicht scharf definiert ist. Sich bewegende Körper haben Kraft Aktive vs. passive Körper Kraft gleich Gegenkraft wird falsch verstanden (Reihenfolge), besser Kompensationskraft Jannik Bäumer 15 / 21

31 Lernschwierigkeiten Sehr viele Lernschwierigkeiten beim Begriff der Kraft. Insbesondere, da dieser im Alltag nicht scharf definiert ist. Sich bewegende Körper haben Kraft Aktive vs. passive Körper Kraft gleich Gegenkraft wird falsch verstanden (Reihenfolge), besser Kompensationskraft Kraft als Vektor Jannik Bäumer 15 / 21

32 Lernschwierigkeiten Sehr viele Lernschwierigkeiten beim Begriff der Kraft. Insbesondere, da dieser im Alltag nicht scharf definiert ist. Sich bewegende Körper haben Kraft Aktive vs. passive Körper Kraft gleich Gegenkraft wird falsch verstanden (Reihenfolge), besser Kompensationskraft Kraft als Vektor Keine Intuition für Einheit Newton Jannik Bäumer 15 / 21

33 Überblick Sachanalyse Welt der SuS Unterrichtsentwurf Jannik Bäumer 16 / 21

34 Lehrplan Mittelschule Klasse 7 Jannik Bäumer 17 / 21

35 Lehrplan Mittelschule Klasse 7 Jannik Bäumer 18 / 21

36 Lehrplan Gymnasium Klasse 7 Jannik Bäumer 19 / 21

37 Konzept einer Stunde Wie können Kletterkarabiner brechen? Jannik Bäumer 20 / 21

38 Fazit Keine Erarbeitungsstunde, da Sachverhalte beim Klettern häufig zu "komplex". Jannik Bäumer 21 / 21

39 Fazit Keine Erarbeitungsstunde, da Sachverhalte beim Klettern häufig zu "komplex". Kontext für Übungsaufgaben z.b. im Bereich Erdbeschleunigung (Klasse 9 LB 3), oder Schwingungen (Klasse 10, LB 1) Jannik Bäumer 21 / 21

40 [1] Pit Schubert Sicherheit und Risiko in Fels und Eis Bergverlag Rother GmbH, München, 2009, S.73, 150, 151 [2] Verena Stoll Hat s "Klick"gemacht? DAV Panorama 3/2017 [3] Sachsen Lehrplan Physik Gymnasium physik_2011.pdf?v2 [4] Sachsen Lehrplan Physik Mittelschule physik_2009.pdf?v2 [5] Sachsen Lehrplan Sport Gymnasium sport_2011.pdf?v2 [6] Wikipedia: Hebel Zugriff: [7] Thomas Wilhelm: Schülervorstellungen im Physikunterricht Vortrag RLFB-Lehrerfortbildung vom 10/1007 [8] Wikipedia: Flaschenzug, Zugriff: Jannik Bäumer 21 / 21

41 [9] Wikipedia: Fangstoß, Zugriff: [10] Bergfreunde.de: Sturzfaktor & Fangstoßkraft berechnen, Zugriff: [11] LeifiPhysik: Einfache Maschienen Jannik Bäumer 21 / 21

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