Filmrolle: Bogenschütze

Transkript

1 Filmrolle: Bogenschütze Stand: Jahrgangsstufen 8 Fach/Fächer Physik Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Vorgänge in Alltag, Technik und Natur mithilfe von Energieumwandlungen, insbesondere mechanische Vorgänge mithilfe der kinetischen Energie, der Höhenenergie und der Spannenergie. Hierbei verwenden sie fachsprachlich korrekte Formulierungen. nutzen das Prinzip der Energieerhaltung, um die bei Energieumwandlungen beteiligten Energieformen quantitativ zu bilanzieren. Sie bestimmen insbesondere Werte der Höhenenergie und der kinetischen Energie. Seite 1 von 7

2 Aufgabe Die Bilderfolge auf der nächsten Seite zeigt den Schuss eines Bogenschützen. Für deine Überlegungen zu den folgenden Aufgaben kannst du den Luftwiderstand vernachlässigen. a) Gib an, welche Energieformen in den fünf Bildern jeweils vorliegen und in welchem Körper sie jeweils stecken. Beschreibe die Energieumwandlungen zwischen den Bildern. b) Stelle nun grafisch dar, wie sich die Gesamtenergie zu den Zeitpunkten der fünf Momentaufnahmen jeweils auf die unterschiedlichen Energieformen verteilt. Überlege selbst eine geeignete Darstellungsweise. c) Im folgenden Diagramm sind auf der Zeitachse die Zeitpunkte der fünf abgebildeten Momentaufnahmen markiert. Der zeitliche Verlauf einer der beteiligten Energieformen ist im Diagramm schon eingezeichnet. Nenne die Energieform, um die es sich hierbei handelt. Trage jetzt in diesem Diagramm die Gesamtenergie und den zeitlichen Verlauf der weiteren auftretenden Energieformen ein. Seite 2 von 7

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4 Hinweise zum Unterricht Illustrierende Aufgaben zum LehrplanPLUS Die angesprochenen Kompetenzerwartungen beziehen sich auf den Bereich "Kommunizieren" (hierbei auf die Aspekte Entnehmen von Informationen aus unterschiedlichen Quellen, Fachsprache verwenden und Fachspezifische Darstellungsformen (hier: Diagramme) verwenden ). Angesprochene Grundegende Kompetenzen: Sie verwenden die physikalischen Größen Beschleunigung, Kraft, Energie, Arbeit und Leistung in fachsprachlich korrekten Formulierungen, die sie bewusst von alltagssprachlichen trennen. Mit Größengleichungen führen sie unter Berücksichtigung von Einheiten und sinnvollen Genauigkeitsangaben einfache Berechnungen in alltagsrelevanten Kontexten durch. Sie beschreiben Vorgänge in Alltag, Technik und Natur mithilfe von Energieumwandlungen, nutzen das Prinzip der Energieerhaltung zum Bilanzieren der beteiligten Energieformen und beziehen die Größe Arbeit bei der Anwendung des Prinzips der Energieerhaltung ein. Die genannte Bilanzierung der Energieformen erfolgt hierbei nicht algebraisch, sondern im Rahmen der grafischen Darstellungen. Die Bearbeitung der Aufgabe erfolgt ohne Berechnung von Energiewerten; die Energie-Achse bleibt hier unbeschriftet. Die Zeitachse ist nicht linear skaliert, um die Übergänge (1) (2) und (4) (5) besser erkennbar darstellen zu können. Grundsätzlich ist die Darstellung im Diagramm nicht maßstäblich, sondern so angelegt, dass die Energieumwandlungen deutlich ersichtlich sind. Die Terme zur Berechnung von Energiewerten, insbesondere die Proportionalität der Höhenenergie zur Höhe, brauchen beim Einsatz dieser Aufgabe noch nicht bekannt zu sein. Dann sind hier auch Schülerlösungen, bei denen beispielsweise die Höhenenergie bis zum Zeitpunkt des Erreichens des höchsten Punkts im Diagramm linear zunimmt akzeptabel. In dieser Aufgabe treten mehrere Energieumwandlungen auf. Nicht alle sind leicht zu durchschauen, insbesondere ist die kinetische Energie am höchsten Punkt der Bewegung nicht Null. Somit ist es sinnvoll, diese Aufgabe nicht ganz zu Beginn der Aufgabensequenz zu diesem Themenbereich einzusetzen. Eine Vereinfachung der Betrachtung kann darin liegen, anzunehmen, dass sich der Pfeil zu Beginn und beim Auftreffen auf die Zielscheibe auf der gleichen Höhe befindet, und diese Höhe (und nicht den Erdboden) als Nullniveau der Höhenenergie zu verwenden. Es ist davon auszugehen, dass funktionale Zusammenhänge im Mathematikunterricht noch nicht vertieft behandelt sind. Der Aspekt des funktionalen Zusammenhangs zwischen der Zeit und den Energiewerten muss hier auch nicht im Fokus stehen; diese Blickweise kann im Rahen dieser Aufgabe sanft entwickelt werden. Hierzu werden zunächst (Teilaufgabe b) unter Beachtung des Energieerhaltungssatzes für die gegebenen Momentaufnahmen die Energieformen bilanziert und in Form von geschichteten Balkendiagrammen dargestellt. Durch Nebeneinanderstellen der Balkendiagramme und ggf. Umschichten aller Balken auf die Rechtswertachse kann daraus ein t-e-diagramm entwickelt werden. Die Aufgabe kann aber auch vor der Erstellung eines t-e-diagramms enden. Seite 4 von 7

5 Beispiele für Produkte und Lösungen der Schülerinnen und Schüler a) Vorliegende Energieformen und Energieumwandlungen: Bild 1: Spannenergie, im gespannten Bogen; Höhenenergie des Pfeils (mit Nullniveau: Erdboden). Übergang zu Bild 2: Umwandlung der Spannenergie in kinetische Energie des Pfeils (und in geringem Maße in Höhenenergie des Pfeils). Bild 2: Höhenenergie des Pfeils; kinetische Energie des Pfeils. Übergang zu Bild 3: Umwandlung von kinetischer Energie des Pfeils in Höhenenergie. Bild 3: Höhenenergie des Pfeils; kinetische Energie des Pfeils. Übergang zu Bild 4: Umwandlung von Höhenenergie des Pfeils in kinetische Energie. Bild 4: Höhenenergie des Pfeils; kinetische Energie des Pfeils. Übergang zu Bild 5: Umwandlung von kinetischer Energie des Pfeils (und in zu vernachlässigendem Umfang von Höhenenergie des Pfeils) in thermische Energie. Bild 5: Thermische Energie der Zielscheibe und des Pfeils; beim Auftreffen auf die Zielscheibe werden beide (leicht) erwärmt (durch Reibung und Verformung). b) Mögliche Lösung: Darstellung der Verteilung der Gesamtenergie auf die beteiligten Energieformen in Form von geschichteten Balkendiagrammen. Seite 5 von 7

6 c) Als gestrichelte Linie ist der zeitliche Verlauf der Spannenergie (im Bogen) eingezeichnet. Hinweise für die Lehrkraft: Die Gesamtenergie ergibt sich aus der Summe dieser Spannenergie und, sofern man als Nullpunkt der Höhenenergie den Erdboden wählt, der Höhenenergie des Pfeils auf der Höhe seines Abschussortes. Um das t-e-diagramm in seiner üblichen Darstellungsform zu entwickeln, kann man ausgehend von den Balkendiagrammen aus Teilaufgabe b) für jeden der betrachteten Zeitpunkte die übereinander geschichteten Balken jeweils alle nebeneinander auf der t-achse platzieren. Spätestens an dieser Stelle lässt sich auch die Energie-Achse einführen: Aus der Verbindung der jeweiligen Oberkanten der Balken gleicher Farbe resultieren schließlich die Graphen des in der Teilaufgabe c) verlangten t-e-diagramms: Seite 6 von 7

7 Hinweise für die Lehrkraft: Eine anschauliche alternative Möglichkeit, die Verteilung der Gesamtenergie auf die vorliegenden Energieformen darzustellen, verwendet keine Energie-Achse, sondern stellt die Größen jeweils durch die Höhe des entsprechenden Streifens dar. Zu dieser Darstellungsform gelangt man, indem man die Balken der Darstellung von Teilaufgabe b) an den entsprechenden Stellen auf die t-achse stellt und sie anschließend in sinnvoller Weise verbindet: Anregung zum weiteren Lernen Die Webseite bietet eine Simulation eines mechanischen Vorgangs mit dynamischer Darstellung von Energieformen in Form von Balkendiagrammen. Seite 7 von 7