Newtonsche Gesetze - deutsch (PDF 6.8 MB)

Newtonsche
Gesetze
PROJEKT WISSENSCHAFT UND TECHNIK MACHEN UNS SPASS! WURDE FINANZIELL UNTERSTÜTZT:
Das Projektziel ist es mittels bildender (Bildungsprogramme, Materialien)
und lancierender („wissenschaftliche“ Road-Show) Instrumente und
dem grenzüberschreitenden motivierenden Wettbewerb das Interesse der
Schüler und Studenten für Technik
und Wissenschaft zu steigern sowie zu
einer wechselseitigen Kommunikation
der Bildungseinrichtungen in diesem Gebiet beizutragen, d.h. die
Beziehungen zwischen den einzelnen Schulstufen und weiterer
Bildungssubjekte innerhalb der Region
Ziel 3 zu stärken.
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
NEWTONSCHE
GESETZE
PROGRAMMFINANZIERUNG
2
Kuvert
Sir Isaac Newton,
Gravierung, Peter Lely, 1799,
public domain,
www.commons.wikipedia.org,
geändert
Inhalt
3
Newtonsche Gesetze
4
I. Newtonsches Gesetz – Das Trägheitsgesetz
6
8
4
Motivierender Teil - Morgengymnastik
5
Einleitende Aktivitäten
5
Hauptaktivität - Versuch mit einem Metalluntersetzer
II. Newtonsches Gesetz – Aktionsprinzip
6
Motivierender Teil - Morgengymnastik
6
Einleitende Aktivität - Schaukel
7
Hauptaktivität - Versuch mit dem kleinen Auto und dem Gewicht
III. Newtosches Gesetz – Wechselwirkungsprinzip
8
Motivierender Teil - Verkehrsmittel
9
Einleitende Aktivitäten
9
Hauptaktivität
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
NEWTONSCHE
GESETZE
FINANZIERT AUS PROGRAM
3
Newtonsche
Gesetze
der sich mit unterschiedlichen Prozessen befasste,
VORSCHLAG FÜR DIE EINFÜHRUNG
DER NEWTONSCHEN GESETZE IN DEN
UNTERRICHT
die wir um uns herum beobachten können.
•
Kinder sollten mit Isaac Newton bekannt gemacht
werden. Es handelte sich um einen sehr weisen Mann,
Ähnlich wie über Archimedes gibt es eine Legende
Bewegungsaktivität eines Kindes beeinflusst die
über Newton. Angeblich lag er einmal unter einem
Apfelbaum und ruhte sich aus, als ihm plötzlich ein
Apfel auf den Kopf fiel. Deshalb fing er an nachzuden-
Während der Morgengymnastik – jede
Dinge um das Kind herum.
•
Verkehrsmittel – einschließlich Shuttle
ken: Wenn es eine Kraft gibt, die den Apfel zur Erde
hin zieht, wie weit reicht dann die Wirkung dieser
Kraft? Reicht sie noch weiter als bis zum Himmel?
In die Atmosphäre? Ins Weltall? Ist es möglich, dass
dieselbe Kraft den Mond bei der Erde hält? Und so
entdeckte er die Gravitationskraft, Dank der wir auf
der Erde gehen können, ohne ins Weltall davonzufliegen.
Im folgenden Teil werden die Bewegungsge-
INTERESSANTE VERWEISE
•
Newtonsche Kuchengesetze
http://www.lightbulbbooks.com/blog/2013/04/newtons-lawsof-cake-law-1/
http://www.lightbulbbooks.com/blog/2013/04/newtons-lawsof-cake-law-2
setze behandelt, deren Gültigkeit Phänomene bewei-
http://www.lightbulbbooks.com/blog/2013/05/newtons-laws-
sen, die wir tagtäglich um uns herum sehen.
of-cake-law-3/
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
NEWTONSCHE
GESETZE
PROGRAMMFINANZIERUNG
4
I. Newtonsches
Gesetz – Das
Trägheitsgesetz
Ohne äußere Krafteinwirkung wird sich
der Gegenstand nie bewegen.
Ohne äußere Krafteinwirkung wird der Gegenstand
nie zum Stehen kommen.
Wortlaut: Ein Körper verharrt im Zustand der
Ruhe oder der gleichförmigen Translation, sofern er
nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines
HILFSMITTEL
Spielkarten
5 Stück
Metalluntersetzer
5 Stück
THEORIE
Becherglas aus Plastik
3 Stück
Die Trägheit ist die Tendenz eines beliebigen Körpers,
Ziel der Aktivitäten: Während mehrerer Aktivitä-
einer Bewegungsänderung zu widerstehen. Sie zeigt
ten wird den Kindern bewusst, dass sie die Dinge um
uns, wie schwer es ist, einen Körper in Bewegung zu
sich herum ständig beeinflussen – dass sie mit Kraft
setzen und ihn auch wieder anzuhalten, sobald er
auf die Gegenstände um sich herum wirken und dass
sich bewegt.
ohne ihr Zutun nichts geschieht.
Zustands gezwungen wird“
Die erste Hälfte des Gesetzes sieht absolut selbstverständlich aus. Niemand würde daran zweifeln,
dass sich ein Gegenstand nicht einfach so von alleine
Schlüsselbegriffe: Kraft, Krafteinwirkung, Newton
in Bewegung setzen kann – zunächst muss eine Kraft
auf den Gegenstand einwirken. Ein Auto wird nicht
die Straße entlang fahren, wenn es nicht am Hang
steht (in diesem Falle wirkt die Gravitationskraft auf
MOTIVIERENDER TEIL
- MORGENGYMNASTIK
das Auto ein), oder wenn es nicht von einem Motor
angetrieben wird.
Der zweite Teil des Gesetzes widerspricht jedoch
unseren Vorstellungen. Ein Objekt in Bewegung
wird in seiner Bewegung fortfahren? Widerspricht
dies nicht allem, was wir beobachten? Wenn ich ein
Objekt in Bewegung setze, so kommt es irgendwann
immer zum Stehen. Jedes Mal. Newton ist sich allerdings bewusst geworden, dass Objekte nicht deshalb
die Tendenz haben anzuhalten, weil die Natur wollen
würde, dass sie zum Stehen kommen, sondern deshalb, weil es immer Kräfte geben wird, die gegen die
Objekte wirken und diese verlangsamen. Es handelt
Benötigt wird eine Musikquelle, die man beliebig einund ausschalten kann (CD-Spieler, Computer, …).
Die Kinder werden nur dann tanzen, wenn die
Musik spielt. Wenn die Musik aufhört, fallen die Kinder auf den Boden und dürfen sich nicht bewegen.
Wenn die Musik erneut erkling, stehen die Kinder auf
und fangen erneut an zu tanzen.
Die Musik ist für die Kinder eine „Energiequelle“, ohne die sich nichts bewegt.
Danach kann zu den einleitenden Aktivitäten und
dann zur Hauptaktivität übergegangen werden.
sich zum Beispiel um Reibung, Luftwiderstand sowie
physische Barrieren - und alle wirken gegen alle sich
bewegenden Objekte auf der Erde. (McPhee, 2012)
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
NEWTONSCHE
GESETZE
FINANZIERT AUS PROGRAM
5
EINLEITENDE AKTIVITÄTEN
1. Die Kinder versuchen, etwas Leichtes in Bewegung zu setzen (Stuhl, Spielzeugkiste, …).
Die Lehrerin erklärt den Kindern, dass der
Gegenstand an Ort und Stelle geblieben ist,
solange sie darauf nicht mit Kraft eingewirkt
haben. Doch sobald sie mit Kraft gegen den
Gegenstand gedrückt haben, hat sich dieser
in Bewegung gesetzt – sie haben mit Kraft
eingewirkt. Alle Gegenstände befinden sich
in Ruhezustand, solange keine Kraft darauf einwirkt. Die Gegenstände wollen sich
nicht bewegen und bleiben an Ort und Stelle,
solange sie niemand bewegt.
HAUPTAKTIVITÄT
- VERSUCH MIT EINEM
METALLUNTERSETZER
Auf das Glas wird eine Karte gelegt und auf die Karte
ein Metalluntersetzer. Den Kindern wird folgende
Frage gestellt: Was passiert mit dem Untersetzer,
wenn wir in die Karte schnippen?
2. Die Kinder einer Gruppe bilden eine Reihe, indem
sich einer eng neben den anderen stellt. Eines der
Kinder stellt sich der Reihe gegenüber hin und
läuft los. Die Gruppe hat die Aufgabe, den Freund
anzuhalten.
Wenn schnell in die Karte geschnippt wird,
fällt der Metalluntersetzer direkt ins Glas.
Der Körper bleibt ruhig, soweit keine Kraft
darauf einwirkt. Da wir nur auf die Karte mit
Kraft einwirken, bewegt sich der Untersetzer
nirgendwo hin, bleibt auf der Stelle und fällt
dann in das Glas. Zunächst demonstriert der
Lehrer den Versuch, dann probieren es die
Kinder aus.
Den Kindern wird erneut erklärt, dass wenn
sie etwas anhalten wollen, das sich in Bewegung befindet, sie eine bestimmte Kraft entwickeln müssen.
3. Sie können versuchen, einen Ball zu schießen Ein
Kind schießt den Ball und das andere versucht
den Ball zu stoppen.
Beide üben Kraft aus. Eines, um den Ball in
Bewegung zu setzen, das zweite, um den Ball
wieder zu stoppen.
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
NEWTONSCHE
GESETZE
PROGRAMMFINANZIERUNG
6
MOTIVIERENDER TEIL
- MORGENGYMNASTIK
II. Newtonsches
Gesetz
– Aktionsprinzip
Der Lehrer nimmt eine Trommel zur Hand. Er wird
in einem bestimmten Rhythmus auf diese Trommel
trommeln und wird das Tempo langsam beschleunigen. Die Kinder versuchen, im Trommelrhythmus zu
laufen. Je schneller der Lehrer also trommelt, desto
Wortlaut: Die Kraft ruft eine Beschleunigung hervor, welche proportional zum Gewicht des Körpers
ist.
schneller müssen die Kinder laufen. Wenn sich das
Trommeln wiederum verlangsamt, werden die Kinder langsamer laufen. Wenn das Trommeln aufhört,
müssen auch die Kinder stehen bleiben.
THEORIE
Das Trommeln ist für die Kinder die Energie-
Dieses Gesetz besagt, dass zwischen der Kraft, die
auf ein Objekt einwirkt und der Beschleunigung dieses Objektes eine bestimmte Beziehung besteht und
quelle – die wirkende Kraft (siehe I. Newtonsches
Gesetz). Je schneller das Trommeln, desto größer die
„einwirkende Kraft“.
dass in dieser Beziehung das Gewicht des Objektes
wichtig ist. Ein schweres Objekt zu beschleunigen
wird also mehr Kraft erdordern, als bei einem leichten Objekt. Es ist viel schwerer, ein Auto in Bewegung
zu setzen als ein Fahrrad.
EINLEITENDE AKTIVITÄT
- SCHAUKEL
Wenn der Kindergarten über eine Schaukel verfügt,
so geht die Gruppe der Kinder zu der Schaukel. Die
Kinder werden die Aufgabe haben, ihren Freund mit
nur einem Anschubser zu schaukeln. Danach setzt
sich die Lehrerin auf die Schaukel und die Kinder
schubsen sie an.
Je größer die Kraft, desto größer die Beschleunigung
HILFSMITTEL
Anschließend
gestellt:
werden
folgende
Fragen
UU –Wer war schwerer zu schaukeln?
Kleines Auto
2 Stück
Farbige Figur
16 Stück
Gewicht
4 Stück
UU –Warum glaubt ihr, dass es schwerer
war, die Lehrerin als den Freund zu
schaukeln?
Ziel der Aktivitäten: Die Kinder versuchen, die
Gegenstände um sich herum in Bewegung zu setzen.
Sie stellen fest, dass je schwerer der Gegenstand ist,
desto größer die Kraft sein muss, um den Gegenstand
in Bewegung zu setzen.
Schlüsselbegriffe: Kraft, Gewicht, Entfernung,
Mit diesem Versuch sollten die Kinder zu dem
Schluss kommen, dass je schwerer die Person
ist, desto größer auch die Kraft sein muss, die
auf die Schaukel einwirkt, damit die Lehrerin so schaukelt wie der Freund. Wenn beide
mit gleicher Kraft angeschubst werden, so
wird die Lehrerin weniger schaukeln, weil sie
schwerer ist.
Newton
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
NEWTONSCHE
GESETZE
FINANZIERT AUS PROGRAM
7
HAUPTAKTIVITÄT
- VERSUCH MIT DEM KLEINEN AUTO
UND DEM GEWICHT
Die Kinder haben kleine Autos und einen Satz
Gewichte vorbereitet. Der Lehrer vermisst eine Bahn,
auf der die Autos fahren werden. Im Anschluss werden die Kinder die Autos anschubsen, nach und nach
Gewichte hinzufügen und messen, wie weit die Autos
fahren. Zunächst schubsen sie ein leeres Auto an und
schreiben auf, wie weit es gefahren ist. Dann werden
sie nach und nach Gewichte auf das Auto legen, das
Auto mit derselben Kraft anschubsen und beobachten, wie sich das Auto nun verhält.
Die Kinder sollten zu dem Schluss kommen,
dass je schwerer das Auto ist, desto kürzer
die Strecke, die es fährt.
Den Kindern sollten Fragen wie diese hier
gestellt werden:
UU Warum haben wir das Gewicht auf das
kleine Auto gelegt?
UU Wie ist das Auto gefahren, als die
Gewichte darauf schwerer und schwerer wurden?
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
NEWTONSCHE
GESETZE
PROGRAMMFINANZIERUNG
8
HILFSMITTEL
III. Newtosches
Gesetz
– Wechselwirkungsprinzip
Luftballon
20 Stück
Aufblasbare Nadel
1 Stück
Korken
1 Stück
Fußpumpe
1 Stück
Abwasserrohr
1 Stück
Luftpumpe
1 Stück
Tennisball
1 Stück
Wortlaut: Jede Aktion ruft eine gleicht große, allerZiel der Aktivitäten: Die Kinder machen sich mit
dings entgegen gerichtete Reaktion hervor.
den Grundregeln von Bewegung und Kraft bekannt.
THEORIE
Gegenkraft spüren wir als Rückschlag. Wenn ein
Rollschuhfahrer
einen
anderen
Schlüsselbegriffe: Aktion, Reaktion, Newton
Rollschuhfah-
rer schubst, wird er sich nach dem Aufprall rückwärtsbewegen, sobald er vom Körper des zweiten
Rollschuhfahrer abprallt. Ein Schütze spürt nach
MOTIVIERENDER TEIL
- VERKEHRSMITTEL
einem Schuss aus dem Gewehr einen „Schulterstoß“
Die Kraft der Reaktion ist genauso groß wie die
Die Kinder können verschiedene Verkehrsmittel auf-
ursprüngliche Kraft des Schusses. In Detektivfilmen
zeichnen und erklären, wozu die Menschen diese ver-
wird das Schussopfer durch die Kraft der Kugel oft-
wenden.
mals nach hinten geworfen. Dies ist jedoch völliger
Fahrrad – für kurze Strecken; Auto – wenn die
Unsinn. Wenn die Kraft tatsächlich so groß wäre, so
Menschen größere Entfernungen zurücklegen müs-
müsste auch der Schütze durch den Rückschlag sei-
sen; Zug, Bus – Menschen fahren in einer größeren
nes Gewehrs nach hinten geschleudert werden. Wir
Zahl.
wirken sogar mit geringer Kraft auf die Erde, wenn
wir hochspringen. Doch weil die Erde eine viel grö-
Und was verwenden sie, um sich in der Luft fortzubewegen? Ein Flugzeug, eine Rakete.
ßere Masse hat als wir, können wir dies nur sehr
schwer feststellen. (Baker, 2013)
Danach kann zu den einzelnen Aktivitäten übergegangen werden. Schließlich versuchen die Kinder
aus dem Luftballon eine kleine Rakete im Kindergarten zu bauen und stellen fest, wie es möglich ist, dass
eine Rakete senkrecht in die Höhe fliegt.
Aktion
Reaktion
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
NEWTONSCHE
GESETZE
FINANZIERT AUS PROGRAM
9
EINLEITENDE AKTIVITÄTEN
HAUPTAKTIVITÄT
1. BALLSPIEL
1. VERSUCH MIT EINEM LUFTBALLON
Die Kinder nehmen einen Tennisball zur Hand und
Die Kinder blasen mithilfe der Luftpumpe den Luft-
lassen ihn auf den Boden fallen.
ballon auf. Wahrscheinlich werden sie die Hilfe des
Lehrers benötigen. Danach reicht es den Luftballon
Was passiert mit dem Ball?
loszulassen und zu beobachten, was geschieht.
Er prallt ab. Dadurch dass er auf den Boden
fällt (Aktion), ruft er eine Reaktion hervor (er
prallt ab = entgegen gerichtete Reaktion).
Vhodné otázky pro děti:
UU In Welche Richtung fliegt der Luftballon? (in Richtung weg vom Kind.)
UU Was geschieht mit dem Luftballon
und der Luft? (Die Luft entweicht aus dem
Luftballon.)
2. LAUFRAD-RENNEN
Für die Kinder können Wettrennen mit Laufrädern
veranstaltet werden. Das Abstoßen mit den Füßen ist
UU In welche Richtung entweicht die Luft?
(In Richtung des Kindes, in entgegen gesetzter Richtung zum Luftballon).
eigentlich der Beweis für das III. Newtonsche Gesetz.
Beispiel für einen Wettbewerb: Welches Kind
fährt mit nur einem Abstoß am weitesten?
Dadurch, dass die Luft aus dem Luftballon
entweicht (Aktion), kommt es zu einer Bewegung in entgegen gesetzter Richtung (Reaktion).
Beim Abprall bewegt sich der Fuß nach hinten (Aktion), das Laufrad fährt jedoch nach
vorne (Reaktion) Hier gilt das Gesetz über
die Bewegung in die entgegen gerichtete
Richtung. Je nachdem wie stark sich das Kind
abstößt, wird es eine entsprechend lange
Strecke hinter sich bringen.
2. WASSERRAKETE
Eine Kindergruppe geht nach draußen, wo ein Versuch mit einer Wasserrakete stattfindet.
Eine PET-Flasche wird mit 100-200 ml Wasser
gefüllt und mit einem Korken verschlossen, in welchem das Ventil an eine Fußpumpe angeschlossen ist.
Die Flasche wird mit dem Kopf nach unten gedreht,
auf den Boden gestellt und darauf wird das Abflussrohr gesetzt, welches als Abschussrampe dient. Der
Lehrer hält das Rohr fest und fordert die Kinder auf,
Luft in die Flasche zu pumpen. Bei genügend hohem
Druck fliegt die Rakete weg.
Reaktion
Aktion
PROJEKT
ARBEITSBL ÄT TER
WISSENSCHAFT UND
TECHNIK MACHEN UNS
SPASS!
NEWTONSCHE
GESETZE
PROGRAMMFINANZIERUNG
10