Info: Definition des Kraftbegriffs Info: Der Kraftbegriff und die Newton
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D IDAKTIK DER P HYSIK EXPERIMENTELLES SEMINAR I FÜR LA MIT UNTERRICHTSFACH PHYSIK (RS, HS, GS) SEMESTERWOCHE 2 THEMA: KRAFT, WECHSELWIRKUNGSGESETZ, TRÄGHEITSSATZ, ADDITION VON KRÄFTEN Lehrplan: Ph 7.2 Mechanik Leseauftrag zur Vorbereitung auf diesen Seminarnachmittag: Info: Definition des Kraftbegriffs Info: Der Kraftbegriff und die Newton'schen Axiome Info: Geschichtliches zum Kraftbegriff Info: Der Kraftbegriff aus physikalischer Sicht Das Studium dieser Handreichungen ist für das Verstehen der Versuche eine unabdingbare Voraussetzung, Gruppe 1: Definition des Kraftbegriffs in der Physik Kräfte werden in der Physik dazu verwendet, die Wechselwirkung zwischen Körpern zu beschreiben. Da Kräfte Wechselwirkungsprozesse beschreiben kann es also nicht sein, dass nur auf einen Körper eine Kraft wirkt. Es ist immer noch ein zweiter Körper beteiligt, auf den gleichzeitig auch eine, betragsmäßig sogar gleich große Kraft wirkt. Häufig ist man aber nur an einem Wechselwirkungspartner interessiert. Genauer gesagt an der Wirkung der der Einwirkung des anderen Wechselwirkungspartners auf den einen. Dann spricht man verkürzt von der Kraft auf einen Körper. Kräfte können wir selbst nicht beobachten, weil sie ein gedankliches Konstrukt der Physiker sind. Was wir beobachten können sind nur die Wirkungen, welche die Wechselwirkung zwischen zwei Körpern zur Folge haben. Oder eben wieder vereinfacht gesagt: Welche Wirkung Kräfte haben. 1.1 Demonstrieren Sie die prinzipiell verschiedenen Wirkungen a) der Muskelkraft b) der Gewichtskraft c) der magnetischen Kraft. Welche Wirkungen lassen sich unterscheiden? 1.2 Formulieren Sie, ausgehend von den vorangehenden Versuchsergebnissen zwei einfache Wenn-Dann-Sätze die Feststellen helfen, dass oder wann auf einen Körper eine Kraft wirkt. Erläutern Sie, was gemeint ist, wenn man von einem statischen und von einem dynamischen Kraftbegriff spricht. 1.3 Demonstrieren Sie mit Hilfe einer Blattfeder und eines Kraftmessers, wovon die Wirkung einer Kraft abhängt. Was muss man alles angeben, damit eine Kraft vollständig gekennzeichnet ist? Welche Möglichkeit zur Darstellung von Kräften wählt man in der Sek. I? 1.4 Erläutern Sie am Beispiel des Schießens eines Fußballs, dass die Kraftwirkung vom Angriffspunkt, von der Richtung und vom Betrag der Kraft auf den Ball abhängt! Suchen Sie nach einem Beispiel, das den gleichen Sachverhalt beleuchtet und Jungen wie Mädchen gleichermaßen anspricht! ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ G:\D1\ExpSem\ESemUFP\ESemUFP1\ESemUFP1-SW2-Kraft, Wechselwirkung, Trägheit, Addition von Kraeften.docx Seite 1 von 4 ESemUFP1-SW2-Kraft, Wechselwirkung, Trägheit, Addition von Kraeften.docx Gruppe 2: Das Wechselwirkungsgesetz Isaac Newton erkannte als Erster folgende Gesetzmäßigkeit: „Nie kann ein Körper auf einen anderen eine Kraft ausüben, ohne dass dieser ebenfalls eine Kraft bewirkt“. 2.1 Demonstrieren Sie diesen Sachverhalt auf möglichst vielfältige und eindrucksvolle Art (a) beim „Losbeschleunigen“ eines Fahrzeugs, (b) beim „Losbeschleunigen“ eines Menschen und (c) beim Drücken gegen einen kantigen Gegenstand! 2.2 Demonstrieren Sie den Antrieb durch Rückstoß mit einem luftballongetriebenen und einem wasserflaschengetriebenen Fahrzeug! Laut empirischen Untersuchungen denken Schülerinnen und Schüler (und z.T. auch Studierende und Lehrkräfte), dass eine Rakete deswegen beschleunigt wird, weil sie sich vom Erdboden abstößt. Bauen Sie ein luftballongetriebenes und ein wasserflaschengetriebenes Fahrzeug und demonstrieren Sie, dass diese Vorstellung unzutreffend ist! Suchen Sie auch nach einer gedanklichen Argumentation! 2.3 Demonstrieren Sie, dass für die Wechselwirkung zwischen zwei Körpern eine Berührung nicht notwendig ist 2.4 Zeigen Sie, wie man mit zwei Rollwägelchen (in der Sammlung vorhanden!) und einem Seil das Wechselwirkungsgesetz demonstrieren kann! Kräftegleichgewicht und Wechselwirkungskräfte 2.5 Ein Gewichtsstück wird an einer Schraubenfeder aufgehängt. Beschreiben Sie (a) die Kräfte auf das Gewichtsstück und (b) die Kräfte zwischen Gewichtsstück und Feder vom Loslassen bis zum Stillstand des Gewichtsstücks! Arbeiten Sie dabei insbesondere den Unterschied zwischen Kräftegleichgewicht und Wechselwirkungsgesetz und heraus! Gruppe 3: Trägheitssatz 3.1 Zeigen Sie in einem Modellversuch, dass es wichtig ist sich anzuschnallen und warum für Kraftfahrzeuge Nackenstützen vorgeschrieben sind. Dazu stehen zur Verfügung: Wagen, Gummiband, Dummy, … 3.2 Führen Sie möglichst viele Freihandversuche vor, in welchen sich die Trägheit von Körpern zeigt! Beschreiben und/oder demonstrieren Sie Vorgänge, in denen man die Trägheit von Körpern nutzt! 3.3 Hängen Sie einen Klotz wie abgebildet auf. Verwenden Sie zwei gleiche Fäden! Nun soll am unteren Faden einmal schnell und einmal langsam gezogen werden. Formulieren Sie vorher für jede Art des Anziehens eine Vermutung (in Form eines Wenn-Dann-Satzes) darüber, welcher Faden reißen wird? Überprüfen Sie ihre Vermutung! Wie erklären Sie das Ergebnis? 3.4 Demonstrieren Sie, wie sich die Trägheit von Körpern beim Kurvenfahren auswirkt! ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ U NIVERSITÄT R EGENSBURG – F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R. G:\D1\ExpSem\ESemUFP\ESemUFP1\ESemUFP1-SW2-Kraft, Wechselwirkung, Trägheit, Addition von Kraeften.docx Seite 2 von 4 ESemUFP1-SW2-Kraft, Wechselwirkung, Trägheit, Addition von Kraeften.docx Gruppe 4: Addition und Zerlegung von Kräften; Kräfteparallelogramm 4.1 Demonstrieren Sie in einigen Spezialfällen, dass sich bei parallelen Kräften der Betrag der resultierenden Kraft als Summe bzw. Differenz der Beträge der Einzelkräfte ermitteln lässt! Zeigen Sie möglichst eindrucksvoll, dass das bei nicht-parallelen Kräften nicht mehr gilt! 4.2 Demonstrieren Sie einen Schülerversuch und einen Lehrerdemonstrationsversuch, die beide dazu geeignet sind zu erarbeiten, dass man die Resultierende nicht paralleler Kräfte mit Hilfe des Kräfteparallelogramms ermitteln kann. Benutzen Sie für den Lehrerversuch den Torsionskraftmesser und die Magnettafel! Zeigen Sie genau die logische Abfolge Ihrer Argumentation auf, wenn es darum geht darauf hinzuführen, dass sich die Summe nicht-parallele Kräfte durch Vektoraddition ermitteln lässt! 4.3 Führen Sie einen Modellversuch zur Kräftezerlegung an der Hängematte vor! 4.4 Demonstrieren Sie, die Zerlegung der Gewichtskraft eines Körpers auf der schiefen Ebene! 4.5 Führen Sie einen Versuch zur Kräftezerlegung vor, der zum Verständnis des Unterschieds zwischen Zug- und Schubkräften beiträgt. Für alle und zuhause 4.6 Demonstrieren Sie die Möglichkeiten der CD Kraftstudio vom ISB zur Behandlung der Kräftezerlegung und Kraftzusammensetzung im Physikunterricht der Mittelstufe! 4.7 Suchen Sie im Internet nach einem Java Applet, das zur Vertiefung des Verständnisses der Kräfteaddition und Kräftezerlegung eingesetzt werden kann. 4.8 Kräfte in scheinbar einfachen Situationen Udo Backhaus zeigt in seinem Artikel „Die schnellste Verbindung“ (als Handout im Netz; die Seiten 1 – 4 sind nicht schwer zu lesen), dass es mit der Addition und Zerlegung von Kräften oft nicht so einfach ist, wie es in Schul- oder auch Hochschulbüchern dargestellt wird: Abbildung 1: Kräfte auf den Pendelkörper eines Fadenpendels in der Darstellung eines Hochschullehrbuches (links) und eines weit verbreiteten Schulbuches (rechts). Die erläuternden Texte lauten: ”. . . , so wirkt die Zugkraft Z = −mg cos Ԅ entlang des Fadens und dazu senkrecht die Kraft −mg sin Ԅ, die in tangentialer Richtung die Kugel in die Gleichgewichtslage zurücktreibt.“ (links), bzw. F1 wird durch die Spannkraft des Fadens aufgehoben, F bleibt als einzige äußere Kraft übrig.“(!) (rechts) ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ U NIVERSITÄT R EGENSBURG – F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R. G:\D1\ExpSem\ESemUFP\ESemUFP1\ESemUFP1-SW2-Kraft, Wechselwirkung, Trägheit, Addition von Kraeften.docx Seite 3 von 4 ESemUFP1-SW2-Kraft, Wechselwirkung, Trägheit, Addition von Kraeften.docx Abbildung 2: Korrigierte Versionen der linken Darstellung aus Abb. 1: Links wird die gestrichelt eingezeichnete Bahn als Andeutung der Schwingungsamplitude interpretiert (Ԅ0 ≈ 55o), rechts wird eine Amplitude von 90o angenommen. Gruppe 5: Der Zusammenhang zwischen Kraft und Dehnung; elastische und inelastische Körper 5.1 Nehmen Sie das Kraft-Dehnungs-Diagramm eines Gummis auf und stelle das Ergebnis graphisch dar. 5.2 Nehme das Kraft-Dehnungs-Diagramm von zwei unterschiedlichen Spiralfedern auf und stellen Sie das Ergebnis ebenfalls graphisch in einem s-F-Diagramm dar. 5.3 Welche der Meßergebnisse lassen sich mathematisch beschreiben? Welchen Namen hat diese Beschreibung? Welche Begriffsbildung wird im Zusammenhang mit diesem Experiment durchgeführt? 5.4 Welche Messung würden Sie im Unterricht zuerst durchführen? Die mit dem Gummiband, oder die mit der Spiralfeder? Begründen Sie Ihre Antwort! ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ U NIVERSITÄT R EGENSBURG – F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R. G:\D1\ExpSem\ESemUFP\ESemUFP1\ESemUFP1-SW2-Kraft, Wechselwirkung, Trägheit, Addition von Kraeften.docx Seite 4 von 4
