Kraft als Wechselwirkungsgröße in der Sekundarstufe l

Kraft als Wechselwirkungsgröße
in der Sekundarstufe l
Von Herbert Bohr, Reinders Duit, Claus Holzamer und Hans-Dieter v. Zelewski
(Bron: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie; Heft 34:Kraftbegriff; Mai 1988;
Fachzeitschriften bei Friedrich in Velber in Zusammenarbeit mit Klett, 3016 Seelze)
Zu diesem Beitrag
Im Basisartikel dieses Themenheftes ist
erläutert worden, daß es seit einigen
Jahren Bemühungen gibt, den traditionellen Weg zum Kraftbegriff in der Sekundarstufe l zu verändern. Dieser war
weitgehend auf den "statischen" Aspekt
("Kräfte können etwas verformt halten")
beschränkt und Kraft wurde eher als
Vermögen, gewisse Wirkungen zu verursachen, angesehen. "Neue" Wege dagegen tragen von vornherein auch dem
"dynamischen" Aspekt Rechnung
("Kräfte können Bewegungen ändern")
und Kraft wird als Wechselwirkungsbegriff eingeführt.
Im vorliegenden Beitrag wollen wir einen
dieser "neuen" Wege aus unterschiedlichen Perspektiven beleuchten. Zunächst werden zwei Lehrbuchautoren
(R. Duit und H. D. v. Zelewski) den Weg
vorstellen, den sie in einem Lehrbuch für
die Realschule [1] gegangen sind. Aus
Lehrersicht beschreiben dann H. Bohr
und C. Holzamer Erfahrungen bei der
Arbeit mit diesem Lehrbuch.
Das Konzept zur
Einführung des
Wechselwirkungsaspekts
in einem Lehrbuch
(R. Duit, H.D. von Zelewski)
physikalischen Kraftbegriff. Das Augenmerk wird auf das gegenseitige Einwirken von Körpern gerichtet. Diese Idee
geben wir den Schülern als erste Orientierung auf dem Weg zum physikalischen Kraftbegriff mit. Angemerkt sei,
daß der Begriff des "Körpers" den Schülern aus vorangegangenen Kapiteln des
Lehrbuchs bereits bekannt ist.
Anhand von Experimenten werden die
gegenseitigen Einwirkungen näher herausgearbeitet. Zunächst experimentieren wir mit einer Eisenkugel und einem
Stabmagneten (s. Abb. 2). Rollt die
Kugel am ruhenden Magneten vorbei, so
wird sie deutlich in ihrer Bahn abgelenkt,
der Magnet wirkt auf sie ein und "zieht sie
an". Daß aber auch die Eisenkugel den
Magneten anzieht, erkennt man, wenn
man ihn auf Rollen lagert. Nun bewegen
die beiden Körper sich aufeinander zu,
sie wirken gegenseitig aufeinander ein.
Auch ein Radiergummi zeigt uns gegenseitiges Aufeinandereinwirken: Vom
Radiergummi lösen sich Teile, das Papier wird aufgerauht.
Wenn sich das Konzept des Gegenseitigen-Aufeinander-Einwirkens an einigen
überzeugenden Beispielen gefestigt
hat, kann man dazu übergehen, es auch
dort anzuwenden, wo die "Wechselwirkungspartner" weniger deutlich zu erkennen sind. Ein Stein hängt an einem
Faden, der Faden wird durchgeschnitten, der Stein fällt der Erde entgegen (s.
Abb. 3).
Welche Körper wirken aufeinander ein?
Überall um uns herum wirken Körper
aufeinander ein, und es treten dabei
Kräfte auf. Die Abbildungen zeigen
einige Beispiele. So wirken bei einem
Unfall Autos aufeinander ein und werden dabei verformt.
Auch der Junge und der Expander
wirken aufeinanderein. Der Expander
wird gedehnt, und der Junge spürt
die Anstrengung. Junge und Expander üben dabei Kräfte aufeinander
aus.
Das folgende Konzept ist für die Realschule und dort für das 7. Schuljahr vorgesehen, also für die erste Begegnung
der Schüler mit dem Kraftbegriff. Es
scheint uns aber, mit einigen kleinen
Änderungen, auch für die anderen
Schularten geeignet zu sein.
Gegenseitige Einwirkung
als Ausgangspunkt
Die Texte und Abbildungen, die rechts
auf dieser Seite (s. Abb. 1) wiedergegeben sind, dienen in unserem Lehrbuch
zur "Einstimmung" der Schüler auf den
Das Wort Kraft hat in der Umgangssprache vielerlei Bedeutungen. So
sagt man z. B., daß jemand Kraft
habe, und meint damit, daß er fähig
sei, z. B. schwere Gegenstände zu
heben. Wir sprechen sogar von Geistes- oder Sehkraft als Fähigkeiten
des Menschen. In der Physik hat das
Wort Kraft nur eine Bedeutung: man
verwendet es nur in Situationen, in
denen Körper aufeinander einwirken.
Unterrichtsmodell
Hier müssen wir den Schülern sagen,
daß die Erde den Stein anzieht und daß
der Stein seinerseits die Erde anzieht.
Wir argumentieren im Lehrbuch an dieser Stelle wie folgt:
Auch der Stein zieht die Erde an: Das
klingt merkwürdig, ist aber tatsächlich so. Die Erde hat, verglichen mit
dem Stein, eine enorm große Masse.
Die kleine Kraft, mit der Erde und Stein
aufeinander einwirken, ändert die
Bewegung der Erde nur so wenig,
daß man das nicht beobachten kann.
Wir bemerken deshalb nur, daß der
Stein fällt.
Beispiele wie die vorstehend aufgeführten führen zur Formulierung der folgenden beiden zusammenfassenden
"Merksätze":
(1) Das gegenseitige Einwirken von
Körpern aufeinander beschreibt man
in der Physik durch Kräfte.
(2) Das Wirken physikalischer Kräfte
zwischen Körpern erkennt man daran, daß Körper verformt werden, daß
sie in Bewegung geraten oder daß
sich ihre Bewegung ändert.
Kräftegleichgewicht
Greifen an einem Körper zwei entgegengerichtete Kräfte an, so sind sie
gleich groß, wenn der Körper in Ruhe
bleibt.
Diese Erkenntnis, die in ähnlicher Weise
üblicherweise im Physikunterrichtformuliert wird, gibt uns Gelegenheit, das
Wechselwirkungskonzept zu vertiefen
(s. Abb. 4).
Wir gehen aus vom Stein, der an einem
Faden hängt.Stein und Erde wirken
aufeinander ein. Da der Stein erst fällt,
wenn der Faden durchgeschnitten wird,
muß eine andere Kraft vorhanden sein,
die der Anziehungskraft entgegenwirkt:
der Faden muß ebenfalls auf den Stein
einwirken. Es ist hier also ein weiterer
Wechselwirkungspartner im Spiel. Man
erkennt dies deutlicher, wenn man den
Faden durch eine Feder ersetzt. Hier
wird klar, daß der Stein auf die Feder
(Dehnung) und die Feder auf den Stein
(Hochhalten) einwirken. Daß auch beim
Faden eine kleine Dehnung auftritt, muß
man den Schülern hiersagen oderdurch
ein Gummiband als "Zwischenstück"
verständlich machen.
Kraftpfeile
Wir unterstützen unser Konzept durch
eine konsequente paarweise Verwendung von Kraftpfeilen. Sie greifen an
beiden Wechselwirkungspartnern an
und sind entgegengesetzt gerichtet (s.
die Kraftpfeile in Abb. 5).
Weitere Ausarbeitung des Wechselwirkungskonzepts
Die Grundlage, die nunmehr gelegt ist,
reicht im Prinzip für den Physikunterricht
der Sekundarstufe l aus. Das Konzept
muß allerdings konsequent weiterbenutzt werden, damit es sich ausschärft
und dadurch festigt. Zugestanden sei,
daß es Lehrern nicht immer leichtfällt,
das Wechselwirkungskonzept konsequent durchzuziehen, da man doch sehr
in der gewohnten Terminologie verhaftet
ist. Einige Aussagen klingen z. B. zunächst ungewohnt, in manchen Fällen
sind sie auch etwas umständlicher als
die Aussagen im Rahmen des gewohnten Weges zum Kraftbegriff. H. Bohr und
C, Holzamer werden im nachfolgenden
Teil auf diese und einige andere Schwierigkeiten zu sprechen kommen.
(Fast)
ein Erprobungsbericht
(H. Bohr, C. Holzamer)
Vorgeschichte
Auf der Suche nach Möglichkeiten, die
Lernschwierigkeiten bei der Einführung
und dem Gebrauch des Kraftbegriffes
im Physikunterricht der Sekundarstufe l
zu verringern, entstand vor zwei Jahren
die Vorstellung, die im Lehrbuch "Umwelt: Physik" zugrundegelegte Konzeption der Einführung der Kraft als Wechselwirkungsgröße einmal auszuprobieren. Wir entschlossen uns, dazu anhand
des Lehrbuchs - und angepaßt an das
schulinterne Curriculum eine Unterrichtsreihe zu konzipieren und durchzuführen.
Die Unterrichtsreihe wurde für die Jahrgangsstufe 7 oder 8 geplant und umfaßte 5 Doppelstunden. Sie wurde im Schuljahr 1986/87 einmal in einer 7. Klasse
und dreimal in 8. Klassen (nichtdifferenzierte Lerngruppen einer integrierten
Gesamtschule) durchgeführt.
Der nachfolgende Erprobungsbericht
entstand dann eher zufällig denn als
vorab geplante Beschreibung der Erprobung dieses Konzeptes. Wir - die Verfasser - haben ihn demzufolge nicht in
dieser Absicht geschrieben, sondern
sehen ihn eher als Bericht aus der schulischen Praxis, die normalerweise unter
ungünstigeren Umständen als eine gut
vorbereitete Erprobung abläuft. Dieser
Umstand bedeutet u. a.:
- Wir haben keine ausführliche Dokumentation und Auswertung der Unterrichtsreihe erstellt.
- Wir gehen nicht auf pädagogische und
methodische Probleme des Unterrichts in
undifferenzierten Lerngruppen an intergrierten Gesamtschulen ein.
- Wir betrachten unser Vorgehen als Bei-
spiel dafür, wie neue Konzeptionen aus
Lehrbüchern von Lehrern in Unterrichtspraxis umgesetzt werden und welche Probleme sich dabei ergeben können.
Kurzbeschreibung
1. Doppelstunde
Der Lehrer stellte das Thema kurz vor.
Zunächst sollten die Schülerinnen und
Schüler Worte und Situationen aufschreiben, die sie mit dem Wort "Kraft"
assoziieren. Nach dem Erstellen der
Wortliste an der Tafel wurde der Lehrbuchtext (s. in Abb. 1) gelesen und
anhand der Bilder geklärt, was damit
gemeint ist. Ein entsprechender Merksatz wurde aufgeschrieben. Daran anschließend wurde die Wortliste der Schüler unter diesem Aspekt betrachtet, um
physikalischen und nichtphysikalischen
Gebrauch des Wortes Kraft zu unterscheiden. Es blieben meist nur Worte wie
Muskelkraft, Magnetkraft, Schubkraft
u.a. übrig, wobei in manchen Fällen nicht
sofort entschieden werden konnte (z. B.
"Waschkraft": Das Waschmittel wirkt auf
die Wäsche ein!).Diese Situation führte
zu der Frage: Woran erkennen wir, ob
zwei Körper aufeinander einwirken?
Dazu wurden folgende Schülerversuche
(z. T. arbeitsteilig) durchgeführt:
- Eine Eisenkugel rollt an einem Stabmagneten vorbei (vgl. Abb. 2).
- Stabmagnet und Eisenstück auf Rollen
werden einander genähert (vgl. Abb. 2).
- Ein Radiergummi reibt über Papier.
- Zwei Plastikfolien werden aneinander
gerieben.
- Eine Schraubenfeder wird gedehnt.
- Eine magnetisierte und eine nichtmagnetisierte Büroklammer werden neben
einander aufgehängt und einander genähert.
Die Berichte der einzelnen Schülergruppen ergaben in etwa die auch im Lehrbuch angegebenen Aussagen.
2. Doppelstunde
Nach einer kurzen Wiederholung wurde
Bezug auf die Gruppenberichte genommen. Um die bislang gewonnenen Einsichten zu stabilisieren und den Sprachgebrauch zu festigen, bearbeiteten die
Schüler ein Arbeitsblatt, das neun verschiedene Situationen des gegenseitigen Einwirkens von Körpern zeigte
(Schrottpresse, Kopfball beim Fußballspiel, Junge mit Expander, 3 Personen
schieben ein Auto an, ein Auto überholt
ein anderes, Junge fährt Fahrrad, Kugelstoßer, Torwart fängt Ball, Bobfahrer
schieben den Bob an). Sie sollten die
jeweils aufeinander einwirkenden Körper benennen und anhand vorformulierter Sätze entscheiden, welche davon für
zwei vorgegebene Gruppen von Abbil-
dungen zutreffen.
Um weitere physikalische Kräfte kennenzulernen, lenkte der Lehrer durch
einen kleinen Freihandversuch (große
Knetkugel fällt aus 2 m Höhe zu Boden)
die Aufmerksamkeit auf die Gewichtskraft. Fast alle Lernenden konnten auf
Nachfrage erkennen und ausdrücken,
daß eine Kraft wirken muß. Einige
warteten auch schon mit dem Begriff "Massenanziehung" auf. Diese Einsicht wurde durch Lesen des Lehrbuchtextes (s.
o.) und Betrachten der entsprechenden
Abbildung gefestigt. Anschließend wurde daran die Möglichkeit erörtert,
Kräfte
zeichnerisch durch Pfeile zu
kennzeichnen, wobei immer Pfeile an beide
Körper
gezeichnet wurden. Die Schülerinnen
und Schüler übten dies an drei
weiteren
Beispielen, indem sie entsprechende
Skizzen anfertigten.
3. Doppelstunde
In dieser Unterrichtssequenz lernten
die
Schülerinnen und Schüler die Krafteinheit 1 N und den Federkraftmesser als
entsprechendes Meßgerät kennen.
Etliche fragten ziemlich schnell nach,
wieso
das nötig sei, da es doch die Einheit 1
kg
für Gewichte schon gäbe. Der Lehrer
betonte die Bedeutung und Schwierigkeit dieser Frage und verwies auf die
nächste Stunde. Anschließend hatten
die Lernenden Gelegenheit, Kräfte zu
messen und zu vergleichen (z. B.
Muskelkräfte von Armen und Fingern,
Kraft
zum Drücken einer Türklinke, Kraft
zwi-
sehen Hufeisenmagnet und Eisenstück,
Zerreißproben für Fäden und Haare,
Gewichtskraft verschiedener Körper).
4. Doppelstunde
Die Tatsache, daß auf einen Körper der
Masse 1 kg die Gewichtskraft 10 N wirkt,
hatte in der vorhergehenden Stunde zur
Frage nach dem Sinn dieser Unterscheidung Anlaß gegeben. Wir gingen hier
unterschiedlich vor:
a) Wir versuchten zunächst auf dem
üblichen Wege (Masse im Sinne von
Menge, obwohl das nicht ganz korrekt
ist, vgl. Basisartikel), den Unterschied
herauszuarbeiten. Dabei erwies sich
das Wechselwirkungsprinzip als sehr
hilfreich: Neben dem anschaulichen
Aspekt (etwa beim Vergleich "Masse
und Gewichtskraft auf Erde und Mond")
stellte sich auch für viele Schüler
heraus,
daß die Gewichtskraft die Folge des
Einwirkens zweier Körper ist: ein Körper
hat immer eine Masse, eine Gewichtskraft stellt sich erst ein, wenn er sich auf
einem Himmelskörper befindet. Für beide Größen gibt es demzufolge auch
unterschiedliche Meßgeräte. Diese Erkenntnisse konnten die Lernenden anhand eines Arbeitsblattes "Gewichtskraft und Masse auf verschiedenen
Himmelskörpern" stabilisieren.
b) In einer Lerngruppe, indersich etliche
Schülerinnen und Schüler nicht mit dieser Unterscheidung zufriedengeben
wollten, wurde in einem zweiten Schritt
Unterrichtsmodell
versucht, die Trägheit als besondere
Eigenschaft von Körpern genauer herauszuarbeiten. Dazu wurde auf den entsprechenden Lehrbuchtext (s. Abb. 6)
zurückgegriffen. Andererseits wurde die
Massenanziehung näher erörtert (z. B.
daß sie von der Entfernung der beiden
Körper abhängt). In dieser Lerngruppe
brauchten wir dadurch eine Unterrichtsstunde mehr.
Ein Körper ändert seine Bewegung
nicht, solange kein anderer Körper
auf ihn einwirkt.
Immer wenn ein Körper seine Bewegung ändert, wirkt ein anderer auf ihn
ein.
Abb. 6: Lehrbuchtext zur Trägheit
Wir hatten aber in allen Lerngruppen den
Eindruck, daß es uns bei vielen Schülerinnen und Schülern nicht gelungen war,
den Sinn der Unterscheidung dauerhaft
transparent zu machen.
5. Doppelstunde
Ausgehend von der im Lehrbuch beschriebenen Situation (Fahrzeuge bleiben stehen, wenn sie nicht mehr angetrieben werden), sollten die Schüler die
Reibung als Kraft erkennen (sie bremst
die Bewegung des Körpers), was vielen
zunächst erhebliche Schwierigkeiten
bereitete. Am Beispiel der Bremsen
wurde anschließend erörtert, wie sich die
Reibung vergrößern oder verkleinern
läßt. Um dies näher zu untersuchen,
wurden entsprechende Versuche zur
Haft-, Gleit- und Rollreibung durchgeführt (arbeitsteilig). Als Ergebnis wurde
die Reihenfolge Haftreibungskraft >
Gleitreibungskraft > Rollreibungskraft
herausgestellt. Um zu einer etwas tiefergehenden Erklärung für diese Unterschiede zu gelangen, wurde das übliche
mikroskopische Modell (Verhaken der
Auflageflächen) herangezogen.
Abschließend wurde ein Lehrbuchtext
zu erwünschter und unerwünschter Reibung gelesen und Rückfragen zu den
einzelnen Beispielen erörtert.
Kritische Würdigung
(1) Zur Unterrichtsreihe
Wir haben mit Absicht versucht, die
Unterrichtsreihe sehr kompakt anzulegen, da das Gebiet Mechanik in der
Sekundarstufe l bei den Schülerinnen
und Schülern noch nie beliebt war und
wir auch große Zweifel daran hatten, ob
das Trägheitsprinzip in der Jahrgangsstufe 7 oder 8 den meisten unserer Schüler vermittelbar ist. Nach unseren Beobachtungen und Erfahrungen wurden
einige Verbesserungen erzielt, aber insgesamt bleibt das Gebiet nach wie vor
nicht sonderlich interessant für die Schüler. Beim nächsten Mal werden wir vielleicht noch folgendes ändern:
-die Trägheit von Körpern von vorneweg
stärker betonen und gründlicher herausarbeiten. Allerdings sind wir geteilter
Ansicht, ob dies z. B. hinsichtlich Gewichtskraft und Masse wirklich Lernschwierigkeiten beseitigt oder eher neue
aufbaut.
- für die Reibungskräfte ebenfalls etwas
mehr Zeit nehmen, da vielen Schülern
z.B. die Aufteilung in drei Arten so
schnell nicht klarzumachen zu sein
scheint.
Damit würde sich der Stundenbedarf auf
6 bis 7 Doppelstunden erhöhen.
(2)Zum Konzept
Nach unseren Erfahrungen hat sich die
Einführung der Kraft als Wechselwirkungsgröße als überraschend tragfähiges Konzept herausgestellt. Allerdings
bereitete die sprachliche Fassung dieser Einsicht den meisten Schülern zunächst Schwierigkeiten, vor allen Dingen
deswegen, weil "Kräfte" eben keine
konkreten, "handelnden" Objekte sind,
sondern Abstraktionen, meist "Ursachen" bestimmter "Wirkungen".
Die Tatsache des gegenseitigen Einwirkens von Körpern ist den Lernenden
zunächst durchaus neu. Die meisten
sagen spontan: Der Magnet zieht die
Eisenkugel an, nicht aber umgekehrt
(weil sie den Magneten eben als den
"aktiven" Teil des Systems betrachten).
Anschließend ist dieser Umstand plausibel und hilfreich, aber sprachlich aufwendig.
Auch für uns Lehrer ergaben sich einige
Sprachprobleme, da wir oft versucht
waren, in die bisher übliche Sprechweise (Kräfte als "handelnde" Objekte) zu
verfallen und auch so zu argumentieren.
Im Lehrbuch ist der eingeschlagene
Weg nach unserer Meinung auch nicht
konsequent verfolgt, da bei der Kräftegleichheit genau diese Schwierigkeit
auftaucht.
In Situationen, in denen man es mit mehr
als zwei Körpern zu tun hat, läßt sich das
Konzept ebenfalls durchhalten; Schwierigkeiten ergeben sich allerdings, wenn
man die entsprechenden Kraftpfeile
einzeichnen will - es wird ein bißchen
unübersichtlich. Will man später auf die
übliche Vektoraddition von Kräften hinaus, muß ein entsprechender Übergang
zu der vereinfachenden Betrachtungsweise vorgenommen werden.
Auch beim Verständnis der Gewichtskraft bringt das Konzept Verbesserungen: Den meisten Schülern fiel es nicht
schwer, die Situation zu durchschauen.
Allerdings sind damit die Probleme bei
der Unterscheidung Masse - Gewichtskraft noch nicht ganz behoben, da der
Begriff Masse eben außerhalb des Konzeptrahmens liegt. Das gleiche gilt für
die Frage, ob das Trägheitsprinzip
schon in Jahrgangsstufe 7 oder 8 sinnvoll und für die meisten Schüler verständlich vermittelt werden kann.
Insgesamt sind unsere Erfahrungen
positiv, so daß wir dieses Konzept beibehalten und inhaltlich und unterrichtsmethodisch weiterentwickeln möchten.
Literatur
[1] Umwelt: physik. Stuttgart: Klett, 1983