Die Schülerinnen und Schüler erklären die Funktion des einseitigen Hebels, planen ein einfaches Experiment und führen es durch.
Die physikalischen Begriffe Kraft, Gewichtskraft, Weg und Masse sind den Schülern aus den vergangenen Sequenzen bekannt. Außerdem haben die SuS Vorwissen über den zweiseitigen Hebel (vorige Stunde.) Dadurch verfügen die Schülerinnen und Schüler über ein Vorwissen, das sie bei der Lösung der Problemfrage gezielt einsetzen können. Des Weiteren sind die Schüler in der Lage Kraftpfeile einzuzeichnen (hinsichtlich Länge, Richtung und Angriffspunkt), was bei der Erarbeitung des einseitigen Hebels unabkömmlich ist. Eine weitere Voraussetzung ist das Messen von Längen, das jeder Schüler der 7. Jahrgangsstufe beherrschen sollte.
I. Lerngruppenanalyse
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
II. Didaktische Analyse
Sachanalyse[1],[2],[3]
Der mechanische Hebel gehört wie die schiefe Ebene, die Rolle, der Flaschenzug, die Kurbel, das Wellrad oder das Getriebe zu den in der Physik bezeichneten „Einfachen Maschinen“. Mit Hilfe von einfachen Maschinen kann man Kraft auf Kosten des zurückgelegten Weges sparen. Einfache Maschinen sind Geräte, die bei bestimmten Arbeiten Angriffspunkt, Richtung oder Größe der erforderlichen Kraft zwecks Arbeitserleichterung verändern können. Sie sind Kraftwandler. Die einfachen mechanischen Maschinen dienen zur Verrichtung von Arbeit. Die geringe Kraft von Mensch und Tier soll „vergrößert“ werden. Ein Hebel ist einer der wichtigsten Kraftwandler. Er dient, wie alle mechanischen Maschinen, dazu Arbeit zu erleichtern, nicht zu ersparen. Die zu leistende Arbeit bleibt nach der Formel „Arbeit ist gleich Kraft mal Weg" oder als Formel: W = F × s gleich.
Das heißt, eingesparte Kraft geht auf Kosten des Weges, die zu leistende Arbeit wird keineswegs weniger.
Wählt man den Lastarm entsprechend kurz im Vergleich zum Kraftarm, so ist man mit einem Hebel in der Lage, große Lasten mittels einer vergleichsweise geringen Kraft zu bewegen.
In der Physik wird umfassend jeder Körper, der um eine feste Achse drehbar ist, als Hebel bezeichnet. In vereinfachter Form besteht der Hebel aus einer starren Stange, die um eine feste Achse drehbar gelagert ist. Man unterscheidet zweiseitige und einseitige Hebel, wobei im ersten Fall die angreifenden Kräfte auf beiden Seiten der Drehachse wirken, während sie im zweiten Fall nur auf einer Seite der Drehachse wirken.
Als sehr gutes Beispiel zur Veranschaulichung des Hebelgesetzes eignet sich die Wippe.
Ein starrer Körper, an dem mehrere Kräfte angreifen, bleibt im Gleichgewicht, wenn die Summe ihrer Drehmomente Null ist (Hebelgesetz).
Beim einseitigen Hebel (siehe Bild oben) liegt der Drehpunkt an einem Hebelende. Vom Drehpunkt aus gesehen befinden sich die Hebelarme auf derselben Seite. Daher kommt auch der Begriff einseitiger Hebel. Die gemeinsamen Merkmale aller Hebel sind: zwei Hebelarme (l1 und l2) und ein gemeinsamer Drehpunkt (D). Auf einen Hebel wirken mindestens 2 Kräfte (F1 und F2) und jede dieser Kräfte versucht den Hebel im Drehpunkt zu drehen.
Das Produkt aus der wirkenden Kraft F und der Hebellänge s heißt Drehmoment M, seine Einheit ist das Nm (Newtonmeter). Die Kraft muss senkrecht auf den Hebelarm wirken. Wenn das Drehmoment M1 so groß ist, wie das Drehmoment M2, dann ist der Hebel im Gleichgewicht. Dieser Zusammenhang wird als Hebelgesetz bezeichnet.
Einbettung des Themas in den Lehrplan und die Bildungsstandards[4],[5]
Im Lehrplanentwurf des Landes Rheinland–Pfalz für das Fach Physik ist für das Themengebiet Mechanik ein Zeitrichtwert von 25 Stunden vorgesehen. Dabei entfallen 5 Stunden auf Kraft, Masse und Dichte, 10 Stunden auf Arbeit, Energie und Leistung. Die restlichen 10 Stunden sind für Druck in Flüssigkeiten vorgesehen.
Das Thema „Hebel“ gehört zu der Unterrichtseinheit „ Mechanik: Arbeit - Energie - Leistung “ und ist unter dem Punkt Projektvorschläge zu finden. Der Lehrplan der Realschule sieht vor, Hebel von den Schülern beschreiben, aufbauen und erklären zu lassen. Die Gesetze zur Kraftersparnis und das Hebelgesetz sollen verbal sowie in mathematischer Form aufgestellt werden. Außerdem sollen die Schüler einfache Maschinen an Beispielen aus der Natur auffinden.
In den gültigen Bildungsstandards taucht auf Seite 9 im Kompetenzbereich „ Fachwissen“ unter dem Punkt „3. System“ folgendes auf: „Stabile Zustände sind Systeme im Gleichgewicht.“, wie beispielsweise: „Kräftegleichgewicht.“ Der vorliegende Unterrichtsentwurf orientiert sich nach der Förderung folgender Kompetenzen aus den aktuellen Bildungsstandards:
Fachwissen:
- (F1) verfügen über ein strukturiertes Basiswissen auf der Grundlage der Basiskonzepte.
- (F2) geben ihre Kenntnisse über physikalische Grundprinzipien, Größenordnungen, Messvorschriften, Naturkonstanten sowie einfache physikalische Gesetze wieder.
- (F3) nutzen diese Kenntnisse zur Lösung von Aufgaben und Problemen.
Erkenntnisgewinnung
- (E1) beschreiben Phänomene und führen sie auf bekannte physikalische Zusammenhänge zurück.
- (E4) wenden einfache Formen der Mathematisierung an.
- (E6) stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf.
- (E8) planen einfache Experimente, führen sie durch und dokumentieren die Ergebnisse.
- Kommunikation:
- (K1) tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellung aus.
- (K2) unterscheiden zwischen alltagssprachlicher und fachsprachlicher Beschreibung von Phänomenen.
Begründung des Themas
Der Hebel ist ein uraltes Hilfsmittel der Menschen. Hebel erleichtern unser Leben. Sie zeichnen sich durch ihre Kraft umlenkenden Eigenschaften aus. In vielen bekannten Werkzeugen und Geräten wird die Kraftverstärkung durch Hebel genutzt und damit unser Leben erleichtert. Sie sind somit aus unserer Lebenswelt nicht mehr wegzudenken. Die Schüler kennen Hebel zum Beispiel vom Fahrrad (Hebelbremse) oder vom Auto (Schalthebel). Jeder hat vermutlich schon einmal einen Flaschenöffner oder eine Kneifzange benutzt und weiß den Nutzen solcher einfacher Maschinen zu schätzen. Darüber hinaus können die Schüler schnell und nachvollziehbar zu einfachen Aussagen und Gesetzen kommen, die für alle Hebelvorrichtungen gelten. Dies erleichtert den Schülern den Umgang mit Hebeln und ermöglicht zudem einen Unterricht, der mühelos mit den Alltagserfahrungen der Schüler verknüpft und in Einklang gebracht werden kann. Fehlvorstellungen können hier besser behoben werden als z. B. bei Spannung und Stromstärke.
Die heutige Unterrichtsstunde knüpft an die Alltagserfahrungen der Schüler. Das bereits erarbeitete Hebelgesetz sowie die erworbenen Erkenntnisse können sie anschließend auf alle Hebelvorrichtungen anwenden und viele Zusammenhänge besser verstehen. Das bringt ihnen ihre Umwelt etwas näher.
Stellenwert der Stunde in der Unterrichtseinheit
- Kräfte und ihre Wirkungen
- Kraft als gerichtete Größe
- Kraft und Masse
- Hebelgesetz
- Lose und feste Rollen
- Arbeit, Leistung und Energie
- Goldene Regel der Mechanik
Hierbei ist zu beachten, dass das Hebelgesetz das erste Thema hinsichtlich einfacher Maschinen ist.
Fachliches Vorwissen – Vorerfahrungen
Die physikalischen Begriffe Kraft, Gewichtskraft, Weg und Masse sind den Schülern aus den vergangenen Sequenzen bekannt. Außerdem haben die SuS Vorwissen über den zweiseitigen Hebel (vorige Stunde.) Dadurch verfügen die Schülerinnen und Schüler über ein Vorwissen, das sie bei der Lösung der Problemfrage gezielt einsetzen können. Des Weiteren sind die Schüler in der Lage Kraftpfeile einzuzeichnen (hinsichtlich Länge, Richtung und Angriffspunkt), was bei der Erarbeitung des einseitigen Hebels unabkömmlich ist. Eine weitere Voraussetzung ist das Messen von Längen, das jeder Schüler der 7. Jahrgangsstufe beherrschen sollte.
Didaktische Reduktion
Die Schüler sollen zu dem Versuch über eine Abstraktionsreihe kommen. Die Herleitung über das Drehmoment ist in dieser Stunde nicht möglich, da das Drehmoment den Schülern bisher nicht bekannt ist. Bei dem in der Unterrichtsstunde relevanten einseitigen Hebel liegen die Angriffspunkte der jeweils angreifenden Kräfte links vom ortsfesten Drehpunkt auf einer Seite.
Mit dem Hebel lässt sich eine Kraft in eine größere umwandeln (Kraftwandler), wobei die Vergrößerung der Kraft auf der einen Hebelseite eine Vergrößerung des Abstands zum Drehpunkt auf der anderen Hebelseite nach sich zieht, sodass ein „Gleichgewicht“ vorherrscht. Der Hebel ist immer dann im Gleichgewicht, wenn auf einer Seite die Produkte aus Kraft F und Hebelarm l (Abstand des Kraftangriffspunktes von der Drehachse) gleich sind. Da die Kräfte senkrecht zur Hebelstange wirken, können wir in der Schule das Hebelgesetz auf die Form F1l1 = F2l2 reduzieren und somit die Kreuzprodukte wegfallen lassen. Eine weitere Reduktion wird bei der Formulierung „Kraft × Kraftarm = Last × Lastarm“ vorgenommen. Grund dafür ist, dass die Schüler erkennen können, was die Kraft und was die Last sein soll. Diese Begriffe werden in der nächsten Stunde genauer beleuchtet.
[...]
- Quote paper
- Martin Mayer (Author), 2010, Wir untersuchen den einseitigen Hebel, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/298489
