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Trägheitskraft - eine spannende Brücke zwischen lebensweltlichen Sinneseindrücken und der Newton'schen Mechanik - ein Unterrichtsversuch

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Abstract

Im Unterricht zur Newton'schen Mechanik handelten Zehntklässler als ruhende und beschleunigte Beobachter, auch im Freizeitpark. Sie nutzten und schärften Kraft-, Gleichgewichts- und Sehsinn. Sie erfassten Beschleunigungen via Sensor im Smartphone. Sie bildeten Sinne und Sensoren im Modellversuch nach. Sie untersuchten Bewegungen durch wahrnehmendes Erleben, Messen sowie Rechnen. Diese dreifache Vernetzung begeisterte, war zeiteffizient und führte zu einem hervorragenden Klausurergebnis.
die Aufarbeitung der Geschichte von Erucxrs Venus-
transit-Auswertung Teil des hier geschilderten Projekts
war (HorruaNN, 2013 und Poster als Beträge bei der
ICHSSE,2012).
b) Ein schulintem besonders großes Projekt wäre, wenn
man die Lehreinheit mit den Lehrkräften fi.ir Geschichte
und Deutsch oder Englisch abspricht. 2012 ist von der
Historikerin ANDREA WULF ein (ursprünglich englisch-
sprachiges) Buch erschienen, das auf sefu gut lesbare
Weise zahlreiche historische Expeditionen zusarnmen-
stellt. Ihr Stil ist fast romanhaft, aber die Geschichten
sind historisch gut recherchiert (WuL4 2012). Eine
kürzere Geschichte der historischen Venustransit-Expe-
ditionen findet sich in (WoLFSCHMIDr,2013). Mit diesen
Geschichten könnte man die Schülerinnen und Schüler
bspw. Theaterstücke mit historischem Plot entwickeln
und aufführen lasserL wie ein Astronomielehrer bereits
vorschlug (MoKLE& 2012).
3 Resümee
Die Ergebnisse der oben genannten Berechnungen sind in je-
dem Fall nah an dem, was auch in modemen Tafelwerken steht
und mithin könnte es manche Schüler verblüfferu mit welch
einfachen Methoden man im Zeitalter vor der Raumfahrt
schon den Kosmos verstanden hat. L:r meinen Workshops in
Hildesheim, Berlin und Wien haben die Teilnehmenden Ergeb-
nisse für die AE ermittelt, die um 5 % bis 12 Y" von der som-
merlichen Aphel-Distanz der Erde - also der wahren Distanz
am Beobachtungstag - von der Sonne abwich.
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Dipl.-Phys. Dipl.-Wiss.Hist. SusÄNNE M HzFFMANN erforscht augenblick-
lich im Exzellmzcluster TOPOI (Berlin) die Geschichte der Positionsastro-
nomie. 1999-2012 entwickelte sie in zahlreichen überregionalen Projekten
und internationalen MaJ|nahmm die aufierschulische naturwissmschaft-
liche lugendarbeit und -bildung. Die Expeditionen zum Venustransit und
einen Auswerte-Workshop organisierte sie während ihrer Lehrtätigkeit am
Institut für Physik und Physikdidaktik der Uniaersität Hildesheim. E-MaiI:
rl
akademeia@exopla.net
Trägheitskraft
EinespannendeBrückezwischen*lebensweltli&€n,Sineqqi4ddcken
und dör Newton'schen Mechanik - Teil 211:EinUnterrichtsversuch in Klasse L0
HANS-OTro CanNrssrN
Im Unterricht zur Newton'schen Mechanik handelten Zehntklässler als ruhende und beschleunigte Beobachtel, auch im
Freizeitpark. Sie nutzten und schärften Kraft-, Gleichgewichts- sowie Sehsinn. Sie erfassten Beschleunigungen via Sensor im
Smartphone. Sie bildeten Sinne und Sensoren im Modellversuch nach. Sie untersuchten Bewegungen durch wahrnehmendes
Erleben, Messen sowie Rechnen. Diese dreifache Vernetzung begeisterte, *r1 '2si1s{fizient und führte zu einem hervonagen-
den Klausurergebnis.
MNU 625 (1.5.7.2014) Seiten 282-288, ISSN 0025-5866, @ Verlag Klaus Seeberger, Neuss
SCHULPRAXIS lI TRAGHEITSKRAFT
Infoblatt, Klasse 10, Dr. CannassrN
Wie messe ich die Beschleunigung mit dem Smartphone?
Zuerst lade ich eine passende App herunter:
. ,AndroSensoro für Android zeigt den Betrag a sowie die drei Komponenten a,, aound a,inrnls2 als Zahlen an.
. ,Physic Toolbox Accelerometer<< für Android zeigt den Betrag a sowie die drei Komponenten a*, arurtd a, in g als Graph
. ,T"nro. Kinetics< ftir iOS zeigt die drei Kompon entet\ a,, a,und. a,h m/s' als Zahlen an.
So mache ich einen Screenshot beim Galaxy 54:
. Ich drücke Ein- und Hometaste gleichzeitig. -
. Ich rufe die Galerie auf.
So zeichne ich mit Physics Toolbox Daten auf:
. Ich wähle ,Record.
. Ich wähle "Stop"
. Ich wähle Email und versende oder speichere die Daten
,|@ten,t', tn7g6ilay zun AexfueuniwV e*sa, y Snonpinone
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SCHULPRAXIS II TRAGHEITSKRAFT
1 Einleitung
Der Unterricht nrrrde 2013 in einer 10. Klasse des Gymnasi-
ums nach dem G8-System sowie zuvor in 11. Klassen nach
dem G9-System (Canursrx, 2004) durchgeführt und fußt auf
einer ausführlichen Sachanalyse (CerutaslN, 2014). Die Schüler
behandelten in Klassenstufe 10 zunächst in vier Doppelstun-
den die Kinematik. Anschließend entdeckten sie das zweite
Newton'sche Axiom oder Aktionsprinzip in viereinhalb Dop-
pelstunden. In der dritten Unterrichtssequenz qglebten und
analysierten sie beschleunigte Systeme und behandelten dabei
Trägheitskräfte, ihren Gleichgewichtssinn, den Zustand der
Schwerelosigkeit und die Kreisbewegung. Diese Sequenz wird
hier ausführlich dargestellt und umfasste drei Doppel- und
zwei Einzelstunden sowie eine ganztägige Physikexkursion
in den Heidepark. In dieser Sequenz sollten die Schülerinnen
und Schüler folgende Kompetenzen erwerben:
. Sie können als linear oder kreisförmig beschleunigte
Beobachter Trägheitskräfte beschreiben und messen.
o Sie können die Anwendung der Schwere und der Träg-
heit der Masse im Maculaorgan sowie im Beschleuni-
gungssensor durch einen Modellversuch erklären.
r Sie können den Zustand der Schwerelosigkeit aus Sicht
eines ruhenderu fallenden sowie waagerecht geworfenen
Beobachters beschreiben und messen.
o Sie können für die Kreisbewegung experimentell begrün-
den, dass die Zentripetalkraft zum Zentrum gerichtet
und gleich dem Produkt aus dem Quadrat der Winkelge-
schwindigkeit und dem Bahnradius ist.
Im Folgenden werden die Stunden umfassend dargestellt und
die Erfahrungen zusammengefasst. Dabei entsprechen die
dargestellten Tafelanschriebe den durchgeführten Stunderu
und die wesentlichen Schülerbeiträge sind darin kurz zusam-
mengefasst aufgeführt. Abschließend werden die Folgerungen
diskutiert.
2 Einzelstunde: Messung der beim
Katapultstart wirkenden Kräfte
In der Vorstunde erprobten die Schüler mit Hilfe eines Info-
Blattes (Kasten 1) den Beschleunigungssensor des Smartpho-
Die erste Stunde der Sequenz hatte das Thema "Experimen-
telle Untersuchung des Beschleunigens. und das kompetenz-
orientierte Lernziel "Die Schüler messen die Beschleunigung,
um ihre experimentelle Kompetenz zu schulen.. Aus einem
Kontext mit einer Beschleunigung (Abb. 1) entwickelten die
i+bb,t1:Einstd;ß6bjt6,zinr,xaiqpA.I$ittt:,i :,,4 i,tetui*n'neiyl Race im
Heidepavla
'.&bb:2 ,:,,.:'::: :'. ':
,saiäipfu+e-419t;,,'
'd.;s:n44ehtgaiig
bei:.IainiA::az,t;:t :' , ,.
Schüler die Leitfrage (Kasten 2). Die Lernenden entwickelten
einen Versuch mit den bei uns vorhandenen rollbaren Stühlen
sowie mit dem Beschleunigungssensor des Smartphones. An-
schließend versuchten sie in Zweiergruppen im Flur und im
Welche Kraft wirkt
Versuchsskizze:
2 ' 9,81 mls2 = \9,62 rnls2
F = m. a: 83 kg . 19,62 mlsz = 1628 N
Kasten 2. Tafelanschrieb zur KraJhnessung
284
auf einen beschleunigten Schüler?
Durchführung:
Ein Schüler schiebt.
Der andere sltzt aui dem Stuhl und misst mit dem
Smartphone in der Brusttasche.
Champion: Jannis: 1628 N
Vize: Julius: 1040 N
Dritter: Daniel: 840 N
MNU 67ls (r5.7.2074)
SCHULPRAXIS II TRAGHEITSKRAFT
Physikraum möglichst große Beschleunigungen zu erreichen.
Es folgte die Auswertung. Im Schülervortrag projizierten sie
ihre Screenshots des Smartphones (Abb. 2) über eine Webcam
ans Whiteboard und rechneten ihre Auswertung an der Tafel
vor (Kasten 2). Bereits das Infoblatt der Vorstunde führte dazu,
dass alle Lemenden den Beschleunigungssensor im Smartpho-
ne ausprobierten. Über die Hälfte der Schüler hat ein geeigne-
tes Smartphone, so dass alle in Gruppenarbeit experimentieren
konnten. In der aktuellen Stunde wirkte der Versuch sehr mo-
tivierend und aktivierte die ganze Klasse zu anspruchsvollem
Experimentieren und Auswerten.
3 Doppelstunde: Modellversuch
zum Maculaorgan
Die zweite Stunde der Sequenz hatte das Thema ,Modell-
versuch zum Maculaorgan< und das kompetenzorientierte
Lemziel "Die Schüler entwickeln einen Modellversuch zum
Maculaorgan, um ihre fächerübergreifende Fachkompetenz
zu schulen.. Aus dem Einstiegsbild (Abb.3) entwickelten die
Schüler die Leitfrage (Kasten 3). Eine erste Vermutungsphase
führte zum Ausschärfen der Frage sowie zum Hörery Sehen
und Gleichgewichtssinn. Die Lemenden erkanntery dass das
Hören durch..andere Geräusche sowie das Sehen durch ande-
re Bewegungön gestört sein kann und der Gleichgewichtssinn
daher am sichersten ist. Auf einem Aufgabenblatt (Kasten 4)
erhielten die Schüler die nötigen Fakten zum Maculaorgan.
Anschließend entwickelten sie in Gruppenarbeit Vermufungen
zur Funktionsweise und überprüften diese in selbst geplanten
Modellversuchen im Schülerexperiment. Die Lemenden schlu-
gen spontan einen weiteren Modellversuch mit der Wasser-
waage vor und führten diesen durch. Zur Festigung und zum
Transfer gab es zwei weiterführende Aufgabenblätter (Kasten
5 und 6).
Der Einstieg motivierte alle zu einer konzentrierten und ge-
haltvollen Auseinandersetzung mit dem Gleichgewichtssinn.
Was kann der Mann tun, damit er nicht vom Pickup fäIlt?
Ideen: linsetzery angurten, festhalten, .. .
Im richtigen Moment Gewicht nach vorne verlagern
Wie merkt der Mann, dass der Pickup anfährrt?
Ideen: er hört Motorgeräuscfu er sieht Bewegung er spürt es mit Gleichgewichtssinn
Vermutungen zur Funktionsuteise der Macula Utriculi, kurz Maculaorgan:
Beim Beschleunigen nach vome bleiben die Kalkkristalle wegen der Trägheit zurück. {
Das verformt das Maculaorgan nach hinten. {
Die Sinneszellen signalisieren diese Verformung ans Gehim.
Überprüfung durch einen Modelloersuch:
Büroklammem entsprechen Kalkkristallen
Gefaltetes Papier entspricht verformbarer Masse
Beobachtung:
Beim Beschleunigen nach vorne verformt sich das
abgeknickte Sti.ick nach hinten.
Beim Bremsen verformt sich das
abgeknickte Stück nach vorne.
Ergebnis: Der Mitfahrer kann durch sein Maculaorgan merken, dass der Pickup anfäihrt.
Weiterer Modellaersuch: Wasserwaage
Vermutung: Beim Beschleunigen nach vorne bewegt sich die Luftblase nach hinten' 1[
Beobachtung: Beim Beschleunigen nach vorne bewegt sich die Luftblase nach vome.
Deutung: Beim Beschleunigen nach vorne bewegt sich das Wasser durch die Trägheit nach hinten.
www.mnu.de 285
SCHULPRAXTS II TRAGHEITSKRAFT
Das Aufgabenblatt befähigte alle zur Erklärung der Funktions-
weise des Maculaorgans und zum Modellversuch. Das rege
Mitdenken wird durch den Vorschlag eines weiteren Modell-
versuchs und dessen Durchführung besonders deutlich.
4 Doppelstunde: Kreisbewegung
Die dritte Stunde der Sequenz hatte das Thema "Kraftanalyse
bei der Kreisbewegung" und das kompetenzorientierte Lern-
ziel >Die Schüler untersuchen experimentell fiäfte bei iter
Kreisbewegung, um füre Erkerurtnisgewinnungskompetenz
zu schuleno. Zum Einstieg schleuderte der Lehrer einen Was-
Aufgabenblatt, Klasse 10, Dr. CARMESIN
Im Innenohr befindet sich das Gleichgewichtsorgan.
Kasten 4. Aufgabmblatt zum Anregen aon Vermutungen und Kontrollaersuchen
Aufgabenblatt, Klasse ,l0, Dr. CnnvtstN
Kasten S . Aufgabenblatt :zum TransJer des Gelern:ten auf den Beschleunigungssensor
I
286
sereimer im Kreis (Kasten 7). Schüler entwickelten die Leitfra-
ge und vermuteten eine nach außen gerichtete Zentrifugalkraft
als Ursache. Zur Uberprüfung planten sie einen Versuch und
führten diesen im Schülerexperiment durch. Die Ergebnisse
zeigten eine nach innen gerichtete Kraft (Abb. 4).
Das stellte einen kognitiven Konflikt dar. Denn die Schülerin-
nen und Schüler gingen vom Basiskonzept der Zentrifugal-
kraft aus, die sie als Mitfahrer in Karussells und Autos in Kur-
ven gut kannten. Die Messung widersprach dem. Der Konflikt
wurde dadurch gelösf dass die Schüler im intensiven Lehrer-
Schüler-Gespräch erkanntery dass ein mitbewegter Beobachter
andere Kräfte erlebt und misst als ein ruhender Beobachter.
Sinn*szellen
Boschleunigung
-.r----.rr-l
Im Gleichgewichtsorgan befindet sich die Macula Utriculi
Sie spricht auf Beschleunigung an. Ihre Sinneszellen
signalisieren Verformungen.
1) Stelle Vermutungen zur Funktionsweise auf.
2) Plane einen Modellversuch mit einem Blatt Papier
und drei Büroklammern.
Aufbau eines Beschleunigungssensors: Eine Masse rz ist an einem elastischen Stift
befestigt. Die Abstände zu den Begrenzungen oben und unten werden elektrisch
erfasst.
' a) Erkläre die Funktionsweise.
b) Erkläre, wie man hiermit die Schwerkraft nachweist.
Kqlkkristalle
MNU 625 (15.7.20L4)
SCHULPRAXIS II TRAGHEITSKRAFT
Aufgabenblatt, Klasse 10, Dr. Canrvrnsn
Gleichgewichtssinn
Im Innenohr befindet sich das Maculaorgan.
Beim Kippen nach hinten unten verformt es sich nach hinten unten.
Man spürt eine Kraft nach hinten unten.
Man übt entgegengesetzt eine Kraft auf den Körper aus, um das Gleichgewicht zu halten.
Bei Beschleunigung verformt sich das Maculaorgan nach. . . . . . . .
Man spürt eine Kraft, die einen nach. . . . . . . zieht.
Man übt . eine Kraft auf den Körper aus, um das Gleichgewicht zu halten.
Die Richtungen der Verformung des Maculaorgans und der gespürten Kraft sind
Warum bleibt das Wasser beim Schleudern im Eimer?
B eze ichnun g : Kreisbewegung
ldeen: Aul das Wasser wirkt eine Zentrifugalkraft nach außerL
denn ich spüre im Karussell eine Kraft nach außen.
Kontrollztersuch Smartphone in Eimer mit Display nach oben
+..
F=m.d
Beschleunigen mit Display nach vome: Gelbe Anzeige a > 0
Beobachtung: a > 0
Auf das Smartphone wirkt eine Kraft nach innen.
Ergebnis: Auf das Smartphone wirkt bei der Kreisbewegung eine Kraft z;':mZentrum.
Bezeichnung: Diese Kraft heißt Zentripetalkraft.
Begründung des mitrotierenden Beobachters: Es bleibt im Eimer, weil die Zentrifugalkraft auf das Wasser nach außen wirkt.
Info:Das Smartphone ist so programmiert, dass es die vom ruhenden Beobachter feststellbare Beschleunigung anzeigt.
Begründung des ruhenden Beobachters: Es bleibt im Eimer, weil der Boden des Eimers so schnell nach innen beschleunigt, dass
er das Wasser mitzreht,
Hierbei war die völlig plausible Information wesentlich, dass
das Smartphone so programmiert ist, dass es die vom ruhen-
den Beobachter feststellbare Beschleunigung anzeigt.
Das Einstiegsexperiment faszinierte alle Schüler sgfgrt und er-
wies sich als sehr zielführend. Die Schüler erkannten schnell,
dass sie ihre geliebten Smartphones im Eimer schleudem soll-
ten und einige klebten sie vorsichtshalber mit Tesakrepp fest.
Alle kamen zu sehr deutlichen Ergebnissen und Kompetenzer-
lebnissen bezüglich ihrer Geschicklichkeit, Experimentierfä-
higkeit und Erkenntnisgewinnung.
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Dr. HANS-OTTI CARMESIN studierte in Mainz, habilitierte in Bremen, un-
terrichtet seit 1999 Physik sowie Mathematik am Gymnasium Athenaeum in
Stade und leitet die dortige Sternwarte. Er ist Fachleiter für Physik am Studi-
enseminar in Stade und erhielt den Klaus aon Klitzing Preis sowie den Preis
der Stiftung Niedersachsen Metall für sein Engagement in den Bereichen
F achdidaktik, lugend forscht und S chüler-Ingenieur-Akademie.
Anschrift: Harsefelder StraJJe 40, 21680 Stade,
e-mail: Hans-Otto.Carmesin@t-online.de r-l
aa
Intelligentes Llben
in den Nlaturwissenschaften
MICHAEL HANSEL
Die zunehmende Bedeufung von Übungsaufgaben im nafurwissenschaftlichen Unterricht haben Lehrerinnen und Lehrer
der SINUS-AG Ruhrgebiet (s. u.) dazu veranlasst, sich über anderthalb |ahre mit dem Thema >Intelligentes Üben in den
Nafurwissenschaften. zu beschäftigen. Vorgestellt werden drei verschiedene Arten von intelligenten Übungen, die für alle
naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächer geeignet sind. Sie lassen sich für nahezu jedes Unterrichtsthema modifizieren. Sie
wurden an den Schulen der AG-Mitglieder erprobt und optimiert.
1 Einleitung
Die Bedeutung von Übungsphasen im Rahmen von schulischen
Lernprozessen ist unbestritten - Ubungen gehören zwingend
dazu. Davon zeugen.die vielen Ausspniche wie "Übung macht
den Meister< oder "Ubung ist das halbe Leben". Ubungspha-
sen dienen vorrangig der langfristige Bewahrung und Ver-
fügbarkeit von Erlerntem sowie dessen Anwendung in ver-
schiedenen Situationen. Dennoch lässt sich beobachten, dass
im naturwissenschaftlichen Unterricht die Übungsphasen nur
selten anzutreffen sind.
Alternativ dazu werden Übungsaufgaben auch gern als Haus-
aufgabe erteil! was aber im Rahmen des Aufkommens von
Ganztagsschulen immer weniger möglich ist. Die Integration
von ubungsaufgaben in den Unterrichtstag wird auf breiter
Front geforderf weshalb sich im Rahmen von SINUS NRW die
AG Ruhrgebiet über anderthalb |ahre intensiv mit der Entwick-
lung von intelligenten Ubungsformen beschäftigt hat. Gebildet
wird diese Arbeitsgruppe durch Lehrer der drei Naturwissen-
schaften, die im Ruhrgebiet an Haupt-, Real-, Gesamt-, Sekun-
darschulen und Gymnasien unterrichten. Seit Jahren erstellen
die Mitglieder der Arbeitsgruppe Unterrichtsmaterialien und
planen Unterrichtseinheiten für einen kompetenzorientierten
naturwissenschaftlichen Unterricht und erproben diese an den
eigenen Schuleru bevor diese vor Multiplikatoren (Fachleiter,
Fachberater, Mitglieder von Kompetenzteams) aus ganz NRW
im Rahmen von Austauschtagungen vorgestellt werden.
288 MNU 6715 (1.5.7.201.4) Seiten 288-291, ISSN 0025-5866, @ Verlag Klaus Seeberger, Neuss
Conference Paper
Full-text available
In everyday life, time and space are essential. Moreover, space and time are fundamental concepts of physics. For it, Newton proposed flat space and time evolving at a constant rate as a basis. Accordingly to its relevance in everyday life and in physics, students are interested in the topic. Here, I present a learning process, by which learners can achieve the essential insights of special relativity and general relativity in an exact manner. Thereby, students experience basic principles directly at a free fall tower and by taking photographs in a school observatory. Using these basic principles, they achieve inspiring and exact results on their own, after an appropriate instruction. I present the learning process and a didactic analysis, so that you can directly use the concept for teaching. I tested the learning process in various learning groups, and I report about experiences.
Physik Oberstufe Ausgabe A Band 1
  • H Schlicfiting
ScHLIcFITING, H.-1. $997). Physik Oberstufe Ausgabe A Band 1. Berlin: Cornelsen.
Messung von Beschleunigungen mit einer Bogenwasserwaage im Physikunterricht einer 11
  • H.-O Cennrssrn
CenNrssrN, H.-O. (2004). Messung von Beschleunigungen mit einer Bogenwasserwaage im Physikunterricht einer 11. Klasse. In: NoRDMEIE& V. & OBERLANDE& A. (Hg.): Tagungs-CD Fachdidaktik Phy sik ISBN 3-86541-066-9.
Trägheitskraft-Eine spannende
  • H.-O Carutesin
CarutEsIN, H.-O. (2014). Trägheitskraft-Eine spannende