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Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
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Mechanik mit dem Mausefallenauto
Reinhard Berger StD (Fachleiter Physik Studienseminar Essen) Dr Sebastian Bauer StR Dr Christian Burisch StR Christian Strauch OStR Sandra Weyers StRrsquo (Leibniz-
Gymnasium Essen)
Inhalt
1 Warum bdquoMechanik mit dem Mausefallenautoldquo 2
2 Struktur der Unterrichtsreihe 6
3 Zur Konstruktion der Mausefallenautos 8
4 Hinweise zur Organisation 9
5 Ablauf der Unterrichtsreihe 10
6 Wann soll ich auch das noch unterrichten 12
7 Kompetenzen 13
8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen 15
81 Reibung 15
82 Hookesches Gesetz 16
83 Hebel und Drehmoment 17
84 Geschwindigkeitsmessung 20
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit 20
9 Bewertung 22
10 Impressionen des Projekts am Leibniz 23
11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I 25
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1 Warum bdquoMechanik mit dem Mausefallenautoldquo
Bereits zum dritten Mal in Folge veranstaltet der bdquoLerntreff Physikldquo der Bezirksregierung Duumlsseldorf das so genannte bdquoMausefallen-Rennenldquo (bisher am Annette-von-Droste-Huumllshoff-Gymnasium in Duumlsseldorf ab 2011 am Gymnasium an der Wolfskuhle in Essen) An diesem uumlberregionalen Wettbewerb nehmen mehrere Hundert Schuumllerinnen und Schuumller unterschied-licher Jahrgangsstufen teil und wetteifern darum wer das beste Mausefallenauto gebaut hat Wer einmal an dieser Veranstaltung teilgenommen hat wird von der groszligen Begeisterung berichten koumlnnen mit der die Schuumllerinnen und Schuumller hier dabei sind
Diese Begeisterung wollen wir mit dem hier vorgestellten Kontext fuumlr den Physikunterricht nutzbar machen Dabei ist die Verbindung vom Mausefallen-Auto zum Physikunterricht gleich mehrfach als Motivation und sinnstiftenden Kontext zu nutzen
Einmal motiviert die im Unterricht stattfindende Bastelarbeit viele Schuumllerinnen und Schuumller die sich lieber handwerklich-praktisch als theoretisch betaumltigen Auch ndash und gerade Maumldchen ndash fuumlhlen sich von dieser gestalterischen Aufgabe angesprochen und erstellen nicht selten liebevoll gestaltete Fahrzeuge
Der Wettbewerbscharakter des abschlieszligenden Mausefallenrennens ist ein weiterer Ansporn Hier muss es nicht unbedingt die jaumlhrliche uumlberregionale Veranstaltung in Duumlsseldorf sein deren Kapazitaumlten bei noch weiter wachsendem Zuspruch vermutlich
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bald erschoumlpft waumlren motivierend genug ist sicher schon ein klasseninterner Wett-kampf besser sicherlich eine klassenuumlbergreifende Veranstaltung vielleicht sogar mit allen Klassen der Jahrgangsstufe
Die zentrale Absicht aber ist natuumlrlich physikalische Inhalte (konzeptbezogene Kom-petenzen) in einem fuumlr die Lernenden einsichtigen Kontext zu vermitteln Die Kon-struktionsaufgabe ein Mausefallenauto zu bauen (naumlhere Einzelheiten im Kapitel 2) er-fordert unterschiedliche Kenntnisse aus dem Bereich der Mechanik weshalb dieser Kontext entwickelt wurde fuumlr die Jahrgangsstufe 8 in der der Kernlehrplan Physik die Behandlung des Sachbereichs Mechanik vorsieht
Zentrale Idee dieses Kontexts ist es die praktische Bastelarbeit mit dem Lernen physikali-scher Inhalte so zu verknuumlpfen dass die Schuumllerinnen und Schuumller nicht das bdquoPhysiklernenldquo als notwendiges Uumlbel im Zusammenhang mit der Bastelarbeit bdquohinnehmenldquo sondern dass sie erfahren dass sie die physikalischen Erkenntnisse nutzbringend fuumlr ein besseres Ergebnis ihrer Konstruktionsaufgabe einsetzen koumlnnen Aus diesem Grund besteht die Unterrichtsreihe aus den beiden Hauptelementen bdquoFertigungldquo und bdquophysikalische Forschungldquo wobei letztere ihre Fragestellungen aus konkreten Problemen der bdquoFertigungldquo beziehen und ihre Ergebnisse moumlglichst nutzbringend wieder in die bdquoFerti-gungldquo einflieszligen lassen soll
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2 Struktur der Unterrichtsreihe
Fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe ist ein Zeitraum von etwa 6 Wochen (12 Doppelstunden) vorgesehen In dieser Zeit muumlssen die Mausefallen-Fahrzeuge gebaut und mindestens die ob-ligatorischen vier der fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo bearbeitet werden Die Arbeit waumlhrend der gesamten Zeit erfolgt in gleichbleibenden Gruppen oder auch als Partnerarbeit Zwar sollte sich die Motivation zur physikalischen Forschung aus Fragestellungen und Problemen bei der bdquoFertigungldquo ergeben aber um doch zu verhindern dass sich einzelne Arbeitsgruppen aus-schlieszliglich auf die Bastelarbeit konzentrieren und die physikalischen Experimente zum Schluss in Zeitnot absolvieren ist es sinnvoll Vorgaben fuumlr die Bearbeitung der bdquoForschungs-stationenldquo zu setzen Die folgende relativ offene Vorgabe hat sich bewaumlhrt bdquoNach der Haumllfte der Gesamtzeit (also nach 3 Wochen) muss die Haumllfte der obligatorischen Forschungsstatio-nen (also 2) bearbeitet seinldquo Andere Reglementierungen sind natuumlrlich denkbar Umgekehrt soll es nicht verboten sein wenn einzelne Gruppen alle Forschungsstationen bdquoauf Vorratldquo bearbeiten und sich erst danach an die Fertigung machen
Aus der Konstruktion des Mausefallenautos ergibt sich eine Reihe von physikalischen Frage-stellungen
Das Wettbewerbsziel eine moumlglichst groszlige Stecke zuruumlckzulegen erfordert eine Mi-nimierung von Reibungskraumlften zB in den Achslagern andererseits aber auch die Be-ruumlcksichtigung von Haftreibung der Raumlder auf dem Untergrund damit die Raumlder kei-nen Schlupf haben Das Thema bdquoReibungldquo ist also ein wichtiger Punkt fuumlr die Kon-struktion
Durch den Antrieb mit der Mausefalle stellt sich die Frage nach der von der Feder ausgeuumlbten Kraft Da die Kraft im Verlauf der 180deg-Bewegung des Buumlgels nicht kon-stant ist liegt es nahe die Kraft in Abhaumlngigkeit von der Federdehnung zu untersu-chen (Untersuchung auch zum Hookeschen Gesetz)
Die Kraftumsetzung vom Mausefallenbuumlgel auf die Antriebsachse erfordert einen He-bel oder ein Getriebe Untersuchungen zum Thema bdquoHebel und Drehmomentldquo sollten hier weitere Erkenntnisse liefern
Das Thema bdquoGeschwindigkeitldquo steht zwar nicht im Zentrum des Wettbewerbs doch ist es durch die ablaufende Bewegung des Fahrzeugs so naheliegend dass auf die Be-arbeitung einer Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo nicht verzichtet werden sollte
Bei der Verwendung eines Hebels als Kraftwandler spannt sich der Zugfaden zur Drehachse nicht immer senkrecht zum Hebel Insofern waumlre auch das Thema bdquoZerle-gung von Kraumlftenldquo hilfreich Da die entsprechenden Inhalte aber vom Kernlehrplan nicht gefordert werden und auch um die gesamte Reihe nicht zu uumlberfrachten wurde auf eine entsprechende Station verzichtet
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Abschlieszligend sollte der Antrieb des Fahrzeugs durch die Mausefalle als Energiewand-lung von Spannenergie in Waumlrmeenergie durch Reibungsarbeit begriffen werden Da einerseits die Rollreibung des Fahrzeugs gemessen werden soll andererseits auch die in der Feder gespeicherte Spannenergie zumindest grob bestimmt wird ist eine Ab-schaumltzung der theoretisch moumlglichen Fahrstrecke des Mausefallenautos durchfuumlhrbar Dies ist nach der Bearbeitung der Station bdquoHookesches Gesetzldquo moumlglich
Insgesamt ergibt sich damit folgende Struktur fuumlr die angebotenen Forschungsstationen
Energiebilanz
Spannenergie ndash
Reibungsarbeit
Hookersquosches
Gesetz
Reibung Drehmoment
und Hebel
Geschwindigkeits-
messung
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3 Zur Konstruktion des Mausefallen-Autos
Welches Mausefallen-Auto das Beste ist haumlngt natuumlrlich von dem formulierten Wettkampfziel ab Gelaumlufig sind zwei verschiedene Zielformulierungen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Geschwindigkeit erreichen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen
Beide Ziele lassen sich kaum mit derselben Fahrzeugkonstruktion erreichen weshalb man sich fuumlr ein Ziel entscheiden sollte Bei den bisherigen Mausefallen-Rennen des Physiktreffs in Duumlsseldorf wird das Kriterium der bdquogroumlszligten Streckeldquo verwendet Die zuruumlckgelegte Strecke ist relativ einfach und eindeutig zu ermitteln ndash die Siegerfahrzeuge der letzten Jahre schafften Strecken von uumlber 40 m Eine Geschwindigkeitsmessung erfordert mehr Aufwand eine genaue Zeitmessung und weitere Vereinbarungen uumlber die Messstrecke Aus diesem Grund wird auch in dem vorliegenden Entwurf gefordert dass das Fahrzeug eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen soll
Da der Begriff der Geschwindigkeit aber mit einem bewegten Fahrzeug so eng verknuumlpft ist soll dieser Aspekt ndash wenn auch nur als Nebenaspekt ndash in einer der bdquoForschungsstationenldquo be-ruumlcksichtigt werden
Andere Schwerpunktsetzungen sind hier natuumlrlich denkbar und wuumlrden dabei einzelne Ele-mente der Unterrichtsreihe veraumlndern die Grundidee aber beibehalten
Fuumlr beide moumlglichen Zielsetzungen sind die einzuhaltenden Randbedingungen dieselben Konstruiert werden soll ein Fahrzeug das ausschlieszliglich von dem sich schlieszligenden Drahtbuuml-gel einer handelsuumlblichen Mausefalle angetrieben wird Die Mausefalle muss Teil des Fahr-zeugs sein Die Mausefallen (keine Rattenfallen) koumlnnen einheitlich vorgegeben oder von den Schuumllerinnen und Schuumllern im Handel gekauft werden Eventuelle Qualitaumltsunterschiede werden dabei toleriert und haben sich bisher nicht als wettbewerbsverzerrend herausgestellt Unter Umstaumlnden koumlnnten auch in einer der bdquoForschungsstationenldquo gewonnene Erkenntnisse dazu dienen moumlglichst geeignete Mausefallen auszusuchen
Das Mausefallenauto wird also nach aller bisherigen Erfahrung uumlber Raumlder verfuumlgen muumlssen ndash Schlitten- Luftkissen- oder andere Konstruktionen sind kaum denkbar gleichwohl waumlren sie zulaumlssig
Uumlblich und gleichermaszligen erfolgreich sind einachsige (zweiraumldrige) und zweiachsige (drei- oder vierraumldrige) Konstruktionen
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Als Raumlder werden oft ausgediente CDs oder Schallplatten verwendet ndash auch hier sind beliebige andere Materialien und Ge-genstaumlnde denkbar
Eine Hauptaufgabe der Konstruktion be-steht somit darin die von der gespannten Mausefalle bereitgestellte Energie moumlg-lichst effektiv auf eine Antriebsachse zu uumlbertragen In den meisten Faumlllen wird die-ses Problem durch eine Hebelkonstruktion am Mausefallenbuumlgel und einen auf der Achse aufgewickelten Zugfaden geloumlst Aber auch Zahnradkonstruktionen oder andere Getriebe sind denkbar und zulaumlssig
Auch fuumlr die Gesamtkonstruktion gibt es keine Beschraumlnkungen von ausgedienten Getraumlnkepackungen Holz Styropor uumlber Bauteile von Metallbaukaumlsten oder Lego-Technik bis hin zu Kohlefaserkonstruktio-nen ist alles erlaubt Da die bdquoFertigungldquo nicht zwingend nur in der Schule stattfindet sondern auch in Heimarbeit weiter gebastelt werden darf muss wohl toleriert werden wenn hier und da ein Elternteil oder groumlszligere Geschwister mitbasteln
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4 Hinweise zur Organisation
Natuumlrlich waumlre es optimal wenn man einen Werkraum in der Schule nutzen oder zumindest einen anderen Raum fuumlr die Dauer der Unterrichtsreihe als Werkstatt reservieren koumlnnte In den meisten Faumlllen wird dieser Luxus jedoch nicht moumlglich sein Auch bei unserer Erprobung der Unterrichtsreihe mussten wir uns mit dem (einzigen) Physik-Schuumlleruumlbungsraum begnuuml-gen der natuumlrlich zwischendurch auch von anderen Lerngruppen genutzt wurde Zumindest erleichtert eine Unterrichtsblockung in Doppelstunden die Durchfuumlhrung der Arbeiten
Wenn ca 30 Schuumllerinnen und Schuumller ihre Bastelarbeiten im Physikuumlbungsraum durchfuumlh-ren ist fuumlr die fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo dort kaum mehr Platz Deshalb werden diese in den angrenzenden Vorbereitungs- und Sammlungsraumlumen aufgebaut Eine Betreuung und Beauf-sichtigung ist dann auch durch eine einzige Lehrperson moumlglich
Werkzeug koumlnnen und sollen die Schuumllerinnen und Schuumller von zuhause mitbringen Aus Si-cherheitsgruumlnden haben wir das Mitbringen von Messern und die Verwendung von Sekun-denklebern verboten Wir haben die besseren Erfahrungen damit gemacht wenn die Schuumlle-rinnen und Schuumller ihr Werkzeug grundsaumltzlich selbst mitbringen und sich nicht darauf ver-lassen dass die Schule alles bereitstellt
Eine gewisse Grundausruumlstung von Werkzeug kann die Schule im Idealfall vorhalten um von Fall zu Fall auszuhelfen So sollten zB Teppichmesser Klebepistolen und vielleicht auch
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eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber zur Verfuumlgung stehen Die Ausleihe von Schul-werkzeug waumlhrend des Unterrichts quittieren die Schuumller auf einer Ausleihliste
Zum Schutz des Mobiliars bei Saumlge- Schneid- und Klebearbeiten wurden leichte Schutzplat-ten aus Hartfasermaterial beschafft die auf einige der Schuumlleruumlbungstische aufgelegt und auch schnell wieder abgeraumlumt werden koumlnnen
Da die Mausefallenautos in Partnerarbeit oder Dreiergruppen gebaut werden entstehen in jeder Klasse 10 ndash 15 Fahrzeuge Wenn das Projekt in einer ganzen Jahrgangsstufe (in unserem Fall 5 Parallelklassen) durchgefuumlhrt wird ist eine groszlige Anzahl von Fahrzeugen aufzubewah-ren da die Schuumller ihre Modelle nicht immer mit nach hause nehmen Eine Aufbewahrung in den Klassenraumlumen ist zwar moumlglich aber auch anfaumlllig Wir haben deshalb einige groszlige stapelbare Plastikkisten (Euroboxen) gekauft in denen sich die Fahrzeuge klassenweise platz-sparend in den Physikraumlumen lagern lassen
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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1 Warum bdquoMechanik mit dem Mausefallenautoldquo
Bereits zum dritten Mal in Folge veranstaltet der bdquoLerntreff Physikldquo der Bezirksregierung Duumlsseldorf das so genannte bdquoMausefallen-Rennenldquo (bisher am Annette-von-Droste-Huumllshoff-Gymnasium in Duumlsseldorf ab 2011 am Gymnasium an der Wolfskuhle in Essen) An diesem uumlberregionalen Wettbewerb nehmen mehrere Hundert Schuumllerinnen und Schuumller unterschied-licher Jahrgangsstufen teil und wetteifern darum wer das beste Mausefallenauto gebaut hat Wer einmal an dieser Veranstaltung teilgenommen hat wird von der groszligen Begeisterung berichten koumlnnen mit der die Schuumllerinnen und Schuumller hier dabei sind
Diese Begeisterung wollen wir mit dem hier vorgestellten Kontext fuumlr den Physikunterricht nutzbar machen Dabei ist die Verbindung vom Mausefallen-Auto zum Physikunterricht gleich mehrfach als Motivation und sinnstiftenden Kontext zu nutzen
Einmal motiviert die im Unterricht stattfindende Bastelarbeit viele Schuumllerinnen und Schuumller die sich lieber handwerklich-praktisch als theoretisch betaumltigen Auch ndash und gerade Maumldchen ndash fuumlhlen sich von dieser gestalterischen Aufgabe angesprochen und erstellen nicht selten liebevoll gestaltete Fahrzeuge
Der Wettbewerbscharakter des abschlieszligenden Mausefallenrennens ist ein weiterer Ansporn Hier muss es nicht unbedingt die jaumlhrliche uumlberregionale Veranstaltung in Duumlsseldorf sein deren Kapazitaumlten bei noch weiter wachsendem Zuspruch vermutlich
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bald erschoumlpft waumlren motivierend genug ist sicher schon ein klasseninterner Wett-kampf besser sicherlich eine klassenuumlbergreifende Veranstaltung vielleicht sogar mit allen Klassen der Jahrgangsstufe
Die zentrale Absicht aber ist natuumlrlich physikalische Inhalte (konzeptbezogene Kom-petenzen) in einem fuumlr die Lernenden einsichtigen Kontext zu vermitteln Die Kon-struktionsaufgabe ein Mausefallenauto zu bauen (naumlhere Einzelheiten im Kapitel 2) er-fordert unterschiedliche Kenntnisse aus dem Bereich der Mechanik weshalb dieser Kontext entwickelt wurde fuumlr die Jahrgangsstufe 8 in der der Kernlehrplan Physik die Behandlung des Sachbereichs Mechanik vorsieht
Zentrale Idee dieses Kontexts ist es die praktische Bastelarbeit mit dem Lernen physikali-scher Inhalte so zu verknuumlpfen dass die Schuumllerinnen und Schuumller nicht das bdquoPhysiklernenldquo als notwendiges Uumlbel im Zusammenhang mit der Bastelarbeit bdquohinnehmenldquo sondern dass sie erfahren dass sie die physikalischen Erkenntnisse nutzbringend fuumlr ein besseres Ergebnis ihrer Konstruktionsaufgabe einsetzen koumlnnen Aus diesem Grund besteht die Unterrichtsreihe aus den beiden Hauptelementen bdquoFertigungldquo und bdquophysikalische Forschungldquo wobei letztere ihre Fragestellungen aus konkreten Problemen der bdquoFertigungldquo beziehen und ihre Ergebnisse moumlglichst nutzbringend wieder in die bdquoFerti-gungldquo einflieszligen lassen soll
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2 Struktur der Unterrichtsreihe
Fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe ist ein Zeitraum von etwa 6 Wochen (12 Doppelstunden) vorgesehen In dieser Zeit muumlssen die Mausefallen-Fahrzeuge gebaut und mindestens die ob-ligatorischen vier der fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo bearbeitet werden Die Arbeit waumlhrend der gesamten Zeit erfolgt in gleichbleibenden Gruppen oder auch als Partnerarbeit Zwar sollte sich die Motivation zur physikalischen Forschung aus Fragestellungen und Problemen bei der bdquoFertigungldquo ergeben aber um doch zu verhindern dass sich einzelne Arbeitsgruppen aus-schlieszliglich auf die Bastelarbeit konzentrieren und die physikalischen Experimente zum Schluss in Zeitnot absolvieren ist es sinnvoll Vorgaben fuumlr die Bearbeitung der bdquoForschungs-stationenldquo zu setzen Die folgende relativ offene Vorgabe hat sich bewaumlhrt bdquoNach der Haumllfte der Gesamtzeit (also nach 3 Wochen) muss die Haumllfte der obligatorischen Forschungsstatio-nen (also 2) bearbeitet seinldquo Andere Reglementierungen sind natuumlrlich denkbar Umgekehrt soll es nicht verboten sein wenn einzelne Gruppen alle Forschungsstationen bdquoauf Vorratldquo bearbeiten und sich erst danach an die Fertigung machen
Aus der Konstruktion des Mausefallenautos ergibt sich eine Reihe von physikalischen Frage-stellungen
Das Wettbewerbsziel eine moumlglichst groszlige Stecke zuruumlckzulegen erfordert eine Mi-nimierung von Reibungskraumlften zB in den Achslagern andererseits aber auch die Be-ruumlcksichtigung von Haftreibung der Raumlder auf dem Untergrund damit die Raumlder kei-nen Schlupf haben Das Thema bdquoReibungldquo ist also ein wichtiger Punkt fuumlr die Kon-struktion
Durch den Antrieb mit der Mausefalle stellt sich die Frage nach der von der Feder ausgeuumlbten Kraft Da die Kraft im Verlauf der 180deg-Bewegung des Buumlgels nicht kon-stant ist liegt es nahe die Kraft in Abhaumlngigkeit von der Federdehnung zu untersu-chen (Untersuchung auch zum Hookeschen Gesetz)
Die Kraftumsetzung vom Mausefallenbuumlgel auf die Antriebsachse erfordert einen He-bel oder ein Getriebe Untersuchungen zum Thema bdquoHebel und Drehmomentldquo sollten hier weitere Erkenntnisse liefern
Das Thema bdquoGeschwindigkeitldquo steht zwar nicht im Zentrum des Wettbewerbs doch ist es durch die ablaufende Bewegung des Fahrzeugs so naheliegend dass auf die Be-arbeitung einer Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo nicht verzichtet werden sollte
Bei der Verwendung eines Hebels als Kraftwandler spannt sich der Zugfaden zur Drehachse nicht immer senkrecht zum Hebel Insofern waumlre auch das Thema bdquoZerle-gung von Kraumlftenldquo hilfreich Da die entsprechenden Inhalte aber vom Kernlehrplan nicht gefordert werden und auch um die gesamte Reihe nicht zu uumlberfrachten wurde auf eine entsprechende Station verzichtet
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Abschlieszligend sollte der Antrieb des Fahrzeugs durch die Mausefalle als Energiewand-lung von Spannenergie in Waumlrmeenergie durch Reibungsarbeit begriffen werden Da einerseits die Rollreibung des Fahrzeugs gemessen werden soll andererseits auch die in der Feder gespeicherte Spannenergie zumindest grob bestimmt wird ist eine Ab-schaumltzung der theoretisch moumlglichen Fahrstrecke des Mausefallenautos durchfuumlhrbar Dies ist nach der Bearbeitung der Station bdquoHookesches Gesetzldquo moumlglich
Insgesamt ergibt sich damit folgende Struktur fuumlr die angebotenen Forschungsstationen
Energiebilanz
Spannenergie ndash
Reibungsarbeit
Hookersquosches
Gesetz
Reibung Drehmoment
und Hebel
Geschwindigkeits-
messung
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3 Zur Konstruktion des Mausefallen-Autos
Welches Mausefallen-Auto das Beste ist haumlngt natuumlrlich von dem formulierten Wettkampfziel ab Gelaumlufig sind zwei verschiedene Zielformulierungen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Geschwindigkeit erreichen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen
Beide Ziele lassen sich kaum mit derselben Fahrzeugkonstruktion erreichen weshalb man sich fuumlr ein Ziel entscheiden sollte Bei den bisherigen Mausefallen-Rennen des Physiktreffs in Duumlsseldorf wird das Kriterium der bdquogroumlszligten Streckeldquo verwendet Die zuruumlckgelegte Strecke ist relativ einfach und eindeutig zu ermitteln ndash die Siegerfahrzeuge der letzten Jahre schafften Strecken von uumlber 40 m Eine Geschwindigkeitsmessung erfordert mehr Aufwand eine genaue Zeitmessung und weitere Vereinbarungen uumlber die Messstrecke Aus diesem Grund wird auch in dem vorliegenden Entwurf gefordert dass das Fahrzeug eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen soll
Da der Begriff der Geschwindigkeit aber mit einem bewegten Fahrzeug so eng verknuumlpft ist soll dieser Aspekt ndash wenn auch nur als Nebenaspekt ndash in einer der bdquoForschungsstationenldquo be-ruumlcksichtigt werden
Andere Schwerpunktsetzungen sind hier natuumlrlich denkbar und wuumlrden dabei einzelne Ele-mente der Unterrichtsreihe veraumlndern die Grundidee aber beibehalten
Fuumlr beide moumlglichen Zielsetzungen sind die einzuhaltenden Randbedingungen dieselben Konstruiert werden soll ein Fahrzeug das ausschlieszliglich von dem sich schlieszligenden Drahtbuuml-gel einer handelsuumlblichen Mausefalle angetrieben wird Die Mausefalle muss Teil des Fahr-zeugs sein Die Mausefallen (keine Rattenfallen) koumlnnen einheitlich vorgegeben oder von den Schuumllerinnen und Schuumllern im Handel gekauft werden Eventuelle Qualitaumltsunterschiede werden dabei toleriert und haben sich bisher nicht als wettbewerbsverzerrend herausgestellt Unter Umstaumlnden koumlnnten auch in einer der bdquoForschungsstationenldquo gewonnene Erkenntnisse dazu dienen moumlglichst geeignete Mausefallen auszusuchen
Das Mausefallenauto wird also nach aller bisherigen Erfahrung uumlber Raumlder verfuumlgen muumlssen ndash Schlitten- Luftkissen- oder andere Konstruktionen sind kaum denkbar gleichwohl waumlren sie zulaumlssig
Uumlblich und gleichermaszligen erfolgreich sind einachsige (zweiraumldrige) und zweiachsige (drei- oder vierraumldrige) Konstruktionen
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Als Raumlder werden oft ausgediente CDs oder Schallplatten verwendet ndash auch hier sind beliebige andere Materialien und Ge-genstaumlnde denkbar
Eine Hauptaufgabe der Konstruktion be-steht somit darin die von der gespannten Mausefalle bereitgestellte Energie moumlg-lichst effektiv auf eine Antriebsachse zu uumlbertragen In den meisten Faumlllen wird die-ses Problem durch eine Hebelkonstruktion am Mausefallenbuumlgel und einen auf der Achse aufgewickelten Zugfaden geloumlst Aber auch Zahnradkonstruktionen oder andere Getriebe sind denkbar und zulaumlssig
Auch fuumlr die Gesamtkonstruktion gibt es keine Beschraumlnkungen von ausgedienten Getraumlnkepackungen Holz Styropor uumlber Bauteile von Metallbaukaumlsten oder Lego-Technik bis hin zu Kohlefaserkonstruktio-nen ist alles erlaubt Da die bdquoFertigungldquo nicht zwingend nur in der Schule stattfindet sondern auch in Heimarbeit weiter gebastelt werden darf muss wohl toleriert werden wenn hier und da ein Elternteil oder groumlszligere Geschwister mitbasteln
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4 Hinweise zur Organisation
Natuumlrlich waumlre es optimal wenn man einen Werkraum in der Schule nutzen oder zumindest einen anderen Raum fuumlr die Dauer der Unterrichtsreihe als Werkstatt reservieren koumlnnte In den meisten Faumlllen wird dieser Luxus jedoch nicht moumlglich sein Auch bei unserer Erprobung der Unterrichtsreihe mussten wir uns mit dem (einzigen) Physik-Schuumlleruumlbungsraum begnuuml-gen der natuumlrlich zwischendurch auch von anderen Lerngruppen genutzt wurde Zumindest erleichtert eine Unterrichtsblockung in Doppelstunden die Durchfuumlhrung der Arbeiten
Wenn ca 30 Schuumllerinnen und Schuumller ihre Bastelarbeiten im Physikuumlbungsraum durchfuumlh-ren ist fuumlr die fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo dort kaum mehr Platz Deshalb werden diese in den angrenzenden Vorbereitungs- und Sammlungsraumlumen aufgebaut Eine Betreuung und Beauf-sichtigung ist dann auch durch eine einzige Lehrperson moumlglich
Werkzeug koumlnnen und sollen die Schuumllerinnen und Schuumller von zuhause mitbringen Aus Si-cherheitsgruumlnden haben wir das Mitbringen von Messern und die Verwendung von Sekun-denklebern verboten Wir haben die besseren Erfahrungen damit gemacht wenn die Schuumlle-rinnen und Schuumller ihr Werkzeug grundsaumltzlich selbst mitbringen und sich nicht darauf ver-lassen dass die Schule alles bereitstellt
Eine gewisse Grundausruumlstung von Werkzeug kann die Schule im Idealfall vorhalten um von Fall zu Fall auszuhelfen So sollten zB Teppichmesser Klebepistolen und vielleicht auch
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eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber zur Verfuumlgung stehen Die Ausleihe von Schul-werkzeug waumlhrend des Unterrichts quittieren die Schuumller auf einer Ausleihliste
Zum Schutz des Mobiliars bei Saumlge- Schneid- und Klebearbeiten wurden leichte Schutzplat-ten aus Hartfasermaterial beschafft die auf einige der Schuumlleruumlbungstische aufgelegt und auch schnell wieder abgeraumlumt werden koumlnnen
Da die Mausefallenautos in Partnerarbeit oder Dreiergruppen gebaut werden entstehen in jeder Klasse 10 ndash 15 Fahrzeuge Wenn das Projekt in einer ganzen Jahrgangsstufe (in unserem Fall 5 Parallelklassen) durchgefuumlhrt wird ist eine groszlige Anzahl von Fahrzeugen aufzubewah-ren da die Schuumller ihre Modelle nicht immer mit nach hause nehmen Eine Aufbewahrung in den Klassenraumlumen ist zwar moumlglich aber auch anfaumlllig Wir haben deshalb einige groszlige stapelbare Plastikkisten (Euroboxen) gekauft in denen sich die Fahrzeuge klassenweise platz-sparend in den Physikraumlumen lagern lassen
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
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den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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bald erschoumlpft waumlren motivierend genug ist sicher schon ein klasseninterner Wett-kampf besser sicherlich eine klassenuumlbergreifende Veranstaltung vielleicht sogar mit allen Klassen der Jahrgangsstufe
Die zentrale Absicht aber ist natuumlrlich physikalische Inhalte (konzeptbezogene Kom-petenzen) in einem fuumlr die Lernenden einsichtigen Kontext zu vermitteln Die Kon-struktionsaufgabe ein Mausefallenauto zu bauen (naumlhere Einzelheiten im Kapitel 2) er-fordert unterschiedliche Kenntnisse aus dem Bereich der Mechanik weshalb dieser Kontext entwickelt wurde fuumlr die Jahrgangsstufe 8 in der der Kernlehrplan Physik die Behandlung des Sachbereichs Mechanik vorsieht
Zentrale Idee dieses Kontexts ist es die praktische Bastelarbeit mit dem Lernen physikali-scher Inhalte so zu verknuumlpfen dass die Schuumllerinnen und Schuumller nicht das bdquoPhysiklernenldquo als notwendiges Uumlbel im Zusammenhang mit der Bastelarbeit bdquohinnehmenldquo sondern dass sie erfahren dass sie die physikalischen Erkenntnisse nutzbringend fuumlr ein besseres Ergebnis ihrer Konstruktionsaufgabe einsetzen koumlnnen Aus diesem Grund besteht die Unterrichtsreihe aus den beiden Hauptelementen bdquoFertigungldquo und bdquophysikalische Forschungldquo wobei letztere ihre Fragestellungen aus konkreten Problemen der bdquoFertigungldquo beziehen und ihre Ergebnisse moumlglichst nutzbringend wieder in die bdquoFerti-gungldquo einflieszligen lassen soll
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2 Struktur der Unterrichtsreihe
Fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe ist ein Zeitraum von etwa 6 Wochen (12 Doppelstunden) vorgesehen In dieser Zeit muumlssen die Mausefallen-Fahrzeuge gebaut und mindestens die ob-ligatorischen vier der fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo bearbeitet werden Die Arbeit waumlhrend der gesamten Zeit erfolgt in gleichbleibenden Gruppen oder auch als Partnerarbeit Zwar sollte sich die Motivation zur physikalischen Forschung aus Fragestellungen und Problemen bei der bdquoFertigungldquo ergeben aber um doch zu verhindern dass sich einzelne Arbeitsgruppen aus-schlieszliglich auf die Bastelarbeit konzentrieren und die physikalischen Experimente zum Schluss in Zeitnot absolvieren ist es sinnvoll Vorgaben fuumlr die Bearbeitung der bdquoForschungs-stationenldquo zu setzen Die folgende relativ offene Vorgabe hat sich bewaumlhrt bdquoNach der Haumllfte der Gesamtzeit (also nach 3 Wochen) muss die Haumllfte der obligatorischen Forschungsstatio-nen (also 2) bearbeitet seinldquo Andere Reglementierungen sind natuumlrlich denkbar Umgekehrt soll es nicht verboten sein wenn einzelne Gruppen alle Forschungsstationen bdquoauf Vorratldquo bearbeiten und sich erst danach an die Fertigung machen
Aus der Konstruktion des Mausefallenautos ergibt sich eine Reihe von physikalischen Frage-stellungen
Das Wettbewerbsziel eine moumlglichst groszlige Stecke zuruumlckzulegen erfordert eine Mi-nimierung von Reibungskraumlften zB in den Achslagern andererseits aber auch die Be-ruumlcksichtigung von Haftreibung der Raumlder auf dem Untergrund damit die Raumlder kei-nen Schlupf haben Das Thema bdquoReibungldquo ist also ein wichtiger Punkt fuumlr die Kon-struktion
Durch den Antrieb mit der Mausefalle stellt sich die Frage nach der von der Feder ausgeuumlbten Kraft Da die Kraft im Verlauf der 180deg-Bewegung des Buumlgels nicht kon-stant ist liegt es nahe die Kraft in Abhaumlngigkeit von der Federdehnung zu untersu-chen (Untersuchung auch zum Hookeschen Gesetz)
Die Kraftumsetzung vom Mausefallenbuumlgel auf die Antriebsachse erfordert einen He-bel oder ein Getriebe Untersuchungen zum Thema bdquoHebel und Drehmomentldquo sollten hier weitere Erkenntnisse liefern
Das Thema bdquoGeschwindigkeitldquo steht zwar nicht im Zentrum des Wettbewerbs doch ist es durch die ablaufende Bewegung des Fahrzeugs so naheliegend dass auf die Be-arbeitung einer Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo nicht verzichtet werden sollte
Bei der Verwendung eines Hebels als Kraftwandler spannt sich der Zugfaden zur Drehachse nicht immer senkrecht zum Hebel Insofern waumlre auch das Thema bdquoZerle-gung von Kraumlftenldquo hilfreich Da die entsprechenden Inhalte aber vom Kernlehrplan nicht gefordert werden und auch um die gesamte Reihe nicht zu uumlberfrachten wurde auf eine entsprechende Station verzichtet
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Abschlieszligend sollte der Antrieb des Fahrzeugs durch die Mausefalle als Energiewand-lung von Spannenergie in Waumlrmeenergie durch Reibungsarbeit begriffen werden Da einerseits die Rollreibung des Fahrzeugs gemessen werden soll andererseits auch die in der Feder gespeicherte Spannenergie zumindest grob bestimmt wird ist eine Ab-schaumltzung der theoretisch moumlglichen Fahrstrecke des Mausefallenautos durchfuumlhrbar Dies ist nach der Bearbeitung der Station bdquoHookesches Gesetzldquo moumlglich
Insgesamt ergibt sich damit folgende Struktur fuumlr die angebotenen Forschungsstationen
Energiebilanz
Spannenergie ndash
Reibungsarbeit
Hookersquosches
Gesetz
Reibung Drehmoment
und Hebel
Geschwindigkeits-
messung
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3 Zur Konstruktion des Mausefallen-Autos
Welches Mausefallen-Auto das Beste ist haumlngt natuumlrlich von dem formulierten Wettkampfziel ab Gelaumlufig sind zwei verschiedene Zielformulierungen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Geschwindigkeit erreichen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen
Beide Ziele lassen sich kaum mit derselben Fahrzeugkonstruktion erreichen weshalb man sich fuumlr ein Ziel entscheiden sollte Bei den bisherigen Mausefallen-Rennen des Physiktreffs in Duumlsseldorf wird das Kriterium der bdquogroumlszligten Streckeldquo verwendet Die zuruumlckgelegte Strecke ist relativ einfach und eindeutig zu ermitteln ndash die Siegerfahrzeuge der letzten Jahre schafften Strecken von uumlber 40 m Eine Geschwindigkeitsmessung erfordert mehr Aufwand eine genaue Zeitmessung und weitere Vereinbarungen uumlber die Messstrecke Aus diesem Grund wird auch in dem vorliegenden Entwurf gefordert dass das Fahrzeug eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen soll
Da der Begriff der Geschwindigkeit aber mit einem bewegten Fahrzeug so eng verknuumlpft ist soll dieser Aspekt ndash wenn auch nur als Nebenaspekt ndash in einer der bdquoForschungsstationenldquo be-ruumlcksichtigt werden
Andere Schwerpunktsetzungen sind hier natuumlrlich denkbar und wuumlrden dabei einzelne Ele-mente der Unterrichtsreihe veraumlndern die Grundidee aber beibehalten
Fuumlr beide moumlglichen Zielsetzungen sind die einzuhaltenden Randbedingungen dieselben Konstruiert werden soll ein Fahrzeug das ausschlieszliglich von dem sich schlieszligenden Drahtbuuml-gel einer handelsuumlblichen Mausefalle angetrieben wird Die Mausefalle muss Teil des Fahr-zeugs sein Die Mausefallen (keine Rattenfallen) koumlnnen einheitlich vorgegeben oder von den Schuumllerinnen und Schuumllern im Handel gekauft werden Eventuelle Qualitaumltsunterschiede werden dabei toleriert und haben sich bisher nicht als wettbewerbsverzerrend herausgestellt Unter Umstaumlnden koumlnnten auch in einer der bdquoForschungsstationenldquo gewonnene Erkenntnisse dazu dienen moumlglichst geeignete Mausefallen auszusuchen
Das Mausefallenauto wird also nach aller bisherigen Erfahrung uumlber Raumlder verfuumlgen muumlssen ndash Schlitten- Luftkissen- oder andere Konstruktionen sind kaum denkbar gleichwohl waumlren sie zulaumlssig
Uumlblich und gleichermaszligen erfolgreich sind einachsige (zweiraumldrige) und zweiachsige (drei- oder vierraumldrige) Konstruktionen
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Als Raumlder werden oft ausgediente CDs oder Schallplatten verwendet ndash auch hier sind beliebige andere Materialien und Ge-genstaumlnde denkbar
Eine Hauptaufgabe der Konstruktion be-steht somit darin die von der gespannten Mausefalle bereitgestellte Energie moumlg-lichst effektiv auf eine Antriebsachse zu uumlbertragen In den meisten Faumlllen wird die-ses Problem durch eine Hebelkonstruktion am Mausefallenbuumlgel und einen auf der Achse aufgewickelten Zugfaden geloumlst Aber auch Zahnradkonstruktionen oder andere Getriebe sind denkbar und zulaumlssig
Auch fuumlr die Gesamtkonstruktion gibt es keine Beschraumlnkungen von ausgedienten Getraumlnkepackungen Holz Styropor uumlber Bauteile von Metallbaukaumlsten oder Lego-Technik bis hin zu Kohlefaserkonstruktio-nen ist alles erlaubt Da die bdquoFertigungldquo nicht zwingend nur in der Schule stattfindet sondern auch in Heimarbeit weiter gebastelt werden darf muss wohl toleriert werden wenn hier und da ein Elternteil oder groumlszligere Geschwister mitbasteln
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4 Hinweise zur Organisation
Natuumlrlich waumlre es optimal wenn man einen Werkraum in der Schule nutzen oder zumindest einen anderen Raum fuumlr die Dauer der Unterrichtsreihe als Werkstatt reservieren koumlnnte In den meisten Faumlllen wird dieser Luxus jedoch nicht moumlglich sein Auch bei unserer Erprobung der Unterrichtsreihe mussten wir uns mit dem (einzigen) Physik-Schuumlleruumlbungsraum begnuuml-gen der natuumlrlich zwischendurch auch von anderen Lerngruppen genutzt wurde Zumindest erleichtert eine Unterrichtsblockung in Doppelstunden die Durchfuumlhrung der Arbeiten
Wenn ca 30 Schuumllerinnen und Schuumller ihre Bastelarbeiten im Physikuumlbungsraum durchfuumlh-ren ist fuumlr die fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo dort kaum mehr Platz Deshalb werden diese in den angrenzenden Vorbereitungs- und Sammlungsraumlumen aufgebaut Eine Betreuung und Beauf-sichtigung ist dann auch durch eine einzige Lehrperson moumlglich
Werkzeug koumlnnen und sollen die Schuumllerinnen und Schuumller von zuhause mitbringen Aus Si-cherheitsgruumlnden haben wir das Mitbringen von Messern und die Verwendung von Sekun-denklebern verboten Wir haben die besseren Erfahrungen damit gemacht wenn die Schuumlle-rinnen und Schuumller ihr Werkzeug grundsaumltzlich selbst mitbringen und sich nicht darauf ver-lassen dass die Schule alles bereitstellt
Eine gewisse Grundausruumlstung von Werkzeug kann die Schule im Idealfall vorhalten um von Fall zu Fall auszuhelfen So sollten zB Teppichmesser Klebepistolen und vielleicht auch
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eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber zur Verfuumlgung stehen Die Ausleihe von Schul-werkzeug waumlhrend des Unterrichts quittieren die Schuumller auf einer Ausleihliste
Zum Schutz des Mobiliars bei Saumlge- Schneid- und Klebearbeiten wurden leichte Schutzplat-ten aus Hartfasermaterial beschafft die auf einige der Schuumlleruumlbungstische aufgelegt und auch schnell wieder abgeraumlumt werden koumlnnen
Da die Mausefallenautos in Partnerarbeit oder Dreiergruppen gebaut werden entstehen in jeder Klasse 10 ndash 15 Fahrzeuge Wenn das Projekt in einer ganzen Jahrgangsstufe (in unserem Fall 5 Parallelklassen) durchgefuumlhrt wird ist eine groszlige Anzahl von Fahrzeugen aufzubewah-ren da die Schuumller ihre Modelle nicht immer mit nach hause nehmen Eine Aufbewahrung in den Klassenraumlumen ist zwar moumlglich aber auch anfaumlllig Wir haben deshalb einige groszlige stapelbare Plastikkisten (Euroboxen) gekauft in denen sich die Fahrzeuge klassenweise platz-sparend in den Physikraumlumen lagern lassen
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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4
2 Struktur der Unterrichtsreihe
Fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe ist ein Zeitraum von etwa 6 Wochen (12 Doppelstunden) vorgesehen In dieser Zeit muumlssen die Mausefallen-Fahrzeuge gebaut und mindestens die ob-ligatorischen vier der fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo bearbeitet werden Die Arbeit waumlhrend der gesamten Zeit erfolgt in gleichbleibenden Gruppen oder auch als Partnerarbeit Zwar sollte sich die Motivation zur physikalischen Forschung aus Fragestellungen und Problemen bei der bdquoFertigungldquo ergeben aber um doch zu verhindern dass sich einzelne Arbeitsgruppen aus-schlieszliglich auf die Bastelarbeit konzentrieren und die physikalischen Experimente zum Schluss in Zeitnot absolvieren ist es sinnvoll Vorgaben fuumlr die Bearbeitung der bdquoForschungs-stationenldquo zu setzen Die folgende relativ offene Vorgabe hat sich bewaumlhrt bdquoNach der Haumllfte der Gesamtzeit (also nach 3 Wochen) muss die Haumllfte der obligatorischen Forschungsstatio-nen (also 2) bearbeitet seinldquo Andere Reglementierungen sind natuumlrlich denkbar Umgekehrt soll es nicht verboten sein wenn einzelne Gruppen alle Forschungsstationen bdquoauf Vorratldquo bearbeiten und sich erst danach an die Fertigung machen
Aus der Konstruktion des Mausefallenautos ergibt sich eine Reihe von physikalischen Frage-stellungen
Das Wettbewerbsziel eine moumlglichst groszlige Stecke zuruumlckzulegen erfordert eine Mi-nimierung von Reibungskraumlften zB in den Achslagern andererseits aber auch die Be-ruumlcksichtigung von Haftreibung der Raumlder auf dem Untergrund damit die Raumlder kei-nen Schlupf haben Das Thema bdquoReibungldquo ist also ein wichtiger Punkt fuumlr die Kon-struktion
Durch den Antrieb mit der Mausefalle stellt sich die Frage nach der von der Feder ausgeuumlbten Kraft Da die Kraft im Verlauf der 180deg-Bewegung des Buumlgels nicht kon-stant ist liegt es nahe die Kraft in Abhaumlngigkeit von der Federdehnung zu untersu-chen (Untersuchung auch zum Hookeschen Gesetz)
Die Kraftumsetzung vom Mausefallenbuumlgel auf die Antriebsachse erfordert einen He-bel oder ein Getriebe Untersuchungen zum Thema bdquoHebel und Drehmomentldquo sollten hier weitere Erkenntnisse liefern
Das Thema bdquoGeschwindigkeitldquo steht zwar nicht im Zentrum des Wettbewerbs doch ist es durch die ablaufende Bewegung des Fahrzeugs so naheliegend dass auf die Be-arbeitung einer Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo nicht verzichtet werden sollte
Bei der Verwendung eines Hebels als Kraftwandler spannt sich der Zugfaden zur Drehachse nicht immer senkrecht zum Hebel Insofern waumlre auch das Thema bdquoZerle-gung von Kraumlftenldquo hilfreich Da die entsprechenden Inhalte aber vom Kernlehrplan nicht gefordert werden und auch um die gesamte Reihe nicht zu uumlberfrachten wurde auf eine entsprechende Station verzichtet
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Abschlieszligend sollte der Antrieb des Fahrzeugs durch die Mausefalle als Energiewand-lung von Spannenergie in Waumlrmeenergie durch Reibungsarbeit begriffen werden Da einerseits die Rollreibung des Fahrzeugs gemessen werden soll andererseits auch die in der Feder gespeicherte Spannenergie zumindest grob bestimmt wird ist eine Ab-schaumltzung der theoretisch moumlglichen Fahrstrecke des Mausefallenautos durchfuumlhrbar Dies ist nach der Bearbeitung der Station bdquoHookesches Gesetzldquo moumlglich
Insgesamt ergibt sich damit folgende Struktur fuumlr die angebotenen Forschungsstationen
Energiebilanz
Spannenergie ndash
Reibungsarbeit
Hookersquosches
Gesetz
Reibung Drehmoment
und Hebel
Geschwindigkeits-
messung
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3 Zur Konstruktion des Mausefallen-Autos
Welches Mausefallen-Auto das Beste ist haumlngt natuumlrlich von dem formulierten Wettkampfziel ab Gelaumlufig sind zwei verschiedene Zielformulierungen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Geschwindigkeit erreichen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen
Beide Ziele lassen sich kaum mit derselben Fahrzeugkonstruktion erreichen weshalb man sich fuumlr ein Ziel entscheiden sollte Bei den bisherigen Mausefallen-Rennen des Physiktreffs in Duumlsseldorf wird das Kriterium der bdquogroumlszligten Streckeldquo verwendet Die zuruumlckgelegte Strecke ist relativ einfach und eindeutig zu ermitteln ndash die Siegerfahrzeuge der letzten Jahre schafften Strecken von uumlber 40 m Eine Geschwindigkeitsmessung erfordert mehr Aufwand eine genaue Zeitmessung und weitere Vereinbarungen uumlber die Messstrecke Aus diesem Grund wird auch in dem vorliegenden Entwurf gefordert dass das Fahrzeug eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen soll
Da der Begriff der Geschwindigkeit aber mit einem bewegten Fahrzeug so eng verknuumlpft ist soll dieser Aspekt ndash wenn auch nur als Nebenaspekt ndash in einer der bdquoForschungsstationenldquo be-ruumlcksichtigt werden
Andere Schwerpunktsetzungen sind hier natuumlrlich denkbar und wuumlrden dabei einzelne Ele-mente der Unterrichtsreihe veraumlndern die Grundidee aber beibehalten
Fuumlr beide moumlglichen Zielsetzungen sind die einzuhaltenden Randbedingungen dieselben Konstruiert werden soll ein Fahrzeug das ausschlieszliglich von dem sich schlieszligenden Drahtbuuml-gel einer handelsuumlblichen Mausefalle angetrieben wird Die Mausefalle muss Teil des Fahr-zeugs sein Die Mausefallen (keine Rattenfallen) koumlnnen einheitlich vorgegeben oder von den Schuumllerinnen und Schuumllern im Handel gekauft werden Eventuelle Qualitaumltsunterschiede werden dabei toleriert und haben sich bisher nicht als wettbewerbsverzerrend herausgestellt Unter Umstaumlnden koumlnnten auch in einer der bdquoForschungsstationenldquo gewonnene Erkenntnisse dazu dienen moumlglichst geeignete Mausefallen auszusuchen
Das Mausefallenauto wird also nach aller bisherigen Erfahrung uumlber Raumlder verfuumlgen muumlssen ndash Schlitten- Luftkissen- oder andere Konstruktionen sind kaum denkbar gleichwohl waumlren sie zulaumlssig
Uumlblich und gleichermaszligen erfolgreich sind einachsige (zweiraumldrige) und zweiachsige (drei- oder vierraumldrige) Konstruktionen
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Als Raumlder werden oft ausgediente CDs oder Schallplatten verwendet ndash auch hier sind beliebige andere Materialien und Ge-genstaumlnde denkbar
Eine Hauptaufgabe der Konstruktion be-steht somit darin die von der gespannten Mausefalle bereitgestellte Energie moumlg-lichst effektiv auf eine Antriebsachse zu uumlbertragen In den meisten Faumlllen wird die-ses Problem durch eine Hebelkonstruktion am Mausefallenbuumlgel und einen auf der Achse aufgewickelten Zugfaden geloumlst Aber auch Zahnradkonstruktionen oder andere Getriebe sind denkbar und zulaumlssig
Auch fuumlr die Gesamtkonstruktion gibt es keine Beschraumlnkungen von ausgedienten Getraumlnkepackungen Holz Styropor uumlber Bauteile von Metallbaukaumlsten oder Lego-Technik bis hin zu Kohlefaserkonstruktio-nen ist alles erlaubt Da die bdquoFertigungldquo nicht zwingend nur in der Schule stattfindet sondern auch in Heimarbeit weiter gebastelt werden darf muss wohl toleriert werden wenn hier und da ein Elternteil oder groumlszligere Geschwister mitbasteln
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4 Hinweise zur Organisation
Natuumlrlich waumlre es optimal wenn man einen Werkraum in der Schule nutzen oder zumindest einen anderen Raum fuumlr die Dauer der Unterrichtsreihe als Werkstatt reservieren koumlnnte In den meisten Faumlllen wird dieser Luxus jedoch nicht moumlglich sein Auch bei unserer Erprobung der Unterrichtsreihe mussten wir uns mit dem (einzigen) Physik-Schuumlleruumlbungsraum begnuuml-gen der natuumlrlich zwischendurch auch von anderen Lerngruppen genutzt wurde Zumindest erleichtert eine Unterrichtsblockung in Doppelstunden die Durchfuumlhrung der Arbeiten
Wenn ca 30 Schuumllerinnen und Schuumller ihre Bastelarbeiten im Physikuumlbungsraum durchfuumlh-ren ist fuumlr die fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo dort kaum mehr Platz Deshalb werden diese in den angrenzenden Vorbereitungs- und Sammlungsraumlumen aufgebaut Eine Betreuung und Beauf-sichtigung ist dann auch durch eine einzige Lehrperson moumlglich
Werkzeug koumlnnen und sollen die Schuumllerinnen und Schuumller von zuhause mitbringen Aus Si-cherheitsgruumlnden haben wir das Mitbringen von Messern und die Verwendung von Sekun-denklebern verboten Wir haben die besseren Erfahrungen damit gemacht wenn die Schuumlle-rinnen und Schuumller ihr Werkzeug grundsaumltzlich selbst mitbringen und sich nicht darauf ver-lassen dass die Schule alles bereitstellt
Eine gewisse Grundausruumlstung von Werkzeug kann die Schule im Idealfall vorhalten um von Fall zu Fall auszuhelfen So sollten zB Teppichmesser Klebepistolen und vielleicht auch
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eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber zur Verfuumlgung stehen Die Ausleihe von Schul-werkzeug waumlhrend des Unterrichts quittieren die Schuumller auf einer Ausleihliste
Zum Schutz des Mobiliars bei Saumlge- Schneid- und Klebearbeiten wurden leichte Schutzplat-ten aus Hartfasermaterial beschafft die auf einige der Schuumlleruumlbungstische aufgelegt und auch schnell wieder abgeraumlumt werden koumlnnen
Da die Mausefallenautos in Partnerarbeit oder Dreiergruppen gebaut werden entstehen in jeder Klasse 10 ndash 15 Fahrzeuge Wenn das Projekt in einer ganzen Jahrgangsstufe (in unserem Fall 5 Parallelklassen) durchgefuumlhrt wird ist eine groszlige Anzahl von Fahrzeugen aufzubewah-ren da die Schuumller ihre Modelle nicht immer mit nach hause nehmen Eine Aufbewahrung in den Klassenraumlumen ist zwar moumlglich aber auch anfaumlllig Wir haben deshalb einige groszlige stapelbare Plastikkisten (Euroboxen) gekauft in denen sich die Fahrzeuge klassenweise platz-sparend in den Physikraumlumen lagern lassen
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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Abschlieszligend sollte der Antrieb des Fahrzeugs durch die Mausefalle als Energiewand-lung von Spannenergie in Waumlrmeenergie durch Reibungsarbeit begriffen werden Da einerseits die Rollreibung des Fahrzeugs gemessen werden soll andererseits auch die in der Feder gespeicherte Spannenergie zumindest grob bestimmt wird ist eine Ab-schaumltzung der theoretisch moumlglichen Fahrstrecke des Mausefallenautos durchfuumlhrbar Dies ist nach der Bearbeitung der Station bdquoHookesches Gesetzldquo moumlglich
Insgesamt ergibt sich damit folgende Struktur fuumlr die angebotenen Forschungsstationen
Energiebilanz
Spannenergie ndash
Reibungsarbeit
Hookersquosches
Gesetz
Reibung Drehmoment
und Hebel
Geschwindigkeits-
messung
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3 Zur Konstruktion des Mausefallen-Autos
Welches Mausefallen-Auto das Beste ist haumlngt natuumlrlich von dem formulierten Wettkampfziel ab Gelaumlufig sind zwei verschiedene Zielformulierungen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Geschwindigkeit erreichen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen
Beide Ziele lassen sich kaum mit derselben Fahrzeugkonstruktion erreichen weshalb man sich fuumlr ein Ziel entscheiden sollte Bei den bisherigen Mausefallen-Rennen des Physiktreffs in Duumlsseldorf wird das Kriterium der bdquogroumlszligten Streckeldquo verwendet Die zuruumlckgelegte Strecke ist relativ einfach und eindeutig zu ermitteln ndash die Siegerfahrzeuge der letzten Jahre schafften Strecken von uumlber 40 m Eine Geschwindigkeitsmessung erfordert mehr Aufwand eine genaue Zeitmessung und weitere Vereinbarungen uumlber die Messstrecke Aus diesem Grund wird auch in dem vorliegenden Entwurf gefordert dass das Fahrzeug eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen soll
Da der Begriff der Geschwindigkeit aber mit einem bewegten Fahrzeug so eng verknuumlpft ist soll dieser Aspekt ndash wenn auch nur als Nebenaspekt ndash in einer der bdquoForschungsstationenldquo be-ruumlcksichtigt werden
Andere Schwerpunktsetzungen sind hier natuumlrlich denkbar und wuumlrden dabei einzelne Ele-mente der Unterrichtsreihe veraumlndern die Grundidee aber beibehalten
Fuumlr beide moumlglichen Zielsetzungen sind die einzuhaltenden Randbedingungen dieselben Konstruiert werden soll ein Fahrzeug das ausschlieszliglich von dem sich schlieszligenden Drahtbuuml-gel einer handelsuumlblichen Mausefalle angetrieben wird Die Mausefalle muss Teil des Fahr-zeugs sein Die Mausefallen (keine Rattenfallen) koumlnnen einheitlich vorgegeben oder von den Schuumllerinnen und Schuumllern im Handel gekauft werden Eventuelle Qualitaumltsunterschiede werden dabei toleriert und haben sich bisher nicht als wettbewerbsverzerrend herausgestellt Unter Umstaumlnden koumlnnten auch in einer der bdquoForschungsstationenldquo gewonnene Erkenntnisse dazu dienen moumlglichst geeignete Mausefallen auszusuchen
Das Mausefallenauto wird also nach aller bisherigen Erfahrung uumlber Raumlder verfuumlgen muumlssen ndash Schlitten- Luftkissen- oder andere Konstruktionen sind kaum denkbar gleichwohl waumlren sie zulaumlssig
Uumlblich und gleichermaszligen erfolgreich sind einachsige (zweiraumldrige) und zweiachsige (drei- oder vierraumldrige) Konstruktionen
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Als Raumlder werden oft ausgediente CDs oder Schallplatten verwendet ndash auch hier sind beliebige andere Materialien und Ge-genstaumlnde denkbar
Eine Hauptaufgabe der Konstruktion be-steht somit darin die von der gespannten Mausefalle bereitgestellte Energie moumlg-lichst effektiv auf eine Antriebsachse zu uumlbertragen In den meisten Faumlllen wird die-ses Problem durch eine Hebelkonstruktion am Mausefallenbuumlgel und einen auf der Achse aufgewickelten Zugfaden geloumlst Aber auch Zahnradkonstruktionen oder andere Getriebe sind denkbar und zulaumlssig
Auch fuumlr die Gesamtkonstruktion gibt es keine Beschraumlnkungen von ausgedienten Getraumlnkepackungen Holz Styropor uumlber Bauteile von Metallbaukaumlsten oder Lego-Technik bis hin zu Kohlefaserkonstruktio-nen ist alles erlaubt Da die bdquoFertigungldquo nicht zwingend nur in der Schule stattfindet sondern auch in Heimarbeit weiter gebastelt werden darf muss wohl toleriert werden wenn hier und da ein Elternteil oder groumlszligere Geschwister mitbasteln
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4 Hinweise zur Organisation
Natuumlrlich waumlre es optimal wenn man einen Werkraum in der Schule nutzen oder zumindest einen anderen Raum fuumlr die Dauer der Unterrichtsreihe als Werkstatt reservieren koumlnnte In den meisten Faumlllen wird dieser Luxus jedoch nicht moumlglich sein Auch bei unserer Erprobung der Unterrichtsreihe mussten wir uns mit dem (einzigen) Physik-Schuumlleruumlbungsraum begnuuml-gen der natuumlrlich zwischendurch auch von anderen Lerngruppen genutzt wurde Zumindest erleichtert eine Unterrichtsblockung in Doppelstunden die Durchfuumlhrung der Arbeiten
Wenn ca 30 Schuumllerinnen und Schuumller ihre Bastelarbeiten im Physikuumlbungsraum durchfuumlh-ren ist fuumlr die fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo dort kaum mehr Platz Deshalb werden diese in den angrenzenden Vorbereitungs- und Sammlungsraumlumen aufgebaut Eine Betreuung und Beauf-sichtigung ist dann auch durch eine einzige Lehrperson moumlglich
Werkzeug koumlnnen und sollen die Schuumllerinnen und Schuumller von zuhause mitbringen Aus Si-cherheitsgruumlnden haben wir das Mitbringen von Messern und die Verwendung von Sekun-denklebern verboten Wir haben die besseren Erfahrungen damit gemacht wenn die Schuumlle-rinnen und Schuumller ihr Werkzeug grundsaumltzlich selbst mitbringen und sich nicht darauf ver-lassen dass die Schule alles bereitstellt
Eine gewisse Grundausruumlstung von Werkzeug kann die Schule im Idealfall vorhalten um von Fall zu Fall auszuhelfen So sollten zB Teppichmesser Klebepistolen und vielleicht auch
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eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber zur Verfuumlgung stehen Die Ausleihe von Schul-werkzeug waumlhrend des Unterrichts quittieren die Schuumller auf einer Ausleihliste
Zum Schutz des Mobiliars bei Saumlge- Schneid- und Klebearbeiten wurden leichte Schutzplat-ten aus Hartfasermaterial beschafft die auf einige der Schuumlleruumlbungstische aufgelegt und auch schnell wieder abgeraumlumt werden koumlnnen
Da die Mausefallenautos in Partnerarbeit oder Dreiergruppen gebaut werden entstehen in jeder Klasse 10 ndash 15 Fahrzeuge Wenn das Projekt in einer ganzen Jahrgangsstufe (in unserem Fall 5 Parallelklassen) durchgefuumlhrt wird ist eine groszlige Anzahl von Fahrzeugen aufzubewah-ren da die Schuumller ihre Modelle nicht immer mit nach hause nehmen Eine Aufbewahrung in den Klassenraumlumen ist zwar moumlglich aber auch anfaumlllig Wir haben deshalb einige groszlige stapelbare Plastikkisten (Euroboxen) gekauft in denen sich die Fahrzeuge klassenweise platz-sparend in den Physikraumlumen lagern lassen
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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6
3 Zur Konstruktion des Mausefallen-Autos
Welches Mausefallen-Auto das Beste ist haumlngt natuumlrlich von dem formulierten Wettkampfziel ab Gelaumlufig sind zwei verschiedene Zielformulierungen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Geschwindigkeit erreichen
Das Fahrzeug soll eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen
Beide Ziele lassen sich kaum mit derselben Fahrzeugkonstruktion erreichen weshalb man sich fuumlr ein Ziel entscheiden sollte Bei den bisherigen Mausefallen-Rennen des Physiktreffs in Duumlsseldorf wird das Kriterium der bdquogroumlszligten Streckeldquo verwendet Die zuruumlckgelegte Strecke ist relativ einfach und eindeutig zu ermitteln ndash die Siegerfahrzeuge der letzten Jahre schafften Strecken von uumlber 40 m Eine Geschwindigkeitsmessung erfordert mehr Aufwand eine genaue Zeitmessung und weitere Vereinbarungen uumlber die Messstrecke Aus diesem Grund wird auch in dem vorliegenden Entwurf gefordert dass das Fahrzeug eine moumlglichst groszlige Strecke zuruumlcklegen soll
Da der Begriff der Geschwindigkeit aber mit einem bewegten Fahrzeug so eng verknuumlpft ist soll dieser Aspekt ndash wenn auch nur als Nebenaspekt ndash in einer der bdquoForschungsstationenldquo be-ruumlcksichtigt werden
Andere Schwerpunktsetzungen sind hier natuumlrlich denkbar und wuumlrden dabei einzelne Ele-mente der Unterrichtsreihe veraumlndern die Grundidee aber beibehalten
Fuumlr beide moumlglichen Zielsetzungen sind die einzuhaltenden Randbedingungen dieselben Konstruiert werden soll ein Fahrzeug das ausschlieszliglich von dem sich schlieszligenden Drahtbuuml-gel einer handelsuumlblichen Mausefalle angetrieben wird Die Mausefalle muss Teil des Fahr-zeugs sein Die Mausefallen (keine Rattenfallen) koumlnnen einheitlich vorgegeben oder von den Schuumllerinnen und Schuumllern im Handel gekauft werden Eventuelle Qualitaumltsunterschiede werden dabei toleriert und haben sich bisher nicht als wettbewerbsverzerrend herausgestellt Unter Umstaumlnden koumlnnten auch in einer der bdquoForschungsstationenldquo gewonnene Erkenntnisse dazu dienen moumlglichst geeignete Mausefallen auszusuchen
Das Mausefallenauto wird also nach aller bisherigen Erfahrung uumlber Raumlder verfuumlgen muumlssen ndash Schlitten- Luftkissen- oder andere Konstruktionen sind kaum denkbar gleichwohl waumlren sie zulaumlssig
Uumlblich und gleichermaszligen erfolgreich sind einachsige (zweiraumldrige) und zweiachsige (drei- oder vierraumldrige) Konstruktionen
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Als Raumlder werden oft ausgediente CDs oder Schallplatten verwendet ndash auch hier sind beliebige andere Materialien und Ge-genstaumlnde denkbar
Eine Hauptaufgabe der Konstruktion be-steht somit darin die von der gespannten Mausefalle bereitgestellte Energie moumlg-lichst effektiv auf eine Antriebsachse zu uumlbertragen In den meisten Faumlllen wird die-ses Problem durch eine Hebelkonstruktion am Mausefallenbuumlgel und einen auf der Achse aufgewickelten Zugfaden geloumlst Aber auch Zahnradkonstruktionen oder andere Getriebe sind denkbar und zulaumlssig
Auch fuumlr die Gesamtkonstruktion gibt es keine Beschraumlnkungen von ausgedienten Getraumlnkepackungen Holz Styropor uumlber Bauteile von Metallbaukaumlsten oder Lego-Technik bis hin zu Kohlefaserkonstruktio-nen ist alles erlaubt Da die bdquoFertigungldquo nicht zwingend nur in der Schule stattfindet sondern auch in Heimarbeit weiter gebastelt werden darf muss wohl toleriert werden wenn hier und da ein Elternteil oder groumlszligere Geschwister mitbasteln
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4 Hinweise zur Organisation
Natuumlrlich waumlre es optimal wenn man einen Werkraum in der Schule nutzen oder zumindest einen anderen Raum fuumlr die Dauer der Unterrichtsreihe als Werkstatt reservieren koumlnnte In den meisten Faumlllen wird dieser Luxus jedoch nicht moumlglich sein Auch bei unserer Erprobung der Unterrichtsreihe mussten wir uns mit dem (einzigen) Physik-Schuumlleruumlbungsraum begnuuml-gen der natuumlrlich zwischendurch auch von anderen Lerngruppen genutzt wurde Zumindest erleichtert eine Unterrichtsblockung in Doppelstunden die Durchfuumlhrung der Arbeiten
Wenn ca 30 Schuumllerinnen und Schuumller ihre Bastelarbeiten im Physikuumlbungsraum durchfuumlh-ren ist fuumlr die fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo dort kaum mehr Platz Deshalb werden diese in den angrenzenden Vorbereitungs- und Sammlungsraumlumen aufgebaut Eine Betreuung und Beauf-sichtigung ist dann auch durch eine einzige Lehrperson moumlglich
Werkzeug koumlnnen und sollen die Schuumllerinnen und Schuumller von zuhause mitbringen Aus Si-cherheitsgruumlnden haben wir das Mitbringen von Messern und die Verwendung von Sekun-denklebern verboten Wir haben die besseren Erfahrungen damit gemacht wenn die Schuumlle-rinnen und Schuumller ihr Werkzeug grundsaumltzlich selbst mitbringen und sich nicht darauf ver-lassen dass die Schule alles bereitstellt
Eine gewisse Grundausruumlstung von Werkzeug kann die Schule im Idealfall vorhalten um von Fall zu Fall auszuhelfen So sollten zB Teppichmesser Klebepistolen und vielleicht auch
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eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber zur Verfuumlgung stehen Die Ausleihe von Schul-werkzeug waumlhrend des Unterrichts quittieren die Schuumller auf einer Ausleihliste
Zum Schutz des Mobiliars bei Saumlge- Schneid- und Klebearbeiten wurden leichte Schutzplat-ten aus Hartfasermaterial beschafft die auf einige der Schuumlleruumlbungstische aufgelegt und auch schnell wieder abgeraumlumt werden koumlnnen
Da die Mausefallenautos in Partnerarbeit oder Dreiergruppen gebaut werden entstehen in jeder Klasse 10 ndash 15 Fahrzeuge Wenn das Projekt in einer ganzen Jahrgangsstufe (in unserem Fall 5 Parallelklassen) durchgefuumlhrt wird ist eine groszlige Anzahl von Fahrzeugen aufzubewah-ren da die Schuumller ihre Modelle nicht immer mit nach hause nehmen Eine Aufbewahrung in den Klassenraumlumen ist zwar moumlglich aber auch anfaumlllig Wir haben deshalb einige groszlige stapelbare Plastikkisten (Euroboxen) gekauft in denen sich die Fahrzeuge klassenweise platz-sparend in den Physikraumlumen lagern lassen
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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Als Raumlder werden oft ausgediente CDs oder Schallplatten verwendet ndash auch hier sind beliebige andere Materialien und Ge-genstaumlnde denkbar
Eine Hauptaufgabe der Konstruktion be-steht somit darin die von der gespannten Mausefalle bereitgestellte Energie moumlg-lichst effektiv auf eine Antriebsachse zu uumlbertragen In den meisten Faumlllen wird die-ses Problem durch eine Hebelkonstruktion am Mausefallenbuumlgel und einen auf der Achse aufgewickelten Zugfaden geloumlst Aber auch Zahnradkonstruktionen oder andere Getriebe sind denkbar und zulaumlssig
Auch fuumlr die Gesamtkonstruktion gibt es keine Beschraumlnkungen von ausgedienten Getraumlnkepackungen Holz Styropor uumlber Bauteile von Metallbaukaumlsten oder Lego-Technik bis hin zu Kohlefaserkonstruktio-nen ist alles erlaubt Da die bdquoFertigungldquo nicht zwingend nur in der Schule stattfindet sondern auch in Heimarbeit weiter gebastelt werden darf muss wohl toleriert werden wenn hier und da ein Elternteil oder groumlszligere Geschwister mitbasteln
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4 Hinweise zur Organisation
Natuumlrlich waumlre es optimal wenn man einen Werkraum in der Schule nutzen oder zumindest einen anderen Raum fuumlr die Dauer der Unterrichtsreihe als Werkstatt reservieren koumlnnte In den meisten Faumlllen wird dieser Luxus jedoch nicht moumlglich sein Auch bei unserer Erprobung der Unterrichtsreihe mussten wir uns mit dem (einzigen) Physik-Schuumlleruumlbungsraum begnuuml-gen der natuumlrlich zwischendurch auch von anderen Lerngruppen genutzt wurde Zumindest erleichtert eine Unterrichtsblockung in Doppelstunden die Durchfuumlhrung der Arbeiten
Wenn ca 30 Schuumllerinnen und Schuumller ihre Bastelarbeiten im Physikuumlbungsraum durchfuumlh-ren ist fuumlr die fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo dort kaum mehr Platz Deshalb werden diese in den angrenzenden Vorbereitungs- und Sammlungsraumlumen aufgebaut Eine Betreuung und Beauf-sichtigung ist dann auch durch eine einzige Lehrperson moumlglich
Werkzeug koumlnnen und sollen die Schuumllerinnen und Schuumller von zuhause mitbringen Aus Si-cherheitsgruumlnden haben wir das Mitbringen von Messern und die Verwendung von Sekun-denklebern verboten Wir haben die besseren Erfahrungen damit gemacht wenn die Schuumlle-rinnen und Schuumller ihr Werkzeug grundsaumltzlich selbst mitbringen und sich nicht darauf ver-lassen dass die Schule alles bereitstellt
Eine gewisse Grundausruumlstung von Werkzeug kann die Schule im Idealfall vorhalten um von Fall zu Fall auszuhelfen So sollten zB Teppichmesser Klebepistolen und vielleicht auch
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eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber zur Verfuumlgung stehen Die Ausleihe von Schul-werkzeug waumlhrend des Unterrichts quittieren die Schuumller auf einer Ausleihliste
Zum Schutz des Mobiliars bei Saumlge- Schneid- und Klebearbeiten wurden leichte Schutzplat-ten aus Hartfasermaterial beschafft die auf einige der Schuumlleruumlbungstische aufgelegt und auch schnell wieder abgeraumlumt werden koumlnnen
Da die Mausefallenautos in Partnerarbeit oder Dreiergruppen gebaut werden entstehen in jeder Klasse 10 ndash 15 Fahrzeuge Wenn das Projekt in einer ganzen Jahrgangsstufe (in unserem Fall 5 Parallelklassen) durchgefuumlhrt wird ist eine groszlige Anzahl von Fahrzeugen aufzubewah-ren da die Schuumller ihre Modelle nicht immer mit nach hause nehmen Eine Aufbewahrung in den Klassenraumlumen ist zwar moumlglich aber auch anfaumlllig Wir haben deshalb einige groszlige stapelbare Plastikkisten (Euroboxen) gekauft in denen sich die Fahrzeuge klassenweise platz-sparend in den Physikraumlumen lagern lassen
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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4 Hinweise zur Organisation
Natuumlrlich waumlre es optimal wenn man einen Werkraum in der Schule nutzen oder zumindest einen anderen Raum fuumlr die Dauer der Unterrichtsreihe als Werkstatt reservieren koumlnnte In den meisten Faumlllen wird dieser Luxus jedoch nicht moumlglich sein Auch bei unserer Erprobung der Unterrichtsreihe mussten wir uns mit dem (einzigen) Physik-Schuumlleruumlbungsraum begnuuml-gen der natuumlrlich zwischendurch auch von anderen Lerngruppen genutzt wurde Zumindest erleichtert eine Unterrichtsblockung in Doppelstunden die Durchfuumlhrung der Arbeiten
Wenn ca 30 Schuumllerinnen und Schuumller ihre Bastelarbeiten im Physikuumlbungsraum durchfuumlh-ren ist fuumlr die fuumlnf bdquoForschungsstationenldquo dort kaum mehr Platz Deshalb werden diese in den angrenzenden Vorbereitungs- und Sammlungsraumlumen aufgebaut Eine Betreuung und Beauf-sichtigung ist dann auch durch eine einzige Lehrperson moumlglich
Werkzeug koumlnnen und sollen die Schuumllerinnen und Schuumller von zuhause mitbringen Aus Si-cherheitsgruumlnden haben wir das Mitbringen von Messern und die Verwendung von Sekun-denklebern verboten Wir haben die besseren Erfahrungen damit gemacht wenn die Schuumlle-rinnen und Schuumller ihr Werkzeug grundsaumltzlich selbst mitbringen und sich nicht darauf ver-lassen dass die Schule alles bereitstellt
Eine gewisse Grundausruumlstung von Werkzeug kann die Schule im Idealfall vorhalten um von Fall zu Fall auszuhelfen So sollten zB Teppichmesser Klebepistolen und vielleicht auch
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eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber zur Verfuumlgung stehen Die Ausleihe von Schul-werkzeug waumlhrend des Unterrichts quittieren die Schuumller auf einer Ausleihliste
Zum Schutz des Mobiliars bei Saumlge- Schneid- und Klebearbeiten wurden leichte Schutzplat-ten aus Hartfasermaterial beschafft die auf einige der Schuumlleruumlbungstische aufgelegt und auch schnell wieder abgeraumlumt werden koumlnnen
Da die Mausefallenautos in Partnerarbeit oder Dreiergruppen gebaut werden entstehen in jeder Klasse 10 ndash 15 Fahrzeuge Wenn das Projekt in einer ganzen Jahrgangsstufe (in unserem Fall 5 Parallelklassen) durchgefuumlhrt wird ist eine groszlige Anzahl von Fahrzeugen aufzubewah-ren da die Schuumller ihre Modelle nicht immer mit nach hause nehmen Eine Aufbewahrung in den Klassenraumlumen ist zwar moumlglich aber auch anfaumlllig Wir haben deshalb einige groszlige stapelbare Plastikkisten (Euroboxen) gekauft in denen sich die Fahrzeuge klassenweise platz-sparend in den Physikraumlumen lagern lassen
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber zur Verfuumlgung stehen Die Ausleihe von Schul-werkzeug waumlhrend des Unterrichts quittieren die Schuumller auf einer Ausleihliste
Zum Schutz des Mobiliars bei Saumlge- Schneid- und Klebearbeiten wurden leichte Schutzplat-ten aus Hartfasermaterial beschafft die auf einige der Schuumlleruumlbungstische aufgelegt und auch schnell wieder abgeraumlumt werden koumlnnen
Da die Mausefallenautos in Partnerarbeit oder Dreiergruppen gebaut werden entstehen in jeder Klasse 10 ndash 15 Fahrzeuge Wenn das Projekt in einer ganzen Jahrgangsstufe (in unserem Fall 5 Parallelklassen) durchgefuumlhrt wird ist eine groszlige Anzahl von Fahrzeugen aufzubewah-ren da die Schuumller ihre Modelle nicht immer mit nach hause nehmen Eine Aufbewahrung in den Klassenraumlumen ist zwar moumlglich aber auch anfaumlllig Wir haben deshalb einige groszlige stapelbare Plastikkisten (Euroboxen) gekauft in denen sich die Fahrzeuge klassenweise platz-sparend in den Physikraumlumen lagern lassen
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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5 Ablauf der Unterrichtsreihe
Einstieg und Motivation
Als Einstieg bietet es sich an Filme von fahrenden Mausefallenautos zu praumlsentieren Im In-ternet lassen sich leicht diverse Videos finden anhand derer die Funktionsweise der Autos deutlich werden kann Ein Video ist im Anhang zu finden Es folgt nun die Formulierung des Wettkampfziels Damit die Schuumllerinnen und Schuumller nicht mit voumlllig falschen Vorstellungen in die kommende Unterrichtseinheit gehen ist es sicherlich sinnvoll schon an dieser Stelle einen Uumlberblick uumlber die Unterrichtsstruktur der naumlchsten Stunden zu geben
Erste Ideen zur Konstruktion
Die Schuumllerinnen und Schuumller sollen in der Folgestunde die benoumltigten Materialien und Werkzeuge selbst mitbringen Dazu muumlssen sich die Kleingruppen selbstaumlndig organisieren und Absprachen treffen Daher ist es sinnvoll den Schuumllerinnen und Schuumllern noch in der ersten Stunde die Zeit zu geben sich erste Ideen zur Konstruktion ihres Mausefallenautos zu notieren und eine Materialliste zu erstellen
Recherche Materialbeschaffung (zuhause)
Natuumlrlich duumlrfen sich die Schuumllerinnen und Schuumller auch zuhause mit den Mausefallenautos beschaumlftigen Im Internet lassen sich zu diesem Thema sogar detaillierte Bauanleitungen fin-den Daher erhalten die Schuumllerinnen und Schuumller die Hausaufgabe sich im Internet weiter zu informieren und sich die benoumltigten Materialien zu beschaffen
Dokumentation in Form einer Mappe
Die Ergebnisse der Partner- bzw Gruppenarbeit wird von jeder Gruppe in einer separat ange-fertigten Mappe festgehalten Diese Mappe wird am Ende der Reihe eingesammelt und be-wertet Dadurch soll sichergestellt werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller auch die For-schungsstationen ernsthaft bearbeiten Des Weiteren bietet die Mappe eine gute Bewertungs-grundlage Folgende Bestandteile koumlnnten fuumlr die Mappe verlangt werden
Deckblatt Steckbrief des Autos (aumlhnlich wie beim Autoquartett Foto und Name des Autos Name der Konstrukteure technische Daten wie zB maximale Fahrtstrecke Geschwindigkeit Masse Rollreibungskraft)
Konstruktionszeichnung
Materialliste
Protokolle zur Bearbeitung der Forschungsstationen (Arbeitsblaumltter)
Wettbewerb Mausefallenrennen
Der Wettbewerb Mausefallenrennen schlieszligt die Unterrichtseinheit ab Dieser Wettbewerb kann sowohl Klassenintern als auch Klassenuumlbergreifend erfolgen Schlieszligen sich mehrere
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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Klassen zusammen muss jedoch ein ausreichend groszliger Raum gefunden werden Von Vorteil waumlre es sicherlich wenn die Aula oder die Sporthalle zur Verfuumlgung stehen wuumlrde Zu beach-ten ist jedoch dass die veraumlnderten Bodenbedingungen deutlichen Einfluss auf die Fahreigen-schaften der Mausefallenautos haben koumlnnen Bei gut austarierten Autos kann das im schlimmsten Fall sogar dazu fuumlhren dass sie gar nicht mehr fahren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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6 Wann soll ich auch das noch unterrichten
Der Zeitplan fuumlr den Physikunterricht in der Sekundarstufe I ist voll ndash da liegt die Frage nahe woher die Zeit fuumlr derartige bdquoExtraprojekteldquo kommen soll Die Unterrichtsreihe ist bereits mehrfach erprobt worden Dabei hat sich herausgestellt dass sie in der Regel 12 in einigen Faumlllen 14 Unterrichtsstunden (6 ndash 7 Wochen) benoumltigt In dieser Zeit werden die Inhalte bdquoRei-bungldquo bdquoHebelldquo und bdquoHookesches Gesetzldquo exemplarisch behandelt Es ist nicht geplant diese Inhalte an anderer Stelle des Physikunterrichts erneut aufzugreifen
Weiterhin wird der bereits vorher eingefuumlhrte Geschwindigkeitsbegriff angewandt und ver-tieft Nicht zuletzt werden Aspekte zur Energieerhaltung und zur Energieumwandlung ange-sprochen was sicherlich im weiteren Unterricht noch mehrfach geschehen muss Die wesent-liche Bastelarbeit an den Mausefallenautos nimmt etwa die Haumllfte der gesamten Zeit in An-spruch Die Fahrzeuge werden meist nicht nur in der Schule sondern auch in Heimarbeit wei-ter gebaut
Ein Vergleich mit demselben Lernpensum im herkoumlmmlichen Unterricht zeigt dass der Kon-text bdquoMausefallenautoldquo keine zusaumltzliche Unterrichtszeit erfordert Nicht zu unterschaumltzen ist der Motivationsgewinn durch die praktische Aufgabenstellung und den Wettbewerbscharak-ter ein Motivationsgewinn der auch noch den Unterricht im weiteren Verlauf befluumlgeln wird
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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7 Kompetenzen
Prozessbezogene Kompetenzen
Die gefoumlrderten prozessbezogenen Kompetenzen lassen sich nur in Ausnahmefaumlllen konkre-ten Taumltigkeiten oder einzelnen Forschungsstationen beziehungsweise dem Erstellen der Ar-beitsmappe eindeutig zuordnen Deshalb werden diese prozessbezogenen Kompetenzen hier fuumlr die gesamte Unterrichtsreihe aufgefuumlhrt
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
Kompetenzbereich Kommunikation
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
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beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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24
hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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14
beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Schuumllerinnen und Schuumllerhellip
binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
Konzeptbezogene Kompetenzen
Kompetenzen zum Basiskonzept bdquoSystemldquo werden waumlhrend der gesamten Unterrichtsreihe ndash sowohl waumlhrend der bdquoFertigungldquo als auch bei den bdquoForschungsstationenldquo gefoumlrdert indem Schuumllerinnen und Schuumller das Zusammenwirken der verschiedenen Elemente ihres Mausefal-lenautos planen verstehen und gezielt gestalten Hier wird besonders die folgende konzeptbe-zogene Kompetenz angestrebt
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben sodass sie den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren [hellip]
Weitere konzeptbezogene Kompetenzen sind den einzelnen Forschungsstationen zugeordnet Eine Uumlbersicht uumlber die Kompetenzen und die im Folgenden verwendete Nummerierung fin-det sich in Abschnitt 11 (S 25)
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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8 Beschreibung der Forschungsstationen Ziele Kompetenzen
81 Reibung
In dieser Station sollen die Einfluumlsse von Material Masse und Reibungsart auf die Reibungs-kraft experimentell untersucht werden Ziel dieser Untersuchung ist Materialien zu finden die fuumlr den Bau des Mausefallenautos besonders geeignet sind
Basis der Experimente bilden unterschiedlich beschichte-te Holzkloumltzchen annaumlhernd gleicher Masse sowie zwei Kraftmesser und mehrere Holzroumlllchen
Die Holzkloumltzchen werden mit den beschichteten Seiten uumlber den Tisch gezogen um Hinweise zu den Reibungs-koeffizienten zu finden Auf eine formelmaumlszligige Darstel-lung und die Thematisierung des Begriffs Reibungskoef-fizient wird allerdings verzichtet
Anschlieszligend stapelt man nach und nach die Kloumltzchen uumlbereinander und zieht sie jeweils uumlber den Tisch um den Einfluss der Masse auf die Reibungskraft zu untersu-chen
Zum Abschluss werden noch die Unterschiede der Haft- Gleit- und Rollreibungskraumlfte untersucht
Die Ergebnisse der Experimente sollen nach Moumlglichkeit in den Bau des Autos einflieszligen Hiefuumlr muumlssen die Schuumllerinnen und Schuumller die Komponenten des Autos analysieren Bei welchen Bauteilen spielt der Reibungskoeffizient eine Rolle Bei welchen Bauteilen ist in erster Linie auf die Masse zu achten Trotz aller Experimente ist natuumlrlich auch darauf zu achten dass die Materialien gut zu verarbeiten sind
Kompetenzen M3 S6 W7
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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82 Hookesches Gesetz
Basismaterialien dieser Station bilden zwei Standartfedern mit unterschiedlichen Fe-derkonstanten und eine Mausefalle die mit einer Bogenmaszligskala ausgestattet wurde Mit einem Kraftmesser ndash je nach Art der in der Physiksammlung vorhandenen Federn koumlnnten auch mehrere unterschiedlich be-messene Kraftmesser noumltig sein ndash wird die benoumltigte Kraft fuumlr unterschiedliche Aus-lenkungen der Federn bestimmt und in eine vorbereitete Tabelle und ein vorbereitetes Koordinatensystem eingetragen
Dadurch wird die Proportionalitaumlt von Auslenkung und benoumltigter Kraft in allen drei Faumlllen (auch bei der Mausefalle) deutlich Bei der Praumlparation der Mausefalle empfiehlt es sich in die Bodenplatte der Mausefalle ein Loch zu saumlgen um Platz fuumlr den Kraftmesser zu schaffen
Ein Luumlckentext hilft zusaumltzlich dabei die physikalischen Zusammenhaumlnge von Auslenkung Kraft und Federkonstante zu verdeutlichen und zu sichern und das Hookesche Gesetz in sei-ner formalen Schreibweise kennen zu lernen
Am Ende sollen die Schuumllerinnen und Schuumller in der Lage sein zu erklaumlren warum das Auto stehen bleiben koumlnnte obwohl die Mausefalle noch nicht vollstaumlndig zugeschnappt ist
Damit erreichen die Schuumllerinnen und Schuumller bei dem Basiskonzept Wechselwirkungen das Kompetenzniveau der Stufe II
Die Schuumllerinnen und Schuumller koumlnnen mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf for-malem Niveau Beobachtungen und Phaumlnomene erklaumlren sowie Vorgaumlnge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen sodass sie Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlckfuumlhren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
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die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
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Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
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beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
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an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
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den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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30
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6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
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an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
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einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
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den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
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Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
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die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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83 Hebel und Drehmoment
In dieser Station soll der Einfluss der Groumlszligenverhaumlltnisse des Mausefallenautos auf die zu erreichende Weite untersucht werden Die gesamte Station bezieht sich auf ein Design mit Hebel Eine moumlgliche Zahnradkonstruktion findet hier keine Beruumlcksichtigung
Die physikalische Situation Im optimalen Grenzfall wird die gesamte Spannenergie quasista-tisch in Reibungsarbeit umgewandelt Das soll heiszligen dass im idealen Grenzfall der Faden genau das noumltige Drehmoment auf die angetriebene Achse ausuumlbt um das Drehmoment das durch die Reibungskraumlfte hervorgerufen wird auszugleichen Um dem Idealfall nahezukom-men muumlssen die Reibungskraft der Radius des angetriebenen Rades der Radius der ange-triebenen Achse und die Laumlnge des Hebels im richtigen Verhaumlltnis zueinander stehen In die-ser Station soll exemplarisch an einem vorgefertigten Mausefallenauto ein gutes Verhaumlltnis gefunden werden Im Verlauf dieser Station sollen die Schuumllerinnen und Schuumller das Hebelge-setz kennenlernen und fuumlr ihre eigene Konstruktion in einer Uumlberschlagsrechnung nutzen
Struktur der Station
In der Station sollen die Schuumller uumlber eine Folge von Experimenten zu einem guumlnstigen Ab-messungsverhaumlltnis gelangen
Experiment 1 Reibung
Dieses Experiment ist ein Vorexperiment und wuumlrde thematisch auch zur Reibungsstation passen Es lieszlige sich auch in eine eigene Station ausgliedern
Es soll festgestellt werden welche Reibungskraumlfte uumlberwunden werden muumlssen damit das Auto gleichmaumlszligig faumlhrt Bei den typischen Schuumllerautos liegt die Reibung im Bereich 100 mN und kann durch gleichmaumlszligiges Ziehen mit einem Kraftmesser groumlszligenordnungsmaumlszligig be-stimmt werden
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
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Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
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die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
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den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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Die zu messenden Kraumlfte liegen bei gut gebauten Autos in einer Groumlszligenordnung von 10 bis 30 mN sind also nicht so leicht zu messen Hier kann man den Versuchsaufbau so variieren dass eine Unterlage unter dem Auto weggezogen wird waumlhrend das Auto durch den Kraftmesser festgehalten wird Im optimalen Fall waumlhlt man fuumlr die Unterlage das Bodenmaterial Bewaumlhrt hat sich der elektronische Kraftmesser von Leybold aus der Cassy-Reihe der wohl aber nicht in vielen Sammlungen vorhanden sein duumlrfte (siehe Bild) Wie eine praktikable Anordnung mit Federkraftmessern bei sehr kleinen Kraumlften aussieht probieren wir gerade noch aus
Die Kraftanzeige schwankt deutlich so dass die Schuumller einen geeigneten Mittelwert finden muumlssen
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 KO1 W9
Experiment 2 Vergleich mit dem Anfahren auf einem Fahrrad
Dieses Experiment soll die physikalischen Verhaumlltnisse durch den Vergleich mit einer aumlhnli-chen den Schuumllern sehr bekannten Situation verdeutlichen Die Schuumller sollen aus dem Stand mit dem Fahrrad anfahren Zum Antrieb duumlrfen sie nur eine Viertelpedal-Umdrehung machen Durch systematisches Probieren und Messen sollen sie den Gang bestimmen bei dem sie die groumlszligte Weite erreichen In diesem Experiment wird als Energie die Lageenergie der Koumlrper-masse genutzt Die Schuumller duumlrfen nicht zusaumltzlich am Lenker ziehen da sonst keine einheitli-che Kraft waumlhrend der Experimente ausgeuumlbt wird Wuumlnschenswert waumlre ein Fahrrad mit Ket-tenschaltung bei dem am Pedal mehrere Ritzel zur Verfuumlgung stehen Die Schuumller sollen he-rausbekommen dass der groumlszligtmoumlgliche Gang in dem sich gerade noch anfahren laumlsst die groumlszligte Strecke bringt Dabei duumlrfen die Gruppenmitglieder helfen das Gleichgewicht zu hal-ten
In einem zweiten Schritt sollen die Schuumller die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Situa-tion am Mausefallenauto erkennen und auf einem AB auffuumlhren
Das Experiment koumlnnte auch als Hausaufgabe aufgegeben werden um die Unterrichtsstunde zu entlasten
Kompetenzen EG1 EG3 EG4 EG8 EG11 KO1 KO4 KO5 KO8 E1 E2 E4 E5 E6 E8W7 W9
Experiment 3
In diesen Experimenten sollen an zur Verfuumlgung gestellten Autos die optimalen Abmessungen gefunden werden Daher erfordert sie einige Vorbereitung da diese Autos gebaut werden muumlssen
Um einen reibungslosen Ablauf an den Stationen zu gewaumlhrleisten sollten bei einer Klassen-groumlszlige von 30 Schuumllern drei bis vier Autos bereit stehen Leider kann die angetriebene Achse nicht variiert werden sondern als Parameter bleiben nur der Abstand zwischen Mausefallen-achse und angetriebener Achse sowie die Hebellaumlnge uumlbrig Bei den Mausefallenautos die
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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zur Verfuumlgung gestellt werden sollten diese beiden Parameter leicht zu variieren sein ohne die restlichen Parameter des Autos wie Masse etc zu veraumlndern Die Autos sollen natuumlrlich moumlglichst robust sein aber nicht uumlbertrieben perfekt um die Schuumller nicht zu frustrieren Beim groumlszligtmoumlglichen Hebel und Abstand sollte Auto nicht anfahren waumlhrend bei den kleins-ten Abmessungen der Hebel mit Geschwindigkeit zuruumlck schnappen sollte
Es hat sich bewaumlhrt fuumlr den Koumlrper des Autos einen Holzleiste zu waumlhlen die man aus Ge-wichtsgruumlnden noch durchloumlchern kann Die Mausefalle versieht man dann an der Unterseite mit zwei gleich breiten Leisten so dass sie mit Hilfe einer Fluumlgelmutter einfach an jeder be-liebigen Stelle auf der Holzleiste des Autos befestigt werden kann Als Raumlder bieten sich CDs an die auch von den Schuumllern haumlufig gewaumlhlt werden Der Einbau von einfachen Kugellagern empfiehlt sich da das Auto ansonsten nur sehr kleine Abmessungen fahren kann Die Ge-samtabmessungen haumlngen von dem Durchmesser der Radachse ab Waumlhlt man Achse mit ei-nem Zentimeter Durchmesser sollte das Auto etwa einen halben Meter lang sein Waumlhlt man groumlszligere Achsendurchmesser muss das Auto entsprechend laumlnger werden Durch systemati-sches Probieren sollen die Schuumller die optimalen Abmessungen herausfinden
Kompetenzen EG1 EG4 EG8 EG9 KO 1 KO3 W7 W8 W9
Experimente 4 und 5 Die Hebelgesetze
Hier sollen die Schuumller das Hebelgesetz anhand von zwei Experimenten finden
Das erste Experiment entspricht der Situation am Hebel Das zweite Experiment der Situation an der angetriebenen Achse Anschlieszligend sollen sie durch eine Uumlberschlagsrechnung eine guumlnstige Hebellaumlnge fuumlr ihr eigenes Auto berechnen Experiment 4 laumlsst sich ohne Probleme in mehrfacher Ausfuumlhrung bereitstellen Experiment 5 wird man wohl nur in einfacher Aus-fuumlhrung aufbauen kann Das ist aber unproblematisch weil die Durchfuumlhrung sehr rasch von-statten geht Die Rechnung im Anschluss soll einen Hinweis auf guumlnstige Abmessungen an dem eigenen Auto liefern
An dieser Stelle wird nicht darauf eingegangen dass einerseits das Drehmoment welches die gespannte Feder auf die Mausefalle auswirkt linear mit dem Winkel abnimmt und anderer-seits das Drehmoment das der Faden auf die Mausefalle ausuumlbt ebenfalls mit dem Winkel variiert und zwar mit 1cos(α2) wobei α den Winkel des Hebels bezeichnet Fuumlr eine genaue-
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
28
E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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re Betrachtung siehe auch die Anlage Genau genommen muumlsste den Schuumllern also auffallen dass sie gar nicht die Kraft des Hebels messen koumlnnen da diese ja variiert Sie muumlssen also uumlberlegen welche Position hier sinnvoll ist Durch das Experiment 4 wird den Schuumllern nahe gelegt die Kraft in senkrechter Position des Hebels (das entspricht α = π2) im rechten Win-kel zum Hebel zu messen Also wuumlrde erst die Kraft FFadencos(π4) das Drehmoment der Fe-der ausgleichen Der Faktor 1cos(π4)asymp141 ist also nicht allzu weit von 1 entfernt und sichert andererseits dass das Drehmoment des Fadens uumlber den gesamten Winkelbereich nicht groumlszliger wird als das Drehmoment der Feder Starke Schuumller haben hier die Moumlglichkeit weiter zu experimentieren und die genauere Abhaumlngigkeit der Kraft vom Winkel zu untersuchen wobei eine genaue Beschreibung die mathematischen Kenntnisse in der Stufe 8 weit uumlberschreitet
Kompetenzen EG1 EG2 EG4 EG5 EG8 EG9 KO1 KO3 KO5 W7 W8 W9 W11
84 Geschwindigkeitsmessung
Die Station bdquoGeschwindigkeitsmessungldquo soll den Schuumllern ein weiteres Kriterium fuumlr die Leistungsfaumlhigkeit ihrer Mausefallenautos nahebringen Die Erfahrung hat gezeigt dass Mau-sefallenautos welche nicht besonders weit fahren (also das Hauptkriterium des Wettbewerbs nicht erfuumlllen) durchaus sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen koumlnnen So ist gewaumlhrleistet dass auch Gruppen weiterhin motiviert bleiben deren Gefaumlhrt keine hohe Reichweite erzielt
Das Thema Geschwindigkeit ist laut Kernlehrplan obligatorisch und sollte im Vorfeld der Reihe so weit behandelt worden sein dass die selbstaumlndige Messung und Berechnung der Geschwindigkeit im Mausefallenexperiment zur Festigung des Gelernten dienen kann
Die Messung der Geschwindigkeit des Mausefallenautos erfolgt mittels einer Zeitmessung per Stoppuhr auf einer mit Klebeband markierten Strecke die der halben maximalen Reichweite des Autos entspricht (aber mindestens 2 m damit eine sinnvolle Zeitmessung noch moumlglich ist) Es sollen fuumlnf Zeiten aufgenommen werden (moumlglichst parallel mittels mehrer Stoppuh-ren welche von verschiedenen Gruppenmitgliedern bedient werden) da neben der Uumlbung experimenteller Kompetenzen auch die Mittelwertbildung von Messwerten eingefuumlhrt wird um den Schuumllern zu verdeutlichen dass Messwerte grundsaumltzlich schwanken Ferner wird diesbezuumlglich die Spannweite als einfach zu bestimmendes Fehlermaszlig eingefuumlhrt
Kompetenzen EG4 EG5 EG9 KO3 W8
85 Energiebilanz Spannenergie ndash Reibungsarbeit
In dieser Station sollen die Schuumller eine quantitative Energiebilanz aufstellen zwischen der Spannenergie der Feder und der Reibungsarbeit die waumlhrend der Fahrt des Autos geleistet wird Durch diesen Vergleich sollen sie berechnen wie weit ihr Auto maximal fahren kann Die relevante Formel ΔE= FΔs wird als Zitat aus dem Schulbuch vorgegeben Hier lassen sich natuumlrlich auch Formulierungen aus anderen Schulbuumlchern benutzen eventuell kann man das AB auch dahingehend aumlndern dass nur auf das Buch oder einen andere Quelle verwiesen wird Zunaumlchst soll einfach in diese Formel eingesetzt werden wobei fuumlr die Kraft der in der Station 4 bestimmte Wert der Reibungskraft benutzt werden soll Das Ausfuumlllen der Tabelle
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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soll zum einen an den Gebrauch der Formel gewoumlhnen und liefert zudem die Moumlglichkeit bei der anschlieszligenden Bilanzierung eine ungefaumlhr passende Weite aus der Tabelle rauszusuchen ohne die Formel nach Δs umstellen zu muumlssen Bei der Berechnung der Spannenergie tritt das Problem auf dass die Kraft nicht konstant ist Durch eine Beispielrechnung soll den Schuumllern ein Verfahren an die Hand gegeben werden mit dem sie mit dieser Schwierigkeit umgehen koumlnnen Da dieser Teil der Energiebilanz deutlich schwieriger ist wurde er an die zweite Stel-le gestellt Die Messwerte fuumlr die Kraumlfte sollen die Schuumller aus der Station Hookesches Gesetz uumlbernehmen
Kompetenzen EG2 EG5 EG9 KO1 KO4 KO5 EG11 E1 E2 E4 E5 E6 E8
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9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
27
BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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28
E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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29
Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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22
9 Bewertung
Der Bau des Mausefallenautos geschieht in Partner- bzw Gruppenarbeit Dementsprechend sollte diese bei der Bewertung auch entsprechend durch die Zuhilfenahme bekannter Kriterien (Zuumlgiges Arbeiten Vorhandensein der Materialien Beachtung der Arbeitsanweisungen Zu-sammenarbeit innerhalb der Gruppe usw) beruumlcksichtigt werden Daruumlber hinaus sollten die Fuumlhrung des Teamheftes die Bearbeitung der einzelnen Stationen und die erreichte Wegstre-cke des Mausefallenautos als Qualitaumltsmerkmal in die Bewertung maszliggeblich einflieszligen Na-tuumlrlich kann dieses Spektrum nach Belieben angepasst werden zB koumlnnte auch das schoumlnste Mausefallenauto gekuumlrt werden
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23
10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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24
hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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25
11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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27
BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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28
E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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29
Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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23
10 Impressionen des Projekts am Leibniz
Es wird konstruierthellip
hellipjustierthellip
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hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
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11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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26
EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
27
BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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28
E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
29
Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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24
hellipdiskutierthellip
hellipund optimiert
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25
11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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26
EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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27
BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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28
E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
29
Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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25
11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I
Prozessbezogene Kompetenzen
Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung
Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen
EG1 beobachten und beschreiben physikalische Phaumlnomene und Vorgaumlnge und unterschei-den dabei Beobachtung und Erklaumlrung
EG2 erkennen und entwickeln Fragestellungen die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind
EG3 analysieren Aumlhnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche
EG4 fuumlhren qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch protokollieren diese verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Taumltigkeit und idealisieren gefundene Messdaten
EG5 dokumentieren die Ergebnisse ihrer Taumltigkeit in Form von Texten Skizzen Zeichnun-gen Tabellen oder Diagrammen auch computergestuumltzt
EG6 recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und wer-ten die Daten Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus
EG7 waumlhlen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen pruumlfen sie auf Relevanz und Plausibilitaumlt ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten- und situationsge-recht
EG8 stellen Hypothesen auf planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Uumlber-pruumlfung fuumlhren sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Ruumlckbezug auf die Hypothesen aus
EG9 interpretieren Daten Trends Strukturen und Beziehungen wenden einfache Formender Mathematisierung auf sie an erklaumlren diese ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf
EG10 stellen Zusammenhaumlnge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserschei-nungen her grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen
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26
EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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27
BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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28
E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
29
Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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26
EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen
Kompetenzbereich Kommunikation
Informationen sach- und fachbezogen erschlieszligen und austauschen
KO1 tauschen sich uumlber physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter ange-messener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus
KO2 kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begruumlndet so-wie adressatengerecht
KO3 planen strukturieren kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit auch als Team
KO4 beschreiben veranschaulichen und erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Ver-wendung der Fachsprache und Medien ggfs mit Hilfe von Modellen und Darstellun-gen
KO5 dokumentieren und praumlsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachge-recht situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Me-dien
KO6 veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen mathematischen oder (und) bild-lichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge
KO7 beschreiben und erklaumlren in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungs-gehalt von fachsprachlichen bzw alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien
KO8 beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geraumlte und deren Wirkungsweise
Kompetenzbereich Bewertung
Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen beurteilen
und bewerten
BW1 beurteilen und bewerten an ausgewaumlhlten Beispielen empirische Ergebnisse und Mo-delle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten
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27
BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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28
E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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29
Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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27
BW2 unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maszligstaumlbe zwischen be-schreibenden Aussagen und Bewertungen
BW3 stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind
BW4 nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewaumlhl-te Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicher-heitsmaszlignahmen bei Experimenten im Alltag
BW5 beurteilen an Beispielen Maszlignahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung
BW6 benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhaumlngen an ausgewaumlhlten Beispielen
BW7 binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhaumlnge ein entwickeln Louml-sungsstrategien und wenden diese nach Moumlglichkeit an
BW8 nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewer-tung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhaumlnge
BW9 beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells
BW10 beschreiben und beurteilen an ausgewaumlhlten Beispielen die Auswirkungen menschli-cher Eingriffe in die Umwelt
Konzeptbezogene Kompetenzen
Die Zahlen 6 bzw 9 unter den Kuumlrzeln in der linken Spalte geben die Jahrgangsstufe an bis zu der die entsprechende Kompetenz erreicht werden soll Zwischen den im Kernlehrplan genannten Stufen I und II wird in dieser Darstellung nicht unterschieden
Basiskonzept ldquoEnergierdquo
E1
6
an Vorgaumlngen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen
E2
6
in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energie-erhaltung zugrunde legen
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E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
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29
Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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28
E3
6
an Beispielen zeigen dass Energie die als Waumlrme in die Umgebung abgegeben wird in der Regel nicht weitergenutzt werden kann
E4
6
an Beispielen energetische Veraumlnderungen an Koumlrpern und die mit ihnen verbundenen Energieuumlbertragungsmechanismen einander zuordnen
E5
9
in relevanten Anwendungszusammenhaumlngen komplexere Vorgaumlnge energetisch be-schreiben und dabei Speicherungs- Transport- Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen
E6
9
die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erlaumlutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen
E7
9
die Verknuumlpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z B in Fahrzeugen Waumlrmekraftmaschinen Kraftwerken usw) erkennen und beschreiben
E8
9
an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen
E9
9
den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energie-umsetzung durch Kraftwirkung Arbeit) Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen
E10
9
Temperaturdifferenzen Houmlhenunterschiede Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen fuumlr und als Folge von Energieuumlbertragung an Beispielen aufzeigen
E11
9
Lage- kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch uumlbertragene Energie (Waumlrmemenge) unterscheiden formal beschreiben und fuumlr Be-rechnungen nutzen
E12
9
beschreiben dass die Energie die wir nutzen aus erschoumlpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann
E13
9
die Notwendigkeit zum bdquoEnergiesparenldquo begruumlnden sowie Moumlglichkeiten dazu in ihrem persoumlnlichen Umfeld erlaumlutern
E14
9
verschiedene Moumlglichkeiten der Energiegewinnung -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen wirtschaftlichen und oumlkologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanzdiskutieren
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
29
Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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29
Basiskonzept ldquoStruktur der Materierdquo
M1
6
an Beispielen beschreiben dass sich bei Stoffen die Aggregatzustaumlnde durch Aufnahme bzw Abgabe von thermischer Energie (Waumlrme) veraumlndern
M2
6
Aggregatzustaumlnde Aggregatzustandsuumlbergaumlnge auf der Ebene einer einfachen Teil-chenvorstellung beschreiben
M3
9
verschiedene Stoffe bzgl ihrer thermischen mechanischen oder elektrischen Stoffei-genschaften vergleichen
M4
9
die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfaumlhigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Huumllle-Modells erklaumlren
M5
9
Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben
M6
9
die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben
M7
9
Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Roumlnt-genstrahlung nennen
M8
9
Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben
M9
9
Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarte identifizieren
M10
9
Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Roumlntgenstrahlung bewerten
Basiskonzept ldquoSystemrdquo
S1
6
den Sonnenstand als eine Bestimmungsgroumlszlige fuumlr die Temperaturen auf der Erdoberflauml-che erkennen
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
6
an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
6
geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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Mechanik Das Mausefallenrennen Klasse 8
30
S2
6
Grundgroumlszligen der Akustik nennen
S3
6
Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erlaumlutern
S4
6
an Beispielen erklaumlren dass das Funktionieren von Elektrogeraumlten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt
S5
6
einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen
S6
9
den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklaumlren (z B Kraftwerke medizinische Geraumlte Energieversorgung)
S7
9
Energiefluumlsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben
S8
9
die Spannung als Indikator fuumlr durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschrei-ben
S9
9
den quantitativen Zusammenhang von Spannung Ladung und gespeicherter bzw um-gesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgaumlnge in Stromkreisen nutzen
S10
9
die Beziehung von Spannung Stromstaumlrke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden
S11
9
umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstaumlrke bestimmen
S12
9
technische Geraumlte hinsichtlich ihres Nutzens fuumlr Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen
S13
9
die Funktion von Linsen fuumlr die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben
S14
9
technische Geraumlte und Anlagen unter Beruumlcksichtigung von Nutzen Gefahren und Be-lastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erlaumlutern
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
6
Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
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an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
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geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
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die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
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den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
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31
S15
9
die Funktionsweise einer Waumlrmekraftmaschine erklaumlren
Basiskonzept ldquoWechselwirkungrdquo
W1
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Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklaumlren
W2
6
Schwingungen als Ursache von Schall und Houmlren als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren
W3
6
geeignete Schutzmaszlignahmen gegen die Gefaumlhrdungen durch Schall und Strahlung nennen
W4
6
beim Magnetismus erlaumlutern dass Koumlrper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder absto-szligende Wirkung aufeinander ausuumlben koumlnnen
W5
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an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden
W6
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geeignete Maszlignahmen fuumlr den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben
W7
9
Bewegungsaumlnderungen oder Verformungen von Koumlrpern auf das Wirken von Kraumlften zuruumlck-fuumlhren
W8
9
Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Groumlszligen beschreiben
W9
9
die Wirkungsweisen und die Gesetzmaumlszligigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben
W10
9
Druck als physikalische Groumlszlige quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden
W11
9
Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren
Netzwerk Fachliche Unterrichtsentwicklung Physik Leibniz-Gymnasium Essen
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32
W12
9
die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben
W13
9
Absorption und Brechung von Licht beschreiben
W14
9
Infrarot- Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung be-schreiben
W15
9
experimentelle Nachweismoumlglichkeiten fuumlr radioaktive Strahlung beschreiben
W16
9
die Wechselwirkung zwischen Strahlung insbesondere ionisierender Strahlung und Materie sowie die daraus resultierenden Veraumlnderungen der Materie beschreiben und damit moumlgliche medizinische Anwendungen und Schutzmaszlignahmen erklaumlren
W17
9
die Staumlrke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funkti-onsweise einfacher elektrischer Geraumlte darauf zuruumlckfuumlhren
W18
9
den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklaumlren
W19
9
den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklaumlren