Kraft als Wechselwirkungsgröße in der Sekundarstufe l
Von Herbert Bohr, Reinders Duit, Claus Holzamer und Hans-Dieter v. Zelewski
(Bron: Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie; Heft 34:Kraftbegriff; Mai 1988;
Fachzeitschriften bei Friedrich in Velber in Zusammenarbeit mit Klett, 3016 Seelze)
Zu diesem Beitrag
Im Basisartikel dieses Themenheftes ist erläutert worden, daß es seit einigen Jahren Bemühungen gibt, den traditio- nellen Weg zum Kraftbegriff in der Se- kundarstufe l zu verändern. Dieser war weitgehend auf den "statischen" Aspekt ("Kräfte können etwas verformt halten") beschränkt und Kraft wurde eher als Vermögen, gewisse Wirkungen zu verur- sachen, angesehen. "Neue" Wege da- gegen tragen von vornherein auch dem
"dynamischen" Aspekt Rechnung ("Kräfte können Bewegungen ändern") und Kraft wird als Wechselwirkungsbe- griff eingeführt.
Im vorliegenden Beitrag wollen wir einen dieser "neuen" Wege aus unterschiedli- chen Perspektiven beleuchten. Zu- nächst werden zwei Lehrbuchautoren (R. Duit und H. D. v. Zelewski) den Weg vorstellen, den sie in einem Lehrbuch für die Realschule [1] gegangen sind. Aus Lehrersicht beschreiben dann H. Bohr und C. Holzamer Erfahrungen bei der Arbeit mit diesem Lehrbuch.
Das folgende Konzept ist für die Real- schule und dort für das 7. Schuljahr vor- gesehen, also für die erste Begegnung der Schüler mit dem Kraftbegriff. Es scheint uns aber, mit einigen kleinen Änderungen, auch für die anderen Schularten geeignet zu sein.
Gegenseitige Einwirkung als Ausgangspunkt
Die Texte und Abbildungen, die rechts auf dieser Seite (s. Abb. 1) wiedergege- ben sind, dienen in unserem Lehrbuch zur "Einstimmung" der Schüler auf den
physikalischen Kraftbegriff. Das Augen- merk wird auf das gegenseitige Einwir- ken von Körpern gerichtet. Diese Idee geben wir den Schülern als erste Orien- tierung auf dem Weg zum physikali- schen Kraftbegriff mit. Angemerkt sei, daß der Begriff des "Körpers" den Schü- lern aus vorangegangenen Kapiteln des Lehrbuchs bereits bekannt ist.
Anhand von Experimenten werden die gegenseitigen Einwirkungen näher her- ausgearbeitet. Zunächst experimentie- ren wir mit einer Eisenkugel und einem Stabmagneten (s. Abb. 2). Rollt die Kugel am ruhenden Magneten vorbei, so wird sie deutlich in ihrer Bahn abgelenkt, der Magnet wirkt auf sie ein und "zieht sie an". Daß aber auch die Eisenkugel den Magneten anzieht, erkennt man, wenn man ihn auf Rollen lagert. Nun bewegen die beiden Körper sich aufeinander zu, sie wirken gegenseitig aufeinander ein.
Auch ein Radiergummi zeigt uns gegen- seitiges Aufeinandereinwirken: Vom Radiergummi lösen sich Teile, das Pa- pier wird aufgerauht.
Wenn sich das Konzept des Gegenseiti- gen-Aufeinander-Einwirkens an einigen überzeugenden Beispielen gefestigt hat, kann man dazu übergehen, es auch dort anzuwenden, wo die "Wechselwir- kungspartner" weniger deutlich zu er- kennen sind. Ein Stein hängt an einem Faden, der Faden wird durchgeschnit- ten, der Stein fällt der Erde entgegen (s.
Abb. 3).
Welche Körper wirken aufeinander ein?
Überall um uns herum wirken Körper aufeinander ein, und es treten dabei Kräfte auf. Die Abbildungen zeigen einige Beispiele. So wirken bei einem Unfall Autos aufeinander ein und wer- den dabei verformt.
Auch der Junge und der Expander wirken aufeinanderein. Der Expander wird gedehnt, und der Junge spürt die Anstrengung. Junge und Expan- der üben dabei Kräfte aufeinander aus.
Das Wort Kraft hat in der Umgangs- sprache vielerlei Bedeutungen. So sagt man z. B., daß jemand Kraft habe, und meint damit, daß er fähig sei, z. B. schwere Gegenstände zu heben. Wir sprechen sogar von Gei- stes- oder Sehkraft als Fähigkeiten des Menschen. In der Physik hat das Wort Kraft nur eine Bedeutung: man verwendet es nur in Situationen, in denen Körper aufeinander einwirken.
Das Konzept zur Einführung des
Wechselwirkungsaspekts in einem Lehrbuch
(R. Duit, H.D. von Zelewski)
(Fast)
ein Erprobungsbericht
(H. Bohr, C. Holzamer) Hier müssen wir den Schülern sagen,
daß die Erde den Stein anzieht und daß der Stein seinerseits die Erde anzieht.
Wir argumentieren im Lehrbuch an die- ser Stelle wie folgt:
Kräftegleichgewicht
Greifen an einem Körper zwei entge- gengerichtete Kräfte an, so sind sie gleich groß, wenn der Körper in Ruhe bleibt.
Diese Erkenntnis, die in ähnlicher Weise üblicherweise im Physikunterrichtformu- liert wird, gibt uns Gelegenheit, das Wechselwirkungskonzept zu vertiefen (s. Abb. 4).
Wir gehen aus vom Stein, der an einem
Unterrichtsmodell
Auch der Stein zieht die Erde an: Das klingt merkwürdig, ist aber tatsäch- lich so. Die Erde hat, verglichen mit dem Stein, eine enorm große Masse.
Die kleine Kraft, mit der Erde und Stein aufeinander einwirken, ändert die Bewegung der Erde nur so wenig, daß man das nicht beobachten kann.
Wir bemerken deshalb nur, daß der Stein fällt.
Beispiele wie die vorstehend aufgeführ- ten führen zur Formulierung der folgen- den beiden zusammenfassenden
"Merksätze":
(1) Das gegenseitige Einwirken von Körpern aufeinander beschreibt man in der Physik durch Kräfte.
(2) Das Wirken physikalischer Kräfte zwischen Körpern erkennt man dar- an, daß Körper verformt werden, daß sie in Bewegung geraten oder daß sich ihre Bewegung ändert.
Faden hängt.Stein und Erde wirken aufeinander ein. Da der Stein erst fällt, wenn der Faden durchgeschnitten wird, muß eine andere Kraft vorhanden sein, die der Anziehungskraft entgegenwirkt:
der Faden muß ebenfalls auf den Stein einwirken. Es ist hier also ein weiterer Wechselwirkungspartner im Spiel. Man erkennt dies deutlicher, wenn man den Faden durch eine Feder ersetzt. Hier wird klar, daß der Stein auf die Feder (Dehnung) und die Feder auf den Stein (Hochhalten) einwirken. Daß auch beim Faden eine kleine Dehnung auftritt, muß man den Schülern hiersagen oderdurch ein Gummiband als "Zwischenstück"
verständlich machen.
Kraftpfeile
Wir unterstützen unser Konzept durch eine konsequente paarweise Verwen- dung von Kraftpfeilen. Sie greifen an beiden Wechselwirkungspartnern an und sind entgegengesetzt gerichtet (s.
die Kraftpfeile in Abb. 5).
Weitere Ausarbeitung des Wechsel- wirkungskonzepts
Die Grundlage, die nunmehr gelegt ist, reicht im Prinzip für den Physikunterricht der Sekundarstufe l aus. Das Konzept muß allerdings konsequent weiterbe- nutzt werden, damit es sich ausschärft und dadurch festigt. Zugestanden sei, daß es Lehrern nicht immer leichtfällt, das Wechselwirkungskonzept konse- quent durchzuziehen, da man doch sehr in der gewohnten Terminologie verhaftet ist. Einige Aussagen klingen z. B. zu- nächst ungewohnt, in manchen Fällen sind sie auch etwas umständlicher als die Aussagen im Rahmen des gewohn- ten Weges zum Kraftbegriff. H. Bohr und C, Holzamer werden im nachfolgenden Teil auf diese und einige andere Schwie- rigkeiten zu sprechen kommen.
Vorgeschichte
Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Lernschwierigkeiten bei der Einführung und dem Gebrauch des Kraftbegriffes im Physikunterricht der Sekundarstufe l zu verringern, entstand vor zwei Jahren die Vorstellung, die im Lehrbuch "Um- welt: Physik" zugrundegelegte Konzep- tion der Einführung der Kraft als Wech- selwirkungsgröße einmal auszuprobie- ren. Wir entschlossen uns, dazu anhand des Lehrbuchs - und angepaßt an das schulinterne Curriculum eine Unter- richtsreihe zu konzipieren und durchzu- führen.
Die Unterrichtsreihe wurde für die Jahr- gangsstufe 7 oder 8 geplant und umfaß- te 5 Doppelstunden. Sie wurde im Schul- jahr 1986/87 einmal in einer 7. Klasse und dreimal in 8. Klassen (nichtdifferen- zierte Lerngruppen einer integrierten Gesamtschule) durchgeführt.
Der nachfolgende Erprobungsbericht entstand dann eher zufällig denn als vorab geplante Beschreibung der Erpro- bung dieses Konzeptes. Wir - die Ver- fasser - haben ihn demzufolge nicht in dieser Absicht geschrieben, sondern sehen ihn eher als Bericht aus der schu- lischen Praxis, die normalerweise unter ungünstigeren Umständen als eine gut vorbereitete Erprobung abläuft. Dieser Umstand bedeutet u. a.:
- Wir haben keine ausführliche Dokumen- tation und Auswertung der Unterrichtsrei- he erstellt.
- Wir gehen nicht auf pädagogische und methodische Probleme des Unterrichts in undifferenzierten Lerngruppen an inter- grierten Gesamtschulen ein.
- Wir betrachten unser Vorgehen als Bei-
spiel dafür, wie neue Konzeptionen aus Lehrbüchern von Lehrern in Unterrichts- praxis umgesetzt werden und welche Pro- bleme sich dabei ergeben können.
Kurzbeschreibung 1. Doppelstunde
Der Lehrer stellte das Thema kurz vor.
Zunächst sollten die Schülerinnen und Schüler Worte und Situationen auf- schreiben, die sie mit dem Wort "Kraft"
assoziieren. Nach dem Erstellen der Wortliste an der Tafel wurde der Lehr- buchtext (s. in Abb. 1) gelesen und anhand der Bilder geklärt, was damit gemeint ist. Ein entsprechender Merk- satz wurde aufgeschrieben. Daran an- schließend wurde die Wortliste der Schü- ler unter diesem Aspekt betrachtet, um physikalischen und nichtphysikalischen Gebrauch des Wortes Kraft zu unter- scheiden. Es blieben meist nur Worte wie Muskelkraft, Magnetkraft, Schubkraft u.a. übrig, wobei in manchen Fällen nicht sofort entschieden werden konnte (z. B.
"Waschkraft": Das Waschmittel wirkt auf die Wäsche ein!).Diese Situation führte zu der Frage: Woran erkennen wir, ob zwei Körper aufeinander einwirken?
Dazu wurden folgende Schülerversuche (z. T. arbeitsteilig) durchgeführt:
- Eine Eisenkugel rollt an einem Stab- magneten vorbei (vgl. Abb. 2).
- Stabmagnet und Eisenstück auf Rollen werden einander genähert (vgl. Abb. 2).
- Ein Radiergummi reibt über Papier.
- Zwei Plastikfolien werden aneinander gerieben.
- Eine Schraubenfeder wird gedehnt.
- Eine magnetisierte und eine nichtmag- netisierte Büroklammer werden neben einander aufgehängt und einander ge- nähert.
Die Berichte der einzelnen Schülergrup- pen ergaben in etwa die auch im Lehr- buch angegebenen Aussagen.
2. Doppelstunde
Nach einer kurzen Wiederholung wurde Bezug auf die Gruppenberichte genom- men. Um die bislang gewonnenen Ein- sichten zu stabilisieren und den Sprach- gebrauch zu festigen, bearbeiteten die Schüler ein Arbeitsblatt, das neun ver- schiedene Situationen des gegenseiti- gen Einwirkens von Körpern zeigte (Schrottpresse, Kopfball beim Fußball- spiel, Junge mit Expander, 3 Personen schieben ein Auto an, ein Auto überholt ein anderes, Junge fährt Fahrrad, Kugel- stoßer, Torwart fängt Ball, Bobfahrer schieben den Bob an). Sie sollten die jeweils aufeinander einwirkenden Kör- per benennen und anhand vorformulier- ter Sätze entscheiden, welche davon für zwei vorgegebene Gruppen von Abbil-
dungen zutreffen.
Um weitere physikalische Kräfte ken- nenzulernen, lenkte der Lehrer durch einen kleinen Freihandversuch (große Knetkugel fällt aus 2 m Höhe zu Boden) die Aufmerksamkeit auf die Gewichts- kraft. Fast alle Lernenden konnten auf Nachfrage erkennen und ausdrücken, daß eine Kraft wirken muß. Einige warte-
ten auch schon mit dem Begriff "Mas- senanziehung" auf. Diese Einsicht wur- de durch Lesen des Lehrbuchtextes (s.
o.) und Betrachten der entsprechenden Abbildung gefestigt. Anschließend wur- de daran die Möglichkeit erörtert, Kräfte
zeichnerisch durch Pfeile zu kennzeich-
nen, wobei immer Pfeile an beide Körper
gezeichnet wurden. Die Schülerinnen und Schüler übten dies an drei weiteren
Beispielen, indem sie entsprechende Skizzen anfertigten.
3. Doppelstunde
In dieser Unterrichtssequenz lernten die
Schülerinnen und Schüler die Kraftein- heit 1 N und den Federkraftmesser als entsprechendes Meßgerät kennen.
Etli-
che fragten ziemlich schnell nach, wieso
das nötig sei, da es doch die Einheit 1 kg
für Gewichte schon gäbe. Der Lehrer betonte die Bedeutung und Schwierig- keit dieser Frage und verwies auf die nächste Stunde. Anschließend hatten die Lernenden Gelegenheit, Kräfte zu messen und zu vergleichen (z. B.
Mus-
kelkräfte von Armen und Fingern, Kraft
zum Drücken einer Türklinke, Kraft zwi-
sehen Hufeisenmagnet und Eisenstück, Zerreißproben für Fäden und Haare, Gewichtskraft verschiedener Körper).
4. Doppelstunde
Die Tatsache, daß auf einen Körper der Masse 1 kg die Gewichtskraft 10 N wirkt, hatte in der vorhergehenden Stunde zur Frage nach dem Sinn dieser Unterschei- dung Anlaß gegeben. Wir gingen hier unterschiedlich vor:
a) Wir versuchten zunächst auf dem üblichen Wege (Masse im Sinne von Menge, obwohl das nicht ganz korrekt ist, vgl. Basisartikel), den Unterschied herauszuarbeiten. Dabei erwies sich das Wechselwirkungsprinzip als sehr hilfreich: Neben dem anschaulichen Aspekt (etwa beim Vergleich "Masse und Gewichtskraft auf Erde und Mond") stellte sich auch für viele Schüler heraus,
daß die Gewichtskraft die Folge des Einwirkens zweier Körper ist: ein Körper hat immer eine Masse, eine Gewichts- kraft stellt sich erst ein, wenn er sich auf einem Himmelskörper befindet. Für bei- de Größen gibt es demzufolge auch unterschiedliche Meßgeräte. Diese Er- kenntnisse konnten die Lernenden an- hand eines Arbeitsblattes "Gewichts- kraft und Masse auf verschiedenen Himmelskörpern" stabilisieren.
b) In einer Lerngruppe, indersich etliche Schülerinnen und Schüler nicht mit die- ser Unterscheidung zufriedengeben wollten, wurde in einem zweiten Schritt
Eisenkugel an, nicht aber umgekehrt (weil sie den Magneten eben als den
"aktiven" Teil des Systems betrachten).
Anschließend ist dieser Umstand plausi- bel und hilfreich, aber sprachlich auf- wendig.
Auch für uns Lehrer ergaben sich einige Sprachprobleme, da wir oft versucht waren, in die bisher übliche Sprechwei- se (Kräfte als "handelnde" Objekte) zu verfallen und auch so zu argumentieren.
Im Lehrbuch ist der eingeschlagene Weg nach unserer Meinung auch nicht konsequent verfolgt, da bei der Kräfte- gleichheit genau diese Schwierigkeit auftaucht.
In Situationen, in denen man es mit mehr als zwei Körpern zu tun hat, läßt sich das Konzept ebenfalls durchhalten; Schwie- rigkeiten ergeben sich allerdings, wenn man die entsprechenden Kraftpfeile einzeichnen will - es wird ein bißchen unübersichtlich. Will man später auf die übliche Vektoraddition von Kräften hin- aus, muß ein entsprechender Übergang zu der vereinfachenden Betrachtungs- weise vorgenommen werden.
Auch beim Verständnis der Gewichts- kraft bringt das Konzept Verbesserun- gen: Den meisten Schülern fiel es nicht schwer, die Situation zu durchschauen.
Allerdings sind damit die Probleme bei der Unterscheidung Masse - Gewichts- kraft noch nicht ganz behoben, da der Begriff Masse eben außerhalb des Kon- zeptrahmens liegt. Das gleiche gilt für die Frage, ob das Trägheitsprinzip schon in Jahrgangsstufe 7 oder 8 sinn- voll und für die meisten Schüler ver- ständlich vermittelt werden kann.
Insgesamt sind unsere Erfahrungen positiv, so daß wir dieses Konzept beibe- halten und inhaltlich und unterrichtsme- thodisch weiterentwickeln möchten.
Unterrichtsmodell
versucht, die Trägheit als besondere Eigenschaft von Körpern genauer her- auszuarbeiten. Dazu wurde auf den ent- sprechenden Lehrbuchtext (s. Abb. 6) zurückgegriffen. Andererseits wurde die Massenanziehung näher erörtert (z. B.
daß sie von der Entfernung der beiden Körper abhängt). In dieser Lerngruppe brauchten wir dadurch eine Unterrichts- stunde mehr.
Ein Körper ändert seine Bewegung nicht, solange kein anderer Körper auf ihn einwirkt.
Immer wenn ein Körper seine Bewe- gung ändert, wirkt ein anderer auf ihn ein.
Abb. 6: Lehrbuchtext zur Trägheit Wir hatten aber in allen Lerngruppen den Eindruck, daß es uns bei vielen Schüle- rinnen und Schülern nicht gelungen war, den Sinn der Unterscheidung dauerhaft transparent zu machen.
5. Doppelstunde
Ausgehend von der im Lehrbuch be- schriebenen Situation (Fahrzeuge blei- ben stehen, wenn sie nicht mehr ange- trieben werden), sollten die Schüler die Reibung als Kraft erkennen (sie bremst die Bewegung des Körpers), was vielen zunächst erhebliche Schwierigkeiten bereitete. Am Beispiel der Bremsen wurde anschließend erörtert, wie sich die Reibung vergrößern oder verkleinern läßt. Um dies näher zu untersuchen, wurden entsprechende Versuche zur Haft-, Gleit- und Rollreibung durchge- führt (arbeitsteilig). Als Ergebnis wurde die Reihenfolge Haftreibungskraft >
Gleitreibungskraft > Rollreibungskraft herausgestellt. Um zu einer etwas tiefer- gehenden Erklärung für diese Unter- schiede zu gelangen, wurde das übliche mikroskopische Modell (Verhaken der Auflageflächen) herangezogen.
Abschließend wurde ein Lehrbuchtext zu erwünschter und unerwünschter Rei- bung gelesen und Rückfragen zu den einzelnen Beispielen erörtert.
Kritische Würdigung (1) Zur Unterrichtsreihe
Wir haben mit Absicht versucht, die Unterrichtsreihe sehr kompakt anzule- gen, da das Gebiet Mechanik in der Sekundarstufe l bei den Schülerinnen und Schülern noch nie beliebt war und wir auch große Zweifel daran hatten, ob das Trägheitsprinzip in der Jahrgangs- stufe 7 oder 8 den meisten unserer Schü- ler vermittelbar ist. Nach unseren Beob- achtungen und Erfahrungen wurden einige Verbesserungen erzielt, aber ins- gesamt bleibt das Gebiet nach wie vor nicht sonderlich interessant für die Schü- ler. Beim nächsten Mal werden wir viel- leicht noch folgendes ändern:
-die Trägheit von Körpern von vorneweg stärker betonen und gründlicher heraus- arbeiten. Allerdings sind wir geteilter Ansicht, ob dies z. B. hinsichtlich Ge- wichtskraft und Masse wirklich Lern- schwierigkeiten beseitigt oder eher neue aufbaut.
- für die Reibungskräfte ebenfalls etwas mehr Zeit nehmen, da vielen Schülern z.B. die Aufteilung in drei Arten so schnell nicht klarzumachen zu sein scheint.
Damit würde sich der Stundenbedarf auf 6 bis 7 Doppelstunden erhöhen.
(2)Zum Konzept
Nach unseren Erfahrungen hat sich die Einführung der Kraft als Wechselwir- kungsgröße als überraschend tragfähi- ges Konzept herausgestellt. Allerdings bereitete die sprachliche Fassung die- ser Einsicht den meisten Schülern zu- nächst Schwierigkeiten, vor allen Dingen deswegen, weil "Kräfte" eben keine konkreten, "handelnden" Objekte sind, sondern Abstraktionen, meist "Ursa- chen" bestimmter "Wirkungen".
Die Tatsache des gegenseitigen Einwir- kens von Körpern ist den Lernenden zunächst durchaus neu. Die meisten sagen spontan: Der Magnet zieht die
Literatur
[1] Umwelt: physik. Stuttgart: Klett, 1983
