Der Turner

• Lesen Sie sich das Online-Material für Schülerinnen und Schüler durch. Zeigen Sie diese Materialien im Unterricht mit einem Beamer.
• Sie können das Turner-Modell auch vor dem Unterricht vorbereiten. So helfen Sie Teams, die beim Bauen noch Schwierigkeiten haben.
• Es ist wichtig, dass Sie die relevanten Konzepte (d. h. die drei Newtonschen Gesetze) im Unterricht bereits besprochen haben.
• Berücksichtigen Sie dabei die Fähigkeiten und den Lernstand aller Schülerinnen und Schüler. Differenzieren Sie die Aufgabe, damit alle einen Zugang dazu finden. Siehe dazu auch die Vorschläge zur Differenzierung im Abschnitt unten.

• Sehen Sie sich das Schülervideo hier an oder öffnen Sie es über das Online-Material für Schülerinnen und Schüler.

• Regen Sie eine kurze Diskussion über die Kraft an, mit der ein Turner auf dem Reck hin- und herschwingt.
• Stellen Sie Fragen, wie zum Beispiel:
  • Welche Art von Kraft ist erforderlich, um den Turner in Bewegung zu versetzen? (Turner nutzen ihre Muskeln, um sich mithilfe von Schub- und Zugkräften nach vorn zu schwingen und so die Erdanziehungskraft zu überwinden, die sie nach unten zieht.)
  • Wie bleibt der Turner in Bewegung? (Das erste Newtonsche Gesetz besagt, dass ein in Bewegung befindlicher Körper so lange konstant in Bewegung bleibt, bis eine äußere Kraft auf ihn einwirkt. Wenn der Turner aufhört, sich mit seinen Muskeln anzuschieben, werden der Widerstand und die Reibung zwischen seinen Händen und dem Reck dazu führen, dass er aufhört, zu schwingen. Da die Erdanziehungskraft ihn nach unten zieht, bleibt er hängen.)
• Erzählen Sie der Klasse, dass sie ein Auto bauen werden, das von einem Turner angetrieben wird.
• Geben Sie jedem Team ein Set.

• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler in Zweierteams das Turner-Modell bauen. Sagen Sie ihnen, dass sie sich abwechseln sollen: Einer fängt an, die Steine herauszusuchen, während der andere baut. Nach jedem Schritt wird gewechselt.
• Es dauert etwa 15 bis 20 Minuten, dieses Modell zu bauen. Wenn sie fertig sind, lassen Sie die Teams ihre Modelle an einem geeigneten Platz ausprobieren.
• Zusätzliche Unterstützung finden Sie im Abschnitt Tipps unten.
• Lassen Sie sie als Nächstes die drei Experimente durchführen, die im Schülermaterial beschrieben sind.

Experiment 1:

• Lassen Sie die Teams mit einem Streifen Kreppklebeband eine Linie vorbereiten und dann den Turner schwingen, während die Sperrklinken eingeklappt sind. Dabei sollen sie beobachten, was passiert.

Experiment 2:

• Lassen Sie die Teams als Nächstes untersuchen, wie sie das Auto mithilfe der Sperrklinken vorwärtsbewegen können.
• Lassen Sie die Teams die vordere Sperrklinke an ihren Autos nach unten klappen.
• Lassen Sie sie ihre Modelle an die Startlinie stellen, das Pendel in einem Winkel von 90 Grad nach hinten ziehen und dann loslassen.
• Lassen Sie sie die zurückgelegte Distanz des Autos mit einem LEGO^® Stein markieren, diese messen und dann auf ihrem Arbeitsblatt aufzeichnen (Unterstützung für Lehrkräfte - Zusätzliche Ressourcen).
• Lassen Sie sie nun vorhersagen, wie weit ihr Auto fahren wird, wenn sie das Pendel so weit wie möglich zurückziehen (d. h. etwa 160 Grad). Die vorhergesagte Distanz (p für „predicted“) sollen sie mit einem weiteren Stein markieren.
• Jetzt sollen sie überprüfen, ob ihre Vorhersage richtig war, und die tatsächliche zurückgelegte Strecke (a für „actual“) auf ihren Arbeitsblättern notieren (Unterstützung für Lehrkräfte - Zusätzliche Ressourcen).

Experiment 3:

• Lassen Sie die Teams beide Sperrklinken einklappen. Erklären Sie, dass sie als Nächstes beobachten sollen, was geschieht, wenn sie den Turner loslassen, während das Auto ihre Hand berührt.

• Versammeln Sie alle, damit die Teams ihre Beobachtungen austauschen können.  
• Stellen Sie Fragen, wie zum Beispiel:
  • Warum hat sich das Auto weiter vor- und zurückbewegt, während beide Sperrklinken eingeklappt waren? (Es bewegt sich vor und zurück, weil die Nettokraft gleich null ist.)
  • Welche Kräfte wirken hier? (Der Turner wird von der Erdanziehungskraft in Richtung Boden gezogen. Der Schwung des Pendels wirkt auf den Drehpunkt an der Oberseite. Auf die Räder und Achsen wirkt eine schwache Reibung. Daher bewegt sich das Auto leicht vor und zurück, während der Turner hin- und herschwingt. Die Vor- und Rückwärtsbewegungen sind ungefähr gleich, sodass sich das Auto praktisch nicht wegbewegt.)
  • Ist euch bei der Bewegung des Autos ein Muster aufgefallen? (Das Auto wird zwischen jedem Schwung des Turners langsamer.)
  • Warum verkürzt sich die zurückgelegte Distanz des Autos nach jedem Schwung? (Durch die auf die Räder und Achsen wirkende Reibung und den Luftwiderstand verliert das Pendel an Schwung, bis es schließlich zum Stillstand kommt. Der Turner bleibt dann am niedrigsten Punkt hängen.)
  • Wie hat sich ein stärkerer Schwung auf die zurückgelegte Distanz ausgewirkt? (Je stärker der Schwung, desto weiter fährt das Auto.)
  • Was ist passiert, als ihr den Turner losgelassen habt, während das Auto eure Hand berührt hat und die Sperrklinken nicht eingerastet waren? (Es entsteht eine gleich große, entgegengesetzte Kraft, die beim Anschieben gegen die Hand drückt und dadurch spürbar ist.)
  • Wenn die Schülerinnen und Schüler Schwierigkeiten haben, helfen Sie ihnen mit diesen Fragen:
    • Habt ihr es angeschoben?
    • Wie hat es sich dann bewegt?

• Falls die Zeit es noch erlaubt, können Sie die Teams herausfinden lassen, wie sie das Auto rückwärtsfahren lassen können.
• Geben Sie den Teams ausreichend Zeit, um die Modelle auseinanderzubauen, die Steine zurück in die Schale zu sortieren und ihre Arbeitsplätze aufzuräumen.

• Geben Sie allen Schülerinnen und Schülern einzeln Rückmeldung zu ihrer jeweiligen Leistung.
• Unterstützen Sie sie bei der Selbsteinschätzung.
• Zur Vereinfachung können Sie die jeweiligen Vorlagen unten verwenden.

Checkliste für Beobachtungen 

• Beurteilen Sie, wie gut die Schülerinnen und Schüler beschreiben können, wie die Masse eines Körpers und die darauf wirkenden Kräfte seine Bewegung beeinflussen können.
• Erstellen Sie eine geeignete Bewertungsskala, wie zum Beispiel: 
  1. Benötigt Hilfe
  2. Arbeitet eigenständig
  3. Kann anderen helfen

Selbsteinschätzung 

• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler selbst den Stein auswählen, der am besten ihrer Leistung entspricht: 
  • Grün: Mit etwas Hilfe kann ich beschreiben, wie Kraft und Masse die Bewegung eines Körpers verändern können. 
  • Blau: Ich kann beschreiben, wie Kraft und Masse die Bewegung eines Körpers verändern können.
  • Lila: Ich kann beschreiben und erklären, wie Kraft und Masse die Bewegung eines Körpers verändern können.

Feedback von Mitschülern

• Regen Sie die Schülerinnen und Schüler dazu an, einander Rückmeldung zu geben. Dazu können sie Folgendes tun:
  • Mit der oben aufgeführten Steine-Skala die Leistung des anderen beurteilen
  • Einander ihre Ideen vorstellen und konstruktives Feedback geben

Tipps Zum Modell

• Es kommt häufig vor, dass die Schülerinnen und Schüler Fehler beim Bauen der Arme des Turners machen (d. h. sie bauen sie verkehrt herum). Zeigen Sie ihnen ggf. ein fertiges Modell und weisen Sie auf die Unterschiede in der Bauweise hin.
• Erinnern Sie die Teams daran, dass sie die Löcher in den Balken und Platten zählen sollen, um die Steine richtig zu platzieren.

Um die Aufgabe zu vereinfachen, können Sie Folgendes tun:

• Die Teams nur die Experimente 1 und 3 durchführen lassen (d. h. die Sperrklinken überspringen)

Um die Aufgabe anspruchsvoller zu gestalten, können Sie Folgendes tun:

• Die Teams selbst herausfinden lassen, wie sie die Autos rückwärtsfahren lassen können, und dann das zweite Experiment wiederholen (vordere Sperrklinke einklappen und hintere Sperrklinke nach unten auf das Zahnrad drücken)
• Die Teams das Modell so umgestalten lassen, dass es noch weiter fährt (aber mit demselben Steingewicht als Pendelmasse)

(Hinweis: Die Erweiterungen erfordern zusätzliche Zeit.)
Um mathematische Fähigkeiten zu fördern, sollen die Teams den Turner in fünf verschiedenen Winkeln zurückziehen, während eine der Sperrklinken eingerastet ist. Lassen Sie sie dann die jeweils zurückgelegte Distanz notieren. Als zusätzliche Herausforderung können Sie die Teams die Starthöhe des Pendels und die zurückgelegte Distanz des Autos in einem Koordinatensystem aufzuzeichnen lassen. Lassen Sie sie erklären, wie der Graph aussieht und warum er diese Form hat.

In den Ressourcen für das hybride Lernen finden Sie die Schülerset-Aufgabe zum Herunterladen.