Skipiste

• Lesen Sie sich das Online-Material für Schülerinnen und Schüler durch. Zeigen Sie diese Materialien im Unterricht mit einem Beamer.
• Es ist wichtig, dass Sie das zweite Newtonsche Gesetz 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 Kräfte an, die auf einer Skipiste auf Skifahrer wirken.
• Stellen Sie Fragen, wie zum Beispiel:
  • Welche Kraft sorgt dafür, dass ein Skifahrer eine Piste hinabfährt? (Erdanziehungskraft)
  • Wie beeinflusst das Gewicht die Bewegung des Skifahrers? (Je größer das Gewicht, desto größer der Schwung)
• Erzählen Sie der Klasse, dass sie ein Modell einer Ski-Abfahrtspiste bauen werden.
• Geben Sie jedem Team ein Set.

• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler in Zweierteams das Skipisten-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.
• Zusätzliche Unterstützung finden Sie im Abschnitt Tipps unten.
• Beenden Sie die Bauphase nach 20 Minuten. Bis dahin sollten die Teams mindestens die Skifahrer und die Rampe mit der Skala zum Messen der Winkel gebaut haben (bis Schritt 25 auf S. 47). Sie können das pneumatische System auch später noch hinzufügen, falls die Zeit es erlaubt.

• Die Teams sollen sich eine glatte Oberfläche mit einer Länge von etwa einen Meter suchen und ihre Modelle an einem Ende aufstellen.
• Führen Sie vor, wie gewährleistet wird, dass der Test für die Skifahrer fair ist. Sie können darauf hinweisen, dass es sich dabei um ein Inertialsystem handelt.
• Fragen Sie: Würde dieses Experiment in einem Flugzeug, das 800 Kilometer pro Stunde fliegt, gleich ablaufen? (Ja. Auch wenn wir in diesem Klassenzimmer das Gefühl haben, stillzustehen, dreht sich die Erde mit einer Geschwindigkeit von etwa 1600 Kilometern pro Stunde. Wenn dieses Zimmer das Inertialsystem darstellt, bewegt sich das Modell sehr langsam. Wenn aber die Sonne das Inertialsystem darstellt, bewegt es sich im Vergleich dazu extrem schnell.)

Experiment 1:

• Lassen Sie die Teams den Winkel der Skipiste auf 20 Grad einstellen und dann die Skifahrer nacheinander hinunterfahren.
• Fordern Sie sie dazu auf, die von jedem Skifahrer zurückgelegte Distanz zu messen und die Werte auf ihren Arbeitsblättern oder in ihren Notizbüchern zu notieren. Im Idealfall sollen sie mindestens drei Durchläufe pro Skifahrer durchführen und dann für jeden die durchschnittliche Distanz berechnen.

• Versammeln Sie alle, damit jedes Team seine Modelle vorstellen kann.
• Stellen Sie Fragen, wie zum Beispiel:
  • Warum ist der schwerere Skifahrer am weitesten gefahren? (Die Masse des schwereren Skifahrers ist größer, daher hat er mehr Schwung und rutscht weiter.)
  • Was würde passieren, wenn ihr die Skier vom schweren Skifahrer abnehmen würde?
  • Versammeln Sie alle um eines der Modelle und führen Sie vor, dass er dann nicht mehr so weit fährt. (Die gebogenen Skier und die scharfe rechteckige Kante beeinflussen die zurückgelegte Distanz unterschiedlich, da sie die Reibung reduzieren, wenn sie unten von der Skipiste fahren.)

Experiment 2:

• Lassen Sie die Teams den Winkel der Skipiste nun auf 30 Grad einstellen und vorhersagen, bis wohin die einzelnen Skifahrer fahren werden. Dazu können sie verschiedenfarbige Steine an den Zollstock legen.
• Jetzt sollen sie die Skifahrer die Rampe hinunterfahren lassen und ihre Vorhersagen überprüfen. Lassen Sie sie die durchschnittliche Distanz für jeden Skifahrer berechnen (wie im vorherigen Experiment). Erinnern Sie sie daran, die Distanzen auf ihren Arbeitsblättern (Unterstützung für Lehrkräfte - Zusätzliche Ressourcen) oder in ihren Notizbüchern aufzuzeichnen.

• Versammeln Sie alle, um die Ergebnisse ihrer Experimente durchzugehen und zu besprechen.
• Stellen Sie Fragen, wie zum Beispiel:
  • Welche Muster konntet ihr bei der Bewegung der Skifahrer erkennen, als ihr die Höhe der Skipiste geändert habt? (Je größer der Winkel, desto weiter fahren die Skifahrer.)
  • Konntet ihr vorhersagen, was als Nächstes geschieht?
• Falls die Zeit es erlaubt, lassen Sie die Schülerinnen und Schüler das Phänomen mit ihren eigenen Worten in ihren Notizbüchern beschreiben.
• Geben Sie den Teams ausreichend Zeit, um die Modelle auseinanderzubauen, die Steine zurück in die Schale zu sortieren und ihre Arbeitsplätze aufzuräumen.

• Regen Sie die Teams dazu an, die Bewegungen ihrer Modelle zu erforschen, während sie sie bauen.
• Können sie die Rampe mithilfe der pneumatischen Pumpe, die über die Handkurbel betätigt wird, anheben und absenken?
• 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, dass größere Kräfte stärkere Auswirkungen auf die Bewegung haben als kleinere Kräfte.
• Erstellen Sie eine geeignete Bewertungsskala. 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 sich eine Bewegung durch mehr Schwung stärker verändert.
  • Blau: Ich kann beschreiben, wie sich eine Bewegung durch mehr Schwung stärker verändert.
  • Lila: Ich kann erklären, warum und wie mehr Schwung eine Bewegung stärker verändert.

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

• Die Teams müssen die Startlinie mit etwas Klebeband markieren. Alternativ können sie ihre Modelle an einer Markierung auf dem Tisch oder Fußboden aufstellen, um sicherzustellen, dass die Skipiste bei jedem Test an derselben Stelle steht.
• Um einen Skifahrer losfahren zu lassen, sollten die Teams ihn oben auf die Skipiste stellen und loslassen. Die Modelle sind unterschiedlich lang. Lassen Sie die Teams daher die Distanz vom Startpunkt auf der Skipiste bis zu der Stelle messen, an der der jeweilige Skifahrer zum Stehen gekommen ist.

Um die Aufgabe zu vereinfachen, können Sie Folgendes tun:

• Die Teams die Bewegung eines einzigen Skifahrers bei zwei verschiedenen Winkeln untersuchen lassen

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

• Die Teams das Experiment nun auf einer anderen Oberfläche ausprobieren lassen (z. B. ein großes Blatt Papier vor die Skipiste legen)
  • Als zusätzliche Herausforderung die Skier des schwereren Skifahrers abnehmen und beobachten, was geschieht
• Die Teams eigene Skifahrer bauen, Vorhersagen treffen und die Modelle testen lassen, um auszuprobieren, ob sie noch weiter fahren können

(Hinweis: Die Erweiterungen erfordern zusätzliche Zeit.)
Um mathematische Fähigkeiten zu fördern, können Sie die Schülerinnen und Schüler den Schwung der Skifahrer berechnen und vergleichen lassen:

• P (Schwung), M (Masse), V (Geschwindigkeit)
• P = M × V
  • (Kleiner Skifahrer) P1 = 5 g × ? m/s
  • (Großer Skifahrer) P2 = 62 g × ? m/s
• V = V (Die Fallbeschleunigung ist für beide gleich. Auch wenn die Reibung nicht völlig identisch ist, können wir annehmen, dass die Geschwindigkeit sehr ähnlich ist.)
• P2 > P1