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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


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


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


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



21

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



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



23

10 Impressionen des Projekts am Leibniz

Es wird konstruierthellip

hellipjustierthellip



24

hellipdiskutierthellip

hellipund optimiert



25

11 Kompetenzen des Kernlehrplans Physik fuumlr die Sekundarstufe I



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



26

EG11 beschreiben veranschaulichen oder erklaumlren physikalische Sachverhalte unter Verwen-dung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen Analogien und Darstel-lungen


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


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



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


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



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



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



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



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



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



2

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



3






4











5



Energiebilanz

Spannenergie ndash

Reibungsarbeit

Hookersquosches

Gesetz

Reibung Drehmoment

und Hebel

Geschwindigkeits-

messung



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Materialliste






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7 Kompetenzen


















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81 Reibung










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Experiment 3





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9 Bewertung




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hellipund optimiert



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und bewerten




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Energiebilanz

Spannenergie ndash

Reibungsarbeit

Hookersquosches

Gesetz

Reibung Drehmoment

und Hebel

Geschwindigkeits-

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Materialliste






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Experiment 3





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Energiebilanz

Spannenergie ndash

Reibungsarbeit

Hookersquosches

Gesetz

Reibung Drehmoment

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Materialliste






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Experiment 3





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Energiebilanz

Spannenergie ndash

Reibungsarbeit

Hookersquosches

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Reibung Drehmoment

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Materialliste






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Experiment 3





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Experiment 3





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9 Bewertung




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81 Reibung










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Experiment 3





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9 Bewertung




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hellipund optimiert



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und bewerten




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