MNIFonds für Unterrichts und Schulentwicklung S6 „ Anwendungsorientierung und Berufsbildung“ PHYSIK IM PRATER Der Vergnügungspark physikalisch beleuchtet OSt R Mag. Theodor Duenbostl Theodor. Duenbostl@univie.ac.at GRG 10 Ettenreichgasse 4143 1100 Wien Wien, Juli 2006 Seite 2 INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS................................. ................................................... ........2 ABSTRACT...
[MEHR]........................................ ................................................... ..................5 1 EINLEITUNG......................................... ................................................... .......6 1.1 Anwendungsorientierung............................. ................................................... .6 1.2 Ausgangssituation und Lehrplanbezug................ ............................................6 1.3 Herausforderungen, Ziele und Erwartungen........... .........................................7 1.4 Fragestellungen.................................... ................................................... ........7 2 AUFGABENSTELLUNG................................... ..............................................8 2.1 Methoden........................................... ................................................... ...........8 2.1.1 Messsystem ULAB.................................... ................................................... ....8 2.1.2 Videoanalyse....................................... ................................................... .........9 2.2 Autodrom........................................... ................................................... .........10 2.2.1 Bewegungen – Geschwindigkeit und Beschleunigung.... ...............................10 2.2.2 Stromversorgung.................................... ................................................... ....10 2.3 Airhockey.......................................... ................................................... ..........11 2.4 Billard............................................ ................................................... ..............11 2.5 Space Shot......................................... ................................................... ........11 2.6 Schleudersitz – Ejection Seat...................... ..................................................1 1 2.7 Hochschaubahn und Achterbahn ( Boomerang).......... ..................................12 2.8 Tagada............................................. ................................................... ...........12 2.9 Schaukel mit zusätzlicher Drehung Discovery...... .......................................12 2.10 Luftikus........................................... ................................................... .............12 2.11 Turbo Booster...................................... ................................................... .......13 2.12 Geisterbahn........................................ ................................................... ........13 3 DURCHFÜ HRUNG....................................... .................................................14 3.1 Zeitlicher Ablauf.................................. ................................................... ........14 3.2 Autodrom........................................... ................................................... .........14 3.2.1 Geschwindigkeit und Beschleunigung................. ...........................................14 3.2.2 Stromversorgung.................................... ................................................... ....16 3.3 Airhockey.......................................... ................................................... ..........16 Seite 3 3.3.1 Elastischer Stoß gegen eine Wand................... .............................................16 3.3.2 Elastischer nicht zentraler Stoß................... ..................................................1 7 3.4 Billard............................................ ................................................... ..............17 3.4.1 Zentraler elastischer Stoß......................... ................................................... ..17 3.4.2 Nicht zentraler elastischer Stoß................... ..................................................1 7 3.5 Space Shot......................................... ................................................... ........18 3.6 Schleudersitz – Ejection Seat...................... ..................................................1 8 3.7 Hochschaubahn und Achterbahn ( Boomerang)........... ..................................19 3.8 Tagada............................................. ................................................... ...........19 3.9 Schaukel mit zusätzlicher Drehung – Discovery...... ......................................20 3.10 Luftikus........................................... ................................................... .............20 3.11 Tubo Booster....................................... ................................................... .......20 3.12 Geisterbahn........................................ ................................................... ........21 3.12.1 Bewegungsmelder.................................... ................................................... ..21 3.12.2 Neigungsschalter................................... ................................................... .....21 3.12.3 Reed Kontakt....................................... ................................................... .......21 3.12.4 Wechselschalter.................................... ................................................... ......21 3.12.5 Elektromagnetischer Schalter....................... .................................................21 4 ERGEBNISSE......................................... ................................................... ...22 4.1 Schülervorstellungen............................... ................................................... ....22 4.2 Ergebnisse der Messdatenauswertung, Arbeitsblätter. ..................................23 4.2.1 Allgemeines zur Gestaltung dieses Abschnitts....... .......................................23 4.2.2 Autodrom........................................... ................................................... .........23 4.2.3 Airhockey.......................................... ................................................... ..........27 4.2.4 Billard............................................ ................................................... ..............29 4.2.5 Space Shot......................................... ................................................... ........32 4.2.6 Ejection Seat...................................... ................................................... .........34 4.2.7 Boomerang.......................................... ................................................... .......35 4.2.8 Tagada............................................. ................................................... ...........38 4.2.9 Discovery Arbeitsblatt........................... ................................................... ....39 4.2.10 Luftikus........................................... ................................................... .............40 4.2.11 Turbo Booster...................................... ................................................... .......42 4.2.12 Geisterbahn........................................ ................................................... ........44 Seite 4 5 EVALUATION......................................... ................................................... ....48 5.1 Einleitung......................................... ................................................... ...........48 5.2 Fragestellung...................................... ................................................... ........48 5.3 Methodisches Vorgehen.............................. ..................................................4 8 5.3.1 Fragebögen......................................... ................................................... ........49 5.3.2 Dokumentenanalyse der Portfolios................... .............................................49 5.3.3 Ampelfeedback...................................... ................................................... .....49 5.3.4 Gruppendiskussion.................................. ................................................... ...50 5.4 Ergebnisse......................................... ................................................... .........51 5.4.1 Fragebögen......................................... ................................................... ........51 5.4.2 Portfolios......................................... ................................................... ............54 5.4.3 Ampelfeedback...................................... ................................................... .....55 5.4.4 Gruppendiskussion.................................. ................................................... ...57 5.5 Zusammenfassung.................................... ................................................... ..61 6 LITERATUR.......................................... ................................................... ......62 Seite 5 ABSTRACT Ziel des Projektes war es, den Schülerer/innen Phys ik so zu vermitteln, dass sie durch aktive Teilnahme eingebunden waren und deshal b auch Freude am Physikun terricht hatten. Dies sollte dem im allgemeinen neg ativen Image des Physikunter richts entgegenwirken. Die Verbindung mit einem Vergnügungspark ( Prater) s ollte zeigen, dass Physik nicht nur abstrakte Formeln, sondern auch in Alltagssitua tionen ( Freizeitbereich) Erklä rungshilfen bietet. Außerdem erhielten die Schüler/ innen reichlich Gelegenheit zur Selbsttätigkeit bei der Planung, vor allem aber bei der Durchführung von Experimen ten. Für den Einstieg in das Kapitel „ Elektrische S tromkreise“ wurde ein Experimen tierblock mit Analogieversuchen zur Geisterbahn gew ählt. Im Mittelpunkt des Projektes stand die Messung von Beschleunigungen, wie sie bei zahlreichen Praterfahrgeschäften auftreten. Zusätzl ich wurden selbstgedrehte Video sequenzen von diesen Praterattraktionen sowie Billa rd und Airhockey mit einer Vi deoanalyse Software ( Coach 5) ausgewertet. Die Evaluation des Projektes zeigte überwiegende Zu stimmung der Schüler/innen zu dieser Form des Physikunterrichts, was den Mehraufw and gegenüber „normalem“ Unterricht gerechtfertigt erscheinen lässt. Insgesamt ist zu sagen, dass der Physikunterricht i m Laufe des Schuljahres an Be liebtheit enorm hinzugewonnen hat. Schulstufe: 10. Schulstufe, 6. Klasse Gymnasium Fächer: Physik Kontaktperson: OSt R Mag. Theodor Duenbostl Kontaktadresse: BG 10, 1100 Wien, Ettenreichgasse 4143 Seite 6 1 EINLEITUNG 1.1 Anwendungsorientierung Die physikalischen Inhalte Geschwindigkeit, Beschle unigung, Impuls, Zentripetal und Zentrifugalkraft, Energie sowie die Grundlagen elektrischer Stromkreise sollen mit ihrem Auftreten in der Welt des Vergnügunsparks ( Prater) in Verbindung ge bracht werden. Dies soll den Schüler/innen klarmach en, dass es sich nicht um pra xisferne Themen handelt und helfen, physikalisches Wissen nachhaltig zu erwerben. Die geplanten Methoden zur Messung der betrachteten Größen werden teilweise im Alltag ebenfalls angewendet und sollen bei den Schü ler/innen grundlegendes Ver ständnis für physikalische Messungen erzeugen. 1.2 Ausgangssituation und Lehrplanbezug Das Projekt wird mit einer 6. Klasse Gymnasium ( Anf angsunterricht Physik in der Oberstufe) durchgeführt. Schüler/innen im Gymnasium stehen dem Physikunterricht besonders skeptisch gegenüber, da sie ja bewusst de n Zweig gewählt haben, bei dem die Naturwissenschaften eine untergeordnete Rol le spielen. Schüler/innen im Gymnasium sind häufig schwerer zu motivieren, den P hysikunterricht aktiv mitzuge stalten. In der Klasse sind 16 Mädchen und 5 Burschen. Ein d ifferenziertes Vorgehen im Un terricht ist im Rahmen des Projekts nicht geplant u nd erscheint auch nicht notwendig. Die Themenstellung – Verbindung von Physik und Prat er – ist für Mädchen und Bur schen gleichermaßen herausfordernd. Zitate aus dem Lehrplan: Ziel des Physikunterrichts ist daher die Vermittlun g des nötigen Rüstzeuges zum verstehenden Erleben von Vorgängen in Natur und Tec hnik und keinesfalls nur das Informieren über sämtliche Teilgebiete der Physik. Das Ziel ist der Erwerb folgender Fähigkeiten, Fert igkeiten und Werthaltungen: Informationen sammeln, hinterfragen und argumentier en können eigene Arbeiten zielgruppengerecht präsentieren kön nen Problemlösungsstrategien einzeln und im Team entwic keln können eigenständig arbeiten können umweltbewusst handeln können mit Expertinnen und Experten sprechen, Expertenmein ungen hinterfragen und grundlegendes Fachvokabular richtig anwenden können physikalische Zusammenhänge darstellen können Diagramme erstellen und interpretieren können Dabei ist exemplarisch an mindestens einer Thematik pro Schulstufe eine größere Erklärungstiefe anzustreben und vermehrte Möglichke it zur eigenständigen Befas sung zu geben. Dies ist nach Möglichkeit auch fäche rübergreifend durchzuführen. Seite 7 1.3 Herausforderungen, Ziele und Erwartungen Durch die Themenstellungen aus dem Bereich der Frei zeitaktivitäten soll die Motiva tion der Schüler/innen geweckt werden. Sie sollen e rmutigt werden, Abläufe aus dem Bereich der Freizeitunterhaltung, die sie selbst du rchgeführt oder gesehen haben, physikalisch zu hinterfragen und zu analysieren. Physikalisches Grundwissen soll nachhaltiger erworb en werden, indem praktische und theoretische Probleme aus dem Bereich eines Ver gnügungsparks gelöst wer den. Untersucht und behandelt werden soll: · Geschwindigkeit und Beschleunigung bei diversen Pr aterattraktionen ( Autodrom, Space Shot, Ejection Seat) · Energieumwandlung bei der Hochschaubahn ( Boomerang ) · Physik der Drehbewegung bei zahlreichen Attraktion en wie Discovery, Luftikus, Tagada und Turbo Booster · Gültigkeit des Impulssatzes und des Erhaltungssatz es der Energie am Beispiel von Airhockey und Billard · Grundlagen einfacher Stromkreise und Schaltmöglich keiten am Beispiel des Au todroms und der Geisterbahn Die Schüler/innen sollen moderne Messverfahren ( Bes chleunigungssensoren, wie sie zum Auslösen von Airbags verwendet werden) kenn enlernen und die Messdaten selbstständig auswerten. Da sie bereits wiederholt am Computer gearbeitet ha ben, wird ein Teil der Aufgaben mit Videoanalyse durchgeführt. 1.4 Fragestellungen · Fördert die Verbindung mit dem Vergnügungs und Fr eizeitbereich das Interesse am Physikunterricht, besonders bei sonst eher wenig beliebten Themen der Me chanik? · Fördert Projektarbeit durch die aktive Teilnahme d as Interesse der Schüler/innen an Physik? Seite 8 2 AUFGABENSTELLUNG Durch das Hinterfragen von Bewegungsabläufen in Ver gnügungspark Einrichtungen, konkret im Wiener Prater, soll die Motivation der S chüler/innen geweckt werden. Sie sollen ermutigt werden, Abläufe, die sie selbst oft mals gesehen haben, physikalisch zu hinterfragen und zu analysieren. Physikalisches Grundwissen soll nachhaltiger erworb en werden, indem praktische und theoretische Probleme aus dem Freizeitbereich g elöst werden. Die physikalischen Inhalte Geschwindigkeit, Beschle unigung und Kraft sollen mit ih rem Auftreten im Alltag in Verbindung gebracht werd en. Dies soll den Schüler/innen klarmachen, dass es sich nicht um praxisferne Theme n handelt und helfen, physika lisches Wissen nachhaltig zu erwerben. Durch die Themenstellung und den Besuch des Praters soll die Motivation der Schü ler/innen für physikalische Betrachtungen geweckt w erden. Die geplanten Methoden zur Messung der betrachteten Größen werden auch im Alltag angewendet und sollen bei den Schüler/innen grundlegendes Verständnis für physikalische Messungen er zeugen. Die physikalischen Inhalte gemäß des Lehrplans, wie Umwandlung von Energie und Energieumsatz, Kräfte, geradlinige und kreisförmige Bewegung sollen den Schü ler/innen die Erhaltungssätze für Energie und Impul s vor Augen führen und einprä gen. 2.1 Methoden 2.1.1 Messsystem ULAB Das Messsystem ULAB mit den angeschlossenen Sensoren und der Software Coach 5 ermöglicht Messungen ohne an einen Computer angeschl ossenen zu sein. Die Einstellungen für ein Experiment werden direkt am Messgerät vorgenommen. Mit Tastendruck kann ein Experiment gestartet und die M essung eingeleitet werden. Die Messdaten können in Form von Graphen oder Tabellen auf dem LCDSchirm über prüft werden. Die besondere Stärke ist jedoch, dass die Messdaten im Nachhinein in den PC eingelesen werden können und dort für Auswertungen unterschiedlichster Art zur Verfügung stehen. Weiters steht eine Exportfunktion zur Verfügung, so dass man die Daten auch in einer Tabellenkalkulation auswerten kann. Aus den einzelnen Messungen kann man so genannte Projekte erzeugen, bei denen die Videos, zusätzliche Fotos, die Diagramme und auch erklärende Texte zusammengefasst sind. Seite 9 Mit Hilfe von Sensoren wurden Beschleunigungen geme ssen und aufgezeichnet. Die Messwerte wurden in Diagrammen dargestellt und dann weitere Daten errechnet. In diesem Projekt werden zwei unterschiedliche Beschleunigungssensoren verwendet. Die eine Type kann nur Geschwindigkeitsänderungen i n einer Richtung erkennen. Der zweite Sensor misst in allen drei Richtungen de s Raumes. Beide haben einen Messbereich von +/ 50 m/s², was einer Beschleunigung von +/ 5 g (g … Erdbeschleunigung mit ca. 10 m/s²) entspric ht. 2.1.2 Videoanalyse Die Software Coach ermöglicht die Erzeugung von Weg / Zeit Diagrammen aus den Einzelbildern eines kurzen Videos. Die Zeitbasis is t bekannt, da mit einer Videoka mera 25 Bilder pro Sekunde aufgenommen werden. Dara us ergibt sich ein zeitlicher Abstand zwischen 2 Bildern von 0,04 Sekunden. Zur S kalierung muss in dem Video die Länge einer Strecke bekannt sein. Damit wird de r Maßstab für die Messreihe festgelegt. Ein bestimmter Punkt des bewegten Objek ts wird in jedem Bild markiert. Die jeweilige Position wird der Zeit zugeordnet und das Wertepaar in einer Liste ein getragen. Daraus wird dann das Diagramm erzeugt. Seite 10 2.2 Autodrom 2.2.1 Bewegungen – Geschwindigkeit und Beschleunigu ng Am Beispiel des Autodroms soll der Zusammenhang zwi schen Bewegungsenergie und Geschwindigkeit hergestellt werden. Aus der Ana lyse einer Videosequenz eines „ Autodromzusammenstoßes“ soll dabei der nichtlinear e Zusammenhang zwischen kinetischer Energie und Geschwindigkeit erkannt wer den. Es sollen Videos von absichtlich herbeigeführten Zu sammenstößen im Autodrom hergestellt und dann im Unterricht analysiert werde n. Das Ziel ist die Beantwortung folgender Fragestellung: · Entspricht der Frontalzusammenstoß von zwei annähe rnd gleichen Autos mit jeweils 100 km/h Geschwindigkeit einem Aufprall ein es Autos gegen eine fes te Mauer bei einer Geschwindigkeit von 200 km/h? Untersucht werden soll, ob die Geschwindigkeiten vo n zwei gleichen Fahrzeugen addiert werden können, wenn man die Wirkung beim F rontalzusammenstoß ab schätzen will. Mit Hilfe von Beschleunigungssensoren sollen die be im Zusammenstoß bzw. Aufprall eines Autodromwagens auftretenden negativen Beschle unigungen ( Bremsverzöge rung) gemessen werden. Beschleunigungssensoren werden unter anderem in der Automobilbranche zum Aus lösen der Airbags eingesetzt. Die Sensoren werden an das Messsystem ULAB angeschl ossen und von diesem auch erkannt. Mit der Software Coach werden die Dat en übernommen und stehen zur Auswertung zur Verfügung. Im Autodrom sollen einerseits Beschleunigungssensor en die Werte beim Anprall an die Begrenzung liefern, andererseits sollen sie aus dem aufgezeichneten Video er mittelt werden. Die Geschwindigkeiten im Autodrom s ind so klein, dass dies unge fährlich ist. Zum Vergleich sollen die Beschleunigungen gemessen werden, wenn zwei Wagen mit gleicher Geschwindigkeit zusammenstoßen. Auch h ier wird gleichzeitig ein Video des Zusammenstoßes erstellt und dieses dann ausgewe rtet. 2.2.2 Stromversorgung Anhand eines Modells ( Wagen mit Schiene) soll den Schüler/innen gezeigt werden, wie die Energieversorgung der Fahrzeuge vor sich geht. Vora b werden die Vorstellungen der Schüler/innen dazu erhoben. Seite 11 2.3 Airhockey In Vergnügungsparks findet man öfters Airhockey Tische. Durch die Bohrungen in der Platte des Tisches wird Luft ausgeblasen. Runde Kunststoff Pucks können so auf ihr nahezu reibungslos gleiten ( Luftkissentisch). Auf diese Weise können Stoßgesetze, Impulssatz und Luftreibung anschaulich behandelt und mit Videoanalyse ausgewertet werden. Untersucht werden sollen elastische Stöße eines Pucks gegen die Wand und gegen andere Pucks. 2.4 Billard Beim Billardspielen sollen Stoßgesetze bzw. Energie erhaltung untersucht werden. Beim Billard Spiel stoßen gleich große Kugeln gleic her Masse zusammen. Es müs sen jederzeit der Impulserhaltungssatz und der Satz von der Erhaltung der Masse gelten. Dazu wird einerseits der zentrale Stoß aufg ezeichnet und ausgewertet, ande rerseits der nicht zentrale Stoß (seitlich). Es soll untersucht werden, ob beim zentralen Stoß d ie stoßende Kugel nach dem Stoß liegen bleibt und die gestoßene Kugel mit der Geschwindigkeit der stoßenden Kugel wegrollt. 2.5 Space Shot Am Beispiel des „ Space Shot“ wird die Größe der Beschleunigung beim Senkrechtstart und anschließender Abwärtsbewegung ermittelt. Mit Hilfe von Beschleunigungssensoren sollen die Beschleunigungen während der gesamten „ Fahrtdauer“ gemessen und aufgezeichnet werden. Parallel dazu wird die „ Fahrt“ aufgezeichnet und mittels Videoanalyse der Weg der Sitzbank bestimmt. Daraus lassen sich Geschwindigkeit und Beschleunigung ermitteln. 2.6 Schleudersitz – Ejection Seat Eine kugelförmige Kabine befindet sich an Stahlseilen, die durch Federn gespannt werden. Nach dem Auslösen bewegt sich die Kugel beschleunigt. Diese Beschleunigungen sollen mit Hilfe von Beschleunigungssensoren gemessen und aufgezeichnet werden. Parallel dazu wird der Start aufgezeichnet und mittels Videoanalyse die Startbeschleunigung ermittelt. Seite 12 2.7 Hochschaubahn und Achterbahn ( Boomerang) Am Beispiel der Bahn Boomerang soll die Umwandlung von potenzieller Energie in kinetische Energie demonstriert werden. Während der gesamten Fahrt wird die Beschleunigung aufgezeichnet. Der Startvorgang wird gefilmt und daraus mittels Videoanalyse die Geschwindigkeit ermittelt. 2.8 Tagada Die Umlaufdauer wird gemessen und die Größe des Karussels bestimmt. Aus diesen Daten wird die Beschleunigung ( Zentrifugalbeschleunigung) berechnet. Aus einem Bild mit einer schräg stehenden Person im sich drehenden Karussel soll mit Hilfe des Kräfteparallelogramms auf die Beschleunigung geschlossen werden. 2.9 Schaukel mit zusätzlicher Drehung Discovery Die Beschleunigungen während der Fahrt werden aufgezeichnet und sollen im Diagramm die zusammengesetzte Bewegung veranschaulichen. 2.10 Luftikus Beim Karussel wird die Beschleunigung gemessen und ausgewertet. Außerdem soll aus der Abbildung der schräg fliegend en Sitze auf die Zentrifugalbeschleunigung geschlossen werden. Seite 13 2.11 Turbo Booster Drehbewegung mit zusätzlicher Drehung der am Armend e auf einer Sitzbank befind lichen Personen. Die Beschleunigungen werden gemessen. Zusätzlich so ll aus einem Video der Be wegung die Bahngeschwindigkeit der Personen ermitte lt werden. 2.12 Geisterbahn Beim Besuch der Geisterbahn stellt sich die Frage nach den Möglichkeiten diese Spuks in Gang zusetzen. Die unterschiedlichen Arten von Sensoren, Schaltern und Auslösemechanismen sollen in Schüler Experimenten im Physiksaal untersucht werden. Untersucht werden sollen: · Bewegungsmelder · Neigungsschalter · Reed Kontakt · Wechselschalter · Elektromagnetischer Schalter Die Behandlung dieser Sensoren und Schalter wurde a ls Einstieg zum Themenkreis „ Einfache Stromkreise“, den der Lehrplan der 6. Kla sse vorsieht, gewählt. Seite 14 3 DURCHFÜ HRUNG 3.1 Zeitlicher Ablauf Projektbeginn: September 2005 Projektende: Juni 2006 In der Planung des Projektablaufes musste berücksic htigt werden, dass die meisten Prater Fahrgeschäfte während der Wintermonate nicht geöffnet haben. Lediglich im Autodrom konnte auch im November gearbeitet werden. Die Experimente mit Airho ckey und Billard fanden ohnehin in einer Halle stat t. Zeit Tätigkeit Physikalische Inhalte Methoden September/ Oktober 2005 Planung der Aktivitäten Geschwindigkeit Beschleunigung November 2005 Autodrom Impulssatz Beschleunigung Energieerhaltung ULABMessinterface Videoanalyse Dezember 2005 Airhockey Billard Stoßgesetze Energieerhaltung Videoanalyse Jänner 2006 Auswertung Videoanalyse April 2006 Geisterbahn: Schalter und Sensoren untersuchen Stromkreise Schülerexperimente Mai 2006 Space Shot Boomerang Tagada Luftikus Discovery Turbo Booster Ejection Seat Beschleunigung Drehbewegung Energieumwandlung ULABMessinterface Videoanalyse Juni 2006 Abschluss des Projekts: Auswertung der Daten Evaluation 3.2 Autodrom 3.2.1 Geschwindigkeit und Beschleunigung 3.2.1.1 Anprall an der Begrenzung Die folgenden Experimente wurden mit einer kleinere n Gruppe von Schüler/innen in ihrer Freizeit freiwillig durchgeführt. Die Auswert ung der Daten erfolgte im Anschluss daran im EDVRaum durch alle Schüler/innen. Ein Autodrom Fahrzeug ( Höchstgeschwindigkeit etwa 1 1 km/h) im Wiener Prater wird gegen die Begrenzung gelenkt und prallt an ihr an. Seite 15 Um die am Fahrzeug und an der Person wirkenden Bremsbeschleunigungen messen zu können, wurde ein Sensor direkt am Wagen, der andere Sensor am Knie der Fahrerin befestigt. Die Beschleunigungswerte wurden anschließend auf einen PC übertragen und die Diagramme erzeugt. Die gleichzeitig hergestellte Videoaufzeichnung wur de von den Schüler/innen mit Coach analysiert. Aus dem Weg/ Zeit Diagramm ließ sich mit Hilfe der Zusatzfunktionen von Coach das Geschwindigkeit/ Zeit Diagramm ermitteln. Zuvor wurde der Graph mittels d er Filterfunktion mehrmals geglättet. Aus der Geschwindigkeitsänderung konnten dann die B eschleunigungen des Kopfes und des Wagens abgelesen werden. 3.2.1.2 Frontalzusammenstoß Zwei Autodrom Fahrzeuge wurden frontal auf einander zu gelenkt und stießen ungebremst zusammen. Wieder wurden an einem Wagen und an einer Person Beschleunigungssensoren befestigt und die Beschleunigungen aufgezeichnet. Der Zusammenstoß wurde gefilmt und später mittels Videoanalyse von den Schüler/innen im EDVRaum ausgewertet. Da sich mit Coach mehrere Objekte analysieren lasse n, wurden bei der Videoaus wertung in jedem Bild 4 Punkte markiert. So konnten die Weg/ Zeit Diagramme der beiden Wagen und der beiden Personen gewonnen werde n. Aus den Weg/ Zeit Diagrammen wurden die Geschwindigk eit/ Zeit Diagramme er zeugt und daraus die Beschleunigungswerte bestimmt. 3.2.1.3 Vergleich Zur Interpretation der Ergebnisse wurde ein Arbeits blatt zusammengestellt, in dem die Diagramme und Messwerte aus den beiden Experime nten enthalten sind. Durch Seite 16 gezielte Fragen wurden die Schüler/innen zur Beantw ortung der als Ausgangspunkt gestellten Fragen geführt. 3.2.2 Stromversorgung Die Stromzufuhr an die Fahrzeuge eines Autodroms is t nicht allen Schülern klar. Da her wurde ein einfaches Modell entwickelt, bei dem einem Wagen auf einer Schiene über Metallfedern Strom zugeführt wurde. Die Schüle r/innen konnten so den Strom weg, wie er in einem Autodromauto gegeben ist, nach vollziehen. 3.3 Airhockey 3.3.1 Elastischer Stoß gegen eine Wand Die folgenden Experimente wurden mit einer kleineren Gruppe von Schüler/innen in ihrer Freizei t freiwillig durchgeführt. Die Auswertung der Videos stand dann im Unterricht allen Schüler/innen zur Verfügung. Ein Puck wird von einem Schüler gegen die Wand gestoßen. Die Bewegung des Pucks wird zur späteren Auswertung gefilmt. Die einzelnen Frames des Videos wurden als Einzelbilder abgespeichert und mit Hilfe einer Grafik Software nachbearbeitet. Auf diese Weise konnte ein kurzer „ Trickfilm“ hergestellt und als Power Point Datei gespeichert werden. Die Spur des Pucks wird auf diese Weise erkennbar. Dabei stößt man mit einer herkömmlichen Videokamera an die Grenzen der Einsetzbarkeit. Die Verschlusszeiten sind für die relativ großen Geschwindigkeiten zu lange, was eine gewisse Unschärfe der Bilder des Pucks bewirkt. Eine größere Bildrate als 25 Bilder pro Sekunde wäre ebenfalls wünschenswert. Seite 17 3.3.2 Elastischer nicht zentraler Stoß Die Analyse der Bewegung zweier Pucks erfolgt analo g zum vorhergehenden Expe riment. In diesem Fall wird ein Puck auf einen zwei ten gestoßen, dabei jedoch nicht zentral. Der Winkel, unter dem die beiden Pucks sic h voneinander weg bewegen, wurde beobachtet. Auf Grund des Satzes von der Erha ltung der Energie muss dies ein rechter Winkel sein. Ohne technische Hilfsmittel ist diese Aufgabe nahez u unlösbar. Wird dieser Stoßvorgang gefilmt und dann mit Hilfe der Videoanalyse ausgewertet, ist die Auf gabe leicht lösbar. Beispiel für die Spuren der beiden Pucks 3.4 Billard 3.4.1 Zentraler elastischer Stoß Beim Billard Spiel stoßen gleich große Kugeln gleic her Masse zusammen. Es müs sen jederzeit der Impulserhaltungssatz und der Satz von der Erhaltung der Masse gelten. Die Bewegung der Kugeln wurde aufgezeichnet. Die Videoanalyse wurde mit Coach durchgeführt. Um die Spuren der Kugeln sichtbar zu machen, wurde wie beim Airhockey vorgegangen. Die einzelnen Frames des Videos wurden als Einzelbilder abgespeichert und mit Hilfe einer Grafik Software nachbearbeitet. Der entstandene „ Trickfilm“ wurde als Power Point Datei gespeichert und machte die Spuren der Kugeln sichtbar. 3.4.2 Nicht zentraler elastischer Stoß Wird eine Billardkugel nicht zentral auf eine ander e Kugel gestoßen, so bewegen sich beide Kugeln unter einem bestimmten Winkel von einander weg. Auf Grund des Erhaltungssatzes der Energie muss dies ein rechter Winkel sein, was jedoch nicht immer leicht zu sehen ist. Ein seitlicher Stoß wurde gefilmt und die einzelnen Bewegungsabschnitte mittels Vi deoanalyse ausgewertet. Außerdem wurden wieder mit Hilfe von Einzelbildern die Spuren sichtbar gemacht. Seite 18 Einzelbild aus dem Video nach dem Stoß Markierung d er Spuren der beiden Kugeln 3.5 Space Shot Mehrere Schüler/innen erhielten Beschleunigungssens oren, die am Gürtel befestigt wurden, und durften sich im „ Space Shot“ in die Höh e schießen lassen. Die Be schleunigungswerte wurden anschließend in Diagramme n dargestellt. Als Sensor wurde ein 3 DSensor verwendet, der Beschleunigungen in allen 3 Raumrichtungen misst. Bei der Auswertung wurde daraus rechnerisch auch die Gesamt beschleunigung ( Vektorsumme) ermittelt und im Diagramm dargestellt. Die Diagramme wurden in der Folge von den Schüler/innen, angeleitet durch ein Arbeitsblatt, ausge wertet. Der Start der Schüler/innen wurde auch gefilmt und stand daher auch für eine Video analyse zur Verfügung. Die Schüler/innen arbeiteten dazu im Computerraum. Sie hatten das Video zur Verfügung und mussten mit Hilf e von Coach das Weg/ Zeit Diagramm ermittlen. Daraus konnten sie die Werte fü r Geschwindigkeit und Be schleunigung errechnen und ebenso in Diagrammen dar stellen lassen. 3.6 Schleudersitz – Ejection Seat Ein mutiger Schüler stellte sich zur Verfügung und ließ sich in der Kugel in die Höhe schleudern. Er montierte zuvor den Beschleunigungss ensor an einem festen Teil der Kabine. Vom Betreiber des Fahrgeschäfts werden die Personen in der Kabine wäh rend der „ Fahrt“ auf Videokassette aufgenommen. Die se Kassette kann man an schließend kaufen. Dieses Video wurde der Klasse gezeigt und hätte später ausgewertet werden können. Diese mitbewegte Kamera ist auch ein Anknüpfungspunkt für die Diskussion über Bezugssysteme – ein Thema, das vielen Schüler/innen Schwierigkeiten macht. Das Video der mitbewegten Kamera kann einer Aufnahme von außen gegenübergestellt werden. Zur Auswertung der Daten des Beschleunigungssensors wurde von der Klasse ein Arbeitsblatt bearbeitet. Seite 19 3.7 Hochschaubahn und Achterbahn ( Boomerang) Die Wagen werden eine schiefe Ebene hinauf gezogen und bewegen sich dann beschleunigt bergab. Die Schüler/innen hatten die Aufgabe, die Höhe auf verschiedene Arten zu ermitteln, einmal mit Hilfe von Maßband und Theodolit, zum Vergleich mit Hilfe eines optischen Entfernungsmessers. Aus dieser Höhe errechneten sie anhand eines Arbeitsblattes die theoretisch maximal mögliche Geschwindigkeit der Wagen. Die tatsächliche Geschwindigkeit mussten sie mit Hilfe der Videoanalyse herausfinden. Weiters wurde am Körper eines Mädchens der 3 DBeschleunigungssensor befestigt, um die auftretenden Beschleunigungen zu erfassen. Wichtig für die Interpretation der Messwerte ist die Kenntnis der Position des Sensors am Körper. Diese wurde daher wie auch bei allen anderen Beispielen fotografisch festgehalten. Bei der Auswertung stellte sich heraus, dass die Bewegung des Körpers die Messwerte verfälschte. Besser wäre es gewesen, den Sensor direkt am Wagen zu befestigen, wozu aber ein weiterer Praterbesuch nötig gewesen wäre. Im Unterricht erfolgte die Diskussion über die erha l tenen Messwerte. 3.8 Tagada Diese Praterattraktion diente der vertiefenden Behandlung des Themas Drehbewegung und dabei der Zentrifugalkraft und Zentripetalkraft. Eine Schülerin fuhr mit dem Beschleunigungssensor mit und sorgte für die Messdaten. Mit Hilfe eines Arbeitsblattes wurde die Umlaufdauer und aus der Schräglage einer mitfahrenden Person in einem Foto die Zentrifugalbeschleunigung ermittelt. Seite 20 3.9 Schaukel mit zusätzlicher Drehung – Discovery Mit Hilfe des 3 DBeschleunigungssensors wurden die Beschleunigungsdiagramme gewonnen. Der Sensor wurde am Körper einer Schülerin, die mutig genug für die Fahrt mit dieser Praterattraktion war, befestigt. Die Beschleunigungsdiagramme wurden in einem Arbeitsblatt nach Anleitung ausgewertet und interpretiert. 3.10 Luftikus Eine Schülerin nahm mit dem 3 DSensor die Messdaten auf, die dann im Unterricht ausgewertet wurden. Das Karussel wurde fotografiert, um dann aus dem Fo to der schräg fliegenden Sitze die Zentrifugalbeschleunigung abzuschätzen. 3.11 Tubo Booster Die Schüler/innen mussten sich nach der Länge des Armes (dem Radius bei der Drehbewegung) erkundigen und dann die Umlaufdauer stoppen. Anhand eines Arbeitsblattes bestimmten sie daraus dann die Bahngeschwindgkeit der Personen. Zur Kontrolle wurde die Bahngeschwindigkeit mit Hilfe der Videoanalyse bestimmt. Eine mitfahrende Schülerin trug den 3 DSensor am Kö rper und sorgte so für die Beschleunigungs Zeit Diagamme, die in einem weitere n Arbeitsblatt ausgewertet wurden. Die Montage des Sensors und Messgeräts warf einige Probleme auf, da aus Sicherheitsgründen kein Teil frei beweglich sein durfte. Man durfte hier auch keine Brillen oder lockeren Schuhe tragen. Die gesamte Messanordnung musste mit Klebebändern fixiert werden. Seite 21 3.12 Geisterbahn Die Geisterbahn kennen alle Schüler/innen in Wien. Es war aus Zeitgründen nicht möglich, sie gemeinsam zu besuchen. So wurde der Ei nstieg in das Thema über Vi deos und Fotos gestaltet. In der Geisterbahn sind e ine Vielzahl von Sensoren und Schaltern im Einsatz. Mit Hilfe von Arbeitsblättern ( Versuchsanleitungen) bauten die Schüler/innen Modelle dafür auf. Die Aktivitäten de r Schüler/innen sind auf Fotos und Videos festgehalten. 3.12.1 Bewegungsmelder Näherungsschalter werden heute vielfach für die Sch altung von Beleuchtungen verwendet. Diese handelsüblichen Sens oren reagieren auf Wärmestrahlung ( Infrarot). Die Schüler/innen so llten einen der artigen Schalter so verwenden, dass bei Annäherung einer Person ein Summton ertönt und Leuchtdioden ( Blinkschaltung) au fblinken. 3.12.2 Neigungsschalter Beim Einfüllen von Wasser in ein Gefäß soll bei ein er bestimm ten Füllhöhe eine Leuchtdiode zu blinken beginnen. Im Schal ter befindet sich ein Quecksilbertropfen, der bei e iner bestimm ten Neigung einen Kontakt schließt. Der Schalter be findet sich in einem Glasrohr und schwimmt in Wasser. Steigt der Wasserspiegel, so steigt der Schalter mi t in die Höhe und richtet sich auf, da er über die Zuleitungen am Boden des Gefäßes fix iert ist. 3.12.3 Reed Kontakt Die Schüler/innen bauten eine Versuchsanordnung auf , bei der ein Wagen mit Magnet beim Vorbeifahren einen Sc halter ( Reed Kontakt) schließt. Das Schließen des Stromkre ises bewirkte das Aufleuchten einer Leuchtdiode und das Ertö nen eines Summers. 3.12.4 Wechselschalter Die Schüler/innen bauten nach Anleitung aus den Sch ülerübungsbausteinen einen Wechselschalter. Das Schwierige dabei war, dass sie sich die Schaltung selbst über legen mussten und keine Anleitung dazu hatten. 3.12.5 Elektromagnetischer Schalter Analog zu einer Anordnung in der Geisterbahn wurde eine Anord nung zusammengestellt, bei der bei Unterbrechung ei nes Strom kreises eine Kugel an einer Feder zu schwingen begi nnt. Der Schalter für den Stromkreis wurde durch eine Blattf eder gebildet. Die Kugel war bei geschlossenem Stromkreis durch ei nen Elektro magneten fixiert. Der nicht sofort erkennbare Trick bestand darin, dass in der Holzkugel eine Eisenschraube war. Seite 22 4 ERGEBNISSE 4.1 Schülervorstellungen Am Beginn des Kapitels „ Geisterbahn“ bzw. „ Autodrom“ wurden die Schüler/innen befragt, wie ihrer Meinung nach elektrischer Strom dabei eingesetzt wird. Die Antworten wurden schriftlich abgegeben. Großteils zeigten sich völlig falsche Vorstellungen, die durch die Befassung mit diesem Themenkreis zu revidieren waren. In beiden Meinungen ist erkennbar, dass die Schüler/innen noch immer den Begriff „ Reibungselektrizität“ im Kopf haben ohne ihn richtig einordnen zu können. Immerhin hat die Schülerin richtig erkannt, dass die „ Geistereffekte“ in der Geisterbahn durch elektrische Schaltkreise ausgelöst werden. Ein Schüler hatte offenbar bereits zu Beginn dieses Kapitels richtige Vorstellungen über den Einsatz des elektrischen Stromes bei den Praterattraktionen. Seite 23 4.2 Ergebnisse der Messdatenauswertung, Arbeitsblät ter 4.2.1 Allgemeines zur Gestaltung dieses Abschnitts Die Arbeitsblätter der Schüler/innen sind hier aus Platzgründen nicht abgebildet. Es sind die Lösungen in roter Farbe eingetragen. Mit d er Software Coach kann man Projekte gestalten, bei denen nicht nur die ausgewe rteten Daten ersichtlich sind, sondern auch Fotos, Videos und Erklärungstexte. Die angegebenen Dateinamen beziehen sich auf Videos equenzen, die den Schü ler/innen im Unterrichtsnetzwerk zur Verfügung stan den. Eine CDROM mit den Ar beitsblättern und Videosequenzen kann beim Autor di eser Dokumentation angefor dert werden. 4.2.2 Autodrom 4.2.2.1 Auswertung der Messdaten des Beschleunigung smessers: 1. Anprall an die Wand. Sensoren am Wagen und am Kn ie der Fahrerin. 2. Frontalzusammenstoß Aus den beiden Diagrammen erkennt man, dass die Bes chleunigungswerte beim Anprall an die Wand und beim Frontalzusammenstoß na hezu identisch sind. In beiden Fällen wurde das Knie erst 500 Mikrosekun den (!) später abgebremst. Seite 24 4.2.2.2 Videoanalyse der Autodromfahrten: Ergebnis für Anprall an der Wand: Dazu das Arbeitsblatt zur Interpretation des Ergebn isses: Diskutiere die einzelnen Graphen Das Mädchen fährt mit dem Autodrom frontal gegen di e Wand. Das Diagramm rechts oben zeigt das Weg/ Zeit Diagram m für den Kopf und die vordere Leuchte des Wagens. Die beiden unteren Diagramme zeigen den Geschwindig keitsverlauf des Kopfes (links) und der Leuchte des Wagens (rechts). Entnimm die Werte aus dem Diagramm und ergänze: Beginn des Zusammenstoßes: 0,75 s Reflexion des Wagen: 0,96 s Kopf v = 2,5 m/s = 9 km/h Bremsverzögerung: D t = 1,1 – 0,8 s = 0,3 s Bremsverzögerung: a = D v / D t = 2,5 / 0,3 m/s² = 8,3 m/s² Wagen v = 2,6 m/s = 9,36 km/h Bremsverzögerung: D t = 0,96 – 0,7 s = 0,26 s Bremsverzögerung: a = D v / D t = 2,6 / 0,26 m/s² = 10 m/s² Seite 25 Auswertung des Frontalzusammenstoßes: Das Arbeitsblatt dazu enthält das Ergebnis des Verg leichs der beiden Zusammen stöße: Diskutiere die einzelnen Graphen Der Bursche und das Mädchen lenken ihre Wagen direk t aufeinander. Das Diagramm rechts oben zeigt das Weg/ Zeit Diagram m für den Kopf der beiden Personen und die vordere Leuchte des Wagens. Warum haben die beiden unteren Graphen zuerst eine positive und die beiden oberen Graphen eine negative Steigung und dann jeweils umgekehrt? Die beiden unteren Kurven zeigen die Bewegung des l inken Wagens/ Kopfes, die sich vom Ursprung des Koordinatensystems wegbewegen und nach dem Zusa mmenstoß wieder nähern. Die beiden oberen Kurven zeigen die Bewegung des re chten Wagens/ Kopfes, die sich dem Ursprung des Koordinatensystems annähern und nach dem Zusamm enstoß wieder entfernen. Warum berühren die beiden inneren Graphen einander und die beiden äußeren nicht? Die beiden inneren Graphen zeigen die Wagen, die si ch beim Zusammenstoß direkt berühren, die bei den äußeren die Köpfe, die einander nicht berühren. Die beiden unteren Diagramme zeigen den jeweiligen Geschwindigkeitsverlauf der Köpfe und Leuch ten der Wagen. Welche Art von Bewegung haben die Wagen und die Köp fe ausgeführt? Anfangs annähernd gleichförmig, dann gleichmäßig ve rzögert, dann annähernd gleichförmig. Was passiert dort, wo sich die Graphen schneiden? Umkehr der Bewegungsrichtung ( Die Geschwindigkeit i st kurzzeitig Null). Seite 26 Entnimm die Werte aus dem Diagramm und ergänze: Beginn des Zusammenstoßes: 0,75 s Reflexion der Wagen: 0,93 s Linker Wagen v = 2,3 m/s = 8,3 km/h Bremszeit: D t = 0,93 – 0,75 s = 0,18 s Bremsverzögerung: a = D v / D t = 2,3 / 0,18 m/s² = 12,8 m/s² Rechter Wagen v = 2,0 m/s = 7,2 km/h Bremszeit D t = 0,93 – 0,75 s = 0,18 s Bremsverzögerung: a = D v / D t = 2,0 / 0,18 m/s² = 11,1 m/s² Linker Kopf v = 2,3 m/s = 8 ,3 km/h Bremszeit D t = 0,85 s bis 1,07 s = 0,22 s Bremsverzögerung: a = D v / D t = 2,3 / 0,22 m/s² = 10,5 m/s² Rechter Kopf v = 1,7 m/s = 6,1 km/h Bremszeit D t = 0,85 s bis 1,07 s = 0,22 s Bremsverzögerung: a = D v / D t = 1,7 / 0,22 m/s² = 7,7 m/s² Vergleiche die Ergebnisse mit den Daten aus dem Arb eitsblatt „ Autodrom Wand“. Diskutiere die Frage: Entspricht ein Frontalzusamme nstoß zweier gleicher Fahrzeuge mit entgegen gesetzt gleicher Geschwindigkeit in seiner Wirkung dem Aufprall eines gleichen Fahrzeuges mit dop pelter Geschwindigkeit gegen eine feste Mauer? Ja, dies ist der Fall! 4.2.2.3 Arbeitsblatt Elektrik – Autodrom Überlege den Weg des Stromes beim Autodrom. Der Strom fließt von der Spannungsquelle über das D rahtnetz und den Stromabnehmer an der Wa genstange über den Motor und den Schleifkontakt am Boden des Autodroms zur Bodenplatte und von dort wieder zur Spannungsquelle zurück. Seite 27 Zeichne den Weg des Stromes im Foto des Modell Auto droms ein. Warum sieht man öfters beim fahrenden Autodrom Funk en am oberen Netz bzw. auf der Boden platte? Die Funken entstehen dann, wenn bei schlechterem me chanischem Kontakt der elektrische Wider stand so groß wird, dass der Stromfluss kurzzeitig über die Luft erfolgt. 4.2.3 Airhockey 4.2.3.1 Elastischer Stoß gegen die Wand Die aus dem Video gewonnene Power Point Datei funktioniert wie ein Trickfilm und macht die Spur des Pucks erkennbar. Man sieht, dass auch für den elastischen Stoß des Pucks gegen eine Wand das Reflexionsgesetz gilt: Reflexionswinkel ist gleich Einfallswinkel. In der Folge erhielten die Schüler/innen den Auftra g, aus dem Video ein Weg/ Zeit Diagramm der Scheibe durch Videoanalyse mit Coach z u erzeugen (v_airhre.avi). Arbeitsblatt dazu: Beobachte den Graphen der Scheibe und skizziere ihn . Lösung: Was ist über die Steigung der beiden Geraden zu sagen? Seite 28 Die Steigungen der beiden Geraden sind annähernd en tgegengesetzt gleich. Was ist über Einfallswinkel bzw. Reflexionswinkel z u sagen: Sind beide gleich groß. An welches aus der Optik bekanntes Gesetz erinnert dieses Verhalten? Reflexionsgesetz ( Einfallswinkel = Ausfallswinkel). 4.2.3.2 Elastischer nicht zentraler Stoß Analog zum vorigen Experiment wurde auch hier ein „ Trickfilm“ erstellt und als Power Point Datei gespeichert. Der Winkel, unter dem die beiden Pucks sich voneinander weg bewegen, sollte auf Grund des Satzes von der Erhaltung der Energie ein rechter Winkel sein. Dass die Bewegungsrichtung der beiden Pucks nach dem Stoß nicht exakt unter einem rechten Winkel erfolgt, ist auf die in der Realität wesentlich komplizierteren Vorgänge ( Rotationsenergie, Reibung, …) zurückzuführen. Zusätzlich erhielten die Schüler/innen den Auftrag, aus dem Video ein Weg/ Zeit Diagramm der beiden Scheiben durch Videoanalyse mit Coach zu erzeugen (v_airhnz.avi). Arbeitsblatt dazu: Beobachte die Scheiben und skizziere ihre Bahnen in einem Weg/ Zeit Diagramm. Zeichne (mit Hilfe der Auswertung der Videoanalyse) die Bahnen, die die Mittelpunkte der beiden Scheiben zurücklegen, in ein x/y Diagramm ein. Lösung: Seite 29 Beobachte die Bewegungsrichtungen der beiden Scheib en nach dem Stoß. Miss mittels dem in Coach enthaltenen Winkelmesser den Winkel a, den die Bewegungsrichtungen der beiden Scheiben nac h dem Stoß einschließen. a aa a = ca. 85 Grad Diskutiere für diesen Fall die Anwendung des Impuls satzes und Energieerhaltungssatzes. Auf Grund des Impulssatzes könnten die beiden Schei ben auch unter einem stumpfen Winkel vonein ander weg gleiten. Aber auf Grund des Energieerhaltungssatzes (mv² /2 = m1 v1² /2 + m2 v2² /2) müssen sie unter einem rechten Winkel ( Thaleskreis) voneinander weg gleite n. 4.2.4 Billard 4.2.4.1 Zentraler elastischer Stoß Die rechte Kugel liegt zu Beginn, wird dann angesto ßen und bewegt sich weg. Dafür bleibt die linke Kugel liegen. Zur Videoanalyse der Sequenz (v_ Bil_ze.avi) erhielt en die Schüler/innen das folgen de Arbeitsblatt. Beobachte die beiden Kugeln und skizziere ihre Bahn en in einem Weg/ Zeit Diagramm. Zeichne (mit Hilfe der Auswertung der Videoanalyse) die Bahnen, die die Mittelpunkte der beiden Bil lardkugeln zurücklegen in ein x/y Diagramm ein. Was ist über die Steigung der Geraden zu sagen? Seite 30 Die Steigungen der Geraden sind annähernd gleich. Lösung: Versuche mit Hilfe der Videoauswertung die Geschwi ndigkeit der beiden Kugeln vor und nach dem Stoß zu bestimmen. v1 vor dem Stoß : 2,2 m/s v2 vor dem Stoß : 0 m/s v1 nach dem Stoß : 0 m/s v2 nach dem Stoß : 1,5 m/s Was für ein Ergebnis hast du vom Unterricht her erw artet? Versuche eine Erklärung zu finden, wenn das Ergebnis von deiner Erwartung abweicht. v1 vor dem Stoß und v2 nach dem Stoß sollten gleich sein. Beim Stoß ist nicht die gesamte Bewegungsenergie in die translatorische Bewegungsenergie überge gangen ( Verluste durch Rotationsenergie, Reibung,…) . 4.2.4.2 Nicht zentraler elastischer Stoß Der Winkel, unter dem die beiden Kugeln sich vonein ander weg bewegen, sollte auf Grund des Satzes von der Erhaltung der Energie ein rechter Winkel sein. Dies wird durch Überlagerung eines Rechtecks im letzten Bild veranschaulicht. Seite 31 Dass die Bewegungsrichtung der beiden Kugeln nach d em Stoß nicht exakt unter ei nem rechten Winkel erfolgt, ist auf die in der Real ität wesentlich komplizierteren Vor gänge ( Rotationsenergie, Reibung, …) zurückzuführen . Zur Videoanalyse wurden in einem Arbeitsblatt Frage n gestellt: Beobachte die beiden Kugeln und skizziere ihre Bahn en in einem Weg/ Zeit Diagramm. Lösung: Beobachte die Bewegungsrichtungen der beiden Kugeln nach dem Stoß. Trage die Bahnen, die die Mittelpunkte der beiden Kugeln zurücklegen, in ein x/y Diagramm ein. Lösung: Miss mittels dem in Coach enthaltenen Winkelmesser den Winkel a, den die Bewegungsrichtungen der beiden Kugeln nach dem Stoß einschließen. a aa a = ca. 88 Grad Diskutiere für diesen Fall die Anwendung des Impuls satzes und Energieerhaltungssatzes. Auf Grund des Impulssatzes könnten die beiden Kugel n auch unter einem stumpfen Winkel voneinan der wegrollen. Aber auf Grund des Energieerhaltungssatzes (mv² /2 = m1 v1² /2 + m2 v2² /2) müssen sie unter einem rechten Winkel ( Thaleskreis) voneinander wegrollen. Seite 32 4.2.5 Space Shot 4.2.5.1 Auswertung der Messwerte des Beschleunigung smessers Im Arbeitsblatt dazu wurden unter anderem die Besch leunigungswerte aus den Dia grammen abgelesen und interpretiert. Diskutiere das Gesamtbeschleunigungsdiagramm (rechts unten). Seite 33 4.2.5.2 Videoanalyse des Startvorgangs Durch Videoanalyse mit Coach wurde die während des ersten Starts auft retende Beschleunigung a der Fahrgastkabine bestimmt ( Filename: V_ Space.avi ). Das Ergebnis betrug a = 19,6 m/s² In der Abbildung stellt der blaue Graph rechts oben den Weg dar, wie er aus der Vi deoanalyse gewonnen wird. Der grüne Graph links unt en ist das Ergebnis nach An wendung der Funktion „ Fit“ in Coach. Rechts unten i n rot ist das Geschwindigkeits diagramm, das durch Differenziation gewonnen wurde. Da man eine Gerade erhält, handelt es sich um eine gleichmäßig beschleunigte B ewegung. Nochmaliges Differenzieren ergibt den violetten Gra phen für die konstante Be schleunigung. Seite 34 4.2.6 Ejection Seat Arbeitsblatt zum Beschleunigungssensor Diskutiere das 3 DBeschleunigungsdiagramm (rechts oben). Das Diagramm zeigt den gesamten Vorgang vom Abheben der Kugel bis zur darauf folgenden Ruhe lage. Vergleiche die drei a/t Diagramme für die einzelnen Raumachsen mit der Orientierung des Sensors, der am Rahmen der Kugel befestigt war. Wie groß war die maximale gemessene Beschleunigung a ? a = 40 m/s² = 4 g Diskutiere das Gesamtbeschleunigungsdiagramm (rechts unten). Beachte: Das Diagramm zeigt einen kleinen Zeitaussc hnitt aus dem oberen Diagramm. Wie groß war die tatsächliche Startbeschleunigung a ? a = 40 m/s² g = 30 m/s² = 3 g Zwischen welchen Werten hat die Gesamtbeschleunigun g auf den Körper des Burschen variiert? amin = 2 m/s² amax = 40 m/s² Warum wurde nie die Beschleunigung Null gemessen, w ie dies beim freien Fall eintritt? Da die Kapsel beim Fallen die Seile immer mehr gesp annt hat. Zur Videoanalyse mit den Schüler/innen reichte die Zeit nicht aus. Ein entsprechen des Video ist jedoch vorhanden (v_eject.avi). Man e rhält einen Beschleunigungswert von a = 35 m/s² Seite 35 4.2.7 Boomerang 4.2.7.1 Arbeitsblatt zur Bestimmung der Höhe und de r Geschwindigkeit Bestimme die Höhe der Plattform über dem Boden. Führe die Messung auf zwei Arten durch: 1. Theodolit und Maßband Gemessen: Basisstrecke: 110 m Winkel: 23 Grad Höhe der Messeinrichtung über Boden: 1,5 m Berechnete Höhe: 46 m 2. Optischer Entfernungsmesser Gemessen: Basisstrecke: 110 m Beobachter Plattform: 120 m Berechnete Höhe: 45 m Die Fotomontage zeigt die Ausgangsposition der Wage nkette vor der Abfahrt (links) und unmittelbar nach Erreichen der Höhe (rechts), bevor die Wagenkette wieder von einem Motor hochgezogen wird. Verwende die Skizze (rechts oben) zur Abschätzung d er Höhe der Massenmittelpunkte über dem Bo den vor ( Ausgangshöhe) und nach ( Endhöhe) der Fahrt. Ausgangshöhe: ca. 41 m Endhöhe: ca. 30 m Auf wie viel Prozent der Ausgangshöhe (ungefähr) ko mmt die Wagenkette aus eigener Kraft? Die Endhöhe beträgt ca. 73 % der Ausgangshöhe. Die Verluste betragen daher etw a: 27 % Welche Geschwindigkeit kann die Wagenkette maximal erreichen? ( Bedenke: Die Lageenergie wird in Bewegungsenergie umgewandelt). Die Formel für v lautet: v =
2 . g . h Die maximal mögliche Geschwindigkeit v kann daher nur 28,6 m/s betragen. Seite 36 4.2.7.2 Videoanalyse eines Fahrtabschnitts Durch Videoanalyse mit Coach wurde die tatsächlich beobachtete Maximalge schwindigkeit ermittelt ( Filename: V_ Boomer.avi). A nalysiert wurde jener Abschnitt der Fahrt, in dem sich die Wagen bereits horizontal bewegen und daher nicht mehr beschleunigt werden. Der blaue Graph rechts oben stellt den Weg dar, wie er aus der Videoanalyse ge wonnen wird. Der grüne Graph links unten ist das Er gebnis nach Anwendung der Funktion „ Fit“ in Coach. Rechts unten in rot ist da s Geschwindigkeitsdiagramm, das durch Differenziation gewonnen wurde. Daraus ablesb ar ist, dass es sich annähernd um eine gleichförmige Bewegung handelt, da sich die Geschwindigkeit nicht ändert. Die Maximalgeschwindigkeit beträgt V max = 19,8 m/s Seite 37 4.2.7.3 Messdaten des Beschleunigungssensors Da es sich um einen 3 DSensor handelte, erhielt man 3 von einander unabhängige Beschleunigung/ Zeit Diagramme. Die Vektorsumme dara us ist im Diagramm unten rechts aufgetragen. Man kann daraus die beiden Bewe gungsabschnitte erkennen, da die Wagen zweimal in die Höhe gezogen werden. Die g roßen Beschleunigungswerte stammen vom Bergab Fahren und von den Kurven. Seite 38 4.2.8 Tagada Die Messdaten des 3 DBeschleunigungssensors ergaben 3 Beschleunigung/ Zeit Diagramme, aus denen die resultierende Beschleunigu ng gewonnen wurde. Aus dem Beschleunigung/ Zeit Diagramm wurde die Umla ufdauer des Karussels er mittelt. Das Arbeitsblatt dazu:: Lies aus dem Anfang des Zentrifugalbeschleunigungsd iagramms die Dauer T für eine Umdrehung ab. T = 4 s Der Gesamtd urchmesser 2 r des Drehteils beträgt 6,8 m. Berücksichtige dabei die Position des Mädchens! Berechne die auftretende Zentrifugalbeschleunigung az. az = w² . r = (2 . p / T ) ² . r = (40 / 16) . 6 az = 15 m/s² Bestimme durch Einzeichnen in dem nebenstehendem Bild den Winkel, unter dem das Mädchen zum Boden geneigt ist. a aa a = 35 Grad Schätze daraus grafisch die ungefähre Zentrifugalbeschleunigung az ab. az = 5 m/s² Bedenke, dass das Mädchen wahrscheinlich nicht an d ie Grenze der Standfestigkeit geht und daher der abgelesene Winkel nicht der Zentrifugalbeschleu nigung entsprechen muss. Seite 39 4.2.9 Discovery Arbeitsblatt Diskutiere das 3 DBeschleunigungsdiagramm (rechts oben). Das Diagramm zeigt mehr als 20 „ Pendelschwingungen“ des Dreharmes mit dem 6strahligen Stern. Vergleiche die drei a/t Diagramme für die einzelnen Raumachsen mit der Orientierung des Sensors, den das Mädchen am Gürtel befestigt hatte. Wie groß war die maximale gemessene Beschleunigung a und in welcher Richtung ist sie aufgetre ten? a = 27 m/s² In welcher Richtung hat sie gewirkt? Normal zur Körperachse Diskutiere das Gesamtbeschleunigungsdiagramm (rechts unten). Beachte: Das Diagramm zeigt einen kleinen Zeitaussc hnitt aus dem oberen Diagramm. Wie groß war die Schwingungsdauer T für eine vollständige Hin und Herbewegung des Dre harmes? T = ca. 3 s Um wie viel wurde das Mädchen „leichter“ bzw. „schw erer“ während einer Schwingung in diesem Zeit abschnitt? Die „ Gewichtsänderung“ betrug etwa: 20 % Warum zeigt das Beschleunigungsdiagramm keinen rein en Sinusverlauf? Der Schwingung des Dreharmes ist noch eine Drehbewe gung der Sitzplätze überlagert. Seite 40 4.2.10 Luftikus 4.2.10.1 Arbeitsblatt zu den Beschleunigung/ Zeit Di agrammen Diskutiere das 3 DBeschleunigung/ Zeit Diagramm (rechts oben). Das Diagramm zeigt den gesamten Verlauf einer Fahrt auf diesem Karussell. Vergleiche die drei a/t Diagramme für die einzelnen Raumachsen mit der Orientierung des Sensors, den das Mädchen am Gürtel befestigt hatte. Diskutiere das Gesamtbeschleunigung/ Zeit Diagramm (rechts unten). Beachte: Das Diagramm zeigt einen kleinen Zeitaussc hnitt aus dem oberen Diagramm. Wie groß war die maximale und die minimale resultie rende Beschleunigung a ? amin = 9 m/s² amax = 20 m/s² Wie groß war die Umdrehungsdauer T für dieses Karussells? T = 4 s Seite 41 4.2.10.2 Abschätzung der Zentrifugalbeschleunigung Bestimme den Winkel a, unter dem die Sitze mit ihren Aufhängeketten gege n das Lot geneigt sind. a aa a = 50 Grad Überlege wie groß die Zentrifugalbeschleunigung in diesem Fall sein muss. az = 13 m/s² Vergleiche diesen Wert mit den im Arbeitsblatt Luft ikus 1 gemessenen Werten. Entnimm aus dem Arbeitsblatt Luftikus 1 die Umdrehu ngsdauer T und versuche daraus den Abstand der Sitze vom Drehmittelpunkt abzuschätzen. Wie hängen Umdrehungsdauer T , Radius r und Zentrifugalbeschleunigung za zusammen. az = r . 4. p ² / T² T = 4 s r = ca. 5 m Seite 42 4.2.11 Turbo Booster 4.2.11.1 Arbeitsblatt zur Bestimmung der Bahngeschw indigkeit Erkundige dich nach dem Durchmesser des „ Dreharmes“ oder bestimme ihn mit dem optischen Entfernungsmesser. Durchmesser: 40 m Miss die Umlaufdauer T einer Umdrehung: T = ca. 7 s ( Beachte: Die Umlaufdauer ist nur während einiger weniger Umdrehungen annähernd konstant. Der Dreharm kommt dann zum Stillstand und dreht die Drehrichtung um.) Schätze die Bahngeschwindigkeit v , mit der sich die Personen auf der Kreisbahn bewegen. v = 50 km/h Berechne nun die Bahngeschwindigkeit v v = w ww w . r = ( 2 . p pp p / T) . r v = 18 m/s = 65 km/h Berechne die Zentrifugalbeschleunigung az, die auf die Personen wirkt. az = 16 m/s² Vergleiche diesen Wert mit den Daten des Beschleuni gungssensors und diskutiere eventuelle Abwei chungen. Bestimme durch Videoanalyse mit Coach die Bahngeschwindigkeit v der Personen. Filename: V_ Turbo B.avi v = 18,5 m/s = 67 km/h Seite 43 4.2.11.2 Arbeitsblatt zu den Beschleunigung/ Zeit Di agrammen Es wurden zwei Durchgänge mit jeweils unterschiedli cher Drehrichtung aufgezeichnet. Vergleiche die drei a/t Diagramme für die einzelnen Raumachsen mit der Orientierung des Sensors, den das eine Mädchen an ihrem Gürtel befestigt hatt e. Wie viele Umdrehungen hat das Mädchen mit dem Senso r während eines Durchgangs gemacht? 7 Umdrehungen / Durchgang Wie lange war die Umlaufdauer T einer Umdrehung? T = ca. 7 s Wie groß war die maximale gemessene Beschleunigung a ? a = 54 m/s² Diskutiere das Gesamtbeschleunigungsdiagramm (rechts unten). Zwischen welchen Werten hat die Gesamtbeschleunigun g auf den Körper des Mädchens variiert? amin = 2 m/s² amax = 54 m/s² Seite 44 4.2.12 Geisterbahn 4.2.12.1 Arbeitsblatt Elektrik – Bewegungsmelder Das Foto zeigt einen Bewegungsmelder ( Näherungsscha lter), wie er heute vielfach zum Schalten von Außenbeleuchtungen verwendet wird. In der Geisterbahn soll er bei Annäherung einer Per son an das Skelett dieses anleuchten und einen Heulton auslösen. Baue aus den beigestellten Bauteilen eine Anordnung , wo bei Annäherung einer Person die Alarm LEDs blinken und der Summer heult. Eine Schaltskizz e vor dem Experimentieren erleichtert die Ar beit! Dokumentiere den Versuchsaufbau mit Hilfe einer Dig italkamera. Material: Näherungsschalter; Anschluss mit blauer und roter B uchse an 12 V; die beiden blanken Enden sind mit dem Eingangsschalter (internes Relais) verbunde n. Rot/gelbe Alarm LEDs Summer Krokoklemmen Steckplatte Leitungsbausteine Verbindungsschnüre Netzgerät Ergebnis: Seite 45 4.2.12.2 Arbeitsblatt Elektrik – Neigungsschalter Das linke Foto zeigt einen Neigungsschalter, wie er zum Beispiel für die automatische Wasserstands regulierung mittels Tauchpumpen verwendet wird. Der Quecksilbertropfen kann bei Berührung der beide n Drahtspitzen in dem kleinen Glaskörper einen Stromkreis schließen. Das rechte Foto zeigt diesen Schalter (zur Sicherhe it in eine unzerbrechliche Glasröhre eingegossen), wie er durch Wasser bereits gehoben wird. Baue aus den beigestellten Bauteilen eine Anordnung , wo beim Einfüllen von Wasser in die Küvette bei einer bestimmten Füllhöhe die Alarm LEDs blinke n und der Summer heult. Eine Schaltskizze vor dem Experimentieren erleichtert die Arbeit! Dokumentiere den Versuchsaufbau mit Hilfe einer Dig italkamera. Material: Neigungsschalter Rot/gelbe Alarm LEDs Summer Krokoklemmen Leitungsbausteine Steckplatte Verbindungsschnüre Küvette Becher Netzgerät Ergebnis: Seite 46 4.2.12.3 Arbeitsblatt Elektrik – Reedkontakt Das Foto zeigt einen so genannten Reedkontakt. In einem Glasrohr sind zwei Metallplättchen eingesc hmolzen. Diese können von außen durch ein Magnetfeld zur Berührung gebracht werden, wodurch e in elektrischer Stromkreis geschlossen werden kann. Man nennt diesen Schalter auch Reedrelais. Baue aus den beigestellten Bauteilen eine Anordnung , wo beim Vorbeifahren des Wagens mit den aufgesetzten Magneten eine Leuchtdiode aufleuchtet und der Summer heult. Leuchtdiode und Summer müssen parallel geschaltet w erden. Zum Schutz der LED muss der 100 W Widerstand vorgeschaltet werden. Eine Schaltskizze vor dem Experimentieren erleichte rt die Arbeit! Dokumentiere den Versuchsaufbau mit Hilfe einer Dig italkamera. Material: Reedkontakt LED Summer Krokoklemmen Steckplatte Leitungsbausteine Verbindungsschnüre Schiene Netzgerät Ergebnis: 4.2.12.4 Arbeitsblatt Elektrik – Wechselschalter Baue mit Hilfe der beigestellten Bauteile eine Scha ltung auf, so dass eine Glühlampe von zwei ge trennten Stellen jeweils aus und eingeschaltet wer den kann. Eine Schaltskizze vor dem Experimentieren erleichte rt die Arbeit! Dokumentiere den Versuchsaufbau mit Hilfe einer Dig italkamera. Material: Lampenfassung Glühlampe 12 V 2 Umschalter Steckplatte Leitungsbausteine Verbindungsschnüre Schiene Netzgerät Ergebnis: Seite 48 5 EVALUATION Durchführung: Mag.a Barbara Strametz1 (barbara.strametz@ufg.ac.at) 5.1 Einleitung Das „ Praterprojekt“ wurde im Schuljahr 2005/06 am G ymnasium Ettenreichgasse mit der Klasse 6c durchgeführt. Der Leiter des Projekts , Mag. Theodor Duenbostl, der die Klasse in Physik unterrichtet, gab die hier vor liegende Evaluation des Projekts in Auftrag. Die Evaluation soll Aufschluss darüber geben, ob di e Motivation der Schüler/innen und das Interesse am Physikunterricht durch den Pro jektunterricht gefördert werden konnten. 5.2 Fragestellung Als Grundlage für die Durchführung einer Evaluation diente einerseits ein informati ves Gespräch mit dem Initiator des „ Praterprojektes “ Mag. Duenbostl über Inhalte, Methoden und Ziele des Projektes. Darüber hinaus wu rde der Evaluatorin eine schriftliche Dokumentation der durchgeführten Aktiv itäten zur Verfügung gestellt, welche ebenfalls als Ausgangspunkt für die Entwickl ung der Fragestellung genutzt werden konnte. Als Ziel der vorliegenden Evaluation galt, herauszu finden, wie das „ Praterprojekt“ von der Gruppe, die davon profitieren sollte, erlebt wu rde. Das heißt die Schüler/innen standen im Blickpunkt des Interesses. Die Evaluatio n sollte klären, inwiefern der Un terricht, so wie er im Rahmen dieses Projekts durch geführt wurde, Anklang fand, ob sich die Form des