Konzeption und Evaluation eines Kinematik/Dynamik-Lehrgangs zur ...

110 5 Entwicklung eines Gesamtkonzeptes zur Kinematik und Dynamik
und auswerten und dadurch die Arbeit erleichtern. Wie im traditionellen Vorgehen ist auch in dem
hier dargelegten Konzept vorgesehen, zunächst kurz zu zeigen, dass bei konstanter Gesamtmasse
die Beschleunigung in unterschiedlichen Versuchen direkt proportional zur jeweiligen (während des
Ablaufs konstanten) Zugkraft ist und dass bei konstanter Zugkraft die Beschleunigung in unterschiedlichen
Versuchen direkt proportional zur jeweiligen Gesamtmasse ist. An einem Faden hängende
Gewichtsstücke ziehen dabei über eine Umlenkrolle an einem Gleiter auf einer Luftkissenfahrbahn.
Entgegen dem Standardvorgehen soll hier nicht nur die schnellerwerdende Bewegung bis
zur am Ende der Fahrbahn angebrachten Feder betrachtet werden, sondern auch die langsamerwerdende
Rückwärtsbewegung soll mit aufgenommen werden, denn auf Grund des Kinematikkurses
sollten die Schüler hier keine Probleme haben, auch dies als positive Beschleunigung zu akzeptieren.
Das hat drei Vorteile: 1. Die Versuchsauswertung umfasst eine längere Messzeit. 2. Es wird
deutlich, dass es im Federrückstoß noch andere Einflüsse gibt, von denen nun abgesehen wird. 3.
Der Einfluss der noch vorhandenen Reibung wird eliminiert, indem bei der Beschleunigung zwischen
Hin- und Rückbewegung gemittelt wird. Auf Wunsch kann aber über einen Schalter die
Rückwärtsbewegung in der Darstellung unterdrückt werden. So erhält man zunächst das Gesetz
a = F / m .
Man sollte dieses Gesetz gemäß dem Ursache-Wirkungskonzept
in der Form a = F / m
schreiben, da sich aus wirkender Kraft und
bewegter Masse eine Beschleunigung ergibt.
Die Formulierung F = m� a, die sich aus der
newtonschen Definition ergibt, betont nicht
den Wirkungszusammenhang und verführt
Schüler, dies so zu interpretieren, dass die Abb. 5.15: Wirkungszusammenhang zwischen Kraft
und Beschleunigung
Masse und die Beschleunigung eine Kraft
„ergibt“. Diese kleine Umformung der Standardgleichung
hilft den Schülern zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Kraft und Beschleunigung.
Zusätzlich sollte man den Zusammenhang noch symbolisch wie in Abb. 5.15 darstellen.
Genauso wäre es sinnvoll zu formulieren, dass bei ohmschen Widerständen (R = U / I = konstant)
der Wirkungszusammenhang I = U / R (mit R konstant) gilt, da sich aus angelegter Spannung
U und vorhandenem konstantem Widerstand R eine bestimmte Stromstärke I ergibt.
Analog zur Kinematik hätte man natürlich auch hier mit zweidimensionalen Bewegungen beginnen
können. Es gibt aber wenig überzeugende zweidimensionale Experimente, bei denen die wirkenden
Kräfte bekannt sind, damit der Zusammenhang zu der gemessenen Beschleunigung gezeigt werden
kann (sei es als Bestätigung eines „Gesetzes“ oder als Veranschaulichung einer Definition). Da in
diesem Lehrgang auch gezeigt werden soll, dass das zweite newtonsche Gesetz auch bei veränderlichen
Kräften, mehreren Kräften und Reibung gilt, wurde mit eindimensionalen Bewegungen begonnen
und später auf zweidimensionale erweitert.