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

5 Entwicklung eines Gesamtkonzeptes zur Kinematik und Dynamik 113
dann zu sehen, ob diese Anpassung für den
Rest des Versuchs gültig bleibt (Wilhelm,
1994, S. 183). Für die erstellten Unterrichtsmaterialien
wurde die Kraft gemessen
und im Programm eingeben. Bei einer Reproduktion
der Messung in PAKMA kann
sie dann auf einer anderen Ebene mit als
Pfeil dargestellt werden (siehe Abb. 5.20
unten).
Begriffe wie „resultierende Kraft“, „Ersatzkraft“
oder „beschleunigende Kraft“ (Alle
Kräfte sind beschleunigend!) verleiten Schüler
zu der Fehlvorstellung, dass es sich dabei
um eine weitere, der Hangabtriebskraft gleichberechtigten Kraft handelt. Deshalb empfiehlt es sich,
von der „Gesamtkraft“ oder besser von der „Summe der Kräfte“ zu sprechen und das zweite new-
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tonsche Gesetz in der Form Σ F = m⋅
a zu schreiben. Um zu vermeiden, dass die Schüler dies so
interpretieren, dass die Masse und die Beschleunigung die Gesamtkraft ergibt, ist es gemäß dem
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Ursache-Wirkungskonzept, das sich in Gleichungen mit ausdrückt, besser a = ΣF
/ m zu formulieren
(siehe Kapitel 4.5.3).
Reibungskräfte werden in Schülervorstellungen nur als Widerstände gegen die Bewegung angesehen,
aber nicht als wirkliche Kräfte (siehe Kapitel 2.2.4.2). Deshalb ist es sehr wichtig, auch Bewegungen
mit Reibungskräften zu behandeln. Die Grundidee, mit der die Proportionalität von a � und
F �
Σ aufgezeigt wurde, beruht darauf, aus der gemessenen Beschleunigung a � auf die Summe aller
äußeren Kräfte zu schließen. Falls sich in einer neuen Versuchsanordnung mit den bekannten Kräften
keine Proportionalität zu a � ergibt, muss die fehlende Kraft bzw. müssen die fehlenden Kräfte
gesucht werden. Dieses „Detektivspiel“ besteht aus zwei Teilen: Zuerst müssen die Eigenschaften
der fehlenden Kräfte aus den Versuchen ermittelt werden und anschließend sind die Ursachen der
anfänglich nicht erkannten Kräfte zu identifizieren (Heuer, 1996a, S. 16).
Bringt man an einem Gleiter auf der den Schülern abgewandten Seite einen weichen Federstahlbügel
mit Schaumstoffpolster so an, dass dieser die Gleitschiene leicht berührt, so wirkt auf den sich
bewegenden Gleiter eine kleine Gleitreibungskraft Freib �
Abb. 5.20: Mehrere Screenshots des Ablaufs mit zusätzlicher
Kraft
, deren Betrag recht konstant ist (Wilhelm,
1994, S. 166 ff.). Den Schülern teilt man von dieser Veränderung nur mit, dass für die kommenden
Versuche mit einem leicht abgeänderten Gleiter gearbeitet wird. So müssen sie mit Hilfe der Pfeildarstellung
herauszufinden, ob die Veränderung am Gleiter entsprechend dem letzten Abschnitt
eine zusätzliche Kraft bewirkt und welche Eigenschaften diese hat. Durch gezielte Fragen des Lehrers
erkennen die Schüler bei der wiederholten Reproduktion des Versuches, dass die unbekannte
Kraft während der Bewegung etwa eine konstante Größe hat, aber mehrfach ihre Richtung ändert
(mehrere Screenshots in Abb. 5.21). Auch sehr gute Schüler haben zunächst Schwierigkeiten, die
beobachtete wiederholte Richtungsumkehr zu erklären, bis es dann fast zu einem Aha-Erlebnis