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

5 Entwicklung eines Gesamtkonzeptes zur Kinematik und Dynamik 115
5.3.4.3 Anwendungen des zweiten newtonschen Gesetzes
Heute wird in der Physik das zweite newtonsche Axiom als eine Definition der Größe „Kraft“ angesehen
(siehe 5.3.4.1). Das erste newtonsche Gesetz ist demnach für uns heute (nicht für NEWTON)
nur noch ein Spezialfall des zweiten newtonschen Gesetzes und so soll es in diesem Konzept auch
dargestellt werden. Deshalb wird es nach dem zweiten newtonschen Gesetz als eine erste Anwendung
behandelt. Die Schüler kennen dieses Gesetz normalerweise aus der achten Klasse unter dem
Namen „Trägheitssatz“. Dieser Begriff soll hier aber nicht verwendet werden, da er sehr missverständlich
ist (Demidow et al., 1997, S. 197). Der physikalische Begriff „Trägheit“ meint, dass eine
Masse ihren „Bewegungszustand“ nicht ändern will, während „Trägheit“ in der Alltagssprache etwas
anderes bedeutet: Wenn jemand träge ist, will er sich nicht bewegen, sondern zur Ruhe kommen.
Ein träger Körper bleibt aber in Bewegung, solange keine Kraft auf ihn wirkt. In dem Konzept
wird deshalb ausschließlich vom „ersten newtonschen Gesetz“ gesprochen, obwohl auch der Begriff
„Beharrungsprinzip“ akzeptabel ist.
Die Aussage des ersten newtonschen Gesetzes steht allerdings im Widerspruch zu Erfahrungen, die
wir täglich in beschleunigten Bezugssystemen machen - vor allem in Fahrzeugen, die anfahren,
anhalten oder in Kurven fahren. Die hier erlebten Kräfte werden von Schülern auch explizit angesprochen
(Galili, Kaplan, 2002, S. 2). Deshalb müssen solche Situationen und diese Erfahrungen
auch besprochen werden. Anderseits ist es nicht nötig, die Begriffe „Bezugssystem“, „Inertialsystem“
und „Trägheitskraft“ einzuführen. Stattdessen wird deutlich gemacht, dass zwar die mitbewegte
Person eine Kraft auf sich zu spüren glaubt, aber wir als außen stehende Beobachter wissen,
dass eigentlich zunächst nur auf das Fahrzeug eine Kraft wirkt und die Person zunächst ihren wirklichen
Bewegungszustand beibehält. Viele faszinierende Freihandversuche können gezeigt und jeweils
diskutiert werden, welche Kraft auf das Fahrzeug wirkt und welche der Insasse annimmt, wobei
auch schon die Kurvenfahrt diskutiert werden soll. Da Trägheitskräfte nicht explizit eingeführt
werden, sollen sie auch nicht zur Lösung von Aufgaben verwendet werden. Es wird also nicht für
sinnvoll gehalten, Trägheitskräfte als eine neue Art von Kraft (Galili, Kaplan, 2002, S. 10) zu behandeln.
Im Unterricht wurde zunächst gezeigt, dass bei einer eindimensionalen Bewegung die Geschwindigkeit
ungleich Null beibehalten wird. Anschließend wurde behandelt, dass die Ruhe beibehalten
wird, und schließlich wird auch die Richtung beibehalten. Für den ersten Fall eignet sich ein kleiner
Wagen auf einem großen Wagen, die sich gemeinsam bewegen. Wird der untere Wagen (idealerweise
zunächst abgedeckt) gestoppt, fährt der obere weiter. Begeistert sind die Schüler von dem
Modell eines nicht angeschnallten Autofahrers: Eine Schachtel mit einem rohen Ei wird gegen ein
gut befestigtes Stativ geschoben, so dass das Ei herausfliegt. Der angeschnallte Fahrer wird durch
ein rohes Ei in einer Eierschachtel dargestellt. Ergänzend können auch Videos von Crashversuchen
eingesetzt werden. Wird im obigen Versuch der große Wagen dagegen aus der Ruhe kräftig beschleunigt,
bleibt der auf ihm stehende kleine Wagen in Ruhe. Ein Holzbrett, das auf dem Wagen
steht, zeigt eine Person, die in einer anfahrenden Straßenbahn steht.
Schüler glauben auch, dass ein Körper, der sich auf einer Kreisbahn bewegt, sich auf einem Bogen
statt tangential weiter bewegt, wenn er sich frei ohne Einwirkungen weiter bewegt. Der Versuch mit