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

5 Entwicklung eines Gesamtkonzeptes zur Kinematik und Dynamik 119
spräch darüber ist sehr wichtig, da es in der
Alltagssichtweise natürlich ist, dass ein Auto
auf der Straße eine Kurve fährt, wozu keine
Kraft nötig ist, während mit Kräften der unnatürliche
Vorgang erklärt werden muss,
dass ein Auto geradeaus aus einer Kurve
hinausfährt. In der physikalischen Sicht ist
genau umgekehrt das Geradeausfahren der
natürliche Vorgang, während zum Kurve
Fahren eine Kraft nötig ist. Um die Gleichung
für die Zentripetalkraft, die aus F =
m·a folgt, noch zu überprüfen, dient ein Versuch
mit dem Zentralkraftgerät der Firma
Phywe, mit einem elektronischen Kraftmesser
und mit PAKMA, wobei man mit einer
Messung einen Graph „Zentripetalkraft über
Geschwindigkeit“ (und „Zentripetalkraft
über Geschwindigkeitsquadrat“) hat, da die
Abb. 5.23: Qualitative Begründung für aZentri ~ v²
Bewegung von alleine langsamer wird.
Früher wurden auch in der Schule viele Situationen aus der Sicht des mitbewegten Beobachters
betrachtet und Aufgaben in diesem Bezugssystem gelöst. Wenn in der objektiven Sichtweise des
� �
ruhenden Beobachters die grundlegende Gleichung m⋅
a = ∑ Fi
ist, ergibt sich nach dem Prinzip
von D'ALEMBERT mit der Trägheitskraft −m
⋅a
�
F
Träg +∑
i
�
FTräg =
�
als grundlegende Gleichung
�
F = 0 , was formal einem Kräftegleichgewicht der Statik entspricht. Mit dem Prinzip von
i
D'ALEMBERT können Probleme der Dynamik formal in Probleme der Statik, die leichter als die Dynamik
zu verstehen ist, umgewandelt werden. Es ist somit verständlich, dass früher in der Schule
viele Aufgaben und Probleme aus der Sicht des mitbewegten Beobachters behandelt wurden (Siehe
z.B. Motorrad/Flugzeug bei Kurvenfahrt. Aus „Kraft nach innen gleich Zentrifugalkraft nach außen“
folgt: tan α = Zentrifugalkraft / Gewichtskraft). Problematisch wird es dann, wenn sich die
Schüler nicht mehr bewusst sind, dass sie subjektiv aus der Sicht des mitbewegten Beobachters argumentieren
und über Scheinkräfte reden, d.h. wenn sie zur objektiven Sicht nach dem zweiten
newtonschen Axiom nicht mehr fähig sind (Auf das Motorrad wirkt keine Zentrifugalkraft, sondern
eine Zentripetalkraft durch die Bodenreibung). Da es in diesem Konzept nicht darum geht, dass die
Schüler viele Aufgaben schnell lösen können, sondern dass sie die newtonsche Dynamik verstehen,
soll nicht nur bei der Erarbeitung sondern auch bei allen Anwendungsaufgaben immer aus der Sicht
des ruhenden Beobachters argumentiert werden (Die notwendige Zentripetalkraft kommt von einer
bestimmten Kraft nach innen) (wie dies bereits WARREN (1979) forderte). Dies wird bei der Kurvenfahrt
eines Autos und eines Motorrades angewandt.
i