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

16 2 Schülervorstellungen zur Kinematik und Dynamik
dem entsprechenden Unterricht auch negative Beschleunigungen meistens kaum Probleme. „Beschleunigen“
heißt demnach „schnellerwerden“, auch als „positive Beschleunigung“ bezeichnet;
„negative Beschleunigung“ bedeutet dann „langsamerwerden“, „verzögern“, „bremsen“.
Wird nun Beschleunigung als eine solche skalare Größe betrachtet, die die Änderung des Geschwindigkeitsbetrages
(pro Zeiteinheit) angibt und deren Vorzeichen die Zu- bzw. Abnahme des
Geschwindigkeitsbetrages anzeigt, führt dies zunächst kaum zu Problemen, da sich ein Körper in
der Schule meist in positive Richtung bewegt.
Erst bei Bewegungen in negative Richtung - wie sie bei Bewegungen mit Richtungswechsel auftreten
- führt diese Vorstellung zu entgegengesetzten Ergebnissen als das physikalische Konzept (siehe
Kapitel 6.4.3.1), bei dem die vektorielle Beschleunigung der Quotient aus der Änderung des Geschwindigkeitsvektors
durch zugehöriges Zeitintervall ist (Beispiel: In negative Richtung schneller
werden ist eine negative Beschleunigung). Besonders schwierig wird es dann bei der zweidimensionalen
Bewegung, da eine Kreisbewegung mit konstantem Geschwindigkeitsbetrag dann keine Beschleunigung
ergibt und eine Zentripetalbeschleunigung nicht verstehbar ist. Entsprechend wird bei
einer Kurvenfahrt mit veränderlicher Geschwindigkeit von den Schülern nur die tangentiale Komponente
der Beschleunigung angegeben (siehe Kapitel 6.4.1.1). Diese unangemessenen Reduktion
findet man sogar in Universitätslehrbüchern, in denen beim mathematischen Pendel die tangentiale
Beschleunigung als die (gesamte) Beschleunigung dargestellt wird, ohne darauf zu verweisen, dass
die Bewegung auf dem Kreisbogen einen radialen Beschleunigungsanteil ergibt (Reusch, Heuer,
2000, S. 349). Die Kraft durch das Seil kompensiert eben nicht die radiale Komponente der Gewichtskraft,
sondern ist (außer in den Umkehrpunkten) größer, sonst könnte sich der Pendelkörper
nicht auf einer Kreisbahn bewegen.
Die Untersuchungen in den Kapiteln 6.4.1.1, 6.4.2.3 und 6.4.3.1 zeigen insgesamt, dass im herkömmlichen
Unterricht nur ein recht kleiner Teil der Schüler so ein physikalisches Verständnis der
Beschleunigung erreichen, dass sie auch bei Kurvenfahrten und eindimensionalen Bewegungen mit
Richtungsumkehr physikalisch korrekte Antworten geben können. Der traditionelle Unterricht erreicht
also nicht viel mehr, als dass ein großer Teil der Schüler Beschleunigung als Änderung des
Geschwindigkeitsbetrages konzeptualisieren. In der Regel lassen sich nach dem Mechanikunterricht
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alle drei verschiedenen Vorstellungen ( a ~ v , a ~ ∆ v und a ~ ∆v
) gleichzeitig in einer Klasse
finden, wobei es von der Aufgabenstellung abhängt, welche dieser Vorstellung überwiegend genutzt
wird.
Sollen Gymnasiasten nach dem Mechanikunterricht bei einer eindimensionalen Bewegung die Beschleunigungsrichtung
als Pfeil einzeichnen (siehe 6.4.1.1), wird dies noch von fast allen richtig
gelöst (ca. 90 %). Bei einer zweidimensionalen Bewegung lösen nur 5 % bis 12 % die Aufgabe
richtig, während die Hälfte bis Dreiviertel der Schüler nur eine Art tangentiale Beschleunigung angibt
(siehe 6.4.1.1). Auch die Untersuchungen von REIF und ALLEN (1992) sowie von HESTENES
und WELLS (1992) zeigen große Schwierigkeiten von amerikanischen Schülern und Studenten bei
der Richtung der Beschleunigung bei krummlinigen Bewegungen.