Zweidimensionales Mechanikkonzept

Verbesserung der Lernwirksamkeit des Mechanik-Unterrichts

Zusätzlich zur Unterrichtsdiagnostik, die sich auf einer höheren Abstraktionsstufe befindet und die für alle Fächer gleichermaßen anwendbar ist, wollen wir auch die fachdidaktische Qualität des Unterrichts weiterentwickeln. Wir setzen derzeit als weiteres Pilotprojekt das empirisch als wirksam erwiesene, zweidimensionale Mechanik-Konzept von Thomas Wilhelm und Kollegen im Unterricht der Klasse 8 ein, das wir Ihnen an dieser Stelle kurz vorstellen wollen.

Bereits seit mehr als 15 Jahren wissen wir (siehe z.B. PIKO-Briefe): Schülerinnen und Schüler bringen unvermeidlich ihre Alltagsvorstellungen und Alltagssprache in den Physikunterricht mit. Dem Unterricht soll es eigentlich gelingen, ausgehend von diesen Alltagsvorstellungen die Schülerinnen und Schüler davon zu überzeugen, dass ihre Vorstellungen in vielen Situationen nicht tragfähig sind und die angebotenen Deutungen sich besser bei der Erklärung alltäglicher Phänomene bewähren. Diese Hoffnungen konnten jedoch in der Vergangenheit zu oft nicht erfüllt werden: Es gibt sogar Belege dafür, dass Schülerinnen und Schüler die physikalische Sichtweise verstehen und im Hinblick auf gute Noten reproduzieren können, sie aber nicht für wahr hielten! Wenn Sie sich also nicht an Ihren Mechanik-Unterricht erinnern können, dann sind sie in guter Gesellschaft. 

Inhaltlich liegt dies vor allem an der Überbetonung der Statik, die sich um alle Situationen kümmert, in denen sich Objekte nicht in Bewegung befinden. Nun ist einerseits die Welt nur interessant, weil Dinge sich in Bewegung befinden und diese Bewegungen sich auch verändern können, und andererseits ist die Vorstellung, dass auf einen still liegenden Körper mehrere Kräfte wirken, die sich gegenseitig in ihrer Wirkung aufheben, doch meilenweit vom Alltagsbegriff "Kraft" entfernt.

Stattdessen beginnen wir damit, zunächst die qualitative Beschreibung von Bewegungen zu erarbeiten: Dazu muss man möglichst genau angeben, wann sich ein Objekt an welcher Stelle befindet. Die Bewegung kann auf einen Blick mit sogenannten Stroboskopbildern dargestellt werden:

Bouncing ball strobe edit 

Im Anschluss entwickeln wir den physikalischen Geschwindigkeitsbegriff: Während der Engländer von Haus aus zwischen "speed" und "velocity" unterscheiden kann, müssen wir von "Tempo" und "Richtung" sprechen. Beide Größen werden in einem Geschwindigkeitspfeil codiert, dessen Länge dem Tempo entspricht.


Die Geschwindigkeit bleibt ohne äußere Einwirkung erhalten. Auf der Erde erscheint uns dies zunächst merkwürdig, aber wir können Einwirkungen wie z.B. die Reibung nicht "ausschalten". Dass diese Herangehensweise dennoch sinnvoll ist, sieht man, wenn man gegen einen rollenden Ball tritt, und zwar senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung - ein passendes Video von Thomas Wilhelm finden Sie hier.
Der Ball bewegt sich danach nicht etwa senkrecht zu seiner vorherigen Bewegungsrichtung, sondern diagonal. Er behält seine Ursprungsgeschwindigkeit bei und erhält eine dazu senkrechte Zusatzgeschwindigkeit. Beide zusammen ergeben durch Vektoraddition die Endgeschwindigkeit.

Mit der Stoßsimulation untersuchen die Schülerinnen und Schüler im Anschluss, wovon die Zusatzgeschwindigkeit abhängt. Es ergibt sich, dass die Zusatzgeschwindigkeit immer dieselbe Richtung wie die Einwirkung hat. Weiterhin findet man - entsprechend seinem alltäglichen Verständnis - dass die Zusatzgeschwindigkeit umso größer wird, je länger die Einwirkung dauert oder je stärker die Einwirkung ist oder je geringer die Masse des Objekts ist. Einwirkungsstärke und Einwirkungsrichtung fassen wir zum Begriff "Kraft" zusammen. Dabei gilt die Newton'sche Bewegungsgleichung:

Kraft mal Einwirkungsdauer ist gleich Masse mal Zusatzgeschwindigkeit.

Hiermit können die Schülerinnen und Schüler nun zahlreiche Alltagserfahrungen erklären: Der Autofahrer hat mit Airbag deutlich bessere Karten, da er in einer viel längeren Zeit heruntergebremst wird. Die auf seinen Kopf wirkende Kraft ist also viel geringer. Außerdem kann ein Auto vollbeladen in einer gegebenen Zeitspanne nur ein geringeres Tempo erreichen als mit leerem Kofferraum, denn Motorkraft und Einwirkungsdauer bleiben gleich, aber die größere Masse führt zu einer geringeren Zusatzgeschwindigkeit. Warum Sie lieber mit einem Gummi- statt einem Stahlseil Bungee-Jumping betreiben wollen, können Sie sich nun selbst beantworten. Diese Ideen knüpfen sich nahtlos an Alltagsvorstellungen an: Wer im Alltag "viel Kraft hat", der kann einem Objekt eine größere Zusatzgeschwindigkeit erteilen als jemand, der "wenig Kraft hat".

Dass auf fallende Objekte eine Kraft, nämlich die Gewichtskraft wirken muss, ist nun auch klar - schließlich erhöht sich das Tempo der Objekte ja während des Falls! Mit Hilfe des berühmten Videos "hammer vs. feather on the moon" von der Apollo 15-Mission kommen die Schülerinnen und Schüler nun von selbst darauf, dass die Gewichtskraft proportional zur Masse sein muss, denn für den Hammer und die Feder sind ja Fallzeit und Zusatzgeschwindigkeit gleich. Dass wir diesen Effekt auf der Erde nicht beobachten, liegt natürlich an der Luftreibung.

Nun kann die Brücke zur Statik geschlagen werden: Wenn man seine Hand auf den Tisch legt und darauf z.B. ein Buch legt, dann spürt man deutlich die Schwere des Buchs. Die Gewichtskraft wirkt also weiterhin. Dass das Buch seine Geschwindigkeit nicht ändert, kann nur daran liegen, dass insgesamt keine Kraft darauf wirkt. Die Kraft, die der Tisch auf das Buch ausübt, ist im sog. Kräftegleichgewicht mit der Gewichtskraft, und das Buch fällt nicht durch den Tisch. Man sieht nun auch, dass man den Begriff "Kraft" nicht sinnvoll mit einem Federkraftmesser einführen kann: Damit er funktioniert, sind zwei Kräfte notwendig, die im Gleichgewicht sind - sie verformen die Feder, erteilen ihr aber keine Zusatzgeschwindigkeit.

Dr. Daniel Wieczorek, Fachvorsitzender Physik