Newtonsche Gesetze PROJEKT WISSENSCHAFT UND TECHNIK MACHEN UNS SPASS! WURDE FINANZIELL UNTERSTÜTZT:

Das Projektziel ist es mittels bildender (Bildungsprogramme, Materialien) und lancierender („wissenschaftliche“ Road-Show) Instrumente und dem grenzüberschreitenden motivierenden Wettbewerb das Interesse der Schüler und Studenten für Technik und Wissenschaft zu steigern sowie zu einer wechselseitigen Kommunikation der Bildungseinrichtungen in diesem Gebiet beizutragen, d.h. die Beziehungen zwischen den einzelnen Schulstufen und weiterer Bildungssubjekte innerhalb der Region Ziel 3 zu stärken.

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PROGRAMMFINANZIERUNG

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Kuvert Sir Isaac Newton, Gravierung, Peter Lely, 1799, public domain, www.commons.wikipedia.org, geändert

Inhalt 3

Newtonsche Gesetze

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I. Newtonsches Gesetz – Das Trägheitsgesetz

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8

4

Motivierender Teil - Morgengymnastik

5

Einleitende Aktivitäten

5

Hauptaktivität - Versuch mit einem Metalluntersetzer

II. Newtonsches Gesetz – Aktionsprinzip 6

Motivierender Teil - Morgengymnastik

6

Einleitende Aktivität - Schaukel

7

Hauptaktivität - Versuch mit dem kleinen Auto und dem Gewicht

III. Newtosches Gesetz – Wechselwirkungsprinzip 8

Motivierender Teil - Verkehrsmittel

9

Einleitende Aktivitäten

9

Hauptaktivität

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Newtonsche Gesetze

der sich mit unterschiedlichen Prozessen befasste,

VORSCHLAG FÜR DIE EINFÜHRUNG DER NEWTONSCHEN GESETZE IN DEN UNTERRICHT

die wir um uns herum beobachten können.

•

Kinder sollten mit Isaac Newton bekannt gemacht werden. Es handelte sich um einen sehr weisen Mann,

Ähnlich wie über Archimedes gibt es eine Legende

Bewegungsaktivität eines Kindes beeinflusst die

über Newton. Angeblich lag er einmal unter einem Apfelbaum und ruhte sich aus, als ihm plötzlich ein Apfel auf den Kopf fiel. Deshalb fing er an nachzuden-

Während der Morgengymnastik – jede Dinge um das Kind herum.

•

Verkehrsmittel – einschließlich Shuttle

ken: Wenn es eine Kraft gibt, die den Apfel zur Erde hin zieht, wie weit reicht dann die Wirkung dieser Kraft? Reicht sie noch weiter als bis zum Himmel? In die Atmosphäre? Ins Weltall? Ist es möglich, dass dieselbe Kraft den Mond bei der Erde hält? Und so entdeckte er die Gravitationskraft, Dank der wir auf der Erde gehen können, ohne ins Weltall davonzufliegen. Im folgenden Teil werden die Bewegungsge-

INTERESSANTE VERWEISE •

Newtonsche Kuchengesetze

http://www.lightbulbbooks.com/blog/2013/04/newtons-lawsof-cake-law-1/ http://www.lightbulbbooks.com/blog/2013/04/newtons-lawsof-cake-law-2

setze behandelt, deren Gültigkeit Phänomene bewei-

http://www.lightbulbbooks.com/blog/2013/05/newtons-laws-

sen, die wir tagtäglich um uns herum sehen.

of-cake-law-3/

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I. Newtonsches Gesetz – Das Trägheitsgesetz

Ohne äußere Krafteinwirkung wird sich der Gegenstand nie bewegen.

Ohne äußere Krafteinwirkung wird der Gegenstand nie zum Stehen kommen. Wortlaut: Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Translation, sofern er nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines

HILFSMITTEL Spielkarten

5 Stück

Metalluntersetzer

5 Stück

THEORIE

Becherglas aus Plastik

3 Stück

Die Trägheit ist die Tendenz eines beliebigen Körpers,

Ziel der Aktivitäten: Während mehrerer Aktivitä-

einer Bewegungsänderung zu widerstehen. Sie zeigt

ten wird den Kindern bewusst, dass sie die Dinge um

uns, wie schwer es ist, einen Körper in Bewegung zu

sich herum ständig beeinflussen – dass sie mit Kraft

setzen und ihn auch wieder anzuhalten, sobald er

auf die Gegenstände um sich herum wirken und dass

sich bewegt.

ohne ihr Zutun nichts geschieht.

Zustands gezwungen wird“

Die erste Hälfte des Gesetzes sieht absolut selbstverständlich aus. Niemand würde daran zweifeln, dass sich ein Gegenstand nicht einfach so von alleine

Schlüsselbegriffe: Kraft, Krafteinwirkung, Newton

in Bewegung setzen kann – zunächst muss eine Kraft auf den Gegenstand einwirken. Ein Auto wird nicht die Straße entlang fahren, wenn es nicht am Hang steht (in diesem Falle wirkt die Gravitationskraft auf

MOTIVIERENDER TEIL - MORGENGYMNASTIK

das Auto ein), oder wenn es nicht von einem Motor angetrieben wird. Der zweite Teil des Gesetzes widerspricht jedoch unseren Vorstellungen. Ein Objekt in Bewegung wird in seiner Bewegung fortfahren? Widerspricht dies nicht allem, was wir beobachten? Wenn ich ein Objekt in Bewegung setze, so kommt es irgendwann immer zum Stehen. Jedes Mal. Newton ist sich allerdings bewusst geworden, dass Objekte nicht deshalb die Tendenz haben anzuhalten, weil die Natur wollen würde, dass sie zum Stehen kommen, sondern deshalb, weil es immer Kräfte geben wird, die gegen die Objekte wirken und diese verlangsamen. Es handelt

Benötigt wird eine Musikquelle, die man beliebig einund ausschalten kann (CD-Spieler, Computer, …). Die Kinder werden nur dann tanzen, wenn die Musik spielt. Wenn die Musik aufhört, fallen die Kinder auf den Boden und dürfen sich nicht bewegen. Wenn die Musik erneut erkling, stehen die Kinder auf und fangen erneut an zu tanzen. Die Musik ist für die Kinder eine „Energiequelle“, ohne die sich nichts bewegt. Danach kann zu den einleitenden Aktivitäten und dann zur Hauptaktivität übergegangen werden.

sich zum Beispiel um Reibung, Luftwiderstand sowie physische Barrieren - und alle wirken gegen alle sich bewegenden Objekte auf der Erde. (McPhee, 2012) PROJEKT

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EINLEITENDE AKTIVITÄTEN 1. Die Kinder versuchen, etwas Leichtes in Bewegung zu setzen (Stuhl, Spielzeugkiste, …).  Die Lehrerin erklärt den Kindern, dass der Gegenstand an Ort und Stelle geblieben ist, solange sie darauf nicht mit Kraft eingewirkt haben. Doch sobald sie mit Kraft gegen den Gegenstand gedrückt haben, hat sich dieser in Bewegung gesetzt – sie haben mit Kraft eingewirkt. Alle Gegenstände befinden sich in Ruhezustand, solange keine Kraft darauf einwirkt. Die Gegenstände wollen sich nicht bewegen und bleiben an Ort und Stelle, solange sie niemand bewegt.

HAUPTAKTIVITÄT - VERSUCH MIT EINEM METALLUNTERSETZER Auf das Glas wird eine Karte gelegt und auf die Karte ein Metalluntersetzer. Den Kindern wird folgende Frage gestellt: Was passiert mit dem Untersetzer, wenn wir in die Karte schnippen?

2. Die Kinder einer Gruppe bilden eine Reihe, indem sich einer eng neben den anderen stellt. Eines der Kinder stellt sich der Reihe gegenüber hin und läuft los. Die Gruppe hat die Aufgabe, den Freund anzuhalten.

 Wenn schnell in die Karte geschnippt wird, fällt der Metalluntersetzer direkt ins Glas. Der Körper bleibt ruhig, soweit keine Kraft darauf einwirkt. Da wir nur auf die Karte mit Kraft einwirken, bewegt sich der Untersetzer nirgendwo hin, bleibt auf der Stelle und fällt dann in das Glas. Zunächst demonstriert der Lehrer den Versuch, dann probieren es die Kinder aus.

 Den Kindern wird erneut erklärt, dass wenn sie etwas anhalten wollen, das sich in Bewegung befindet, sie eine bestimmte Kraft entwickeln müssen.

3. Sie können versuchen, einen Ball zu schießen Ein Kind schießt den Ball und das andere versucht den Ball zu stoppen.  Beide üben Kraft aus. Eines, um den Ball in Bewegung zu setzen, das zweite, um den Ball wieder zu stoppen.

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MOTIVIERENDER TEIL - MORGENGYMNASTIK

II. Newtonsches Gesetz – Aktionsprinzip

Der Lehrer nimmt eine Trommel zur Hand. Er wird in einem bestimmten Rhythmus auf diese Trommel trommeln und wird das Tempo langsam beschleunigen. Die Kinder versuchen, im Trommelrhythmus zu laufen. Je schneller der Lehrer also trommelt, desto

Wortlaut: Die Kraft ruft eine Beschleunigung hervor, welche proportional zum Gewicht des Körpers ist.

schneller müssen die Kinder laufen. Wenn sich das Trommeln wiederum verlangsamt, werden die Kinder langsamer laufen. Wenn das Trommeln aufhört, müssen auch die Kinder stehen bleiben.

THEORIE

Das Trommeln ist für die Kinder die Energie-

Dieses Gesetz besagt, dass zwischen der Kraft, die auf ein Objekt einwirkt und der Beschleunigung dieses Objektes eine bestimmte Beziehung besteht und

quelle – die wirkende Kraft (siehe I. Newtonsches Gesetz). Je schneller das Trommeln, desto größer die „einwirkende Kraft“.

dass in dieser Beziehung das Gewicht des Objektes wichtig ist. Ein schweres Objekt zu beschleunigen wird also mehr Kraft erdordern, als bei einem leichten Objekt. Es ist viel schwerer, ein Auto in Bewegung zu setzen als ein Fahrrad.

EINLEITENDE AKTIVITÄT - SCHAUKEL Wenn der Kindergarten über eine Schaukel verfügt, so geht die Gruppe der Kinder zu der Schaukel. Die Kinder werden die Aufgabe haben, ihren Freund mit nur einem Anschubser zu schaukeln. Danach setzt sich die Lehrerin auf die Schaukel und die Kinder schubsen sie an.

Je größer die Kraft, desto größer die Beschleunigung

HILFSMITTEL

 Anschließend gestellt:

werden

folgende

Fragen

UU – Wer war schwerer zu schaukeln?

Kleines Auto

2 Stück

Farbige Figur

16 Stück

Gewicht

4 Stück

UU – Warum glaubt ihr, dass es schwerer war, die Lehrerin als den Freund zu schaukeln?

Ziel der Aktivitäten: Die Kinder versuchen, die Gegenstände um sich herum in Bewegung zu setzen. Sie stellen fest, dass je schwerer der Gegenstand ist, desto größer die Kraft sein muss, um den Gegenstand in Bewegung zu setzen. Schlüsselbegriffe: Kraft, Gewicht, Entfernung,

Mit diesem Versuch sollten die Kinder zu dem Schluss kommen, dass je schwerer die Person ist, desto größer auch die Kraft sein muss, die auf die Schaukel einwirkt, damit die Lehrerin so schaukelt wie der Freund. Wenn beide mit gleicher Kraft angeschubst werden, so wird die Lehrerin weniger schaukeln, weil sie schwerer ist.

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HAUPTAKTIVITÄT - VERSUCH MIT DEM KLEINEN AUTO UND DEM GEWICHT Die Kinder haben kleine Autos und einen Satz Gewichte vorbereitet. Der Lehrer vermisst eine Bahn, auf der die Autos fahren werden. Im Anschluss werden die Kinder die Autos anschubsen, nach und nach Gewichte hinzufügen und messen, wie weit die Autos fahren. Zunächst schubsen sie ein leeres Auto an und schreiben auf, wie weit es gefahren ist. Dann werden sie nach und nach Gewichte auf das Auto legen, das Auto mit derselben Kraft anschubsen und beobachten, wie sich das Auto nun verhält.  Die Kinder sollten zu dem Schluss kommen, dass je schwerer das Auto ist, desto kürzer die Strecke, die es fährt. Den Kindern sollten Fragen wie diese hier gestellt werden: UU Warum haben wir das Gewicht auf das kleine Auto gelegt? UU Wie ist das Auto gefahren, als die Gewichte darauf schwerer und schwerer wurden?

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HILFSMITTEL

III. Newtosches Gesetz – Wechselwirkungsprinzip

Luftballon

20 Stück

Aufblasbare Nadel

1 Stück

Korken

1 Stück

Fußpumpe

1 Stück

Abwasserrohr

1 Stück

Luftpumpe

1 Stück

Tennisball

1 Stück

Wortlaut: Jede Aktion ruft eine gleicht große, allerZiel der Aktivitäten: Die Kinder machen sich mit

dings entgegen gerichtete Reaktion hervor.

den Grundregeln von Bewegung und Kraft bekannt.

THEORIE Gegenkraft spüren wir als Rückschlag. Wenn ein Rollschuhfahrer

einen

anderen

Schlüsselbegriffe: Aktion, Reaktion, Newton

Rollschuhfah-

rer schubst, wird er sich nach dem Aufprall rückwärtsbewegen, sobald er vom Körper des zweiten Rollschuhfahrer abprallt. Ein Schütze spürt nach

MOTIVIERENDER TEIL - VERKEHRSMITTEL

einem Schuss aus dem Gewehr einen „Schulterstoß“ Die Kraft der Reaktion ist genauso groß wie die

Die Kinder können verschiedene Verkehrsmittel auf-

ursprüngliche Kraft des Schusses. In Detektivfilmen

zeichnen und erklären, wozu die Menschen diese ver-

wird das Schussopfer durch die Kraft der Kugel oft-

wenden.

mals nach hinten geworfen. Dies ist jedoch völliger

Fahrrad – für kurze Strecken; Auto – wenn die

Unsinn. Wenn die Kraft tatsächlich so groß wäre, so

Menschen größere Entfernungen zurücklegen müs-

müsste auch der Schütze durch den Rückschlag sei-

sen; Zug, Bus – Menschen fahren in einer größeren

nes Gewehrs nach hinten geschleudert werden. Wir

Zahl.

wirken sogar mit geringer Kraft auf die Erde, wenn wir hochspringen. Doch weil die Erde eine viel grö-

Und was verwenden sie, um sich in der Luft fortzubewegen? Ein Flugzeug, eine Rakete.

ßere Masse hat als wir, können wir dies nur sehr schwer feststellen. (Baker, 2013)

Danach kann zu den einzelnen Aktivitäten übergegangen werden. Schließlich versuchen die Kinder aus dem Luftballon eine kleine Rakete im Kindergarten zu bauen und stellen fest, wie es möglich ist, dass eine Rakete senkrecht in die Höhe fliegt.

Aktion

Reaktion

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EINLEITENDE AKTIVITÄTEN

HAUPTAKTIVITÄT

1. BALLSPIEL

1. VERSUCH MIT EINEM LUFTBALLON

Die Kinder nehmen einen Tennisball zur Hand und

Die Kinder blasen mithilfe der Luftpumpe den Luft-

lassen ihn auf den Boden fallen.

ballon auf. Wahrscheinlich werden sie die Hilfe des Lehrers benötigen. Danach reicht es den Luftballon

 Was passiert mit dem Ball?

loszulassen und zu beobachten, was geschieht.

Er prallt ab. Dadurch dass er auf den Boden fällt (Aktion), ruft er eine Reaktion hervor (er prallt ab = entgegen gerichtete Reaktion).

 Vhodné otázky pro děti: UU In Welche Richtung fliegt der Luftballon? (in Richtung weg vom Kind.) UU Was geschieht mit dem Luftballon und der Luft? (Die Luft entweicht aus dem Luftballon.)

2. LAUFRAD-RENNEN Für die Kinder können Wettrennen mit Laufrädern veranstaltet werden. Das Abstoßen mit den Füßen ist

UU In welche Richtung entweicht die Luft? (In Richtung des Kindes, in entgegen gesetzter Richtung zum Luftballon).

eigentlich der Beweis für das III. Newtonsche Gesetz. Beispiel für einen Wettbewerb: Welches Kind fährt mit nur einem Abstoß am weitesten?

 Dadurch, dass die Luft aus dem Luftballon entweicht (Aktion), kommt es zu einer Bewegung in entgegen gesetzter Richtung (Reaktion).

 Beim Abprall bewegt sich der Fuß nach hinten (Aktion), das Laufrad fährt jedoch nach vorne (Reaktion) Hier gilt das Gesetz über die Bewegung in die entgegen gerichtete Richtung. Je nachdem wie stark sich das Kind abstößt, wird es eine entsprechend lange Strecke hinter sich bringen.

2. WASSERRAKETE Eine Kindergruppe geht nach draußen, wo ein Versuch mit einer Wasserrakete stattfindet. Eine PET-Flasche wird mit 100-200 ml Wasser gefüllt und mit einem Korken verschlossen, in welchem das Ventil an eine Fußpumpe angeschlossen ist. Die Flasche wird mit dem Kopf nach unten gedreht, auf den Boden gestellt und darauf wird das Abflussrohr gesetzt, welches als Abschussrampe dient. Der Lehrer hält das Rohr fest und fordert die Kinder auf, Luft in die Flasche zu pumpen. Bei genügend hohem Druck fliegt die Rakete weg.

Reaktion

Aktion

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