© Horst Hübel Würzburg
2005 - 2014
Wege zu einer anschaulichen Mechanik in der gymnasialen
Oberstufe
|
Beim traditionellen Mechanik-Unterricht sehen die Schüler - wenn überhaupt - über Wochen hinweg nur einen experimentellen Aufbau: die Fahrbahn mit Lichtschranken und einem unübersichtlichen Verhau von Verbindungsleitungen; vielfach stehen im Zentrum mathematische Ableitungen und Rechnungen und es besteht die Gefahr, dass physikalisches Denken zu kurz kommt.
Seit Jahren werden vielfältige Vorschläge gemacht, den physikalischen Gehalt der Schulmechanik mit neuen Techniken zu erhöhen. Hier ein Weg, mit dem ich gute Erfahrungen gemacht habe.
| Grundlegend waren für mich fünf Konzepte, die durch folgende
Schlagworte gekennzeichnet sind:
|
Mit dem Orts-Konzept ist gemeint, dass Bewegungen beschrieben werden durch die Veränderungen des Ortes im Laufe der Zeit (nicht durch Wege in Abhängigkeit von der Zeit; vgl. didaktogene Lernschwierigkeiten). Dies setzt u.a. voraus, dass sich Schüler wie Lehrer vor jeder Untersuchung auf ein Koordinatensystem einigen. Das bewährt sich u.a. später beim Lösen von Aufgaben, wo die richtige Wahl des Koordinatensystems u.U. schon die halbe Lösung der Aufgabe bedeutet.
Mit Geschwindigkeits-Konzept ist gemeint, dass man m.E. einen schnelleren Zugang zum Kern der betreffenden physikalischen Größen (vor allem der Beschleunigung a) erhält, wenn man zunächst den Begriff der Geschwindigkeit erarbeitet. Das habe ich vor vielen Jahren einmal von Prof. Heuer gelernt.
Als Vehikel zum Verständnis von Geschwindigkeit und Beschleunigung, das auch beim Lösen von Aufgaben sehr nützlich ist, lernen die Schüler den Umgang mit Steigungen in einer anschaulichen und nicht formalisierten Weise.
 |
 |
| "manueller" Steigungsbegriff: nicht formalisiert: positive Steigung |
negative Steigung |
Und überhaupt lernen die Schüler recht bald, mit Graphen umzugehen und diese auch grundsätzlich als Vehikel zum Lösen von Aufgaben zu benutzen.
Insgesamt sollen die traditionelle Kinematik zurückgedrängt und recht schnell dynamische Gesichtspunkte und speziell die Kausalität (vgl. Kausalität) ins Spiel gebracht werden.
Je nachdem, was für ein Verständnis günstiger erscheint, werden Sonarmeter (oder andere "berührungslose" Bewegungsmesswandler wie Infrarot-Sensoren), Lichtschranken oder Handstopp-Verfahren eingesetzt. Ziel ist es, dass sich die Schüler die physikalischen Inhalte damit erarbeiten, u.U. auch in Schülerversuchen. Der Einsatz dieser Methoden soll nicht nur zur Illustration dienen. Mit solchen Geräten gelingen einzigartige Versuche, die direkte - und damit besonders einfache und anschauliche - Zugänge zu den Phänomenen und ihrer Beschreibung ermöglichen.
Es wird unterschieden zwischen
- der Newtonschen Mechanik, bei der der Kraftbegriff im Zentrum steht, und
- der Mechanik der Erhaltungssätze, die auf den Kraftbegriff verzichtet und mechanische Vorgänge durch den Austausch von Erhaltungsgrößen beschreibt.
Zwischen beiden "Mechaniken" gibt es die bekannten Brücken. Es erscheint sinnvoll beide "Mechaniken" zunächst unabhängig zu formulieren, auch um die Schüler darauf aufmerksam zu machen, dass die Naturbeschreibung nicht eindeutig ist, sondern sogar mit völlig unterschiedlichen Begriffen völlig richtig gelingen kann.
Vgl. auch: Logischer Gehalt der Newtonschen Mechanik
Wenn im Folgenden von Vektoren die Rede ist, wird ein naiver Vektorbegriff angesprochen (Vektor = Größe mit Betrag und Richtung). Dabei ist in der Regel eine koordinatenfreie Schreibweise des Vektors gemeint.
Einige Schritte sollen hier erläutert werden:
I Newtonsche Mechanik
- Definition eines Koordinatensystems für eindimensionale Bewegungen mit dem Sonarmeter und Beschreibung von Bewegungen in diesem Koordinatensystem
- Die Geschwindigkeit als Steigung des t-x-Graphen und die Delta-Methode
- Bewegungen unter dem Einfluss einer konstanten Kraft: "gleichmäßige" Veränderung der Geschwindigkeit - die Beschleunigung; Kraft und Beschleunigung gleichgerichtet; konstante Kraft bewirkt eine konstante Beschleunigung
- Das Sonarmeter lässt sich nicht betrügen: Eine Verwechslung von Tempo und Geschwindigkeit bzw. Fehlinterpretationen des Vorzeichens der Beschleunigung sind ausgeschlossen.
- Das 2. Newtonsche Gesetz als Ausdruck der Kausalität in der Mechanik mit dem Spezialfall des Freien Falls
- Zur Technik des Aufgabenlösens in der Mechanik
II Die Mechanik der Erhaltungssätze
III Newtonsche Mechanik im Raum und mit nicht konstanten Kräften