Zugänge zur Physik - AM BRG Kepler

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Mögliche Abfolge 1. Die Menge von Bewegung Wie viel Bewegung ein Körper hat - hängt ab von der Geschwindigkeit, der Masse und der Richtung. Diese Menge an Bewegung wird durch die Größe IMPULS beschrieben. Impuls entspricht in etwa dem, was man im Alltag als ʺSchwungʺ bezeichnet. Alltagsbeispiele: Ein Auto bremst: Impuls wird an die Erde abgegeben. Ein Auto beschleunigt: Der Motor ʺpumptʺ Impuls von der Erde in das Auto Messung von Impuls: Wir messen diese Größe nicht direkt, sondern berechnen sie aus p=m.v 2. Wechselwirkungen Schülerversuche mit Münzen, Kugelspiel: Impuls kann übertragen und gespeichert werden. Betrachtet werden verschiedene Austauschvorgänge, z.B. Unfälle, Zusammenstöße, Ballspiele ... Bei all diesen Wechselwirkungen bleibt der gesamte Impuls erhalten, er verteilt sich nur anders auf die Beteiligten. In den ʺAltlasten der Physikʺ (Aulis-Verlag) wird dargestellt, dass sich die Newtonʹschen Axiome allesamt vorteilhaft aus der Impulserhaltung ableiten lassen. 3. KRAFT als die Ursache von Bewegungsänderungen Jede Änderung eines Impulse braucht eine Ursache - ohne Einfluss bleibt der Impuls konstant (Trägheitsprinzip). Die Stärke dieser Ursache nennt man Kraft. Sie hängt von der Änderung des Impulses ab und davon, wie schnell diese erfolgt. Also: F=Δp/Δt. Aus der Erhaltung des Impulses ergibt sich das Wechselwirkungsprinzip: Jede Änderung wirkt auf beide Beteiligten - Kraft ist immer ein Zwilling. Falls man die Änderung der Geschwindigkeit kennt (die Beschleunigung), kann man die Kraft aus dieser berechnen: F=m.Δv/Δt = m.a 4. Arten von Kräften - fundamentale Wechselwirkungen Wodurch können Bewegungen geändert werden? I. Newton untersuchte die Bewegung des Mondes um die Erde. Infolge seiner Richtungsänderung ändert sich andauernd der Impuls - es muss eine Kraft wirken. Aber welche? Die Richtung der Änderung zeigt zur Erde. Newtons große Erkenntnis: Was wir hier als Gewicht spüren, ist auch jene Kraft, die den Mond ständig antreibt, um die Erde zu ʺfallenʺ. Er nannte sie die universelle Gravitation. Newton konnte sie durch eine Formel ausdrücken – das Gravitationsgesetz. Es blieb ein Problem: Die Ausbreitung im Raum blieb unverständlich (Fernwirkung). Bereits J. Kepler fragte: Wie weiß die Erde, wo die Sonne ist? Heute beschreiben wir Kräfte, die im Raum wirken, durch Felder (Nahwirkung). Für die Erde geht es ständig „bergab“, doch infolge ihrer Geschwindigkeit (Trägheit) läuft sie auf einer stabilen Bahn Auf der Erde leben wir ständig unter potentieller Bewegungsänderung, in einem Gravitationsfeld. Der Raum ist ʺvon Kraft erfülltʺ. Die Gravitation hat sich als eine der 4 fundamentalen Wechselwirkungen herausgestellt: Auf der Ebene der Elementarteilchen gibt es nur vier verschiedene Kräfte. Unser Gewicht ist die Folge einer Wechselwirkung von allen Atomen unseres Körpers mit allen Atomen der Erde - die wir vereinfacht als Doppelpfeil zeichnen: Die Erde zieht uns an - wir ziehen sie an. Die Atome werden durch die elektromagnetische Wechselwirkung zusammengehalten, diese wirkt auch zwischen den Atomen. Folgen dieser Kräfte erfahren wir bei direktem Kontakt zwischen Objekten als Reibung sowie als elastische und Zwangs-Kräfte. Sichtbar werden elektromagnetische Wechselwirkungen auch direkt bei Magneten sowie bei Reibungselektrizität. Gerhard Rath, BRG Kepler Graz, Inst. f. Experimentalphysik – Fachdidaktik, Uni Graz http://lehrer.brgkepler.at/grath 24
Überall Kräfte… Beispiel 1: Ein Mensch steht einfach so da. Zeichne die wirkenden Kräfte ein! Beispiel 2 Ein fauler, aber gebildeter Esel behauptet, er könne wegen des 3. Newton’schen Axioms keinen Baumstamm ziehen. Denn: Zieht er den Stamm mit einer bestimmten Kraft nach vor, zieht in dieser mit der gleichen Kraft nach hinten – also ist eine Bewegung unmöglich. Widerlege den Esel! Beispiel 3: In diesen beiden Abbildungen (aus einem Lehrbuch für Physik) sind die Kräfte falsch bzw. unvollständig eingezeichnet. Stelle die Zeichnungen richtig! Gerhard Rath, BRG Kepler Graz, Inst. f. Experimentalphysik – Fachdidaktik, Uni Graz http://lehrer.brgkepler.at/grath 25
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