Aufbau und Gestaltung von Demonstrationsexperimenten zu ...

1. EinleitungDrehbewegungen jeglicher Art sind im alltäglichen Leben vielfach anzutreffen. Mandenke beispielsweise an die im Straßenverkehr täglich genutzten Fortbewegungsmittel,die alle auf der Drehbewegung von Wellen und Rädern beruhen oder auch an dieRotation der Erde um ihre Achse, deren Auswirkungen unter anderem am ständigenWechsel von Tag und Nacht zu beobachten sind. Auch auf mikroskopischer Ebene sindDrehbewegungen zu finden, denn selbst Moleküle weisen Rotationsbewegungen auf.Trotz der allgegenwärtigen Präsenz von Drehbewegungen und deren immenser Bedeutungfür das alltägliche Leben wird im Schulunterricht der Beschreibung von rotierendenstarren Körpern oft nur eine geringe Rolle beigemessen. Meist beschränktsich die Darstellung dieser Bewegungen auf die Größen Drehwinkel und Winkelgeschwindigkeit.Dem Drehimpuls hingegen, der für die Mechanik der Drehbewegungeneine bedeutende Rolle spielt, wird im heutigen Schulunterricht kein hoher Stellenwertbeigemessen. Folglich wird auch die Erhaltung des Drehimpulses nur sehr selten imPhysikunterricht behandelt und auch die zum Verständnis der Dynamik von Drehbewegungenbenötigte Größe des Trägheitsmoments wird meist nicht genauer untersucht.Aus diesem Grunde dokumentiert die vorliegende Arbeit die Entwicklung und Gestaltungvon Demonstrationsexperimenten zu Drehimpuls und Trägheitsmoment, die aufeinen phänomenologischen Erkenntnisgewinn ausgerichtet sind, um den Schülerinnenund Schülern 1 einen tieferen Einblick in die Theorie der Drehbewegungen zu geben.Die vorgestellten Versuche basieren auf der Kopplung von Schwungrädern unterschiedlicherTrägheitsmomente und nutzen für die Auswertung der erzielten Ergebnisse Analogienzu Stoßvorgängen aus der Translationsmechanik aus.Die vorliegenden Arbeit beginnt mit einem Theorieteil, in welchem die physikalischenGrundlagen bereitgestellt werden, die für ein tieferes Verständnis der entwickeltenExperimente benötigt werden. Das dafür vorgesehene zweite Kapitel untersuchtzunächst die Darstellung einfacher Drehbewegungen um raumfeste Achsen, wie siemeist in der Schule besprochen werden, während der weiterführende Teil die Untersuchungenauf solche Fälle ausweitet, die zeitliche Änderungen der Drehachsenpositionberücksichtigen. Der anschließende Hauptteil der Staatsexamensarbeit (Kapitel 3und 4) widmet sich der Dokumentation der Demonstrationsexperimente. Während inKapitel 3 zunächst die Versuchsaufbauten erläutert werden, indem die einzelnen Ver-1 Aus sprachlichen Gründen wird im Folgenden nur noch die männliche Form verwendet. Die weiblichenLeser werden dafür um Verständnis gebeten.1