Hochgeschwindigkeitskameras im Physikunterricht

3.1 Das Wiesnersche-Mechanikkonzept
ein zweidimensional-dynamisches Mechanikkonzept. Es stellt eine Weiterentwicklung des
Jungschen Stoßratenkonzeptes, einem Mechanikkonzept, welches Ende der 60er Jahre von
Walter Jung, Horst Reul und Hannelore Schwedes entwickelt wurde, dar. Der
Schwerpunkt liegt auf der Dynamik und der vektoriellen Betrachtung von Geschwindigkeit
� −→
Stöße
Δt
und Kraft. Während bei Jung die Kraft � F = als Stoßrate über die eigenständige
Größe −→
Stoß= m · Δ�v eingeführt wird (vgl. [WTW + 10, Seite 7 – 8]), legen Wiesner et al.
mehr Wert auf die Newtonsche Bewegungsgleichung, das heißt die integrale Form des zweiten
Newtonschen Gesetzes in elementarisierter Form (Wiesnersches Kraftstoßkonzept):
�F · Δt = m · Δ�v. (vgl. [WTW + 10, Seite 10]) (3.1)
Diese Produktschreibweise ist für viele Schüler verständlicher und nachvollziehbarer. Außerdem
hat sie einige Vorteile. So werden komplexe Bewegungen aus dem Alltag mit „Je
[. . . ], desto [...]“ Formulierungen beschreibbar, ohne den Quotienten „Beschleunigung“
(= Δv)
einführen zu müssen.
Δt
Anhand des Schülertextes „Einführung in die Mechanik“ [HTW + 08], welcher im Rahmen
der Forschungsarbeiten von Wiesner et.al. zur Dynamik im Mechanikunterricht entstanden
ist, lassen sich die Kernpunkte und der Aufbau des WMK gut ablesen. So wird
von Anfang an zwischen dem Tempo |�v| = Δs als Schnelligkeit eines Gegenstandes (vgl.
Δt
[HTW + 08, Seite 4]), Richtung und Ziel einer Bewegung (vgl. [HTW + 08, Seite 6 – 7]) und
schließlich der Geschwindigkeit �v, welche sich aus dem Tempo und einer Richtung (durch
„� “ repräsentiert) zusammensetzt (vgl. [HTW + 08, Seite 7]), unterschieden. Somit ist der
Grundstein für eine mehrdimensionale Betrachtung der Dynamik gelegt.
Ein zentraler Begriff im WMK ist die durch einen Kraftstoß hinzugefügte Zusatzgeschwindigkeit
Δ�v. Die Schülerinnen und Schüler lernen, dass sich die Endgeschwindigkeit �vE aus
der vektoriellen Addition1 der alten Geschwindigkeit �vA und der Zusatzgeschwindigkeit
Δ�v ergibt, also �vE = �vA +Δ�v.
Die Newtonsche Bewegungsgleichung (3.1) wird anschließend Schritt für Schritt hergeleitet
und besprochen, wobei immer nur der Einfluss der verschiedenen Faktoren auf die
Zusatzgeschwindigkeit Δ�v betrachtet wird. So wird die Kraft als eine Einwirkung auf den
Körper betrachtet, welche eine Zusatzgeschwindigkeit zur Folge hat. Diese Einwirkung
hat eine Einwirkungsrichtung und eine Einwirkungsstärke, welche zusammengesetzt die
Kraft � F ergeben, wobei F = � �
�
�F� �
� proprotional zum Tempo der Zusatzgeschwindigkeit ist.
Die direkte Proportionalität von Einwirkungszeit Δt und dem Tempo der Zusatzgeschwindigkeit
wird durch die höhere Endgeschwindigkeit �vE bei längerer Einwirkungszeit Δt bei
gleicher Kraft � F veranschaulicht. Im letzten Schritt wird mit einfachen Beispielen die umgekehrte
Proportionalität zwischen Masse m und Zusatzgeschwindigkeit Δ�v aufgeführt.
All dies schließt mit der Newtonschen Bewegungsgleichung (3.1) ab. Neben der Proportionalität,
die bei der Newtonsche Bewegungsgleichung gezeigt wurde, wird insbesondere
darauf hingewiesen, dass die Richtung der Kraft � F und die Richtung der Zusatzgeschwindigkeit
Δ�v gleich sind (vgl. [HTW + 08, Seite 20]).
Der Einsatz von computergestützter Videoanalyse bietet sich bei diesem Mechanikkonzept
an, da so der Ort, die Geschwindigkeit und die Zusatzgeschwindigkeit eines Zeitintervalles
(Beschleunigung) bestimmt und mittels Vektorpfeilen veranschaulicht werden können.
1Die Endgeschwindigkeit kann man durch Ansetzen des einen Vektorpfeiles an die Spitze des anderen
veranschaulichen.
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