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Versuchsreihe zu Flaschenzügen
| Versuchsreihe zu Flaschenzügen | |
 Bildunterschrift des Experiments | |
| Kurzbeschreibung | |
|---|---|
| Es wird eine Versuchsreihe zum Thema Flaschenzüge vorgestellt. Zum Einstieg wird mit der festen und losen Rolle begonnen um dann zu den komplexeren Flaschenzügen zu gelangen. Anhand eines Faktorenflaschenzuges wird dann noch exemplarisch das Verhältnis zwischen Zug- und Lastkraft bestimmt. | |
| Kategorien | |
| Mechanik, Flaschenzug | |
| Einordnung in den Lehrplan | |
| Geeignet für: | Klasse 7 & 8 |
| Basiskonzept: | Wechselwirkung |
| Sonstiges | |
| Durchführungsform | Lehrerdemoexperiment, Schülergruppenexperiment, Schülerdemoexperiment |
| Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie | 4 |
| Anspruch des Aufbaus | leicht bis mittel |
| Informationen | |
| Name: | Konstantin De Nobile |
| Kontakt: | @ |
| Uni: | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Betreuer*in: | Tobias Ludwig |
In meinem Vortrag wurden ausschließlich Versuche gezeigt, deren Aufbau und Durchführung recht einfach und trivial ist. Daher wird in diesem Artikel nicht nur eine Versuch, sondern eine Versuchsreihe als Basis für den Wiki-Eintrag genommen. Die Versuchsreihe besteht aus vier Versuchen:
- Feste Rolle (Änderung der Richtung und des Angriffspunkts der wirkenden Kraft)
- Lose Rolle (Änderung des Angriffspunkts und des Betrags der wirkenden Kraft)
- Faktorenflaschenzug (Änderung des Angriffspunkts, des Betrags und der Richtung der wirkenden Kraft)
- Potenzflaschenzug (Änderung des Angriffspunkts, des Betrags und der Richtung der wirkenden Kraft)
Alle Versuche kommen aus dem Bereich der Mechanik und können dort in den Bereich Kraftwandler beziehungsweise kraftumformende Einrichtungen eingeordnet werden. Die Reihenfolge der Versuche ist mit dem Hintergrund gewählt worden, dass es vom Einfachen zum Komplexen geht. Beim Faktorenflaschenzug wird es zusätzlich zum Aufbau und der Durchführung eine Messreihe und die dazugehörige Auswertung geben. Abschließend wird im didaktischen Teil auf die gesamte Versuchsreihe eingegangen und eine didaktische Analyse nach Klafki durchgeführt.
Inhaltsverzeichnis
Feste Rolle
Feste Rolle bedeutet, dass sich die Rolle selbst zwar um die eigene Achse drehen kann, jedoch immer am selben Ort bleibt.
Bei diesem Versuch wird qualitativ gezeigt, dass beim Wirken einer Kraft über feste Rollen nur der Angriffspunkt und die Richtung der Kraft geändert werden. Der Betrag der Kraft bleibt hingegen gleich.
Benötigte Materialien:
Stativfuß, Stativstange, feste Rolle mit Schraubbefestigung (Durchmesser der Rolle ca. 4,5 cm), möglichst unelastische und reibungsfreie Schnur z.B. Angelleine oder Drachenschnur ca. 90 cm, Massestück (100 g oder 200 g), Kraftmesser mit 1 N oder 3 N
Aufbau:
Das Stativ aufbauen und die feste Rolle möglichst weit oben befestigen. Anschließend die Schnur über die feste Rolle legen. An einem Ende das Massestück befestigen und am anderen den Federkraftmesser einhängen. Dieser muss dann noch justiert werden.
Durchführung:
Der Winkel zwischen den parallelen Seilen kann nun mit dem Kraftmesser verändert werden. Man hält ihn dazu in der Hand und zieht in verschiedene Richtungen. Es können auch mehrere feste Rollen in diesem Aufbau verwendet werden.
Ergebnisse:
Die gemessene Kraft sollte in allen Stellungen des Kraftmessers die gleiche sein. Auch wenn mehrere feste Rollen verwendet werden wird es an dem Ergebnis nichts verändern. Es wird lediglich verdeutlicht, dass sich der Betrag der Kraft nicht ändert.
Lose Rolle
Lose Rollen haben keine feste Aufhängung. Sie werden nur von den Schnüren getragen in denen sie aufgehängt werden. Wenn die Schnüre bewegt werden dreht sich nicht nur die Rolle um eine Achse sondern verändert auch ihre Position.
Benötigte Materialien:
Stativfuß, 2x Stativstange, Muffe (90°), 2x Hakenmuffe, lose Rolle (Durchmesser ca. 4 cm), möglichst unelastische und reibungsfreie Schnur z.B. Angelleine oder Drachenschnur ca. 90 cm, Massestücken (ca. 50 g bis 400 g), Kraftmesser mit 1 N
Aufbau:
Das Stativ aufstellen und möglichst weit oben die zweite Stativstange mittig und im rechten Winkel befestigen. Die beiden Hakenmuffen auf die waagerechte Stativstange schieben und festschrauben. Der Abstand sollte so groß sein wie der Durchmesser der losen Rolle. In den einen Haken wird der Kraftmesser eingehängt. Am anderen Haken wird das eine Ende der Schnur befestigt, das andere wird in den Kraftmesser eingehängt. Die lose Rolle wird in die entstandene Schlaufe eingehängt und an dem Haken der losen Rolle wird das Massestück eingehängt.
Durchführung:
Zuerst muss der Kraftmesser geeicht werden, weil das Eigengewicht der losen Rolle auch zu einer Auslenkung des Kraftmessers führt. Anschließend können verschiedene Massestücke an der losen Rolle befestigt werden. Am Kraftmesser kann die entsprechende Kraftwirkung abgelesen werden.
Ergebnisse
Alleine die Tatsache, dass es sich nicht mehr um eine feste, sondern um eine lose Rolle handelt führt dazu, dass sich bei diesem Versuch zusätzlich der Betrag der Kraft ändert. Durch diese Vorrichtung werden also alle drei Parameter (Angriffspunkt, Richtung und Betrag der Kraft) verändert. Die Kraft, die am Kraftmesser wirkt ist nur halb so groß wie die Kraft, die durch die Massestücken auf die lose Rolle wirkt.
Faktorenflaschenzug
Bei diesem Versuch werden feste und lose Rollen miteinander kombiniert. Es entsteht ein sogenannter Flaschenzug. Der Begriff Flaschenzug hat nichts mit Flaschen im herkömmlichen Sinne zu tun. Er kommt daher, dass die Konstruktionen, welche die Rollen zusammenhalten, Flaschen genannt werden. Es werden verschiedene Anordnungen von Flaschenzügen und ihre Gesetzmäßigkeiten untersucht. Dabei muss auf die Zugrichtung der Schnur geachtet werden. Auf diese Unterscheidung wird im Folgenden noch näher eingegangen. Anhand eines Flaschenzuges mit sechs Rollen und Zugrichtung nach unten wird exemplarisch das Verhältnis aus Zug und Last bestimmt.
Benötigte Materialien:
Stativfuß, 2x Stativstange, 2x Muffe (90°), 2x Hakenmuffe, zwei verschiedene Flaschen mit gleicher Anzahl an Rollen (Durchmesser der Rollen bei zwei Rollen je Flasche
ca. 4 cm und 6 cm, Durchmesser der Rollen bei drei Rollen je Flasche ca. 3 cm, 4 cm und 5 cm), feste Rolle mit Schraubbefestigung, möglichst unelastische und reibungsfreie Schnur z.B. Angelleine oder Drachenschnur (Länge ca 2 m bis 2,5 m), Massestücke (ca. 50 g bis 400 g), Kraftmesser mit 1 N
Aufbau:
Das Stativ wird wie bei der losen Rolle aufgebaut. Wenn man für Demonstrationszwecke mehrere Flaschenzüge nebeneinander aufbauen möchte, bietet es sich an zwei Stative zu nutzen und eine lange Stativstange dazwischen zu befestigen. Damit ist der Aufbau stabiler und auch übersichtlicher, weil die Flaschenzüge mittig sind und die Stative seitlich.
Beim Aufbau der Flaschenzüge muss jetzt unterschieden werden, ob die Zugrichtung der Schnur nach unten oder nach oben sein soll. Diese Unterscheidung ist notwendig, weil es einen kleinen Unterschied bei den Gesetzmäßigkeiten gibt, der später noch erläutert wird.
Zugrichtung nach oben (Bild 4):
Eine Flasche wird an die Hakenmuffe am Stativ gehängt und an der anderen Flasche wird ein Ende der Schnur befestigt. Anschließend wird die Schnur über die kleinere Rolle der hängenden Flasche gelegt, dann wieder über die eine Rolle der unteren Flasche. Die kleineren Rollen der Flaschen müssen immer zueinander zeigen. Dies führt man solange fort, bis die Schnur über alle Rollen läuft. Bei Flaschen mit parallelen Rollen sollte darauf geachtet werden, dass sich die Schnur möglichst nicht kreuzt. Beim Aufbau ist ein bisschen Fingerspitzengefühl nötig. Wenn an die untere Flasche ein kleines Massestück gehängt wird verleiht dies der Vorrichtung etwas mehr Stabilität und erleichtert somit den Aufbau ein wenig. Das freie Ende der Schnur kann nun in den Kraftmesser eingehängt werden. Dieser wird an die andere Hakenmuffe am Stativ gehängt.
Zugrichtung nach unten (Bild 5):
In diesem Fall muss ein Ende der Schnur an der oberen Flasche, also der die am Stativ hängt befestigt werden. Ansonsten bleibt der Aufbau gleich. Für eine bessere Messung mit dem Kraftmesser bietet es sich an eine zusätzliche feste Rolle anzubauen um die Zugrichtung umzukehren. Dann kann das Ende der Schnur problemlos am hängenden Kraftmesser befestigt werden.
Durchführung:
Auch hier müssen zuerst die Kraftmesser geeicht werden, weil die Flaschen ein gewisses Eigengewicht haben. Anschließend können verschiedene Massestücke an der unteren Flasche eingehängt werden. Am Kraftmesser sieht man nun die wirkende Zugkraft. Man kann eine Messreihe mit verschiedenen Massestücken aufnehmen und jeweils die angehängte Masse und die wirkende Zugkraft notieren. Daraus lässt sich, nachdem aus der angehängten Masse die Lastkraft berechnet wurde, direkt auf die Gesetzmäßigkeiten bei Faktorenflaschenzügen schließen. Der Quotient aus der Kraft die an der unteren Flasche wirkt (Lastkraft) und der Kraft die auf dem Kraftmesser angezeigt wird (Zugkraft) ergibt die Anzahl der tragenden Schnüre. Dies gilt allerdings nur bei der Zugrichtung nach unten. Bei der Zugrichtung nach oben muss noch eins subtrahiert werden.
Dieser Unterschied resultiert daher, dass die Basis für einen Faktorenflaschenzug mit Zugrichtung nach unten eine feste Rolle und bei der Zugrichtung nach oben eine lose Rolle ist. Somit ist bei der gleichen Anzahl an Rollen der Faktorenflaschenzug mit Zugrichtung nach oben immer um eins effektiver.
Exemplarische Bestimmung des Verhältnisses von Zugkraft und Lastkraft:
Die Bestimmung kann mit jedem beliebigen Faktorenflaschenzug durchgeführt werden. Dieser Versuch eignet sich gut um SchülerInnen induktiv die Gesetzmäßigkeiten bei Flaschenzügen näher zu bringen. Dazu kann die Anzahl der Rollen und die Lastkraft variiert werden. Die SchülerInnen können dann aus den Regelmäßigkeiten der Verhältnisse auf Gesetzmäßigkeiten schließen. Als Hilfestellung könnte erwähnt werden, dass es nur Ganzzahlige Ergebnisse gibt.
Im Folgenden wird die Versuchsreihe exemplarisch mit einem Flaschenzug mit sechs Rollen und Zugrichtung nach unten durchgeführt. In der Schule sollte es nicht in dieser Ausführlichkeit geschehen, da sonst zu viel Zeit verloren geht.
Mit dem Faktorenflaschenzug wurden mehrere Messreihen aufgenommen. Der Aufbau war wie im Abschnitt „Zugrichtung nach oben“ beschrieben. Der Federkraftmesser hatte sein Maximum bei einem Newton. Vor jeder Messreihe wurde der Kraftmesser geeicht. Anschließend wurden an die untere Flasche 50 g Massestücke gehängt und jeweils ein Messwert aufgenommen, der erste Messwert war bei 50 g und der letzte bei 500 g. Für jede Messreihe gab es also zehn Messwerte.
Beobachtungen
Durch die Reibung an den Rollen und am Federkraftmesser kam es bei gleicher Lastkraft zu unterschiedlichen Werten der Zugkraft, die am Federkraftmesser abgelesen wurde. Um diesem systematischen Fehler entgegenzuwirken, wurde die Umlenkrolle (siehe "Bild 5" linke Rolle) entweder zweimal eine viertel Drehung nach links oder zweimal eine viertel Drehung nach rechts gedreht und losgelassen. In jede Richtung wurden so jeweils drei Messreihen aufgenommen. Zwei Messungen waren ohne jede Beeinflussung. Insgesamt waren es also acht Messreihen mit jeweils zehn Messwerten.
Messwerte
| Messung | angehängte Masse | ohne Einfluss | ohne Einfluss | feste Umlenkrolle nach links gedreht | feste Umlenkrolle nach rechts gedreht | 2x 1/4 Drehung nach rechts | 2x 1/4 Drehung nach links | 2x 1/4 Drehung nach rechts | 2x 1/4 Drehung nach links |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| mL in g | Fz in N | Fz in N | Fz in N | Fz in N | Fz in N | Fz in N | Fz in N |
Fz in N | |
| 1 | 50 | 0,09 | 0,09 | 0,08 | 0,08 | 0,08 | 0,08 | 0,08 | 0,08 |
| 2 | 100 | 0,16 | 0,16 | 0,15 | 0,16 | 0,18 | 0,16 | 0,16 | 0,17 |
| 3 | 150 | 0,27 | 0,22 | 0,23 | 0,25 | 0,24 | 0,25 | 0,25 | 0,25 |
| 4 | 200 | 0,34 | 0,3 | 0,31 | 0,34 | 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 |
| 5 | 250 | 0,42 | 0,37 | 0,39 | 0,42 | 0,42 | 0,41 | 0,42 | 0,39 |
| 6 | 300 | 0,52 | 0,46 | 0,47 | 0,52 | 0,52 | 0,47 | 0,5 | 0,47 |
| 7 | 350 | 0,58 | 0,52 | 0,59 | 0,6 | 0,6 | 0,55 | 0,58 | 0,53 |
| 8 | 400 | 0,66 | 0,62 | 0,66 | 0,64 | 0,69 | 0,62 | 0,64 | 0,64 |
| 9 | 450 | 0,74 | 0,66 | 0,76 | 0,75 | 0,78 | 0,74 | 0,76 | 0,7 |
| 10 | 500 | 0,87 | 0,75 | 0,86 | 0,82 | 0,82 | 0,81 | 0,82 | 0,78 |
Auswertung
Zur Bestimmung des vollständigen Messergebnisses musste eine Fehlerrechnung durchgeführt werden. Hierzu wurde zuerst aus den acht Messreihen zur jeweiligen Messung der Mittelwert gebildet. Es war nicht möglich die systematischen Messabweichungen, welche durch Reibungseffekte entstehen zu bestimmen. Daher wurde diesen wie oben beschrieben entgegengewirkt. Den systematischen Fehler, der durch die Ableseungenauigkeit entsteht habe ich auf 0,01 N geschätzt. Dies entsprach einem Intervall auf dem Federkraftmesser. Für die zufällige Messunsicherheit wurde die Standardabweichung und daraus der Vertrauensbereich aus den Messreihen der verschiedenen Lastkräfte bestimmt. Aus dem Restfehler und dem Vertrauensbereich wurde durch quadratische addition dann die vollständige Messunsicherheit berechnet.
| Messung | FL in N | Mittelwert | Standardabweichung | Vertrauensbereich | Gesamtunsicherheit | FL/Fz |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,49 | 0,08 | 0,01 | 0,002 | 0,01 | 5,95 |
| 2 | 0,98 | 0,16 | 0,01 | 0,003 | 0,01 | 6,04 |
| 3 | 1,47 | 0,25 | 0,01 | 0,005 | 0,01 | 6,01 |
| 4 | 1,96 | 0,33 | 0,01 | 0,005 | 0,01 | 6,01 |
| 5 | 2,45 | 0,41 | 0,02 | 0,006 | 0,01 | 6,06 |
| 6 | 2,94 | 0,49 | 0,02 | 0,009 | 0,01 | 5,99 |
| 7 | 3,43 | 0,57 | 0,03 | 0,01 | 0,01 | 6,04 |
| 8 | 3,92 | 0,65 | 0,02 | 0,01 | 0,01 | 6,07 |
| 9 | 4,41 | 0,74 | 0,04 | 0,01 | 0,02 | 6,00 |
| 10 | 4,91 | 0,82 | 0,04 | 0,01 | 0,02 | 6,01 |
Bewertung der Ergebnisse
Die Hälfte der Ergebnisse überschneidet sich im Bereich der Messunsicherheiten mit dem Erwartungswert von 6. Bei der anderen Hälfte gibt es Abweichungen von 0,03 bis 0,06 zum Erwartungswert. Eine Erklärung dafür ist, dass es bei einigen Messungen größere systematische Messabweichungen gab. Weiterhin kann es an der schwankenden Genauigkeit des Federkraftmessers liegen.
Im Großen und Ganzen sind die Ergebnisse sehr zufriedenstellend. Da ein ganzzahliges Ergebnis erwartet wird könnte auch von vornherein auf eine ganze Zahl gerundet werden. Dann würden alle Ergebnisse dem Erwartungswert von 6 entsprechen. In den Tabellen wurden die Ergebnisse meist auf zwei Nachkommastellen gerundet, weil es sich dabei um signifikante Stellen handelt. Allerdings gab es erst ab der dritten Nachkommastelle Unterschiede zwischen den Berechnungen. Daher sind die Ergebnisse ohne die Messwerte nicht reproduzierbar.
Potenzflaschenzug
Diese eher unbekannte Art der Flaschenzüge ist nicht sehr praxistauglich liefert aber interessante Ergebnisse bei den Versuchen. Es werden ausschließlich lose Rollen verwendet, die über eine entsprechende Anordnung mit einander verknüpft werden. Hierin liegt auch das Problem. Durch die ausschließliche Verwendung loser Rollen kann es keine feste Konstruktion von Flaschen geben wie bei den Faktorenflaschenzügen. Somit sind Potenzflaschenzüge sehr instabil. Weiterhin wird zum Aufbau mehr Platz benötigt, da die Rollen nicht parallel oder in einer Reihe aufgehängt werden können.
Benötigte Materialien:
Stativfuß, 2x Stativstange, Muffe (90°), mindestens zwei lose Rollen (besser drei, beliebig erweiterbar), für jede lose Rolle eine Hakenmuffe, eine zusätzliche Hakenmuffe für den Kraftmesser, möglichst unelastische und reibungsfreie Schnur z.B. Angelleine oder Drachenschnur, Massestücke (ca. 50 g bis 400 g), Kraftmesser mit 1 N
Aufbau:
Beim Aufbau beginnt man wie bei der losen Rolle. Dann wird für jede weitere lose Rolle eine weitere Hakenmuffe auf die Stativstange geschoben. Diese sollten so weit voneinander entfernt wie eine lose Rolle breit ist. An der ersten losen Rolle wird nun eine weitere Schnur in den daran befindlichen Haken gehängt. Das andere Ende wird in die nächste Hakenmuffe auf der Stativstange eingehängt. In die so entstandene Schlaufe wird nun eine weitere Rolle eingehängt. Dies kann beliebig oft fortgeführt werden.
Durchführung:
Es bietet sich an, nicht gleich mit der größten Anzahl an losen Rollen anzufangen, sondern die Anzahl nach und nach zu erhöhen. Zuerst können nochmal die Ergebnisse bei einer losen Rolle wiederholt werden. Anschließend wird eine zweite lose Rolle hinzugefügt. Der Kraftmesser muss jetzt wieder geeicht werden, weil die Masse der losen Rolle berücksichtigt werden muss. Als nächstes wird eine weitere Messreihe mit verschiedenen Massestücken aufgenommen. Wenn dies mit mindestens drei losen Rollen geschehen ist können die Quotienten aus der Kraft die an der untersten losen Rolle wirkt und der gemessenen Kraft am Kraftmesser verglichen werden.
Ergebnisse:
Bei dem oben genannten Vergleich wird man feststellen, dass es sich um die Potenzreihe der zwei handelt. Die jeweilige Potenz ist die Anzahl an losen Rollen die verwendet wurde. Als Formel zur Berechnung der Zugkraft sieht das dann wie folgt aus: FZ = FL/n2
Didaktischer Teil
Im folgenden Abschnitt wird eine didaktische Analyse [1]
(S. 9 ff) nach Klafki durchgeführt. Dazu werden bei den fünf Grundfragen von Klafki immer die Versuche berücksichtigt, die für die jeweilige Fragestellung relevant sind. Jede der Fragestellungen wird einzeln behandelt und dabei auch auf die jeweiligen Unterfragen zur Spezifizierung der Ausgangsfrage eingegangen. Die Antworten lassen sich jedoch nicht immer thematisch und inhaltlich voneinander trennen. Daher wird es an einigen Stellen Überschneidungen geben.
Erste Grundfrage:
Welchen größeren bzw. welchen allgemeinen Sinn- oder Sachzusammenhang vertritt und erschließt dieser Inhalt? Welches Urphänomen oder Grundprinzip, welches Gesetzt, Kriterium, Problem, welche Methode, Technik oder Haltung lässt sich in der Auseinandersetzung mit ihm „exemplarisch“ erfassen?[1] (S. 15)
Flaschenzüge gehören in den Bereich der Mechanik. Hier können sie unter dem Thema Kraftwandler bzw. kraftumformende Einrichtungen mit der schiefen Ebene, dem Hebel, dem Wellrad, der festen- und losen Rolle zusammengefasst werden. Die Flaschenzüge stehen dabei beispielhaft für Vorrichtungen bzw. technische Hilfsmittel, die dem Menschen ermöglichen Massen zu bewegen, die ohne entsprechende Hilfsmittel schlicht zu "schwer" wären. Den Kindern kann so dargelegt werden, dass mit einfachen Hilfsmitteln etwas das im ersten Moment unmöglich erscheint zu verwirklichen ist. Die Kinder werden and den Kraftbegriff und vielleicht auch schon das Konzept der Arbeit herangeführt, welche immer wieder im weiteren Verlauf des Physikunterrichts auftauchen.
Zweite Grundfrage:
Welche Bedeutung hat der betreffende Inhalt bzw. die an diesem Thema zu gewinnende Erfahrung, Erkenntnis, Fähigkeit oder Fertigkeit bereits im geistigen Leben der Kinder meiner Klasse, welche Bedeutung sollte er – vom pädagogischen Gesichtspunkt aus gesehen – darin haben?[1] (S. 16)
Das Thema Flaschenzüge bzw. Kraftwandler wird ungefähr in der 7. Und 8. Jahrgangsstufe eingeordnet. Feste Rollen, Seile die umgelenkt werden und somit die Richtung der Kraft ändern wie zum Beispiel auf Baustellen wo Eimer am Gerüst hochgezogen werden sind sicherlich für einige Kinder nichts Neues. Bestimmt haben auch schon viele das Phänomen eines Flaschenzugs erlebt, aber nicht als solches wahrgenommen zum Beispiel beim Schnürsenkel. Hier kann der Kenntnisstand übernommen und in der Schule weiterentwickelt werden. Im Großen und Ganzen kann es aber nicht bei allen als bekannt angesehen werden. Daher wäre es sicherlich sinnvoll andere Kraftwandler, die präsenter sind beim Einstieg in das Thema vorzuziehen. Dafür würden sich der Hebel oder die schiefe Ebene eignen. Wenn den Kindern die Wirkung von Kraftwandlern bzw. von Flaschenzügen bewusst gemacht wird können diese gezielter eingesetzt und benutzt werden. Solange die Kinder diese nicht bewusst benutzen bzw. nicht über den Effekt im Klaren sind ist es unwahrscheinlich, dass sie in Situationen wo es nützlich wäre einen entsprechenden Kraftwandler in Betracht ziehen und einsetzen würden. Das ist allerdings eine sehr erzwungene Tatsache. Es ist auch fraglich, ob die Erfahrung der Kinder mit diesen Vorrichtungen nicht ausreicht, um diese auch weiterhin zu nutzen und in neuen Situationen eine Verwendung in Betracht ziehen.
Dritte Grundfrage:
Worin liegt die Bedeutung des Themas für die Zukunft der Kinder?[1] (S. 17)
Wie beim vorherigen Punkt bereits erwähnt, kann es sich als nützlich erweisen die Funktionsweise von Kraftwandlern zu verstehen. Es gibt viele Alltagssituationen in denen sie verwendet werden. Das gilt allerdings nicht unbedingt für Flaschenzüge. Sollten die Kinder in die Situation kommen einmal im späteren Verlauf ihres Lebens mit Flaschenzügen in Verbindung zu kommen, würden sie die Funktionsweise in jedem Falle dort lernen. Es ist meiner Meinung nach also keine wirkliche Zukunftsbedeutung des Themas für die Kinder gegeben. Wenn man das Thema allerdings auf die goldene Regel der Mechanik bezieht sieht es wieder anders aus. Diese spielt eine zentrale Rolle in der physikalischen Schulbildung der Kinder und wird ihnen, zumindest während der Schullaufbahn, immer wieder begegnen. Das Verständnis dieser Regel ist auch im außerschulischen Lebensfeld der Kinder von Vorteil. Damit können einige Phänomene erschlossen werden, zum Beispiel der Sinn von Serpentinen oder die Hebelfunktion bei Werkzeugen wie Schraubenschlüssel oder Brecheisen. Hierbei ist allerdings auch zu hinterfragen ob es immer so wichtig ist die Regeln und Gesetze kennen und verstehen zu müssen. Oft sind den Kindern die Dinge bereits aus Erfahrungen bekannt und sie sind auch in der Lage diese Erfahrungen im Alltag anzuwenden. Durch die Thematisierung im Unterricht kann es dann zu Verwirrungen kommen.
Vierte Grundfrage:
Welches ist die Struktur des (durch die Fragen 1, 2 und 3 in die spezifisch pädagogische Sicht gerückten) Inhalts?[1] (S. 17)
Diese Frage wird von Klafki in sechs unterfragen[1] (S. 18 ff) spezifiziert. Ich werde anhand dieser Fragen auf die innere Struktur des Themas eingehen.
1. „Welches sind die einzelnen Momente des Inhaltes als eines Sinnzusammenganges?“[1] (S. 18)
Das Thema Flaschenzug kann in verschiedene kleinere Abschnitte zerlegt werden. Zuerst kann eine Schnur als Beispiel genommen werden um den Angriffspunkt der Kraft zu ändern. Weiterhin kann eine feste Rolle benutzt werden um zusätzlich die Richtung der Kraft zu ändern. Als nächster Schritt kann eine lose Rolle eingeführt werden um zusätzlich den Betrag der Kraft zu ändern. Als letzten Schritt können dann feste und lose Rollen kombiniert werden um verschiedene Flaschenzüge zu bauen. Die Reibung sollte in jedem Falle auch thematisiert werden, auch wenn sie bei kleinen Flaschenzügen die zu Versuchszwecken genutzt werden eine vernachlässigbare Auswirkung hat. Sollte allerdings ein Flaschenzug zur Verfügung stehen, der sehr große Lasten heben kann, dann werden auch die Reibungseffekte größer und somit nicht mehr länger vernachlässigbar.
Bei der dritten Frage geht es um Sinn- und Bedeutungsschichten. Eine solche Schichtung ist jedoch größtenteils in den geisteswissenschaftlichen Bereichen zu finden und Spielt in diesem Fall hier keine Rolle.
Die nächste Frage ist wieder relevant. Hier geht es um den „größeren sachlichen Zusammenhang“ und „was sachlich vorausgegangen sein muss“[1] (S.19). Der größere sachliche Zusammenhang sind wie bereits vorher erwähnt Kraftwandler bzw. die goldene Regel der Mechanik. Diese zwei Themengebiete können als Überbegriff zum Thema Flaschenzüge gesehen werden. Die Behandlung des Themas Kraftwandler bzw. Flaschenzüge setzt voraus, dass die Kinder den Begriff Masse und das Konzept der Kraft verstanden haben und damit umgehen können. Das Thema selber eignet sich allerdings auch sehr gut um diese Dinge einzuführen und sie den Kindern näher zu bringen. Alles weitere sind einfache und leicht nachvollziehbare Konzepte, die sehr anschaulich vorgeführt werden können.
Bei der vorletzten Frage geht es um Inhalte, die schwer zugänglich oder verständlich für die Kinder sein können. Das sind in erster Linie immer abstrakte Konzepte und Begriffe, die im täglichen Leben der Kinder eine andere Bedeutung haben als in ihrem schulischen Umfeld. In unserem konkreten Fall also „Kraft“. Im Zusammenhang mit Flaschenzügen kann natürlich auch schon das Konzept der „Arbeit“ eingeführt werden. Diese beiden Begriffe werden im normalen Sprachgebrauch der Kinder ganz anders verwendet als es in physikalischen Bereichen üblich ist. Dies ist eine nicht zu unterschätzende Hürde, die genommen werden muss um die Kinder nicht zu „verlieren“.
Bei der letzten Frage geht es um das „Mindestwissen“, wie Klafki es nennt. Also das was den Kinder in der Unterrichtseinheit beigebracht wurde und was sie sich angeeignet haben. Da es sich bei dem Konzept der Kraft um ein grundlegendes Konzept in der Mechanik handelt und dieses in der Physik immer wiederkehrt ist es unabdingbar, dass es auch von den Kindern verstanden wird. Selbiges gilt für die Arbeit, sofern diese thematisiert wurde. Die goldene Regel der Mechanik ist ein weiterer Punkt der bei den Kindern nach Abschluss der Einheit geläufig sein sollte und sie in der Lage sind diese bei verschiedenen Problemen wie zum Beispiel Hebel oder schiefe Ebene anzuwenden. Die Gesetzmäßigkeiten, die bei Flaschenzügen gelten sehe ich als nicht so wichtig an. Es ist schön, wenn sie den Kindern ein Begriff sind, eine Notwendigkeit sehe ich darin aber nicht.
Fünfte Grundfrage:
Welches sind die besonderen Fälle, Phänomene, Situationen, Versuche, in oder an denen die Struktur des jeweiligen Inhaltes den Kindern dieser Bildungsstufe, dieser Klasse interessant, frag-würdig, zugänglich, begreiflich, „anschaulich“ werden kann?[1] (S. 20)
Diese letzte der didaktischen Grundfragen wurde von Klafki in drei Teilfragen unterteilt. Anhand dieser Teilfragen werde ich auf die Ausgangsfrage eingehen.
Bei der ersten Frage geht es darum das Interesse der Kinder zu wecken bzw. ihr Interesse erst einmal in die Richtung des geplanten Themas zu lenken. Bei Flaschenzügen könnte man hier einen historischen Ansatz wählen und als Fragestellung bzw. Ausgangsthema den Bau der Pyramiden nehmen. Den Kindern ist klar, dass den Ägyptern damals nicht die technischen Hilfsmittel zur Verfügung standen, die wir heutzutage haben, und dass es selbst mit diesen eine Herkulesaufgabe wäre eine Pyramide zu errichten. Das Interesse der Kinder wird also hoffentlich dahingehend geweckt, dass sie herausfinden möchten wie es mit den damaligen Mitteln möglich war diese Gebäude zu bauen.
Die nächste Frage zielt darauf ab, dass die Kinder möglichst selbständig das Problem lösen bzw. die Fragestellung beantworten sollen und welche Hilfsmittel ihnen dafür zur Verfügung gestellt werden sollen. In diesem Fall würde ich den Kindern möglichst gut illustrierte Geschichtsbücher zur Verfügung stellen. Darin könnten sie nach Hilfsmitteln suchen die zum Bau der Pyramiden verwendet wurden. Diese sollten sie sich dann genauer anschauen und sich schon erste Gedanken zu der Funktionsweise machen.
Die letzte Frage befasst sich mit sinnvollen Anwendungsbeispielen. Wenn die entsprechenden Ressourcen vorhanden sind wäre es sicher Lehrreich für die Kinder wenn sie einmal selbst versuchen könnten verschiedene Flaschenzüge aufzubauen. Dabei könnten sie die Funktions- und Wirkungsweise selber erfahren und auch Beobachtungen dazu anstellen. Weiterhin könnten sich die Kinder Gedanken machen, wo im Alltag Flaschenzüge zum Einsatz kommen. Hierbei kann die Lehrkraft auch Hilfestellungen geben bzw. Dinge wie den Schnürsenkel nennen. Dieser wird nämlich sicherlich nicht von den Kindern berücksichtigt bei diesem Thema.
Abschlusskommentar:
Es gibt immer Mittel und Wege ein Thema für den Unterricht passend zu machen. Meiner Meinung nach sollte man dies aber nicht erzwingen. Durch die didaktische Analyse wird verdeutlicht in wie weit es sinnvoll ist ein Thema im Unterricht zu behandeln und auch ob es für diesen geeignet ist. Die feste Rolle, lose Rolle und Flaschenzüge sind sicherlich interessant und können auch für die eine oder andere Überraschung sorgen. Es ist denke ich aber fraglich ob sie für die Kinder von solcher Wichtigkeit sind, dass es im Unterricht behandelt werden muss. Andere Kraftwandler wie die schiefe Ebene oder der Hebel sind viel präsenter in der außerschulischen Lebenswelt der Kinder. Diese Tatsache erleichtert das wecken von Interesse und macht es auch überflüssig dieses Interesse künstlich zu erzeugen. Alles in allem würde ich also sagen, dass Flaschenzüge als Pflicht aus dem Lehrplan herausgenommen werden und nur noch als Wahlmodul erhalten bleiben.
