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Hebel. Wie funktioniert eine Wippe? (Sachunterricht 3./4. Klasse Grundschule)

von Gina M. (Autor)

Unterrichtsentwurf 2017 32 Seiten

Sachunterricht, Heimatkunde (Grundschulpädagogik)

Leseprobe

Inhalt

1. Verankerung des Themas „Hebelprinzip“ im Lehrplan PLUS/ Perspektivrahmen

2. Zentrale Sachinformationen

3. Das Hebelprinzip im Alltag

4. Schülerfragen

5. Schülervorstellungen

6. Erhebungsmöglichkeiten von Vorerfahrungen und Vorwissen zum Thema „Hebel – Wie funktioniert eine Wippe?“

7. Unterrichtseinstiege

8. Mögliche Versuche zum Hebelprinzip
8.1. Eine Wippe selber bauen (zweiseitiger Hebel)
8.2. Kerzenwippe (zweiseitiger Hebel)
8.3. Scherenversuch (zweiseitiger Hebel)
8.4. Hochstemmen eines schweren Gegenstandes mit einem Spaten (einseitiger Hebel)
8.5. „Schubkarrenversuch“ (einseitiger Hebel)

9. Dokumentation der Beobachtungen

10. Mögliche Modelle und Erklärungshilfen

11. Unterstützender Medieneinsatz

12. Sicherung

13. Mögliche Aufgaben zur Lernstandsdiagnose

14. Literaturverzeichnis

15. Internetquellen

1. Verankerung des Themas „Hebelprinzip“ im Lehrplan PLUS/ Perspektivrahmen

Im Perspektivrahmen lässt sich die Thematik „Hebel – Wie funktioniert eine Wippe?“ unter Technik und Kultur verorten. Die Kinder betrachten das Alltagsprinzip ‚Hebel‘ aus technischer Perspektive, indem sie selbst Versuche durchführen und damit Bereiche technischer Wirkmechanismen streifen. Sie stellen Fragen zu Vorgängen, die sich ihnen noch nicht erschlossen haben, gelangen mittels eigenständigen und gemeinsamen Handelns durch geeignete Versuche zu Erkenntnissen und erfassen bzw. verstehen

Zusammenhänge und Vorgehensweisen,

wie z.B. das Hebelgesetz. Weiterhin kommunizieren sie in der Klasse oder mit der Lehrkraft und präsentieren ihre Ergebnisse durch das Forscherheft, Plakate zu den verschiedenen Hebeln oder Gegenständen mit Hebelwirkung, etc. Abschließend reflektieren und bewerten sie das Gelernte, indem sie Alltagsgegenstände als Hebel erkennen und ihre Funktion als Kraftwandler schätzen lernen.

Bereits im Fachlehrplan des Heimat- und Sachunterricht in den Jahrgangsstufen 1/2 lautet im Lernbereich 6 „Technik und Kultur“ unter 6.1 „Arbeit, technische und kulturelle Entwicklung“ eine Kompetenzerwartung, dass die Schülerinnen und Schüler „[...] die jeweilige Funktion ausgewählter Werkzeuge und Geräte [erklären] und begründen, weshalb diese Tätigkeiten die Arbeit des Menschen erleichtern.“[1] Hier kann man z.B. anhand von Scheren, Zangen, Nussknackern uvm. das Hebelprinzip anbahnen.

Konkretisiert wird es dann im Bereich HSU 3/4: unter denselben Gliederungspunkten erklären Schülerinnen und Schüler Prinzipien, die zu einer Arbeitserleichterung führen und somit Kulturhandlungen möglich machen, z.B. das Hebelprinzip bei Flaschenöffner, Locher.[2]

Im Sektor 6.2 „Bauen und Konstruieren“ setzt man sich außerdem mit dem Gleichgewichtsprinzip, als Beispiel bei einer Wippe, auseinander.

2. Zentrale Sachinformationen

Bereits in der Antike wurde das Hebelgesetz von Archimedes in Ansätzen formuliert – und ist somit als eines der ältesten physikalischen Gesetze ein zentrales naturwissenschaftliches Konzept.[3] Unter einem Hebel versteht man einen starren Körper, der um eine feste Achse drehbar ist. Diesen Punkt nennt man ‚Drehpunkt‘. Weiterhin besitzen sie zwei Kraftarme. Hebel funktionieren als Kraftwandler, indem sie

„[...] einen mechanischen Arbeitsvorgang, zu dessen Bewältigung man eine bestimmte

Kraft braucht [...], in einen anderen Vorgang umwandel[n], für den man eine andere

(meist geringere) Kraft benötigt“[4].

Hebel zählen zu den einfachen Maschinen. Diese dienen dazu, Kräfte zu übertragen, um durch die Aufwendung von Energie Arbeit zu erleichtern. In den Bereich der einfachen Maschinen fallen auch die schiefe Ebene, Schraube, das Rad, die Rolle und der Keil. Schon früh erfand der vorgeschichtliche Mensch den Mechanismus des Hebels, indem er als Erster den Einfall hatte, einen schweren Stein mit Hilfe eines kleineren Steines und einem Ast zu bewegen.

Jedoch erst Archimedes stellte ca. um 240 v. Chr. das Hebelgesetz auf.[5]

Hebel werden in einseitige und zweiseitige Hebel unterteilt. Je nach Lage der Angriffspunkte der wirkenden Kräfte auf einer bzw. beiden Seiten des Drehpunkts, handelt es sich um einen einseitigen bzw. zweiseitigen Hebel.[6]

Bei einseitigen Hebeln befindet sich der Drehpunkt an der Spitze des Körpers, d.h. beide Kräfte greifen vom Drehpunkt aus gesehen auf derselben Seite an.[7]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei zweiseitigen Hebeln greifen die Kräfte demnach, vom Drehpunkt aus gesehen, voneinander getrennt auf unterschiedlichen Seiten an. Entspricht das Drehmoment M1 auf der linken Seite dem Drehmoment M2 auf der rechten Seite, so ist der Hebel im Gleichgewicht (zur genaueren Beschreibung ‚M‘ siehe unten „Hebelgesetz“). Eine Rotation um die Drehachse entsteht, wenn ein wirkendes Drehmoment größer als das andere ist.[8] Beispiele für zweiseitige Hebel sind eine Schere, eine Zange, eine Balkenwaage oder eine Wippe.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anhand der ‚Abb. zweiseitiger Hebel (Wippe)‘ kann man auch erkennen, dass nicht nur die Krafteinwirkung, sondern auch der Abstand zum Drehpunkt relevant ist.

Um die Hebelwirkung physikalisch berechnen zu können, gibt es das Hebelgesetz. Ausgehend davon gilt für alle Hebel, die im Gleichgewicht sind unter der Voraussetzung, dass die Kräfte senkrecht am Hebel wirken:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten[9]

Am Beispiel der Wippe sieht man also, wenn eine Person auf der Wippe als Last (F1) doppelt so viel wiegt die andere Person (F2), muss der Lastarm (r1) halb so lang sein wie der Kraftarm (r2), d.h. der Abstand zum Drehpunkt muss verkürzt werden (siehe Abb. zweiseitiger Hebel (Wippe)). Allgemein formuliert bedeutet dies, dass je schwerer eine Last und je kleiner eine Kraft ist, desto größer sollte der Kraftarm im Vergleich zum Lastarm sein.[10] Auch zeigt sich daraus, dass sich mit einem längeren Kraftarm eine größere Last mit kleinerem Kraftaufwand bewältigen lässt (z.B. bei Astschere im Vergleich zur Küchenschere, Spaten im Vergleich zur kleinen Schaufel).

Das jeweilige Produkt aus F1 x r1 bzw. F2 x r2 nennt man auch Drehmoment und bezeichnet eine neue physikalische Größe. Daraus folgernd kann das Hebelgesetz auch so beschrieben werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten[11]

3. Das Hebelprinzip im Alltag

Schülerinnen und Schüler werden im Alltag oft mit Hebeln jeglicher Art konfrontiert ohne dies zu merken. Vermutlich liegt das daran, dass das Hebelprinzip in unterschiedlichsten Ausführungen und Formen auftreten kann. Deshalb fällt es teilweise sehr schwer, den Hebel als gemeinsames grundlegendes Prinzip zu erkennen. Allgemein dienen Hebel dazu, dass alltägliche Leben praktischer und einfacher zu gestalten.[12]

Beispiele für Hebel im Alltag sind:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4. Schülerfragen

Im Alltag stoßen die Kinder auf viele Mechanismen und Funktionsweisen, die sie sich auf Anhieb nicht erklären können. Gerade im Bereich „Technik“ kann es für Kinder schwierig sein, mit dem bloßen Auge die Funktionsweise herauszufinden und zu verstehen. So auch beim Thema „Hebelprinzip“, das den Schülerinnen und Schülern in ihrem Alltag überall begegnet – sei es auf dem Spielplatz beim Wippen, bei der Gartenarbeit mit einer großen Astschere oder in der Weihnachtszeit beim Nüsse knacken. Die folgende Auflistung zeigt Kinderfragen, die alle mit Hilfe des Hebelprinzips beantwortet werden können.

- „Wie funktioniert eine Wippe?“
- „Warum kann ich mit meinem Papa nicht wippen?“
- „Warum hat eine Astschere so lange Arme?“
- „Warum ist Papas Astschere so viel größer als meine Papierschere?“
- „Wieso kann ein Nussknacker Nüsse so leicht knacken?“
- „Wieso kann ich mit einer normalen Schere keine große Sachen auseinander schneiden?“
- Wie funktioniert Papas Flaschenöffner?“

5. Schülervorstellungen

Schülerinnen und Schüler haben vielfältige Vorstellungen zu naturwissenschaftlichen Phänomenen. Durch die verschiedenen Vorerfahrungen, die sie im Kindergarten oder in ihrem Alltag gesammelt haben, bringt jede Schülerin und jeder Schüler andere Vorstellungen mit in die Schule. Viele Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler stimmen mit den wissenschaftlichen Konzepten überein bzw. es sind gute Ansätze vorhanden. Jedoch haben sich die Kinder häufig auch Fehlkonzepte angeeignet. Diese Präkonzepte entstehen oftmals im Alltag, wie zum Beispiel durch die Alltagssprache (z.B. „Die Sonne geht auf“). Diese Fehlkonzepte sind Lernhindernisse, die durch die wissenschaftlichen Konzepte ersetzt werden müssen. Es ist essentiell Schülervorstellungen zu erheben bzw. Studien zu lesen, da man so an die kindlichen Vorstellungen anknüpfen kann und träges Wissen vermeiden kann. Nachhaltiges Wissen entsteht, wenn man das neue Wissen in das vorhandene Wissen integriert.[13]

Es gibt nur wenige Erhebungen zu Schülervorstellungen zum Hebelgesetz.

Im Projekt „Phänomenähnlichkeiten“ wurden Präkonzepte zum Hebelgesetz erhoben. Es haben 202 Kinder der 2. und 3. Klassen teilgenommen. Das Alter der Kinder lag im Durchschnitt bei 8,5 Jahren.

Die Aufgaben wurden zu den Phänomenen Wippe, Brechstange und Nussknacker entwickelt. Die Aufgaben hatten unterschiedlichen Schwierigkeitsgrad. Es waren offene und geschlossene Aufgabenformate gegeben. Auf Fachbegriffe wurde verzichtet, da diese für die Kinder unbekannt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Den Schülerinnen und Schülern fällt es leichter die geschlossenen Aufgaben richtig zu wählen. Die offenen Aufgaben und Begründungen dazu zu finden, fällt schwerer. Dies weist auf unsicheres Wissen bzw. eine hohe Ratewahrscheinlichkeit hin. Kinder verfügen über deklaratives und prozeduralem Wissen zum Hebelgesetz, jedoch weniger über konzeptuelles Wissen. Kinder formulieren ihre Erklärungen auf der Oberflächenstruktur. Bespiel hierfür: „Ein Nussknacker ist aus Metall und deshalb stärker als die Hand.“[14] Ansätze zum Hebelgesetz tauchen in den Schülerantworten nur selten auf. Hier ein Bespiel von Schülerantworten, bei denen eine konzeptuelle Vorstellung vorhanden ist. „Ein Nussknacker hat einen langen Hebel und dadurch mehr Kraft.“[15] „Ein Nussknacker ist stärker. Bei dem Nussknacker hat man die Hand weiter hinten, so ist der Druck größer.“[16]

Die Präkonzepte sind phänomenbezogen sehr verschieden. Zur Wippe sind deutlich mehr konzeptuelle Vorstellungen vorhanden, als zum Nussknacker. Nur 4% können eine Antwort auf konzeptueller Ebene auf die Frage geben, warum es einfacher ist, eine Walnuss mit einem Nussknacker zu knacken als mit der Hand.

Im Hinblick auf die Wippenaufgabe (siehe Abb. 8) können 17% der Schüler eine Antwort bezogen auf das Hebelgesetz formulieren.[17]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese phänomenabhängigen Unterschiede der Vorerfahrungen sind durch die Alltagserfahrungen zu begründen. Durch Spielplatzerfahrungen mit der Wippe wissen die Kinder, wie man Gleichgewicht herstellt und wippen kann. Die Erfahrungen mit dem Nussknacker sind sehr viel geringer. Zudem findet keine Reflexion über die Funktionsweise des Nussknackers statt.

[...]


[1] Lehrplan PLUS Bayern, in: http://www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/grundschule/1/hsu, zuletzt aufgerufen am 27.12.2016.

[2] Vgl. Ebd., zuletzt aufgerufen am 27.12.2016.

[3] Vgl. Schwelle, Lernen mit (un-)ähnlichen Beispielen, Münster/New York 2016.

[4] wissen.de, Der Hebel und das Hebelgesetz, 2000-2016, in: http://www.wissen.de/der-hebel-und-das-hebelgesetz, zuletzt aufgerufen am 8.12.2016.

[5] Vgl. Chemnitzer Schulmodell, Hebel, in: http://www.schulmodell.eu/index.php/physik/530-hebel.html, zuletzt aufgerufen am 14.12.2016.

[6] Vgl. Schwelle, Lernen mit (un-)ähnlichen Beispielen, Münster/ New York 2016.

[7] Vgl. Lernhelfer, Hebel, 2016, in: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/hebel, zuletzt aufgerufen am 8.12.2016.

[8] Vgl. Grund-Wissen, Hebel, 2016, in: http://grund-wissen.de/physik/mechanik/kraftwandler-und-getriebe/hebel.html, zuletzt aufgerufen am 8.12.2016.

[9] Vgl. Lernhelfer, Hebel, 2016, in: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/hebel, zuletzt aufgerufen am 8.12.2016.

[10] Vgl. Wissen macht Ah! Köln 2017, in: http://www.wdr.de/tv/wissenmachtah/bibliothek/hebel.php5, zuletzt aufgerufen am 13.01.2017.

[11] Vgl. Lernhelfer, Hebel, 2016, in: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/hebel, zuletzt aufgerufen am 8.12.2016.

[12] Vgl. Wissen macht Ah! Köln 2017, http://www.wdr.de/tv/wissenmachtah/bibliothek/hebel.php5, zuletzt aufgerufen am 20.01.2017.

[13] Vgl. Grygier Patricia, Günther Johannes, Kircher Ernst: Über Naturwissenschaften lernen - Vermittlung von Wissenschaftsverständnis in der Grundschule, Baltmannsweiler 2007, S. 25.

[14] Fischer, Hans-Joachim, Giest, Hartmut, Pech, Detlef: Der Sachunterricht und seine Didaktik – Bestände prüfen und Perspektiven entwickeln, Kempten 2013, S. 134.

[15] Ebd.

[16] Ebd.

[17] Vgl. Ebd.

Details

Seiten
32
Jahr
2017
ISBN (eBook)
9783668436787
ISBN (Buch)
9783668436794
Dateigröße
1.1 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v358604
Institution / Hochschule
Universität Regensburg
Note
1,0
Schlagworte
Grundschulpädagogik Sachunterricht Unterrichtsstunde Hebelprinzip Wippe Funktion einer Wippe Nussknacker Experimente

Autor

  • Gina M. (Autor)

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Titel: Hebel. Wie funktioniert eine Wippe? (Sachunterricht 3./4. Klasse Grundschule)