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Fachdidaktische Informationen - 4. Das Unterrichtskonzept für den Auftrieb in SUPRA

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4. Das Unterrichtskonzept für den Auftrieb in SUPRA

Auf der Basis einer gründlichen Sachstrukturanalyse, einer Analyse und Bewertung bereits vorliegender Unterrichtskonzepte, der Kenntnis von Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten und mehreren Erprobungen schlagen wir ein Unterrichtskonzept für SUPRA vor, in der die Erklärung für das Zustandekommen des Auftriebs im Zentrum steht. Die zentrale Erkenntnis dafür ist, dass mit zunehmender Tiefe das Wasser stärker gegen einen Gegenstand drückt und folglich die Druckkraft auf die Unterseite stärker ist als die auf die Oberseite. Mehrere Lernstudien und Unterrichtserprobungen haben uns überzeugt, dass dieses Konzept recht erfolgreich von Grundschulkindern der 3. und 4. Jahrgangsstufe gelernt werden kann. Nachfolgend wird die Sachstruktur des Unterrichtskonzeptes, wie es für SUPRA entwickelt wurde, beschrieben.

 

Übersicht über die Unterrichtssequenz

  1. Die Erdanziehungskraft
    Verschiedene Gegenstände fallenlassen (Buch, Stein, Styroporfigur, …); Beobachtung: Gegenstände fallen nach „unten“ (zur Erdoberfläche hin); Deutung: die Erde zieht alle Gegenstände an, zieht sie nach unten. Einführung von Pfeilen als Symbol für eine Kraft.
  1. Warum sinken nicht alle Gegenstände im Wasser bis auf den Gewässerboden? Warum schwimmen manche an der Wasseroberfläche?
    Die Erde zieht auch im Wasser befindliche Gegenstände nach unten. Trotzdem steigen manche Gegenstände im Wasser nach oben und schwimmen anschließend an der Wasseroberfläche. Vermutung: Auf Gegenstände im Wasser wirkt neben der Erdanziehungskraft noch eine zusätzliche Kraft nach oben.
  1. Erfahrungen/Experimente, die diese Vermutung bestätigen
    Eine Reihe von Experimenten führt zu der Einsicht: Im Wasser wirkt auf Gegenstände eine nach oben schiebende Kraft, Auftrieb genannt.
  1. Wie kommt der Auftrieb im Wasser zustande?
    • Wie wirkt das umgebende Wasser auf ein untergetauchtes U-Boot ein?
      Versuche zeigen, das Wasser drückt von allen Seiten.
    • Je tiefer sich der Gegenstand im Wasser befindet, desto stärker drückt das Wasser
      Versuche zeigen: Je tiefer sich der Gegenstand im Wasser befindet, desto stärker drückt das Wasser.
    • Anschlussfragen: Auf welche Seite wird bei einem U-Boot am stärksten gedrückt?
      Die Vermutung, dass auf die Unterseite stärker als auf die Oberseite gedrückt wird, wird durch Versuche bestätigt. Veranschaulichung durch Pfeile als Symbol für die unterschiedlichen Druckkräfte.
    • Die Auftriebskraft
      Frage: Was geschieht mit einem Gegenstand, bei dem gegen zwei gegenüberliegende Seiten gleich stark gedrückt wird? Nichts, er wird dadurch nicht verschoben. Folglich heben sich die beiden Einwirkungen gegenseitig auf, keine Seite „gewinnt“.
      Wie ist es mit oben und unten? Das Drücken von unten gewinnt, also bleibt eine nach oben gerichtete Kraft übrig, die den Gegenstand nach oben in Richtung der Wasseroberfläche schiebt. Sie wird Auftriebskraft oder kurz Auftrieb genannt. Wichtig: eine Auftriebskraft wirkt auf alle Gegenstände, die sich im Wasser befinden.
  1. Sinken – Schweben – Steigen – Schwimmen
    Warum steigt nicht jeder in das Wasser eingetauchte Gegenstand durch die Auftriebskraft nach oben an die Wasseroberfläche und schwimmt dann dort?
    Vermutung: Es wirkt noch die Erdanziehungskraft, mal gewinnt sie, mal die Auftriebskraft.
    Formulierung von Merksätzen: Gegenstand sinkt, wenn die Erdanziehungskraft größer/stärker ist als die Auftriebskraft; ein Gegenstand schwebt, wenn …

    • Ein U-Boot taucht auf
      Vorgang des Auftauchens (und des Abtauchens) beim U-Boot besprechen.
      Übertragen auf Schiffe und andere Gegenstände, die quasi von oben ins Wasser gelassen werden, etwas eintauchen und dann an der Wasseroberfläche schwimmen.
  1. Optionale Vertiefung: Das Archimedische Prinzip
    Bis hierher wurde nur erarbeitet, dass es einen Auftrieb gibt und wie er zustande kommt, aber nicht wie groß er ist. Eine Antwort darauf gibt das Archimedische Prinzip. Es wird experimentell erarbeitet mit dem Ergebnis: Die Auftriebskraft auf einen Gegenstand ist genauso groß wie die Erdanziehungskraft auf das vom Körper „verdrängte“ Wasser.
    Anwenden auf Beispiele.

  2. Basteln: Kartesischer Taucher, Boot mit Gummimotor

  3. Optional, für das grundlegende Verständnis nicht erforderlich: Die Abhängigkeit des Auftriebs von der Fläche der Unterseite des Gegenstandes und von der Gegenstandshöhe.
    Verdoppelt man die Fläche der Unterseite eines untergetauchten Gegenstandes und lässt die Gegenstandshöhe unverändert, dann verdoppelt sich auch die Auftriebskraft. Anwendung auf ein Knetboot: Mit der Vergrößerung der Unterseite des Bootes nimmt die Tragfähigkeit zu.
    Verdoppelt man die Gegenstandshöhe (bei unveränderter Fläche der Unterseite), verdoppelt sich die Auftriebskraft.