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Unterrichtsverlauf

1. Schritt: Wiederholung der letzten Stunde anhand eines Experimentes

Gespräch und Demonstrationen im Sitzkreis, Einleitung durch die Lehrkraft: Wir haben bisher gelernt, dass auf jeden Gegenstand im Wasser – also auch auf ein untergetauchtes U-Boot – eine nach oben schiebende Kraft, der Auftrieb, wirkt.

Lehrkraft zeigt eine mit Sand gefüllte Dose. Diese Dose soll ein sehr schwer beladenes U-Boot darstellen. Wenn sie sich im Wasser befindet, gibt es eine Auftriebskraft. Lehrkraft: Bitte zeigt mit Hilfe des Plakates und der Druckkraftpfeile, wie sie zustande kommt. Kinder legen die Druckkraftpfeile an das U-Boot und daneben die entsprechenden Pfeile und den Auftriebspfeil und erläutern die Zuordnung.


Abb. 6.3: An der Tafel: Sinkendes U-Boot und Auftrieb

Lehrerfrage: Dann müsste doch eigentlich dieses U-Boot/diese Dose (hält die Dose ins Wasser) nach oben geschoben werden, wenn ich sie loslasse.

Nach Reaktionen der Kinder wird die Dose losgelassen und sinkt nach unten auf den Gefäßboden. Warum sinkt sie nach unten und steigt nicht nach oben?

 

2. Schritt: Die Erdanziehungskraft kommt ins Spiel

Kommt nicht die Antwort, dass ja nicht nur das Wasser nach oben drückt, sondern auch noch die Erde nach unten zieht, kann die Hilfsfrage gestellt werden: Zieht noch etwas/jemand an der Dose?

Nachdem geklärt wurde, dass die Erde/Erdanziehungskraft alle Gegenstände nach unten zieht (ggfs. Erinnerung an UE 1), wird die Folgefrage gestellt: Welche Kraft ist stärker, die nach oben schiebende Auftriebskraft oder die nach unten ziehende Erdanziehungskraft? Wer gewinnt bei der sandgefüllten Dose bzw. einem sehr beladenen U-Boot? Die Antwort liegt auf der Hand (ggfs. an Schritt 1 aus UE 5 erinnern): die Erdanziehungskraft gewinnt, sie ist stärker, die Dose wird trotz Auftriebskraft nach unten gezogen. Aber insgesamt nicht so stark wie außerhalb des Wassers, wenn das Wasser keine Auftriebskraft ausüben kann.

Wie können wir die Erdanziehungskraft zusammen mit den Druckkräften und der Auftriebskraft bei unserem Meeresplakat darstellen? Die überzeugendste Lösung ist, die Erdanziehungskraft durch einen nach unten gerichteten (z.B. rot gefärbten) Pfeil darzustellen. Je schwerer ein Gegenstand ist, desto länger ist der Pfeil zu wählen. An die Tafel werden neben dem Meeresplakat entsprechend Abb. 6.4 mehrere Erdanziehungspfeile gehängt (einer länger als der Pfeil für die Auftriebskraft, einer gleich groß und einer kleiner).

Abb. 6.4a: Meeresplakat mit Druckkraftpeilen und Auftriebspfeil; Abb. 6.4b: Erdanziehungspfeile

 

3. Schritt: Das U-Boot/die Dose sinkt

Für den bisher besprochenen Fall des Sinkens wird für ein stark beladenes U-Boot/sandgefüllte Dose der längste Erdanziehungspfeil neben den Auftriebspfeil gelegt (siehe Abb. 6.5).


Abb. 6.5: Kraftpfeile für den Fall „Sinken“

 

4. Schritt: Der Fall des Schwebens

Welcher Erdanziehungspfeil muss für ein im Wasser schwebendes U-Boot ausgewählt werden? Dann müssen der Auftriebspfeil und der Pfeil für die Erdanziehungskraft gleich lang sein (aber entgegengesetzt gerichtet). Der Fall ist für eine teilweise mit Sand beladene Dose schwierig zu realisieren. Wenn man auf die gerade noch nicht sinkende Dose an der Wasseroberfläche vorsichtig etwas Sand streut, kann man das Schweben nahezu erreichen (die Dose sinkt dann im Zeitlupentempo).

Abb. 6.6: Das U-Boot schwebt im Wasser, rechts die Kraftpfeile

 

5. Schritt: Der Fall des Steigens

Steigt das U-Boot auf, muss die Auftriebskraft gewinnen, das U-Boot muss leichter gemacht werden, um die Erdanziehungskraft zu verkleinern, damit der Auftriebspfeil größer als der Pfeil für die Erdanziehungskraft ist.

Abb. 6.7: Das U-Boot steigt auf, rechts die Kraftpfeile

Die nur mit wenig Sand beladene Dose wird unter Wasser gedrückt und losgelassen. Sie steigt auf und schwimmt dann an der Wasseroberfläche. Das ist der Fall des Schwimmens, z.B. bei einem aufgetauchten U-Boot.

 

6. Schritt: Der Fall des Schwimmens

Ist der Auftrieb größer als die Erdanziehungskraft, steigt das U-Boot nach oben und wird aus dem Wasser geschoben. Bei diesem Vorgang nimmt die Tiefe des Wassers unter dem Boot allmählich ab und dadurch auch die Druckkraft gegen die Unterseite (von oben kann das Wasser jetzt natürlich nicht drücken). Wenn die Druckkraft genauso groß wie die Erdanziehungskraft geworden ist, schwimmt das Boot, es wird nicht weiter nach oben aus dem Wasser geschoben.


Abb. 6.8: Auf ein schwimmendes Boot wirken nur noch die Druckkraft von unten und die Erdanziehungskraft

 

7. Schritt: Erstellen eines Merkplakates

Die Ergebnisse der bisherigen Schritte werden im Arbeitsblatt AB6.1 in Form einer Tabelle festgehalten. AB6.2 gibt die Lösungen an.

 

8. Schritt: Vertiefung der Lernziele in einem Schülerexperiment

Jede Schülergruppe erhält einen Satz der vorbereiteten Filmdosen und ein Wassergefäß und bearbeitet das Arbeitsblatt 6.3. Die Lehrkraft weist darauf hin, dass die Dosen gleich groß sind und damit die Auftriebskraft für alle Dosen gleich groß ist, wenn sie ins Wasser eingetaucht werden.

 

9. Schritt: Fall eines in Schlamm eingesunkenen U-Bootes (mögliche Ergänzung)

Leistungsstarken Schülergruppen kann das folgende Problem vorgelegt werden. Wenn die Unterseite eines U-Bootes auf dem Meeresgrund vollständig in Schlamm eingesunkenen ist, wie groß ist die Auftriebskraft auf das U-Boot?

Lösung: Da das Wasser auf die Unterseite des U-Bootes keine nach oben gerichtete Druckkraft ausüben kann, kann es auch keine nach oben gerichtete Auftriebskraft geben. Das U-Boot kann nicht mehr steigen. Ggfs. Thematisierung, warum es keinen Auftriebspfeil gibt.

 


Abb. 6.9: Skizze eines in Schlamm eingesunkenen U-Bootes mit dazugehörigem Druckkraftpfeil und Pfeil für die Erdanziehungskraft

 

 

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