Breitengradabhängigkeit von g - RCL “Weltpendel”
Unterrichtseinheit
Schülerinnen und Schüler untersuchen mithilfe des Internets ein globales geophysikalisches Phänomen. Dabei messen sie die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung.Ein Remotely Controlled Laboratory (RCL) ist ein Realexperiment, das über das Internet fernbedienbar durchgeführt werden kann. Zur Messung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung sind fünf als RCL ausgeführte Pendel unter verschiedenen Breitengraden an den Standorten Kaisersesch (Deutschland), Hermannsburg (Deutschland), Aden (Jemen), Riga (Lettland) und Neapel (Italien) verfügbar. Daher wurde die Bezeichnung RCL "Weltpendel" gewählt. Das Internet ermöglicht solche globalen Messungen, wie sie heute erdgebunden oder satellitengestützt zur Erforschung der Erde fast schon selbstverständlich geworden sind.Lehrkräfte finden in diesem Beitrag zwei Lerneinheiten zum Unterrichtseinsatz des RCLs "Weltpendel". Eine weitere Lerneinheit beschreibt den Eigenbau eines Pendels zur möglichst genauen Bestimmung der Erdbeschleunigung am Schulstandort. Vielfältiges und kommentiertes Unterrichtsmaterial unterstützt und ergänzt die Lerneinheiten. Lehrplanbezug und Lernpotenzial Das RCL "Weltpendel" ermöglicht Schülerinnen und Schülern einen experimentellen Zugang zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung. Lerneinheiten Drei Lerneinheiten werden zum Thema "Weltpendel" vorgeschlagen. Mögliche Verlaufspläne können Sie hier herunterladen. Steckbrief und Materialien zum RCL Hier finden Sie Informationen zu Versuchsaufbau, Experimentiermöglichkeiten und Mehrwert des RCLs sowie weitere Materialien und Anregungen zum Computereinsatz. Genderaspekte der Unterrichtseinheit "RCL Weltpendel" Lesen Sie hier, wie Sie mithilfe dieser Unterrichtseinheit Jungen wie Mädchen gleichermaßen für Physik begeistern können und warum das so ist. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung mit dem RCL "Weltpendel" experimentell untersuchen. die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung als Ursache des Zusammenwirkens von Erdrotation und Erdabplattung qualitativ und halb-quantitativ erklären. die Erdbeschleunigung mit einem Pendel im mathematischen und optional im physischen oder im realen Pendelmodell bestimmen. Kenntnisse zu Methoden der Bestimmung der Erdbeschleunigung anwenden oder erwerben. Kenntnisse aus den Mechanikthemen Gravitation, Kreisbewegung und Zentrifugalkraft zur Erklärung der Breitengradabhängigkeit anwenden, vertiefen oder erwerben. Das Thema "Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung" findet sich nicht in den Lehrplänen der Länder. In Schulbüchern der Sekundarstufe I (zum Beispiel Cornelsen - Physik für Gymnasien, Band 1, Länderausgabe C, Seite 116) und der Sekundarstufe II (zum Beispiel Metzler Physik, 3. Auflage, Seite 88 und 89) wird dieses explizit nicht thematisiert, es wird aber qualitativ auf die Ursachen einer nicht konstanten Erdbeschleunigung eingegangen. Dieser Befund ist verständlich, denn die Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung konnte bisher mit keinem Schulexperiment gemessen werden. ist aufgrund der Globalität und Kleinheit des Effekts nicht erfahrbar (ein Mensch ist am Äquator ungefähr 0,05 Prozent leichter als an den Polen). erfordert zur Messung und Erklärung des Effekts breite Kenntnisse aus der Mechanik. Mit dem RCL "Weltpendel" ist ein experimenteller Zugang zur Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung auch auf Schulniveau möglich. Darüber hinaus besitzt das Thema ein hohes Lernpotential mit folgenden Aspekten: Motivationsaspekt Die Erfassung und Erklärung globaler Umwelt- und Wetterphänomene (wie Tsunamis, Hurrikans, Ozonloch, Transport von Staub aus Wüstenregionen in der Atmosphäre ) ist über die Medien ins Bewusstsein breiter Bevölkerungsschichten und natürlich auch unserer Schülerinnen und Schüler gelangt. Inhaltsaspekt Die Messung und Erklärung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung erfordert das Anwenden und Zueinander-in-Beziehung-Setzen mehrerer Inhalte aus der Mechanik wie Pendelbewegung, Kreisbewegung, Zentrifugalkraft, Gravitation und die Messung mechanischer Größen. Wissenschaftsaspekt Globale Fernmessungen sind heute fast schon Alltag in der Wissenschaft. Experimentalphysiker entwickeln dazu immer präzisere Messverfahren und Messapparaturen. Die drei Lerneinheiten "Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung", "Vom einfachen Erdbeschleunigungsmesser zum Weltpendel" und "Eigenbau eines Pendels zur Messung der Erdbeschleunigung" zum RCL "Weltpendel" setzen dieses Lernpotenzial in konkrete Handlungsschritte für den Physikunterricht der Lehrkräfte und das Lernen der Schülerinnen und Schüler um. Übersicht der Lerneinheit In dieser Lerneinheit sollen Schülerinnen und Schüler an die Untersuchung und Erklärung eines komplexen Phänomens wie das der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung (Abb. 1) herangeführt werden. Methodisch soll dieses Ziel durch einen zur Hypothesenbildung anregenden narrativen Einstieg, der experimentellen Untersuchung des Phänomens mit dem RCL und der Möglichkeit, erworbenes Wissen aus der Mechanik zur Erklärung des Phänomens heranzuziehen, erreicht werden. Narrativer Einstieg mit "Richerstory" Hypothesenbildung und erste Hypothesenprüfungen Messen der Breitengradabhängigkeit von g mit dem RCL "Weltpendel" Breitengradabhängigkeit von g aufgrund der Erdrotation und -abplattung Vergleich der experimentellen g(phi)-Werte mit der WELMEC-Formel Übersicht der Lerneinheit Die Schülerinnen und Schüler sollen erfahren, was es bedeutet, eine Größe wie zum Beispiel die Erdbeschleunigung genau zu messen. Sie sollen erkennen, dass die Messgenauigkeit einer Größe von sehr vielen Faktoren, wie zum Beispiel der Fragestellung, der Messapparatur, dem Messverfahren und auch der Sorgfalt des Experimentators abhängt. Methodisch soll dieses Ziel durch einen in seinen Phasen klar strukturierten Unterricht und einen im Wesentlichen von Schüleraktivitäten getragenen Lernprozess erreicht werden. Fragestellung, Experimente zur g-Bestimmung Organisation von Gruppe und Lernprozess Offene Schülerexperimente Präsentation der Messergebnisse, Systematisierung der Erfahrungen Anwendung des Gelernten auf das RCL "Weltpendel" Übersicht der Lerneinheit Es wird ein Pendel geplant, dimensioniert und in einem Physikraum installiert, mit dem im Unterricht die Erdbeschleunigung am Schulstandort möglichst genau zu bestimmen ist. Diese Aufgabe kann entweder als Facharbeit vergeben oder im Team von zwei Lehrkräften durchgeführt werden. Planung des Versuchsaufbaus Materialbeschaffung, Installation des Pendels Testmessungen Veröffentlichung des Pendels Versuchsaufbau Abb. 2 (Platzhalte bitte anklicken) zeigt die Laborseite des RCLs mit dem Webcambild und dem Bedienfeld des Experiments. Abb. 3 zeigt den beschrifteten Versuchsaufbau des RCLs "Weltpendel". Bestimmung der Erdbeschleunigung im mathematischen, physischen und realen Pendelmodell mit einer Genauigkeit von etwa 0,003 m/s² Messung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung Messung der Abhängigkeit der Schwingungsdauer eines Pendel vom Ausschlagwinkel des Pendels Neuer Schulversuch zur Messung der Breitengradabhängigkeit der Erdbeschleunigung Schnelle Bestimmung der Erdbeschleunigung aus der Schwingungsdauer einer einzelnen Schwingung mit hoher Genauigkeit (etwa 0,003 m/s²) Enge Verbindung zwischen traditionellen Schul- und Hochschulinhalten: Mathematisches Pendelmodell / physisches und reales Pendelmodell, Gravitationsfeld einer Punktmasse / Gravitationsfeld ausgedehnter Körper Anwendung und Vernetzung von Inhalten aus mehreren Themen der Mechanik Dimensionierung eines Pendels zur g-Bestimmung im mathematischen Pendelmodell Nur bei einer Bestimmung der Erdbeschleunigung im physischen Pendelmodell kann eine Genauigkeit von etwa 0,003 m/s² erreicht werden. Das physische Pendel ist aber kein Thema der Sekundarstufe II. Mit der Mupad-Datei "pendeldimensionierung.mn" kann nach Eingabe von den Pendelgrößen der Kugelradius so bestimmt werden, dass eine g-Bestimmung im mathematischen Pendelmodell den gleichen Wert wie eine im physischen Pendelmodell ergibt (relativer Fehler f = 0 Prozent, Abb. 4). Die MuPAD-Datei "pendeldimensionierung.mn" kann in Schule und Hochschule wie folgt eingesetzt werden: Berechnungstool zur Dimensionierung eines selbstgebauten Pendels Untersuchung von Dimensionierungsgrenzen eines Pendels unter gegebenen Randbedingungen wie Raumhöhe, Eisen als Kugelmaterial, Zugfestigkeit des Drahtes, Trägheitsmoment der Aufhängung des Pendels Einstieg und Motivation zur Herleitung der Formel für den relativen Fehler f (siehe "aufgabensammlung_rcl_weltpendel.pdf", Aufgabe II.1) Automatisierte Bestimmung der Erdbeschleunigung aus Messwerten Die Excel-Datei "g_bestimmung.xls" (Abb. 5 zeigt einen Screenshot) beinhaltet alle Daten der fünf Pendelstandorte und der Pendel. Nach Eingabe der Raumtemperatur, des Auslenkwinkels und der Schwingungsdauer wird die Erdbeschleunigung im mathematischen und physischen Pendelmodell ohne und mit Auftrieb berechnet. Zusätzlich kann aus den Auslenkwinkeln und den Schwingungsdauern zu zwei verschiedenen Zeitpunkten die Erdbeschleunigung aus der gedämpften Schwingung im realen Pendelmodell ermittelt werden. Die gemessenen g-Werte werden mit theoretischen Werten nach der WELMEC-Formel und mit experimentellen g-Werten aus der Datenbank des "Gravity Information System" verglichen. Die Excel-Datei "g_bestimmung.xls" kann in Schule und Hochschule wie folgt eingesetzt werden: Material für Lehrkräfte zum Einarbeiten in die konkrete Berechnung von Größen des Pendels im RCL Vorlage für Lehrkräfte zum schnellen Bestimmen der Erdbeschleunigung im Unterricht Musterlösung für eine Lernaufgabe, eine automatisierte Auswertung mit einem Tabellenkalkulationsprogramm zu erstellen Material für eine Lernaufgabe, die hinter den Zahlen der Tabelle stehenden Formeln herauszufinden und zu erklären Zusammenhänge bei der g-Bestimmung mit einem Pendel Die ZIP-Datei "pendelmodelle_zur_g_bestimmung" enthält drei mit einer Modellierungssoftware (hier Coach 6) erzeugte Modelle (Abb. 6, Platzhalter bitte anklicken): ein mathematisches Pendelmodell für die Schule, ein allgemeines physisches Pendelmodell und ein RCL-spezifisches reales Pendelmodell. Lernende und Studierende sollten mit dem Modellbildungssystem vertraut sein und die Grundstruktur zur Lösung der Newtonschen Bewegungsgleichung verstanden haben. Beim Einsatz der Modelle in Schule und Hochschule bietet es sich an, sobald die Grundstruktur eines Pendelmodells funktioniert, in Gruppen anhand von Fragestellungen Untersuchungen (Simulationen) mit dem Modell durchzuführen oder Modelle zu erweitern: Untersuchungen Muss die Raumtemperatur bei der g-Bestimmung berücksichtigt werden? Wie genau muss die Zeitmessung für eine g-Bestimmung sein? Bei welchem Kugelradius stimmen die g-Werte im mathematischen und physischen Pendelmodell überein? Wie hängen Ausschlagwinkel und Schwingungsdauer zusammen? Erweiterungen Berechnung der temperaturabhängigen Drahtlänge, Berechnung der breitengradabhängigen Erdbeschleunigung mit der WELMEC-Formel, zeitabhängige potentielle und kinetische Energie, Berechnung der Schwerpunktslänge des Pendels, Berechnung von Trägheitsmomenten, Berücksichtigung des Trägheitsmoments der Aufhängung. Aufgabensammlung zum RCL "Weltpendel" Die Aufgabensammlung enthält vier Aufgaben zur Theorie, drei zum Versuchsaufbau sowie zwei zur Versuchsdurchführung und -auswertung. Auf weiteren 15 Seiten sind ausführliche Lösungen der Aufgaben zu finden. Lehrkräfte können sich anhand der Aufgaben in die Inhalte des RCLs "Weltpendel" einarbeiten. In allen Schulformen erreichen Mädchen in Physik weniger gute Leistungen als Jungen, vor allem lassen sich in der Oberstufe "'substantielle Leistungsunterschiede' zwischen Schülerinnen und Schülern nachweisen" (Kessels, 2002: 16). Obwohl Mädchen im Allgemeinen ein geringeres Interesse an Physik haben als Jungen, gibt es doch einzelne Teilbereiche der Physik, für welche sich Mädchen nachweislich mehr als Jungen interessieren. Dazu gehören unter anderem Naturphänomene, die im üblichen Physikunterricht meist lediglich randständig behandelt werden (vergleiche Kessels, 2002: 20). Die Unterrichtseinheit "Weltpendel" beschäftigt sich mit einem Naturphänomen und kommt so den Interessen von Mädchen an Physik entgegen, ohne die Jungen zu benachteiligen. Inhomogene Zielgruppe Die Unterrichtseinheit RCL Weltpendel hat als Zielgruppe Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II sowie Studentinnen und Studenten des Grundstudiums Physik, Geographie oder Geodäsie. Bei letzteren, den Studierenden, ist unter dem Genderaspekt von einer fachlichen Qualifikation und einer ausgeprägten Wissbegierde im Fach auszugehen, so dass Genderaspekte bezüglich der bereits vorhandenen Kompetenz in der Umsetzung der Lerneinheit eine untergeordnete Rolle spielen sollten. Auch bei Schülerinnen und Schülern ist davon auszugehen, dass in einem solch fortgeschrittenen Stadium das Interesse und Engagement bereits vorhanden ist und dass eine Segregation bereits erfolgte. Somit erreicht diese unter Gendergesichtspunkten betrachtet vorbildliche Lerneinheit leider nur diejenigen, die schon in Vorfeld ein ausgeprägtes Interesse für Physik aufweisen und daher voraussichtlich vorrangig Jungen, obwohl die Unterrichtseinheit gerade auch den Interessen von Mädchen entgegen kommt. Fokussierung auf Schülerinnen und Schüler Die weiteren Ausführungen beziehen sich auf die Zielgruppe der Schülerinnen und Schüler, da hier der Grundstein gelegt werden kann, um das Fach Physik auch zu studieren. Viele Mädchen sind der Meinung, dass sie weder Begabung noch gute Leistungen in Physik aufweisen. Dies ist ein Grund dafür, dass ihr Interesse und Engagement für dieses Fach eher wenig ausgeprägt ist. Erreicht werden muss also durch die Lehrerinnen und Lehrer, dass das Fach Physik als genauso relevant für das Selbstwertgefühl angesehen wird wie zum Beispiel das Fach Deutsch oder Englisch und dass mit dem femininen Selbstkonzept dahingehend gearbeitet wird, dass auch Mädchen es für erstrebenswert halten, sich mit dem Gegenstand Physik zu befassen. Es ist erwiesen, dass die Zuschreibung zu einem Fach als männliche Domäne Auswirkungen auf die Leistungen hat. Wird also Physik als Jungenfach angesehen, erzielen Jungen bessere Leistungen, weil die Zuschreibung zum Fach ihrem Selbstkonzept entspricht (vergleiche Kessels, 2002: 80). So könnte das Ziel einer Intervention sein, die Mädchen darin zu bestärken, dass "Physik genauso zu ihnen 'passt' wie andere Schulfächer und dass ihnen gute Leistungen in diesem Fach ebenso erstrebenswert erscheinen wie in anderen Fächern" (Kessels, 2002: 27). Bezug zu Naturphänomenen Die Rätsel der Natur entdecken, fällt in den Interessensbereich beider Geschlechter. Einen Bezug zu Naturphänomenen herzustellen, bietet somit für Lehrerinnen und Lehrer die Chance, im Physikunterricht Mädchen und Jungen gleichermaßen anzusprechen und zu fördern. Uhlenbusch (1992) weist darauf hin, dass für den Physikunterricht insbesondere auch folgende Aspekte bedeutsam sein können für die Motivation: Vermeiden von Negativ-Erlebnissen und Berücksichtigung affektiver Komponenten Spielerisches Üben und Entdecken sowie freies Probieren in Schülergruppen Praktisches Arbeiten und produktive Selbstständigkeit (Uhlenbusch, 1992: 119). Interesse wecken In der ersten Lerneinheit zum Themenkomplex RCL Weltpendel wird durch einen narrativen Einstieg - beispielsweise mit der Biografie des Entdeckers des Pendels - das Interesse am Thema geweckt. Verständlich für alle Schülerinnen und Schüler wird so ein Einstieg geschaffen, der mit positiven Erlebnissen, Motivation und Interesse am Weiterarbeiten einhergeht. Gruppenarbeit Die Konstruktion der Unterrichtseinheit sieht vor allem in der zweiten Lerneinheit Gruppenarbeit als wesentlichen Bestandteil vor. Die Gruppen werden angeregt die Aufgaben zu bearbeiten und haben die Möglichkeit der Präsentation ihrer Ergebnisse. So kann das "spielerische Üben und Entdecken" in Gruppen zur Erreichung der Lernziele beitragen. Praktische Umsetzung In der dritten Lerneinheit entwickeln die Schülerinnen und Schüler ein Pendel, mit dem die Erdbeschleunigung am jeweiligen Schulstandort bestimmt werden kann. So können sie das theoretisch Gelernte praktisch umsetzen und es werden Gelegenheiten geboten, das Gelernte nutzbar zu machen und so über das bloße Schullernen hinauszugehen. Über die Erdbeschleunigung am Schulstandort kann auch in der Pause mit Interesse debattiert werden. Ausgewogene Sitzordnung Schon vor Beginn dieser Lerneinheit sollte darauf geachtet werden, dass sich die Geschlechter im Klassenraum gleichmäßig verteilen. Gerade im Physikunterricht sitzen Mädchen häufig am Rand oder in den letzten Reihen (vergleiche Benke/Stadler, 2008: 156). Achten Sie bei der Sitzordnung soweit wie möglich auf Ausgewogenheit im Geschlechterverhältnis. Im Unterrichtsgespräch Tendenziell ist es so, dass Mädchen eher offene Fragen stellen und ein breiteres Spektrum an Antwortmöglichkeiten öffnen. Jungen drücken sich häufig enger und spezifischer aus, verwenden tendenziell mehr Fachtermini und lassen seltener mangelndes inhaltliches Verständnis erkennen (vergleiche Benke/Stadler, 2008: 160). Gehen Sie auf die Fragen beider Geschlechter ein und ziehen Sie keine voreiligen Schlüsse über das Verständnis der Einheit aufgrund der Formulierungen der Fragen. Grundsätzlich gilt: Jede Frage hat ihre Berechtigung und verdient eine Antwort. Ermuntern Sie Ihre Schülerinnen und Schüler zu fragen und nehmen sie sich die nötige Zeit zur Beantwortung. Versuchen Sie, offenere Fragen zuzuspitzen, enge Fragen einzuordnen, bei Fachtermini nachzufragen, sie erläutern und definieren zu lassen, auch wenn sie mit großer Selbstverständlichkeit eingebracht werden. Das Gros der Schülerinnen und Schüler wird es Ihnen danken. Kreativität der Jungen fördern Bei der Anfertigung von Protokollen/Paper/Plakaten nach oder über die Unterrichtseinheit sind nicht nur die Kompetenzen von Mädchen angesprochen, auch Jungen können schreiben und kreativ gestalten. Die häufige Delegation von derartigen Aufträgen an Mädchen kann dazu führen, dass Jungen weniger Lernchancen haben, dass sie ihre verbale und schriftliche Kompetenz nicht trainieren und dass sie nicht zu Präzisierungen und tieferem Verständnis vordringen. Achten Sie auch hier auf Gleichberechtigung, steuern Sie stereotypen Interessen entgegen und schaffen Sie Geschlechtergerechtigkeit.