Carl- Friedrich- Gauß- Gymnasium Frank Bobsin Gartenstraße 1 15230 Frankfurt (Oder)

Die physikalische Größe Druck- Lernen an Stationen Im Rahmen des AG- BLK- Projektes „Sinus“ habe ich mir die Frage gestellt, in welcher Art man den Schülern der 7. Klasse die Größe Druck nahebringen kann. Meine Ausführungen beziehen sich auf Modul 01, Entwicklung einer neuen Aufgabenkultur. Hier mein Vorschlag und einige einführende Bemerkungen. Die Gauß- Schule ist ein mathematisch- naturwissenschaftlich geprägtes Gymnasium. Die 7. Klasse hat in der Woche eine Gruppenstunde und eine Klassenstunde Physik. In der Gruppenstunde ist die Klasse geteilt. Sie ist meist für Schülerexperimente vorbehalten, die von den Schülern auch mit großem Interesse durchgeführt werden. In der Klassenstunde werden die Experimente ausgewertet, neuer Stoff vermittelt, Aufgaben gelöst. Es sind folgende Stationen geplant: 1. Physikalische Größe Druck 2. Experimente 3. Aufgaben 4. Kontrolle Station 1 beinhaltet die physikalischen Grundlagen zum Thema Druck. An der Station 2 „Experimente“ sind zwei Experimente zu bearbeiten. Im ersten Experiment geht es um die Bestimmung der Kraft, die notwendig ist, um einen Nagel a) mit der Spitze und b) mit dem Kopf in einen Styroporblock zu drücken. Anschließend soll der wirkende Druck berechnet werden. Die Schüler setzen auf einen Styroporblock einen Nagel senkrecht einmal mit der Spitze , einmal mit dem Kopf auf und belasten ihn mit Massestücken, bis er sich in das Styropor eindrückt. Die Flächen zur Berechnung des Druckes werden vorgegeben. Das zweite Experiment dient dem Nachweis der Allseitigkeit der Druckausbreitung am Beispiel der Druckausbreitung in einer Flüssigkeit. Die Schüler lernen den Aufbau eines U- Rohr- Manometers kennen.

An der dritten Station lösen die Schüler Aufgaben zum Auflagedruck, die sich aus dem täglichen Leben ergeben. Von einem Hund, einem Erwachsenen und einem Kind sind die jeweiligen Massen gegeben und die Fußabdrücke auf kleinkariertem Papier (die Fußabdrücke der Menschen sind leicht selbst zu beschaffen, der des Hundes wird geliefert). Die Schüler müssen also näherungsweise die Flächeninhalte der Fußabdrücke bestimmen, um die Drücke zu berechnen. Für den Kleinkindfußabdruck ist eine Rechteckfläche vorgegeben, die die Abdruckgröße annähert. Die Flächeninhalte der beiden anderen Abdrücke müssen selbst bestimmt werden. Weiterhin gilt zu berücksichtigen, daß Lebewesen im allgemeinen mehrere Füße haben, also entweder die Flächeninhalte, oder die Massen an das Problem angepaßt werden müssen. Ein kurzer Test ist Inhalt der vierten Station. Die Schüler bearbeiten Fragen, für die mehrere Lösungsmöglichkeiten vorgegeben sind. Für die Bearbeitung der Stationen sind zwei Unterrichtsstunden vorgesehen. Die Auswertung des Laufzettels erfolgt zu Beginn der dritten Stunde. Die Schüler sind aus dem Unterricht heraus gewohnt, in Zweiergruppen selbständig zu experimentieren, ihre Meßwerte auszuwerten und die Ergebnisse zu dokumentieren. Dabei sind sie es gewohnt, sich gegenseitig zu helfen und auf eventuelle Fehler hinzuweisen. In die Wahl des Arbeitspartners wurde nicht eingegriffen. Um Leerlaufzeiten zu verhindern, ist es angebracht, Station 1und Station 3 doppelt vorzubereiten. Sollte dennoch Unterrichtszeit zur Verfügung stehen, können die Schüler an einer Reservestation arbeiten. Hier geht es um das Thema Blutdruck. Man kann sicher seinen Hausarzt überreden, für kurze Zeit auf ein Blutdruckmeßgerät zu verzichten. Die Stationen sind in ihrer Abarbeitungsreihenfolge variabel. Mit Hilfe des Tafelwerkes sollte es den Schülern möglich sein, Wissenslücken auszugleichen und die jeweils gestellten Aufgaben zu erfüllen. Dazu erhalten die Schülergruppen einen Laufzettel, auf dem sie die absolvierten Stationen abhaken können. Die Arbeitsanweisungen für die Stationen liegen an den jeweiligen Plätzen aus. Während der Arbeitszeit wird nur auf Fragen der Schüler eingegangen und die Ergebnisse der Station 4 verglichen. Ziele Die Schülerinnen und Schüler • sind in der Lage, physikalische Probleme zu durchdringen und nach

Lösungsmöglichkeiten zu suchen, können einfache physikalische Sachverhalte mit mathematischen Mitteln beschreiben

• können mit Hilfe von sinnvollen Rundungen zu physikalischen richtigen Aussagen gelangen

• erkennen, daß manche Probleme nur lösbar sind, wenn vorher sinnvoll gerundet wird • können mit den vorhandenen Geräten sicher umgehen und Meßwerte ermitteln • können ihrer Meßwerte kritisch auswerten • sind in der Lage, mit ihrem Partner unter gleicher Zielstellung zusammenzuarbeiten • achten ihren Partner und seine Arbeit • kennen die Größe Druck • wissen, wie man den Druck berechnet • kennen die Druckeinheiten • haben Größenvorstellungen zum Auflagedruck

Methodische Überlegungen In der vorhergehenden Stunde wurden mit der Klasse die Regeln für das Lernen an Stationen besprochen. Zu Beginn der Stunde wird noch einmal auf die Regeln hingewiesen. Den Schülern wird die Arbeitsaufgabe für die Stunde genannt und mitgeteilt, daß die Auswertung der Ergebnisse mit der ganzen Klasse in der nächsten Stunde besprochen wird. Die Bearbeitungsreihenfolge der Stationen ist beliebig. Es müssen alle Stationen bearbeitet werden Die Materialien für die einzelnen Stationen werden ausgegeben. Der Lehrer überwacht und kontrolliert die Arbeit der Schüler. Sollten Fragen auftreten, werden sie durch den Lehrer beantwortet. Fazit Die Schüler haben sehr konzentriert und engagiert an den einzelnen Stationen gearbeitet. Die Ergebnisse in der nachfolgenden Leistungsüberprüfung waren durchaus zufriedenstellend. Den relativ großen Vorbereitungsaufwand wird man schnell vergessen, wenn man die Schüler beim Arbeiten beobachtet und feststellt, dass auch ihnen Physik Spaß machen kann. Stationsaufgaben und ihre Lösungen, Regeln für das Stationslernen Im weiteren Verlauf werden die Aufgaben und ihre Lösungen vorgestellt. Dabei werden die Lösungen auf dem Laufzettel, bzw. in der Aufgabenstellung farbig hervorgehoben.

Regeln für das Arbeiten an Stationen

1. Wähle einen Partner, mit dem Du zusammen arbeiten möchtest. 2. Ihr könnt selbst entscheiden, in welcher Reihenfolge ihr die Stationen abarbeiten wollt. 3. Teilt Euch die Zeit so ein, daß Ihr alle Stationen bearbeitet. 4. Lest die Aufgabenstellung aufmerksam durch. Versucht ohne Hilfe eine Lösung zu finden! 5. Ihr habt Fragen? Meldet Euch und wartet, bis ich Zeit für Euch habe. 6. Geht mit den zur Verfügung gestellten Experimentiermaterialien sorgfältig um! 7. Bemüht Euch um eine angenehme Arbeitsatmosphäre im Raum! Sprecht nur leise mit

eurem Partner! 8. Tragt Eure Ergebnisse in den Laufzettel ein! Seid bei der Kontrolle ehrlich und schreibt

keine Ergebnisse von anderen Gruppen ab!

Station 1

Die physikalische Größe Druck

1. Studiere die ausliegenden Bücher zum Thema „Druck“ ! 2. Fertige Notizen auf Deinem Laufzettel zu den dort angegebenen Punkten an! Die Schüler erhalten folgende Bücher: • Physik- Sekundarstufe I, Gymnasium

Volk und Wissen Verlag GmbH 1997 1. Auflage

• Physik für die Sekundarstufe I, Länderausgabe O, Band 1 Cornelsen Verlag Berlin 1991

1. Auflage

Station 2

Experimente 1. Bestimme experimentell die Kraft, die notwendig ist, um einen Nagel a) mit der Spitze

und b) mit dem Kopf in Styropor zu drücken! Es stehen Dir folgende Gräte und Hilfsmittel zur Verfügung:

• Styropor • Nagel • Massestücken

Der Flächeninhalt der Nagelspitze beträgt 0,0025 cm², der des Kopfes 0,71 cm². 2. Drücke in Flüssigkeiten und Gasen kann man mit einem U- Rohr- Manometer messen (siehe Abb. 1).

Abb. 1 Erkläre die Funktion des Manometers! Untersuche damit den Druck in einem Wassergefäß in konstanter Tiefe! 3. Notiere Deine Ergebnisse auf dem Laufzettel! 4. Du hast noch Zeit?

Prima! Berechne den Druck des Nagels auf die Unterlage aus Aufgabe 1!

Station 3

Abb. 2

Von den Menschen und dem Hund liegen die Fußabdrücke vor. Die Massen sind ebenfalls bekannt. • Schätze zuerst ab, wer von den drei

Lebewesen den größten Druck und wer den kleinsten Druck auf den Erdboden ausübt.

• Berechne den jeweils ausgeübten Druck auf den Erdboden und vergleiche mit Deiner Schätzung.

• Führe die notwendigen Berechnungen in Deinem Hefter durch und trage die Ergebnisse in den Laufzettel ein.

Die Masse des Erwachsenen beträgt 70 kg, die 48 kg.

des Kindes 10 kg und der Hund wiegt

Station 3

Du siehst hier einen Abdruck der einen Pfote des Hundes.

Leider war er nicht zu bewegen, direkt auf das Papier zu treten, aber die Abmessungen der Pfoten sind mit denen der Graphik identisch.

Station 4

Kontrollfragen

Lies die Fragen aufmerksam durch und kreuze in der unten stehenden Tabelle die Deiner Meinung nach richtigen Antworten an! 1. Druck ist eine

a) abgeleitete physikalische Größe b) vektorielle Größe c) nicht gerichtete Größe d) Prozessgröße.

2. Der Druck lässt sich nach folgender Formel berechnen:

a) p = F*A

b) A

gmp *=

c) p = F/A d) p = m/A

3. Erlaubte Druckeinheiten sind:

a) at b) atm c) Pa d) N / m²

4. Die physikalische Größe Druck gibt an,

a) wieviel Zeit noch bleibt, um eine Klassenarbeit zu beenden b) wie groß die Summe aus der Kraft und der wirksamen Fläche ist c) wie groß der Quotient aus der auf eine Fläche wirkenden Kraft und der Größe der

Fläche ist d) wie groß der Quotient aus der Masse und dem Volumen eines Körpers ist.

Lösung:

Frage \ Antwort a b c D 1. X X 2. X X 3. X 4. X X

Vergleiche mit den richtigen Lösungen und trage Dein Ergebnis in Deinen Laufzettel ein!

Laufzettel zum Stationslernen

Druck

Name: Station Ergebnisse

1 Druck Formelzeichen p Definitionsgleichung p = F/A Einheiten Pa; N/m²

2 Experiment 1- Der Styropornagel Der mit der Spitze auf dem Styropor stehende Nagel benötigt eine Kraft von 2 Newton um in das Styropor einzudringen. Dreht man den Nagel um, muss man ihn mit einer Kraft von 20 Newton belasten, damit er in das Styropor eindringt. Das entspricht einem Druck von p = F/A = 2 N/0,00000025 m² = 8 MPa, bzw. im zweiten Fall P = F/A = 20 N / 0,000071 m² = 281690 Pa, also rund 28200 Pa Experiment 2- Das U- Rohr- Manometer Funktionsweise: Der Druck in der Flüssigkeit oder im Gas wird mit dem äußeren Luftdruck verglichen. Ist der Druck in der Flüssigkeit/ Gas größer als der äußere Luftdruck ist der Flüssigkeitsstand im rechten Schenkel höher als im Linken. Ergebnis: Der Druck ist in konstanter Wassertiefe ebenfalls konstant und unabhängig von der Stellung des Manometerkopfes.

3 Auflagedruck Vermutung: kleinster Druck beim Hund, größter beim Erwachsenen Beim Hund beträgt der Auflagedruck ungefähr: p = F/A = 120 N/ (0,055*0,055m²) = 39669,4 Pa, rund 40000 Pa pro Pfote Beim Erwachsenen beträgt der Auflagedruck: p = F/A = 350 N/ (0,275*0,1m²) = 12727,3 Pa rund 13000 Pa pro Fuß Beim Kleinkind beträgt der Auflagedruck: p = F/A = 50 N/(0,057*0,126m²) = 6961,8 Pa rund 7000 Pa pro Fuß

4 Kontrolle Richtige Antworten: Falsche Antworten:

Blutdruckmessung

Quelle: Dorn-Bader, Physik Mittelstufe, Schroedel Verlag

• Lies den Text und betrachte die Abbildung ! • Messe bei Deinem Partner den Blutdruck !

1. Oberarm freimachen 2. Manschette anlegen und schließen 3. Mit dem Gummiball Manschette aufpumpen bis 190 mmHg 4. Das Gerät regelt den Druck selbst zurück und beginnt beim oberen Wert zu piepen-

Wert merken 5. Beim unteren Wert hört das Gerät auf zu piepen- Wert merken

Literaturverzeichnis

[1] Grehn, Joachim Metzler Physik J. B. Metzlersche Verlagsbuchhandlung 1989 2. Auflage [2] Physik- Sekundarstufe I, Gymnasium

Volk und Wissen Verlag GmbH 1997 2. Auflage

[3] Physik für die Sekundarstufe I, Länderausgabe O, Band 1

Cornelsen Verlag Berlin 1991

1. Auflage

Bildverzeichnis Abb. 1 siehe [1] Seite 122 Abb. 2 eigenes Photo