Der Strandsegler

• Lesen Sie sich das Online-Material für Schülerinnen und Schüler durch. Zeigen Sie diese Materialien im Unterricht mit einem Beamer.
• Es ist wichtig, dass Sie die drei Newtonschen Gesetze im Unterricht bereits besprochen haben.
• Berücksichtigen Sie dabei die Fähigkeiten und den Lernstand aller Schülerinnen und Schüler. Differenzieren Sie die Aufgabe, damit alle einen Zugang dazu finden. Siehe dazu auch die Vorschläge zur Differenzierung im Abschnitt unten.
• Platzieren Sie die Ventilatoren auf dem Fußboden so, dass vor jedem Ventilator etwa drei Meter Platz ist. So haben die Strandsegler ausreichend Bewegungsfreiheit. Markieren Sie die Ausgangsposition jedes Strandseglers mit etwas Klebeband (senkrecht zum Ventilator).

• Sehen Sie sich das Schülervideo hier an oder öffnen Sie es über das Online-Material für Schülerinnen und Schüler.

• Regen Sie eine kurze Diskussion darüber an, mit welcher Kraft sich ein Strandsegler fortbewegt.
• Stellen Sie Fragen, wie zum Beispiel:
  • Welche Kräfte konntet ihr im Video mit dem Segelboot und dem Drachen beobachten? (Zug- und Schubkräfte)
  • Welche Kraft hat das Segelboot in Bewegung versetzt? (die Schubkraft des Windes)
• Unter welchen Umständen funktioniert ein Segelboot nicht? (Wenn der Wind direkt von vorn gegen die Segel bläst, kann das Segelboot nicht in die Richtung fahren, aus der der Wind kommt.)
• Erzählen Sie der Klasse, dass sie einen Strandsegler bauen und untersuchen werden, wie sich die Windkraft auf seine Bewegung auswirkt.

• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler in Zweierteams das Strandsegler-Modell bauen. Sagen Sie ihnen, dass sie sich abwechseln sollen: Einer fängt an, die Steine herauszusuchen, während der andere baut. Nach jedem Schritt wird gewechselt.
• Zusätzliche Unterstützung finden Sie im Abschnitt Tipps unten.
• Weisen Sie auf die drei Experimente in den Schülermaterialien hin und teilen Sie die Arbeitsblätter (Unterstützung für Lehrkräfte - Zusätzliche Ressourcen) aus.

Experiment 1: In Windrichtung

• Lassen Sie die Teams den Strandsegler so an der Startlinie aufstellen, dass die Modelle von den Ventilatoren weg zeigen.
• Nun sollen sie die Ventilatoren einschalten, sodass die Strandsegler in Windrichtung fahren (von den Ventilatoren weg). Dabei sollen sie beobachten, wie sich die Strandsegler bewegen. Um die Bewegung des Strandseglers zu optimieren, kann der Winkel des Segels angepasst werden. Dazu müssen die Teams an dem kleinen Zahnrad drehen. Zudem können die roten Elemente bewegt werden, um die Form des Strandseglers anzupassen.
• Lassen Sie die Teams den optimalen Winkel und die ideale Form bestimmen, damit der Strandsegler so weit wie möglich fährt.
• Lassen Sie die Teams den optimalen Winkel und die ideale Form auf den Arbeitsblättern notieren.

Experiment 2: Seitenwind

• Lassen Sie die Teams ihre Strandsegler an der Startlinie so aufstellen, dass sie in einem rechten Winkel (90°) zum Ventilator stehen.
• Dann sollen sie die Ventilatoren einschalten und überprüfen, ob sich die Segler seitlich von den Ventilatoren wegbewegen. (Sie müssen den Winkel des Segels wieder anpassen, um die Bewegung zu optimieren.)
• Lassen Sie die Teams den besten Winkel bestimmen. Das Ergebnis sollen sie auf den Arbeitsblättern notieren.

Experiment 3: Gegen den Wind

• Lassen Sie die Teams ihre Strandsegler an der Startlinie so aufstellen, dass sie etwa in Richtung Ventilator zeigen. So sollen sie herausfinden, mit welchem Segel-Winkel der Strandsegler gegen die Windrichtung fahren kann. Sie können das Winkelmessgerät aus ihrem Set benutzen, um den Winkel zwischen Strandsegler und Startlinie zu messen. Mit den richtigen Anpassungen können die Teams ihre Strandsegler entgegen der Windrichtung fahren lassen. Die Segler können jedoch nicht genau senkrecht auf die Ventilatoren zufahren.

• Versammeln Sie alle, um ihre Experimente durchzugehen und zu besprechen.
• Stellen Sie Fragen, wie zum Beispiel:
  • Welche Winkel haben sich für die Experimente jeweils am besten geeignet?
  • Welche Einschränkungen gab es? (Wenn zu viel Wind im falschen Winkel auf den Strandsegler trifft, kann er umkippen. Daher „reffen“ Segler die Segel ihrer Boote, um ihre Fläche zu verkleinern und zu verhindern, dass das Boot umkippt.)
  • Warum kann der Strandsegler in einem Winkel von maximal 45 Grad gegen die Windrichtung fahren (auf den Ventilator zu)? (Die Summe der Kraftvektoren, die auf das Boot wirken, drückt es in die andere Richtung.)

• Falls die Zeit es erlaubt, erklären Sie genauer, was Kraftvektoren sind.
• Geben Sie den Teams ausreichend Zeit, um die Modelle auseinanderzubauen, die Steine zurück in die Schale zu sortieren und ihre Arbeitsplätze aufzuräumen.

• Geben Sie allen Schülerinnen und Schülern einzeln Rückmeldung zu ihrer jeweiligen Leistung.
• Unterstützen Sie sie bei der Selbsteinschätzung.
• Zur Vereinfachung können Sie die jeweiligen Vorlagen unten verwenden.

Checkliste für Beobachtungen

• Beurteilen Sie, wie gut die Schülerinnen und Schüler beschreiben können, wie unterschiedliche Kräfte die Bewegung eines Körpers verändern können.
• Erstellen Sie eine geeignete Bewertungsskala. Zum Beispiel:
  1. Benötigt Hilfe
  2. Arbeitet eigenständig
  3. Kann anderen helfen

Selbsteinschätzung

• Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler selbst den Stein auswählen, der am besten ihrer Leistung entspricht:
  • Grün: Mit etwas Hilfe kann ich beschreiben, wie eine unsichtbare Kraft die Bewegung eines Körpers verändern kann.
  • Blau: Ich kann beschreiben, wie eine unsichtbare Kraft die Bewegung eines Körpers verändern kann.
  • Lila: Ich kann beschreiben und erklären, wie eine unsichtbare Kraft die Bewegung eines Körpers verändern kann.

Feedback von Mitschülern

• Regen Sie die Schülerinnen und Schüler dazu an, einander Rückmeldung zu geben. Dazu können sie Folgendes tun:
  • Mit der oben aufgeführten Steine-Skala die Leistung des anderen beurteilen
  • Einander ihre Ideen vorstellen und konstruktives Feedback geben

Tipps zum Modell

• Wenn die Teams mit dem Bauen fertig sind, sollen sie ihre Modelle ausprobieren. Sie sollen das Segel abwechselnd anpassen, sodass jeder die Gelegenheit bekommt, das Modell zu testen.
• Verwenden Sie bei allen Tests dieselbe Ventilator-Geschwindigkeit. Sie können jede beliebige Einstellung auswählen.
• Wenn der Ventilator zu groß oder zu stark ist, stellen Sie ihn weiter entfernt auf. Alternativ können Sie den Luftstrom des Ventilators durch ein Möbelstück teilweise blockieren.
• Wenn der Ventilator zu klein ist, stellen Sie ihn näher an die Modelle oder bewegen Sie ihn langsam auf die Modelle zu.

Um die Aufgabe zu vereinfachen, können Sie Folgendes tun:

• Die Teams bei jedem Test einen Winkel von 90 Grad verwenden lassen

Um die Aufgabe anspruchsvoller zu gestalten, können Sie Folgendes tun:

• Die Teams dazu auffordern, die Form des dreieckigen Segels zu verändern
• Die Teams herausfinden lassen, wie der Strandsegler gegen den Wind fahren könnte

(Hinweis: Die Erweiterungen erfordern zusätzliche Zeit.)
Um mathematische Fähigkeiten zu fördern, können Sie die Teams ihre Strandsegler in einem 60-Grad-Winkel zur Startlinie fahren lassen. Dann sollen sie messen, wie weit die Segler fahren, indem sie die Umdrehungen der Hinterräder zählen, bis der Strandsegler anhält. Mit dem Winkel und der zurückgelegten Distanz können sie die Fläche des dadurch entstehenden Dreiecks berechnen.

Durchmesser des Hinterrads = 43,2 mm
Umfang des Rads = (π × d = U)