LEGO® MINDSTORMS EV3 Set

Freier Fall

Einen Fallturm bauen und experimentell die Gravitationskonstante bestimmen.

90-120 Min.
Fortgeschrittene
Klassen 5–8
Unterstützung für Lehrkräfte

Die Schülerinnen und Schüler lernen,

  • die Gravitationskonstante zu bestimmen und
  • dass es Gesetze der Schwerkraft gibt, denen alle Gegenstände unterliegen.
Diese Aufgabe ist mit folgenden Betriebssystemen kompatibel:
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NATURWISSENSCHAFTEN UND TECHNIK
Denk- und Arbeitsweisen der Naturwissenschaften und Technik

  • Vorgehensweisen planen, beschreiben und erläutern
  • Messwerte erfassen
  • Ergebnisse protokollieren
  • Systeme und Prozesse
  • Fachsprache benutzen

Informationsaufnahme und ‑verarbeitung

  • Gewinnung und Analyse von Daten

Prozessbezogene Kompetenzen

  • Erkenntnisgewinnung und Forschen
  • Kommunikation und Organisation
  • Entwicklung und Bewertung

MATHEMATIK
Zahl – Variable – Operation

  • Mit Quadrat- und Kubikwurzeln umgehen
  • √2 als Beispiel für eine irrationale Zahl angeben

Daten und Zufall

  • Datenerhebung planen und durchführen
  • Daten auswerten, vergleichen und bewerten

PHYSIK
Mechanik

  • Trägheitsprinzip
  • Wirkung von Kräften
  • Freier Fall

Lesson Plan

Unterrichtsplan

1. Vorbereiten

  • Lesen Sie das Schülermaterial in der EV3 Classroom App durch.
  • Tragen Sie einige Informationen über das Fallgesetz zusammen.
  • Falls Sie keine Doppelstunde haben, planen Sie mehrere Einzelstunden für diese Aufgabe ein.

Teil A

2. Einführen (10 Min.)

  • Nutzen Sie die unten stehenden Diskussionsideen, um ein Gespräch über diese Aufgabe anzuregen.
  • Teilen Sie die Klasse in Zweierteams auf.

3. Erkunden (35 Min.)

  • Lassen Sie die Teams ihren Fallturm bauen.
  • Geben Sie ihnen etwas Zeit, um einen Testlauf durchzuführen und so sicherzustellen, dass das Modell korrekt zusammengebaut ist und wie erwartet funktioniert.

Teil B

4. Erklären (15 Min.)

  • Lassen Sie die Teams das Experiment mindestens dreimal durchführen und ihre Ergebnisse aufzeichnen.
  • Achten Sie darauf, dass sie in der Lage sind, eigene Tabellen für die Tests zu erstellen.

5. Vertiefen (30 Min.)

  • Lassen Sie die Teams ihre aufgezeichneten Daten verwenden, um die Durchschnittsgeschwindigkeit und die Gravitationskonstante mithilfe des Fallgesetzes zu berechnen.
  • Bitten Sie jedes Team, kurz die Ergebnisse seiner Experimente zusammenzufassen.
  • Denken Sie daran, ausreichend Zeit zum Aufräumen einzuplanen.

6. Beurteilen

  • Geben Sie allen Schülerinnen und Schülern einzeln Rückmeldung zu ihrer jeweiligen Leistung.
  • Zur Unterstützung können Sie hierfür die Bewertungsraster benutzen.

Eine Diskussion anregen

Freier Fall bezeichnet die Beschleunigung eines Körpers ausschließlich durch die Erdanziehungskraft – auch Gravitation genannt. Wenn man beispielsweise aus einem Flugzeug springt, wird der Fall durch den Luftwiderstand abgebremst. Ein wirklich „freier Fall“ wäre nur in einem Vakuum möglich, in dem keine anderen Kräfte als die Erdanziehung wirken. Eine Testumgebung für derartige Experimente stellt zum Beispiel der sogenannte „Fallturm“ in der norddeutschen Stadt Bremen bereit.

Regen Sie eine Diskussion über den freien Fall an, indem Sie Fragen stellen, wie zum Beispiel:

  • Was bedeutet freier Fall?
  • Wie hängen Beschleunigung und Geschwindigkeit zusammen?
  • Würde ein Nilpferd in einem Vakuum genauso schnell fallen wie ein Regenwurm?
  • In welchen Situationen könnte das Wissen zum Thema freier Fall nützlich sein?

Bautipps

Bauanleitung

Verwenden des Modells
Platzieren Sie das Modell auf einer festen und ebenen Oberfläche. Führen Sie das Programm aus und warten Sie, bis der Berührungssensor auf dem Display angezeigt wird. Platzieren Sie die Kugel im Kugelarm und drücken Sie auf den Berührungssensor auf der Rückseite des Fallturms, um das Fallexperiment zu starten. Sofern das Experiment erfolgreich war, wird zunächst ein lachendes Gesicht und danach die Falldauer auf dem Display angezeigt. Falls das Experiment nicht erfolgreich war, wird ein trauriges Gesicht angezeigt. Der Kugelarm wird für das nächste Experiment automatisch wieder geschlossen.

Durchführen des Experiments
Während die Teams ihre Experimente durchführen, erinnern Sie sie an Folgendes:

  • Sofern das Experiment erfolgreich war, wird zunächst ein lachendes Gesicht und danach die Falldauer auf dem Display angezeigt.
  • In einer Tabelle sollen die Nummer des Experiments und die Falldauer aufgezeichnet werden. Es sollte ausreichend Platz für zusätzliche Tabellenzeilen und weitere Berechnungen gelassen werden.
  • Das Experiment muss mindestens dreimal durchgeführt werden. Mithilfe der Durchschnittswerte sollen die Teams möglichst zuverlässige Ergebnisse sicherstellen.

Programmiertipps

Programm

Differenzierung

Um die Aufgabe zu vereinfachen, können Sie Folgendes tun:

  • Gemeinsam mit den Schülerinnen und Schüler einige der Berechnungen durchführen

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

  • Die Teams dazu ermutigen, zusätzliche Berechnungen mit den Messwerten durchzuführen
  • Die Bedeutung von Durchschnittswerten erklären (z. B. arithmetisches Mittel im Vergleich zum Mittelwert, Einfluss von Ausreißern), mit denen man Messfehler über eine Reihe von Experimenten hinweg ausgleichen kann
  • Die Teams Möglichkeiten finden lassen, wie sie die Genauigkeit ihrer Experimente verbessern könnten

Leistungsbewertung

Checkliste für Beobachtungen
Erstellen Sie eine geeignete Bewertungsskala, wie zum Beispiel:

  1. Erwartungen zum Teil erfüllt
  2. Erwartungen vollständig erfüllt
  3. Erwartungen übertroffen

Nutzen Sie die folgenden Kriterien, um den Lernfortschritt der Schülerinnen und Schüler zu beurteilen:

  • Sie haben mathematische Konzepte und/oder Methoden angewendet, um die Gravitationskonstante zu bestimmen.
  • Sie haben erklärt, dass die Beschleunigungsrate der Kugel konstant ist.
  • Sie haben die unabhängigen Variablen und die Kontrollvariablen in ihren Experimenten bestimmt.

Selbsteinschätzung:
Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler ihre Leistung anhand der folgenden Skala selbst beurteilen.

  • Bronze: Ich habe die Experimente durchgeführt, aber weder die Durchschnittsgeschwindigkeit noch die Gravitationskonstante berechnet.
  • Silber: Ich habe mit etwas Hilfe die Durchschnittsgeschwindigkeit und die Gravitationskonstante berechnet.
  • Gold: Ich habe die Durchschnittsgeschwindigkeit und die Gravitationskonstante berechnet.
  • Platin: Ich habe nicht nur die Durchschnittsgeschwindigkeit und die Gravitationskonstante berechnet, sondern auch zusätzliche Berechnungen mit den Messwerten durchgeführt.

Erweiterung: sprachliche Ausdrucksfähigkeit

Um die sprachliche Ausdrucksfähigkeit zu fördern, können Sie Folgendes tun:

  • Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler einen kurzen Ergebnisbericht zu ihren Experimenten anfertigen und ihre Werte mit dem anerkannten Wert für g (Fallbeschleunigung nahe der Erdoberfläche) vergleichen.
  • Lassen Sie sie eine Präsentation ausarbeiten, in der sie die Ergebnisse ihrer Experimente vorstellen und erklären, was sie gelernt haben.

Hinweis: Die Erweiterung erfordert zusätzliche Zeit und verlängert die Aufgabe.

In welchen Berufen sind diese Fähigkeiten gefragt?

Schülerinnen und Schüler, die sich für diese Aufgabe begeistern, könnten sich auch für folgende Berufszweige interessieren:

  • Fertigungstechnik und Maschinenbau (Planungsbüros)
  • Naturwissenschaften, Technik, Maschinenbau und Mathematik (Naturwissenschaften und Mathematik)
Unterstützung für Lehrkräfte

Die Schülerinnen und Schüler lernen,

  • die Gravitationskonstante zu bestimmen und
  • dass es Gesetze der Schwerkraft gibt, denen alle Gegenstände unterliegen.
Diese Aufgabe ist mit folgenden Betriebssystemen kompatibel:
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NATURWISSENSCHAFTEN UND TECHNIK
Denk- und Arbeitsweisen der Naturwissenschaften und Technik

  • Vorgehensweisen planen, beschreiben und erläutern
  • Messwerte erfassen
  • Ergebnisse protokollieren
  • Systeme und Prozesse
  • Fachsprache benutzen

Informationsaufnahme und ‑verarbeitung

  • Gewinnung und Analyse von Daten

Prozessbezogene Kompetenzen

  • Erkenntnisgewinnung und Forschen
  • Kommunikation und Organisation
  • Entwicklung und Bewertung

MATHEMATIK
Zahl – Variable – Operation

  • Mit Quadrat- und Kubikwurzeln umgehen
  • √2 als Beispiel für eine irrationale Zahl angeben

Daten und Zufall

  • Datenerhebung planen und durchführen
  • Daten auswerten, vergleichen und bewerten

PHYSIK
Mechanik

  • Trägheitsprinzip
  • Wirkung von Kräften
  • Freier Fall