Dichte und Auftrieb: Unterrichtsplan mit virtuellem Labor
Aktualisiert am 2026-10-02
Dieser Unterrichtsplan zu Dichte und Auftrieb nutzt ein kostenloses virtuelles Labor, damit die Lernenden die älteste Frage des Fachraums, „Warum schwimmen manche Dinge?“, mit Messungen statt mit Vermutungen beantworten. Sie berechnen die Dichte aus Masse und Volumen, vergleichen Blöcke mit gleicher Masse und gleichem Volumen, bestimmen unbekannte Materialien und wiegen dann das Wasser, das ein schwimmender Block verdrängt. Alles ist einsatzbereit: Lernziele, Vorbereitung, Vorhersagen, eine Aktivität Schritt für Schritt mit den Messwerten, die die Lernenden erhalten sollten, ein Fragenset mit fünf Fragen für den Klassenlink, eine Erweiterung zum Auftrieb und Ideen zur Differenzierung. Jede Zahl stammt aus den eigenen Modellen der Simulationen.
Die Stunde im Überblick
- Stufe: Klassen 6–9 (Alter 11–15), Physik. Die Erweiterung zum Auftrieb eignet sich für die Klassen 8–10.
- Zeit: eine Unterrichtsstunde von 55–60 Minuten, plus eine optionale Erweiterung von 20 Minuten.
- Vorwissen: Masse in Kilogramm, Volumen in Litern, Dividieren von Dezimalzahlen.
- Format: Paare an Laptops, Tablets oder Smartphones, oder die ganze Klasse mit einem Beamer.
- Simulationen: Dichte – sinken oder schwimmen. Erweiterung: Auftrieb – Labor und Körperformen.
Lernziele
Am Ende der Stunde können die Lernenden:
- die Dichte mit D = m/V berechnen und in kg/m³ angeben.
- vorhersagen, ob ein Block in Wasser schwimmt oder sinkt, indem sie seine Dichte mit 1000 kg/m³ vergleichen.
- erklären, warum weder die Masse allein noch das Volumen allein über das Schwimmen entscheidet.
- ein Material anhand seiner gemessenen Dichte bestimmen.
- festhalten, dass ein schwimmender Körper seine eigene Masse an Wasser verdrängt (archimedisches Prinzip).
Was die Simulation leistet
Die Dichte-Simulation hat drei Bildschirme.
- Einführung: ein Block in einem Becken mit 100 L. Wählen Sie einen Stoff, Styropor (150 kg/m³), Holz (800), Eis (920), Ziegel (2000), Aluminium (2700) oder Eisen (7800), oder Eigene Werte. Regler legen die Masse (0,1–30 kg) und das Volumen (1–10 L) fest. Bei einem Stoff aus der Bibliothek bewegt sich beim Verschieben des einen Reglers der andere mit, sodass die Dichte konstant bleibt. Die Anzeige zeigt D = m/V, „Schwimmt“ oder „Sinkt“, das Volumen unter Wasser und den Wasserstand im Becken.
- Vergleich: vier Blöcke, A bis D, mit gleicher Masse, gleichem Volumen oder gleicher Dichte. Ein Regler legt den gemeinsamen Wert fest. Tippen Sie auf einen Block, um sein m, V und D abzulesen.
- Rätsel: fünf unbeschriftete Blöcke. Ziehen Sie einen auf die Digitalwaage, um seine Masse abzulesen, und ins Becken, um sein Volumen am Wasserstand abzulesen. Die Lernenden wählen dann das Material aus einer Liste und drücken auf Prüfen. Eine Referenztabelle der Dichten lässt sich ein- oder ausblenden.
Ein paar Details, die Sie vor dem Unterricht kennen sollten:
- Liter und Kilogramm machen das Rechnen leicht. 1 L Wasser hat eine Masse von 1 kg, also ist D in kg/m³ gleich 1000 × (m in kg) ÷ (V in L).
- Schwimmende Blöcke täuschen das Becken. Auf dem Bildschirm Rätsel zeigt ein schwimmender Block nur einen Teil seines Volumens, solange die Lernenden ihn nicht ganz untertauchen (Schritt 4).
- Neue Blöcke mischt den Bildschirm Rätsel neu. Die Antworten in diesem Plan gelten für die Blöcke, die erscheinen, wenn sich die Simulation öffnet.
Material und Vorbereitung vor dem Unterricht
Material: ein Gerät pro Paar (oder ein Beamer), die Tabellen unten auf Papier und ein Taschenrechner.
Vorbereitung (10 Minuten, einmalig):
- Öffnen Sie die Simulation auf dem Bildschirm Einführung mit gewähltem Holz. Das sind die Standardwerte: ein Block mit 4,00 kg und 5,00 L.
- Klicken Sie auf Teilen und erstellen Sie für jede Klasse einen Link, zum Beispiel „Naturwissenschaften · 1. Stunde“. Lassen Sie Dichtetabelle zum Vergleich anzeigen für die meisten Klassen eingeschaltet.
- Optional: Geben Sie auf dem Tab Fragen das Fragenset unten ein und verknüpfen Sie es mit dem Link. Die beiden Vorhersagen sperren die Simulation, bis sich jede Schülerin und jeder Schüler festlegt. Die Routine finden Sie im Leitfaden Vorhersagen, beobachten, erklären.
- Veröffentlichen Sie den Link oder öffnen Sie ihn im Präsentationsmodus und zeigen Sie den QR-Code.
Ablauf der Stunde
1. Einstieg und Vorhersagen (7 Minuten)
Projizieren Sie den Bildschirm Einführung. Ziehen Sie den Holzblock unter Wasser und lassen Sie los: Er taucht wieder auf und kommt mit 80 % unter Wasser zur Ruhe. Dann legen sich die Lernenden auf zwei Vorhersagen fest, auf Papier oder am Link:
- P1. „Ein Holzblock schwimmt mit 80 % unter Wasser. Sie schneiden ihn in der Mitte durch. Wie schwimmt der halbe Block?“
- P2. „Ein Block von 4,0 kg schwimmt im Wasser. Wie viele Liter Wasser verdrängt er?“
Viele Lernende erwarten, dass die kleinere Hälfte höher schwimmt, „weil sie leichter ist“. Wenige haben eine Zahl für P2. Korrigieren Sie noch niemanden.
2. Dichte auf dem Bildschirm Einführung (12 Minuten)
Die Paare wählen jeden Stoff, stellen den Volumenregler auf 2,0 L und übernehmen die Anzeige. Die letzten drei Spalten sind für Sie; lassen Sie sie auf der Schülerkopie leer.
| Stoff | V (L) | m (kg) | D (kg/m³) | Schwimmt oder sinkt | Unter Wasser | Wasserstand |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Styropor | 2,00 | 0,30 | 150 | schwimmt | 0,30 L (15 %) | 100,3 L |
| Holz | 2,00 | 1,60 | 800 | schwimmt | 1,60 L (80 %) | 101,6 L |
| Eis | 2,00 | 1,84 | 920 | schwimmt | 1,84 L (92 %) | 101,8 L |
| Ziegel | 2,00 | 4,00 | 2000 | sinkt | 2,00 L (100 %) | 102,0 L |
| Aluminium | 2,00 | 5,40 | 2700 | sinkt | 2,00 L (100 %) | 102,0 L |
| Eisen | 2,00 | 15,60 | 7800 | sinkt | 2,00 L (100 %) | 102,0 L |
Fragen Sie die Paare nach zwei Mustern. Gute Antworten: „Alles unter 1000 kg/m³ schwimmt“ und „Bei einem schwimmenden Block entsprechen die Liter unter Wasser seinen Kilogramm; bei einem sinkenden Block entsprechen sie seinem Volumen.“
Prüfen Sie nun P1. Wählen Sie Holz und schieben Sie den Volumenregler von 4,0 L auf 1,0 L. Die Masse folgt (3,20 kg, dann 0,80 kg), die Dichte bleibt bei 800 kg/m³, und der Block schwimmt jedes Mal mit 80 % unter Wasser. Das Durchschneiden eines Blocks ändert nichts daran, woraus er besteht.
3. Gleiche Masse, gleiches Volumen, gleiche Dichte (10 Minuten)
Wechseln Sie zum Bildschirm Vergleich. Lassen Sie Gleiche Masse bei 1,5 kg und tippen Sie auf jeden Block.
| Block | m (kg) | V (L) | D (kg/m³) | Ergebnis |
|---|---|---|---|---|
| A | 1,50 | 5,00 | 300 | schwimmt |
| B | 1,50 | 1,88 | 800 | schwimmt |
| C | 1,50 | 0,56 | 2700 | sinkt |
| D | 1,50 | 0,19 | 7800 | sinkt |
Gleiche Masse, und doch schwimmen zwei und zwei sinken. Drücken Sie auf Gleiches Volumen (4,0 L): Die Massen werden 1,20, 3,20, 10,80 und 31,20 kg, und A und B schwimmen weiterhin. Drücken Sie schließlich auf Gleiche Dichte und stellen Sie 800 kg/m³ ein: Alle vier schwimmen, ob groß oder klein. Stellen Sie 1500 kg/m³ ein: Alle vier sinken.
Die Schlussfolgerung ergibt sich von selbst: Weder die Masse noch das Volumen entscheidet, sondern die Dichte. Der Grundlagenleitfaden nutzt diesen Bildschirm als Demo für die ganze Klasse, falls Sie eine kürzere Version möchten.
4. Die Rätselblöcke bestimmen (12 Minuten)
Wechseln Sie zum Bildschirm Rätsel. Die Paare wiegen jeden Block auf der Waage, messen sein Volumen im Becken, berechnen D und wählen das Material. Der Lösungsschlüssel für die Blöcke, die erscheinen, wenn sich die Simulation öffnet:
| Block | m (kg) | V (L) | D (kg/m³) | Material |
|---|---|---|---|---|
| A | 7,80 | 1,00 | 7800 | Eisen |
| B | 23,40 | 3,00 | 7800 | Eisen |
| C | 10,80 | 4,00 | 2700 | Aluminium |
| D | 4,00 | 5,00 | 800 | Holz |
| E | 17,80 | 2,00 | 8900 | Kupfer |
Achten Sie auf Block D. Ins Becken fallen gelassen, schwimmt er und zeigt „4,00 L (teilweise)“, was 1000 kg/m³ ergibt und keinen Treffer in der Tabelle. Paare, die ihn festhalten und ganz untertauchen, lesen „5,00 L (ganz)“ ab und erhalten 800 kg/m³. Das ist eine echte Laborfertigkeit: Ein schwimmender Körper braucht einen Senkkörper oder einen Druck von oben, um sein Volumen zu messen. Beachten Sie auch, dass A und B beide Eisen sind, mit sehr unterschiedlichen Massen.
Für eine zweite Runde oder einen anderen Lösungsschlüssel pro Klasse drücken Sie auf Neue Blöcke. Zwei der fünf neuen Blöcke bestehen immer aus demselben Material.
5. Abschlusscheck (5 Minuten)
Nutzen Sie die Fragen 3–5 des Sets unten. Öffnen Sie dann Antworten ansehen und zeigen Sie die Spalten „Vorhersage“ und „Danach“ für P1 und P2 nebeneinander.
Fragenset für diese Stunde
Geben Sie diese Fragen auf dem Tab Fragen der Simulation ein. Vorgeschlagene Anleitung für Schüler: „Nutze zuerst den Bildschirm Einführung. Lies m, V und D in der Anzeige unter den Reglern ab. Schreibe Dichten in kg/m³.“
1. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen
- Frage: „Ein Holzblock schwimmt mit 80 % unter Wasser. Sie schneiden ihn in der Mitte durch. Wie schwimmt der halbe Block?“
- Optionen: Höher, mit weniger als 80 % unter Wasser / Genauso, mit 80 % unter Wasser (richtig) / Tiefer, mit mehr als 80 % unter Wasser / Er sinkt
- Erklärung: „Beim Durchschneiden halbieren sich Masse und Volumen des Blocks, die Dichte bleibt also bei 800 kg/m³. Der Anteil unter Wasser ist die Dichte des Blocks geteilt durch die des Wassers: 800 ÷ 1000 = 80 %. Auf dem Bildschirm Einführung schwimmen ein Holzblock mit 4 L und einer mit 1 L beide zu 80 % unter Wasser.“
2. Zahl · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen
- Frage: „Ein Block von 4,0 kg schwimmt im Wasser. Wie viele Liter Wasser verdrängt er?“
- Antwort: 4,0, Toleranz ± 0,1, Einheit L
- Erklärung: „Ein schwimmender Block sinkt so weit ein, bis das verdrängte Wasser so viel wiegt wie der Block. 4,0 kg Wasser haben ein Volumen von 4,0 L. Wie groß der Block ist, spielt keine Rolle, solange er schwimmt: Der 5-L-Holzblock des Bildschirms Einführung hat 4,00 L unter Wasser.“
3. Zahl · Nach der Simulation
- Frage: „Ein Block hat eine Masse von 17,80 kg und ein Volumen von 2,00 L. Wie groß ist seine Dichte?“
- Antwort: 8900, Toleranz ± 100, Einheit kg/m³
- Erklärung: „D = m/V = 17,80 kg ÷ 2,00 L = 8,9 kg pro Liter. Ein Liter sind 0,001 m³, also D = 8900 kg/m³. Die Referenztabelle auf dem Bildschirm Rätsel ordnet das Kupfer zu, und er sinkt, weil 8900 mehr als 1000 ist.“
4. Multiple Choice · Nach der Simulation
- Frage: „Auf dem Bildschirm Vergleich mit Gleiche Masse schwimmen die Blöcke A und B, und die Blöcke C und D sinken. Warum?“
- Optionen: A und B sind größer, also sind sie leichter / A und B haben eine Dichte unter 1000 kg/m³ (richtig) / C und D sind schwerer / Das Wasser ist unter C und D tiefer
- Erklärung: „Alle vier Blöcke haben dieselbe Masse, 1,5 kg, also kann die Masse nicht der Grund sein. A (300 kg/m³) und B (800 kg/m³) sind weniger dicht als Wasser und schwimmen. C (2700) und D (7800) sind dichter als Wasser und sinken.“
5. Kurzantwort · Nach der Simulation
- Frage: „Auf dem Bildschirm Rätsel ergab ein schwimmender Block eine Dichte von 1000 kg/m³. Was ist schiefgelaufen, und wie behebt man es?“
- Akzeptierte Antworten (optional): *unter*
- Musterantwort: „Der Block schwamm, also war nur ein Teil von ihm unter Wasser, und das Becken zeigte ein zu kleines Volumen. Dadurch sah die Dichte größer aus, als sie ist. Drücke den Block beim Festhalten ganz unter Wasser und lies das volle Volumen ab: 5,00 L statt 4,00 L ergeben 800 kg/m³, Holz.“
Die Fragen 1 und 2 sind die Vorhersagen, die nach der Simulation noch einmal gestellt werden, damit die Lernenden vergleichen können. Der Leitfaden zur formativen Leistungsbewertung erklärt, wie Sie die Ergebnisse klassenübergreifend lesen.
Erweiterung: Das archimedische Prinzip im Auftriebslabor
Das Auftriebslabor ergänzt Kräfte. Auf seinem Bildschirm Labor legen Regler die Dichte der Flüssigkeit (300–3000 kg/m³), die Fallbeschleunigung (mit den Schaltflächen Mond, Erde und Jupiter) sowie Masse und Volumen des Quaders fest. Ein Becherglas neben dem Becken fängt genau das Flüssigkeitsvolumen auf, das der Quader verdrängt, und die Anzeige zeigt die Auftriebskraft F_A und die Gewichtskraft P in Newton.
Der Standardquader hat 5 kg und 5 L, ist also genau so dicht wie Wasser, und die Anzeige sagt „schwebt“. Lassen Sie die Paare diese Folge durcharbeiten und den Quader jedes Mal zur Ruhe kommen:
| Einstellung | Zustand | Becherglas | F_A (N) | P (N) |
|---|---|---|---|---|
| m = 4,0 kg, V = 5,0 L, Wasser, Erde | schwimmt | 4,00 L | 39,20 | 39,20 |
| gleicher Quader, Mond | schwimmt | 4,00 L | 6,40 | 6,40 |
| gleicher Quader, Jupiter | schwimmt | 4,00 L | 99,20 | 99,20 |
| gleicher Quader, Flüssigkeit 1600 kg/m³, Erde | schwimmt | 2,50 L | 39,20 | 39,20 |
| m = 10,0 kg, V = 5,0 L, Wasser, Erde | sinkt | 5,00 L | 49,00 | 98,00 |
Fragen, die Sie stellen können:
- „Warum sind F_A und P bei jedem schwimmenden Quader gleich?“ Schwimmen heißt, dass sich die Kräfte aufheben, also ist die Auftriebskraft gleich der Gewichtskraft.
- „Warum schwimmt der Quader auf dem Mond nicht höher?“ Die Schwerkraft verkleinert Gewichtskraft und Auftriebskraft um denselben Faktor, sodass dieselben 4,00 L Wasser den Quader weiterhin ausgleichen.
- „Der sinkende Quader ruht auf einer Waage am Beckenboden. Was zeigt sie an?“ 49,0 N: die Gewichtskraft minus die Auftriebskraft, 98,00 − 49,00. Fragen Sie, was eine Taucherin spürt, wenn sie unter Wasser einen Stein hebt.
Für einen vollständigen Versuchsbericht lesen Sie So erstellen Sie eine virtuelle Laboraktivität.
Differenzierung
Unterstützung:
- Nutzen Sie in Schritt 2 nur Styropor, Holz, Ziegel und Eisen und geben Sie die Tabelle mit eingetragenen Stoffen.
- Lassen Sie auf dem Bildschirm Rätsel die Referenztabelle eingeschaltet und bearbeiten Sie nur die Blöcke A, C und E.
- Geben Sie Satzanfänge: „Der Block schwimmt, weil seine Dichte …“ und „Die Masse allein entscheidet nicht, weil …“
- Bilden Sie Paare, in denen eine Person die Blöcke zieht und die andere protokolliert, und tauschen Sie dann.
Herausforderung:
- Nutzen Sie Eigene Werte auf dem Bildschirm Einführung, um einen Block zu bauen, der genau zur Hälfte unter Wasser schwimmt (zum Beispiel 2,5 kg und 5,0 L, 500 kg/m³), und erklären Sie dann die Regel.
- Sagen Sie die Massen für „Gleiches Volumen“ aus Schritt 3 voraus, bevor Sie die Schaltfläche drücken.
- Finden Sie im Auftriebslabor die leichteste Flüssigkeit auf dem Regler, in der der Quader mit 4,0 kg und 5,0 L noch schwimmt (810 kg/m³; bei 800 kg/m³ schwebt er), und erklären Sie, warum er bei 700 kg/m³ sinkt.
Lernende mit Deutsch als Zweitsprache: Die Simulationen gibt es in sechs Sprachen. Erstellen Sie einen zweiten Link in der Sprache der Lernenden, damit ihnen die Beschriftungen vertraut sind, während das Gespräch auf Deutsch bleibt.
Zuordnung zu Standards
Diese Stunde passt zur Dichteeinheit der Physik in der Sekundarstufe und zu den Themen Dichte und Auftrieb im GCSE Physics (Großbritannien). Die NGSS (US-Standards für die Naturwissenschaften) haben keine eigene Leistungserwartung zu Dichte oder Auftrieb, wir behaupten also keine. Die Stunde übt drei NGSS-Praktiken: Untersuchungen planen und durchführen, Daten analysieren und interpretieren sowie Mathematik und algorithmisches Denken einsetzen.
Weitere Physik-Ideen finden Sie in Ideen für interaktiven Physikunterricht. Chemielehrkräfte, die Dichte zur Identifizierung von Stoffen nutzen, finden verwandte Aktivitäten in Ideen für interaktiven Chemieunterricht.
Häufige Fragen
Warum verwendet die Simulation Liter und nicht Kubikzentimeter?
Liter halten die Zahlen einfach und verbinden sich direkt mit Kilogramm Wasser. Rechnen Sie für Lernende, die cm³ brauchen, um: 1 L = 1000 cm³, und 1000 kg/m³ = 1 g/cm³.
Warum verhält sich ein Block mit genau 1000 kg/m³ seltsam?
Ein Block, der genau so dicht ist wie Wasser, hat keinen Grund zu steigen oder zu sinken, das Ergebnis hängt also davon ab, wo Sie ihn loslassen. Vermeiden Sie diesen Fall in der Hauptstunde. Das Auftriebslabor nennt ihn „schwebt“.
Können die Lernenden diese Stunde auf Smartphones durchführen?
Ja. Die Lernenden öffnen den Link ohne Konto. Die Regler funktionieren gut auf Touchscreens; das Ziehen auf dem Bildschirm Rätsel ist an einem Tablet oder Laptop leichter.