Kräfte und Bewegung: Unterrichtsentwurf mit Simulationen

Für Kräfte und Bewegung nutzt dieser Unterrichtsentwurf kostenlose Simulationen, damit die Lernenden in einer Unterrichtsstunde sehen, was eine Kraft bewirkt und was nicht. Sie gleichen ein Tauziehen aus, schieben eine Kiste über Eis und sehen, dass sie weiterfährt, finden heraus, wie stark sie schieben müssen, bevor die Reibung nachgibt, und prüfen F = m·a mit vier verschiedenen Massen. Sie bekommen Ziele, Vorbereitung, Vorhersagen, die Werte, die die Lernenden erhalten sollten, ein Set mit fünf Fragen für den Klassenlink, eine Vertiefung für ältere Lernende und Differenzierung. Jede Zahl stammt aus den Modellen der Simulationen selbst.

Die Stunde im Überblick

• Stufe: Klassen 6–9 (11–15 Jahre), Naturwissenschaften/Physik. Die Vertiefung passt zu den Klassen 9–10.
• Zeit: eine Stunde von 55–60 Minuten, plus eine optionale Vertiefung von 20 Minuten.
• Vorwissen: Kraft, gemessen in Newton, Geschwindigkeit, die Idee der Reibung.
• Form: Paare an Laptops, Tablets oder Smartphones, oder die ganze Klasse mit einem Projektor.
• Simulationen: Kräfte und Bewegung – Grundlagen. Vertiefung: Zweites Newtonsches Gesetz – Ziehen eines Klotzes.

Lernziele

Am Ende der Stunde können die Lernenden:

1. Kräfte entlang einer Geraden addieren, um die Gesamtkraft zu bestimmen, und sagen, ob die Kräfte im Gleichgewicht sind.
2. Erklären, dass ein Körper ohne Gesamtkraft mit gleichbleibender Geschwindigkeit weiterfährt (erstes Newtonsches Gesetz).
3. Erklären, dass die Reibung einem kleinen Schub entspricht, bis sie ihr Maximum erreicht, und der Körper dann rutscht.
4. F = m·a nutzen, um die Beschleunigung für eine gegebene Gesamtkraft und Masse vorherzusagen.
5. Erklären, warum derselbe Schub einem schweren Körper eine kleinere Beschleunigung gibt.

Was die Simulation macht

Die Simulation hat vier Bildschirme, die Sie mit den Tabs oben auswählen.

• Gesamtkraft: ein Tauziehen. Ziehen Sie Personen auf eine der beiden Seiten des Seils: Kind (50 N), Schüler (100 N), Erwachsener (150 N) oder Kraftprotz (200 N), bis zu vier pro Mannschaft. Die Anzeige zeigt die Gesamtkraft und „Gleichgewicht“, „Tendenz nach links“ oder „Tendenz nach rechts“. Tippen Sie auf eine Person am Seil, um sie zu entfernen.
• Bewegung: einen Körper auf einer reibungsfreien Fläche schieben. Wählen Sie Leichte Kiste (50 kg), Schwere Kiste (100 kg), Kühlschrank (150 kg) oder Person (70 kg). Der Regler Zug-/Schubkraft F reicht von −400 N bis 400 N in Schritten von 20 N. Kraft entfernen (F = 0) lässt los.
• Reibung: dasselbe, plus ein Menü Reibung: Keine, Gering, Mittel oder Hoch.
• Beschleunigung: fügt ein großes Feld mit F = m·a hinzu, dessen Zahlen mit ihren Werten wachsen und schrumpfen, sowie einen Beschleunigungspfeil.

Auf den Bildschirmen mit Körpern zeigt die Anzeige unter den Reglern F, Reibung, Gesamtkraft, a, v und die Strecke.

Ein paar Details, die Sie vor dem Unterricht kennen sollten:

• Vorzeichen zeigen die Richtung. Kräfte nach links sind negativ. Die Reibungsanzeige ist negativ, wenn der Schub nach rechts geht, weil die Reibung in die andere Richtung zeigt.
• Jeder Bildschirm behält seine eigenen Einstellungen. Kraft und Masse, die Sie auf einem Bildschirm einstellen, werden nicht auf den nächsten übertragen.
• Zurücksetzen stellt den Körper zurück, behält aber den Schub. Drücken Sie auch Kraft entfernen (F = 0), wenn er ruhen soll.
• Die Standard-Reibung ist Gering auf den Bildschirmen „Reibung“ und „Beschleunigung“.

Material und Vorbereitung vor dem Unterricht

Material: ein Gerät pro Paar (oder ein Projektor), die Tabellen unten auf Papier und ein Taschenrechner.

Vorbereitung (10 Minuten, einmalig):

1. Öffnen Sie die Simulation. Die Standardwerte passen: Bildschirm „Gesamtkraft“, Reibung Gering, Werte angezeigt.
2. Klicken Sie auf Teilen und erstellen Sie für jede Klasse einen Link, zum Beispiel „Physik · 5. Stunde“.
3. Optional: Geben Sie auf dem Tab Fragen das Fragenset unten ein und hängen Sie es an den Link. Die beiden Vorhersagen sperren die Simulation, bis jede Person sich festgelegt hat.
4. Posten Sie den Link, oder öffnen Sie ihn im Präsentationsmodus und zeigen Sie den QR-Code. Mit dem Projektor unterrichten behandelt den Präsentationsmodus ausführlich.

Ablauf der Stunde

1. Einstieg und Vorhersagen (7 Minuten)

Projizieren Sie den Bildschirm „Gesamtkraft“. Stellen Sie einen Erwachsenen und einen Schüler nach links und fragen Sie die Klasse, wen sie rechts hinzufügen soll, damit es fair ist. Lassen Sie die Lernenden sich dann auf zwei Vorhersagen festlegen, auf Papier oder am Link:

• V1. „Eine Kiste rutscht über einen reibungsfreien Boden. Sie hören auf zu schieben. Was macht die Kiste?“
• V2. „Sie schieben eine 50-kg-Kiste und einen 150-kg-Kühlschrank mit denselben 100 N, ohne Reibung. Wie verhält sich die Beschleunigung des Kühlschranks zu der der Kiste?“

Die meisten sagen, der Kiste „geht die Kraft aus“ und sie bleibt stehen. Viele wählen bei V2 „gleich“ oder „halb so groß“. Korrigieren Sie noch niemanden. Die Anleitung zu Predict–Observe–Explain erklärt, warum die Festlegung wichtig ist.

2. Gesamtkraft: das Tauziehen (8 Minuten)

Die Paare stellen jedes Spiel auf, lesen die Gesamtkraft ab und drücken zwischen den Spielen auf Zurücksetzen.

Linke Mannschaft	Rechte Mannschaft	Gesamtkraft	Ergebnis
Erwachsener + Schüler (250 N)	Kraftprotz + Kind (250 N)	0 N	Gleichgewicht
Erwachsener + Schüler + Kind (300 N)	Kraftprotz + Kind (250 N)	−50 N	Tendenz nach links, dann gewinnt die linke Mannschaft
Schüler (100 N)	Kind + Kind (100 N)	0 N	Gleichgewicht

Fragen Sie: „Gibt es im ersten Spiel keine Kräfte?“ Es wirken 500 N Zugkraft, aber sie heben sich auf. Gleichgewicht bedeutet nicht „keine Kräfte“. Die stärkste mögliche Mannschaft besteht aus vier Kraftprotzen, 800 N.

3. Bewegung: Was passiert, wenn man aufhört zu schieben? (10 Minuten)

Wechseln Sie zum Tab Bewegung und wählen Sie die Leichte Kiste.

1. Stellen Sie F = 100 N ein. Die Anzeige zeigt a = 2,00 m/s² und ein steigendes v.
2. Drücken Sie nach einigen Sekunden auf Kraft entfernen (F = 0). Jetzt ist a = 0,00 m/s², und v bleibt bei dem Wert, den es erreicht hatte. Die Bodenmarkierungen gleiten weiter vorbei.
3. Stellen Sie F = −100 N ein. Die Kiste wird langsamer, bleibt einen Moment stehen und beschleunigt dann nach links.

Prüfen Sie V1. Ohne Reibung und ohne Schub ändert nichts die Bewegung der Kiste, daher behält sie ihre Geschwindigkeit für immer. Das ist das erste Newtonsche Gesetz. Eine Kraft ändert die Bewegung; sie ist nicht nötig, um sie aufrechtzuerhalten.

4. Reibung: Wie stark muss man schieben? (12 Minuten)

Wechseln Sie zum Tab Reibung (Reibung Gering) mit der Leichten Kiste.

1. Stellen Sie F = 40 N ein. Nichts bewegt sich. Die Reibungsanzeige zeigt −40,0 N: 40 N in Gegenrichtung, also ist die Gesamtkraft 0.
2. Stellen Sie F = 60 N ein. Die Kiste rutscht. Die Reibung beträgt −49,0 N, die Gesamtkraft 11,0 N und a = 0,22 m/s².

Fragen Sie: „Warum ist die Reibung von 40 N auf 49 N gewachsen und dann nicht weiter?“ Die Reibung drückt nur so stark dagegen, wie nötig, bis zu einem Maximum. Bei geringer Reibung liegt das Maximum für diese Kiste bei 49 N. Die Paare finden dann den kleinsten Schub am Regler, bei dem sich jeder Körper in Bewegung setzt:

Körper	Gering	Mittel	Hoch
Leichte Kiste (50 kg)	60 N	160 N	300 N
Person (70 kg)	80 N	220 N	bewegt sich nicht
Schwere Kiste (100 kg)	100 N	300 N	bewegt sich nicht
Kühlschrank (150 kg)	160 N	bewegt sich nicht	bewegt sich nicht

Schwerere Körper drücken stärker auf den Boden, daher brauchen sie einen größeren Schub. „Bewegt sich nicht“ heißt, dass die maximale Reibung über 400 N liegt, dem Ende des Reglers. Für Sie: Die maximale Reibung ist μmg mit μ = 0,1, 0,3 und 0,6 für Gering, Mittel und Hoch.

Schieben Sie zum Schluss die Leichte Kiste, bis sie schnell rutscht, und drücken Sie dann auf Kraft entfernen (F = 0). Sie wird bei geringer Reibung mit a = −0,98 m/s² langsamer und bleibt stehen. Vergleichen Sie mit Schritt 3: Die Reibung ist die Kraft, die auf einem echten Boden die Bewegung „aufbraucht“.

5. F = m·a auf dem Bildschirm „Beschleunigung“ (12 Minuten)

Wechseln Sie zum Tab Beschleunigung und stellen Sie Reibung auf Keine, damit die Gesamtkraft dem Schub entspricht. Stellen Sie F = 100 N ein, drücken Sie auf Zurücksetzen und lesen Sie a für jede Masse ab. Probieren Sie dann 200 N an der Leichten Kiste.

Körper	Masse (kg)	Gesamtkraft (N)	a (m/s²)	m × a (N)
Leichte Kiste	50	100	2,00	100
Person	70	100	1,43	100
Schwere Kiste	100	100	1,00	100
Kühlschrank	150	100	0,67	100
Leichte Kiste	50	200	4,00	200

Die Lernenden füllen die letzte Spalte selbst aus. Von Rundung abgesehen ist sie immer gleich der Gesamtkraft. Prüfen Sie V2: Die dreifache Masse ergibt ein Drittel der Beschleunigung, 0,67 statt 2,00 m/s².

Stellen Sie dann Reibung wieder auf Gering und schieben Sie die Leichte Kiste mit 100 N. Das Feld mit F = m·a zeigt jetzt 51 N, nicht 100 N, und a = 1,02 m/s². Fragen Sie, warum. Die Reibung nimmt 49 N weg, und nur die Gesamtkraft bestimmt die Beschleunigung.

6. Abschlusskontrolle (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 V1 und V2 nebeneinander.

Fragenset für diese Stunde

Geben Sie diese auf dem Tab Fragen der Simulation ein. Vorgeschlagene Anleitung für Schüler: „Ändere immer nur eine Sache. Drücke vor jeder neuen Messung auf Zurücksetzen. Lies a in der Anzeige unter den Reglern ab.“

1. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen

• Frage: „Eine Kiste rutscht über einen reibungsfreien Boden. Du hörst auf zu schieben. Was macht die Kiste?“
• Optionen: Bleibt sofort stehen / Wird langsamer und bleibt stehen / Fährt mit gleicher Geschwindigkeit weiter (richtig) / Wird schneller
• Erklärung: „Ohne Reibung und ohne Schub ist die Gesamtkraft null, daher ändert nichts die Bewegung der Kiste. Sie behält ihre Geschwindigkeit: Der Bildschirm ‚Bewegung‘ zeigt a = 0,00 m/s² und ein gleichbleibendes v. Das ist das erste Newtonsche Gesetz. Echte Kisten bleiben stehen, weil die Reibung eine Kraft ist.“

2. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen

• Frage: „Du schiebst eine 50-kg-Kiste und einen 150-kg-Kühlschrank mit denselben 100 N, ohne Reibung. Wie verhält sich die Beschleunigung des Kühlschranks zu der der Kiste?“
• Optionen: Gleich / Halb so groß / Ein Drittel so groß (richtig) / Dreimal so groß
• Erklärung: „a = F/m. Die Kiste bekommt 100 ÷ 50 = 2,00 m/s² und der Kühlschrank 100 ÷ 150 = 0,67 m/s². Die dreifache Masse ergibt bei gleicher Gesamtkraft ein Drittel der Beschleunigung.“

3. Zahl · Nach der Simulation

• Frage: „Wähle auf dem Bildschirm ‚Reibung‘ die Leichte Kiste und geringe Reibung. Was ist der kleinste Schub am Regler, bei dem die Kiste rutscht?“
• Antwort: 60, Toleranz ± 1, Einheit N
• Erklärung: „Bei geringer Reibung kann der Boden mit bis zu 49 N gegen diese Kiste drücken. Ein Schub von 40 N wird genau ausgeglichen, daher bleibt die Kiste liegen. Der Regler bewegt sich in Schritten von 20 N, also ist der erste Schub über 49 N gleich 60 N.“

4. Zahl · Nach der Simulation

• Frage: „Stelle auf dem Bildschirm ‚Beschleunigung‘ die Reibung auf Keine, wähle die Person (70 kg) und schiebe mit 100 N. Wie groß ist die Beschleunigung?“
• Antwort: 1,43, Toleranz ± 0,02, Einheit m/s²
• Erklärung: „Ohne Reibung ist die Gesamtkraft die vollen 100 N. a = F/m = 100 ÷ 70 ≈ 1,43 m/s². Das ist weniger als die 2,00 m/s² der 50-kg-Kiste und mehr als die 1,00 m/s² der 100-kg-Kiste.“

5. Kurzantwort · Nach der Simulation

• Frage: „Du schiebst die Leichte Kiste bei geringer Reibung mit 40 N, und sie bewegt sich nicht. Wirkt eine Gesamtkraft auf sie? Begründe.“
• Akzeptierte Antworten (optional): *Gleichgewicht*
• Musterantwort: „Nein. Die Reibung drückt mit genau 40 N dagegen, die beiden Kräfte sind also im Gleichgewicht und die Gesamtkraft ist null. Ohne Gesamtkraft bleibt die Kiste in Ruhe. Die Reibung kann nur bis 49 N wachsen, ein größerer Schub würde die Kiste also rutschen lassen.“

Die Fragen 1 und 2 sind die Vorhersagen, die nach der Simulation noch einmal gestellt werden, damit die Lernenden vergleichen können. Die Anleitung zur formativen Leistungsbewertung erklärt, wie Sie die Ergebnisse über mehrere Klassen lesen.

Vertiefung: Das zweite Newtonsche Gesetz mit einem Diagramm

Für die Klassen 9–10 oder schnelle Lernende zieht die Simulation zum zweiten Newtonschen Gesetz einen Klotz über eine Unterlage und zeichnet sein Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm live. Die Zugkraft F hat einen eigenen Regler (0–50 N); Masse, μ und Neigungswinkel stellen die Lernenden im Feld „Startwerte“ ein. Die Anzeige schreibt die ganze Rechnung aus, zum Beispiel a = (F − Fms − P·sinα)/m.

Beginnen Sie bei den Standardwerten: F = 10 N, m = 2 kg, μ = 0,2, waagerechte Fläche. Ändern Sie dann immer nur einen Wert und drücken Sie auf Zurücksetzen:

F (N)	m (kg)	μ	a (m/s²)
10	2	0,2	3,04
20	2	0,2	8,04
10	2	0	5,00
20	4	0	5,00
20	4	0,2	3,04

Zwei Fragen, die Sie stellen können:

• „Warum mehr als verdoppelt sich a, wenn F von 10 N auf 20 N verdoppelt wird?“ Die Reibung bleibt bei 3,92 N (angezeigt als 3,9 N), daher wächst die Gesamtkraft von 6,08 N auf 16,08 N.
• „Was bedeutet das steilere v-t-Diagramm?“ Eine größere Beschleunigung. Die Kraft bestimmt die Steigung des Diagramms, nicht die Geschwindigkeit selbst.

Als Herausforderung stellen Sie den Winkel auf 30° ein. Bei F = 13 N bleibt der Klotz stehen, von der Haftreibung gehalten; bei 14 N bewegt er sich mit 0,40 m/s² den Hang hinauf. Für Bewegung in zwei Dimensionen machen Sie mit dem Unterrichtsentwurf zum schiefen Wurf weiter.

Differenzierung

Unterstützung:

• Nutzen Sie nur die Schritte 2, 3 und 5, durchgehend mit Reibung Keine.
• Geben Sie die Tabellen mit ausgefüllten Körpern und Kräften aus, sodass die Lernenden nur ablesen und eintragen.
• Geben Sie Satzanfänge vor: „Wenn die Kräfte im Gleichgewicht sind, dann …“ und „Eine größere Masse ergibt eine … Beschleunigung.“

Vertiefung:

• Sagen Sie die ganze Tabelle aus Schritt 5 mit F = m·a vorher, bevor Sie messen.
• Berechnen Sie die maximale Reibung für jede Zelle der Tabelle aus Schritt 4 und erklären Sie jedes „bewegt sich nicht“.
• Finden Sie auf dem Bildschirm „Beschleunigung“ bei mittlerer Reibung den Schub, der der Schweren Kiste a = 1,06 m/s² gibt (400 N: 400 − 294 = 106 N, und 106 ÷ 100 = 1,06).

Lernende der Unterrichtssprache als Zweitsprache: Die Simulation gibt es in sechs Sprachen. Erstellen Sie einen zweiten Link in der Sprache der Lernenden, damit die Beschriftungen vertraut sind, während die Diskussion in der Unterrichtssprache bleibt.

Bezug zu Standards

Diese Stunde unterstützt NGSS MS-PS2-2 (US-Standard): eine Untersuchung planen, die belegt, dass die Änderung der Bewegung eines Körpers von der Summe der Kräfte auf ihn und von seiner Masse abhängt. Sie passt auch zum Thema Kräfte im britischen GCSE Combined Science und zum Beginn eines Physikkurses der Oberstufe.

Weitere Ideen für diese Einheit finden Sie unter Ideen für interaktiven Physikunterricht. Zu allgemeinen Unterrichtsroutinen lesen Sie Interaktive Simulationen im Unterricht einsetzen.

Häufige Fragen

Warum bleibt die Kiste auf dem Bildschirm „Bewegung“ nie stehen?

Der Bildschirm „Bewegung“ hat überhaupt keine Reibung, wie ein Puck auf perfektem Eis. Ohne Gesamtkraft ändert sich die Geschwindigkeit nie. Nutzen Sie den Bildschirm „Reibung“, um zu zeigen, warum echte Körper stehen bleiben.

Warum ist die Reibungsanzeige negativ?

Kräfte nach rechts sind positiv, Kräfte nach links negativ. Geht der Schub nach rechts, zeigt die Reibung nach links, daher hat ihr Wert ein Minuszeichen.

Können die Lernenden diese Stunde auf Smartphones machen?

Ja. Die Lernenden öffnen den Link ohne Konto. Der Regler und die Schaltflächen funktionieren auf Touchscreens; Personen auf das Seil zu ziehen geht auf einem Tablet oder Laptop leichter.