Potenzielle Energie bei Achterbahnen

Ablauf der Lektion

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   Schritt 1: Vorbereitung

   Drucke für alle Schüler*innen je ein Arbeitsblatt und für jede Gruppe ein Exemplar der ergänzenden Materialien aus.

   Prüfe vorab, welche Einheit die Distance-App anzeigt. Zeigt die App Zoll an, lass die Schüler*innen den Messwert mit 2,54 multiplizieren, bevor sie die Höhe in Zentimetern auf dem Arbeitsblatt eintragen. Zeigt die App Zentimeter an, können sie den Messwert direkt eintragen.

   Prüfe vorab, welche Einheit die Distance-App anzeigt. Die Arbeitsblätter verwenden Zentimeter. Lass die Schüler*innen ihre Messwerte bei Bedarf zuerst in Zentimeter umrechnen.

   Prüfe vorab, ob die Distance-App Zentimeter anzeigen kann. Wenn die App nur Zoll anzeigt, lässt du die Schüler*innen die Messwerte zuerst mit 2,54 multiplizieren, um Zentimeter zu erhalten. Danach rechnen sie die Zentimeter in Meter um.

   Verteile nach der Einführung die Scheren, das Klebeband und die Murmeln an die Gruppen.

   Die Schüler*innen können die Achterbahn mit Klebeband an der Wand befestigen oder auf großen Papierbögen, damit sie die Achterbahn bewegen können.

   Sorge dafür, dass die Masse jeder Murmel vorab gemessen wurde, und teile sie den Schüler*innen mit. Achte darauf, dass die Masse in Kilogramm angegeben ist, oder gib den Schüler*innen einen passenden Umrechnungsfaktor, mit dem sie die angegebene Masse in Kilogramm umrechnen können.

   Begriffe

   Potenzielle Energie – die Energie, die ein Teilchen aufgrund seiner Position hat

   Lageenergie – die Energie, die ein Gegenstand aufgrund seiner Position in einem Gravitationsfeld hat

   Masse – ein Maß für die Menge an Materie in einem Gegenstand, durch die er in einem Gravitationsfeld Gewicht hat

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   Schritt 2: Einführung

   Besprich oder wiederhole den Begriff der potenziellen Energie, insbesondere der Lageenergie. Besprich, wie die Position eines Gegenstands über der Erdoberfläche zu einem System führt, in dem Energie gespeichert ist.

   Stelle der Klasse dabei die folgende Frage: „Wenn ich diese Murmel halte, durch welche Bewegungen oder Positionen würde sich ihre Lageenergie erhöhen oder verringern?“

   Besprich, dass die Höhe der Murmel über dem Boden mitbestimmt, ob die Murmel mehr oder weniger Lageenergie hat.

   Zeige mithilfe der Datei mit den Zusatzmaterialien, wie du die Achterbahnschienen ausschneidest und entlang der roten gestrichelten Linien zu einer Bahn mit zwei Seitenwänden faltest. Befestige die Bahn mit Klebeband an der Wand. Zeige, wie die Wand die Bahn stützt und wie du den Neigungswinkel anpassen kannst.

   Zeige, wie du Ari am oberen Ende der Bahn platzierst, sodass die Sensoren zum Boden zeigen. Den so gemessenen Abstand verwendest du als Höhe der Achterbahn und der Murmel.

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   Schritt 3: Aktivität 1

   Teile die Schüler*innen in Gruppen von 3–4 ein. Gib jeder Gruppe einen Ari-Roboter, die auf festem Papier ausgedruckten Zusatzmaterialien, eine Schere und eine Murmel.

   Lass die Schüler*innen Ari einschalten und die Distance-App öffnen.

   Lass die Schüler*innen die drei Bahnen entlang der Außenkanten ausschneiden und entlang der gestrichelten Linien falten.

   Die Schüler*innen orientieren sich an den Abbildungen auf dem Arbeitsblatt und befestigen ihre drei Bahnen mit Klebeband an der Wand. Den Neigungswinkel wählen sie selbst.

   Wenn die drei Bahnen befestigt sind, lassen die Gruppen ihre Murmel einige Male die Bahnen hinunterrollen. So können sie beobachten, wie schnell sich die Murmel bewegt.

   Die Schüler*innen messen die Höhe am Anfang der Bahn, indem sie Ari dort platzieren, wo die Murmel startet. Dabei richten sie die Sensoren auf den Boden.

   Lass die Schüler*innen bei jeder Messung die angezeigte Einheit überprüfen. Wird die Höhe in Zoll angezeigt, multiplizieren sie den Messwert zunächst mit 2,54, um Zentimeter zu erhalten. Die Gruppen tragen die Höhe in Zentimetern auf dem Arbeitsblatt ein. Anschließend messen sie auch die beiden anderen Bahnen und notieren deren Höhen ebenfalls in Zentimetern.

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   Schritt 4: Aktivität 2

   Besprich die Formeln, mit denen die Schüler*innen Zentimeter in Meter umrechnen und die potenzielle Energie im Schwerefeld berechnen.

   Jede Gruppe verwendet die gemessenen Höhen der Achterbahnen und rechnet sie zunächst von Zentimetern in Meter um.

   Die Gruppen setzen die angegebene Masse ihrer Murmel in die Formel 9,8 m/s² × Masse (kg) × Höhe (Meter) ein. Damit berechnen sie die potenzielle Energie der Murmel im Schwerefeld für jede der drei Achterbahnen.

   Die Schüler*innen notieren ihre Ergebnisse auf dem Arbeitsblatt.

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   Schritt 5: Abschlusskarte

   Nutze die folgenden Fragen, um die Schüler*innen zum Nachdenken und zum Austausch anzuregen. Geh durch den Raum, während sie ihre Antworten zunächst auf die Abschlusskarte schreiben und anschließend mit einer anderen Person aus der Klasse besprechen:

   1. Welche Faktoren beeinflussen die potenzielle Energie eines Gegenstands im Schwerefeld auf einer Achterbahn?
   2. Wie hat sich die Höhe der Achterbahnschienen auf die potenzielle Energie der Murmel im Schwerefeld ausgewirkt?
   3. Wir haben abschüssige Achterbahnschienen gebaut. Was würde sich, wenn überhaupt, an der potenziellen Energie der Murmel im Schwerefeld ändern, wenn du Loopings in die Bahn einbaust?
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   Schritt 6: Erweiterung

   Lass die Schüler*innen die markierten Linien auf den Bahnen bis zur umgefalteten roten gestrichelten Linie einschneiden. Mithilfe dieser zusätzlichen Einschnitte in den Seitenwänden können sie mit Klebeband Loopings und Kurven in die Achterbahnen einbauen.

   Wenn die Schüler*innen Zeit haben und Loopings in ihre Bahn einbauen, stell ihnen folgende Frage: „Denk an die Abschlusskarte zurück. War deine Antwort auf die Frage richtig, ob Loopings die potenzielle Energie der Murmel im Schwerefeld beeinflussen?“

   Besprich mit den Schüler*innen die Ergebnisse des Umbaus der Bahn und ihre Überlegungen zur Frage auf der Abschlusskarte.