I. Lerngruppenanalyse

II. Didaktische Analyse

Sachanalyse [1],[2],[3]

Der mechanische Hebel gehört wie die schiefe Ebene, die Rolle, der Flaschenzug, die Kurbel, das Wellrad oder das Getriebe zu den in der Physik bezeichneten „Einfachen Maschinen“. Mit Hilfe von einfachen Maschinen kann man Kraft auf Kosten des zurückgelegten Weges sparen. Einfache Maschinen sind Geräte, die bei bestimmten Arbeiten Angriffspunkt, Richtung oder Größe der erforderlichen Kraft zwecks Arbeitserleichterung verändern können. Sie sind Kraftwandler. Die einfachen mechanischen Maschinen dienen zur Verrichtung von Arbeit. Die geringe Kraft von Mensch und Tier soll „vergrößert“ werden. Ein Hebel ist einer der wichtigsten Kraftwandler. Er dient, wie alle mechanischen Maschinen, dazu Arbeit zu erleichtern, nicht zu sparen. Die zu leistende Arbeit bleibt nach der Formel „Arbeit ist gleich Kraft mal Weg" oder als Formel: W = F * s gleich.

Das heißt, eingesparte Kraft geht auf Kosten des Weges, die zu leistende Arbeit wird keineswegs weniger.

Wählt man den Lastarm entsprechend kurz im Vergleich zum Kraftarm, so ist man mit einem Hebel in der Lage, große Lasten mittels einer vergleichsweise geringen Kraft zu bewegen. In der Physik wird umfassend jeder Körper, der um eine feste Achse drehbar ist, als Hebel bezeichnet. In vereinfachter Form besteht der Hebel aus einer starren Stange, die um eine feste Achse drehbar gelagert ist. Man unterscheidet zweiseitige und einseitige Hebel, wobei im ersten Fall die angreifenden Kräfte auf beiden Seiten der Drehachse wirken, während sie im zweiten Fall nur auf einer Seite der Drehachse wirken.

Als sehr gutes Beispiel zur Veranschaulichung des Hebelgesetzes eignet sich die Wippe. Ein starrer Körper, an dem mehrere Kräfte angreifen, bleibt im Gleichgewicht, wenn die Summe ihrer Drehmomente Null ist (Hebelgesetz).

Dieser Hebel hat zwei Arme auf den jeweils eine Kraft wirkt. Die Hebelarme drehen sich um den Drehpunkt D. Diese Art von Hebel wird zweiseitiger Hebel genannt. Das Zusammenwirken der Länge des Hebelarms s 1 , auf dem das Mädchen sitzt, und ihrer Gewichtskraft F 1 bewirkt das Gleichgewicht zu dem kürzeren Hebelarm s 2 des Jungen und seiner größeren Gewichtskraft F 2 . Dabei wirken F 1 und F 2 immer in Richtung Erdmittelpunkt. Das Produkt aus der wirkenden Kraft F und der Hebellänge s heißt Drehmoment M, seine Einheit ist das Nm (Newtonmeter). Die Kraft muss senkrecht auf den Hebelarm wirken. Wenn das Drehmoment M 1 so groß ist, wie das Drehmoment M 2 , dann ist der Hebel im Gleichgewicht. Dieser Zusammenhang wird als Hebelgesetz bezeichnet. 1=2

1   1=   2   2                   (     )

Einbettung des Themas in den Lehrplan und die Bildungsstandards [4],[5] Im Lehrplanentwurf des Landes Rheinland-Pfalz für das Fach Physik ist für das Themengebiet Mechanik ein Zeitrichtwert von 25 Stunden vorgesehen. Dabei entfallen 5 Stunden auf Kraft, Masse und Dichte, 10 Stunden auf Arbeit, Energie und Leistung. Die restlichen 10 Stunden sind für Druck in Flüssigkeiten vorgesehen. Das Thema „Hebel“ gehört zu der Unterrichtseinheit „Mechanik: Arbeit - Energie - Leistung“ und ist unter dem Punkt Projektvorschläge zu finden. Der Lehrplan der Realschule sieht vor, Hebel von den Schülern beschreiben, aufbauen und erklären zu lassen. Die Gesetze zur Kraftersparnis und das Hebelgesetz sollen verbal sowie in mathematischer Form aufgestellt werden. Außerdem sollen die Schüler einfache Maschinen an Beispielen aus der Natur auffinden.

In den gültigen Bildungsstandards taucht auf Seite 9 im Kompetenzbereich „Fachwissen“ unter dem Punkt „3. System“ folgendes auf: „Stabile Zustände sind Systeme im Gleichgewicht.“, wie beispielsweise: „Kräftegleichgewicht.“ Der vorliegende

Unterrichtsentwurf orientiert sich nach der Förderung folgender Kompetenzen aus den aktuellen Bildungsstandards:

Fachwissen:

→ (F1) verfügen über ein strukturiertes Basiswissen auf der Grundlage der Basiskonzepte. → (F2) geben ihre Kenntnisse über physikalische Grundprinzipien, Größenordnungen, Messvorschriften, Naturkonstanten sowie einfache physikalische Gesetze wieder. → (F3) nutzen diese Kenntnisse zur Lösung von Aufgaben und Problemen.

Erkenntnisgewinnung:

→ (E1) beschreiben Phänomene und führen sie auf bekannte physikalische Zusammenhänge zurück.

→ (E4) wenden einfache Formen der Mathematisierung an. → (E6) stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf.

→ (E8) planen einfache Experimente, führen sie durch und dokumentieren die Ergebnisse.

→ Kommunikation:

→ (K1) tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellung aus. → (K2) unterscheiden zwischen alltagssprachlicher und fachsprachlicher Beschreibung von Phänomenen.

Begründung des Themas

Der Hebel ist ein uraltes Hilfsmittel der Menschen. Hebel erleichtern unser Leben. Sie zeichnen sich durch ihre kraftumlenkenden Eigenschaften aus. In vielen bekannten Werkzeugen und Geräten wird die Kraftverstärkung durch Hebel genutzt und damit unser Leben erleichtert. Sie sind somit aus unserer Lebenswelt nicht mehr wegzudenken. Die Schüler kennen Hebel zum Beispiel vom Fahrrad (Hebelbremse) oder vom Auto (Schalthebel). Jeder hat vermutlich schon einmal einen Flaschenöffner oder eine Kneifzange benutzt und weiß den Nutzen solcher einfacher Maschinen zu schätzen. Darüber hinaus können die Schüler schnell und nachvollziehbar zu einfachen Aussagen und Gesetzen