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Orientierungsbereich (Sprungmarken)

Unterrichtsvorhaben Nr. VIII (Physik / Chemie) - Kontext: Vom Heißluftballon zum Düsenjet (18 Unterrichtsstunden)

Bezug zum Lehrplan:

Inhaltsfeld:

Fortbewegung in Wasser und Luft

Inhaltliche Schwerpunkte:

  • Statischer und dynamischer Auftrieb
  • Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten
  • Kraft und Impuls

Übergeordnete Kompetenzerwartungen des KLP WP (Schwerpunkte)

UF4 Wissen vernetzen - naturwissenschaftlich-technische Vorgänge, Muster, Gesetzmäßigkeiten und Prinzipien in unterschiedlichen Situationen erkennen und bestehende Wissensstrukturen durch neue Erkenntnisse ausdifferenzieren bzw. erweitern

K1 Texte erstellen – bei der Erstellung naturwissenschaftlicher Sachtexte (Beschreibung, Erklärung, Bericht, Stellungnahme) im notwendigen Umfang Elemente der Fachsprache sowie fachtypischer Sprachstrukturen und Sprachwendungen gebrauchen (K1.1)

naturwissenschaftliche Sachtexte für unterschiedliche Adressaten, Anlässe und Ziele strukturieren und dabei bekannte Arten von Übersichten, Zeichnungen, Diagrammen, Symbolen und anderen fachtypischen Elementen zur Veranschaulichung und Erklärung auswählen (K1.2)

K3 Untersuchungen dokumentieren – ein gegliedertes Protokoll anlegen, Versuchsabläufe und Beobachtungen nachvollziehbar beschreiben und die gewonnenen Daten vollständig und in angemessener Genauigkeit darstellen

Lernvoraussetzungen und Vernetzung innerhalb des Faches und mit anderen Fächern

  • Regelplan IF3 (Kräfte und Körper) und IF8 (Bewegungen und ihre Ursachen)


Vorhabenbezogene Konkretisierung:

Fragestellungen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte

Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans

Die Schülerinnen und Schüler können …

Zentrale Handlungssituationen

Dazu erhalten die Schülerinnen und Schüler die Gelegenheit …

Warum steigt der Gasballon?

  • die Dichte von Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern bestimmen, gewonnene Werte mit Literaturwerten vergleichen und bei Abweichungen mögliche Fehlerquellen identifizieren (E5, E9)
  • die molare Masse von Gasen und Flüssigkeiten berechnen (E6),
  • die Dichte ausgewählter Gase unter Normalbedingungen über deren Masse und das Molvolumen berechnen (E8, UF4),
  • aufgrund von Berechnungen und Abschätzungen Auftriebskräfte in unterschiedlichen Flüssigkeiten und Gasen vorhersagen (E8, E3),

Experimente mit der Gaswägekugel zur Bestimmung der Dichte von Gasen

Berechnung der Dichte beliebiger Gase mit Hilfe des Molvolumens (Gleiches Volumen = gleiche Teilchenzahl)

Experimente zum Auftrieb

- luftgefüllter Ballon in einer CO2-gefüllten Wanne

- Vergleich Helium und Wasserstoff [1]

Erklärung mit Hilfe des Archimedes`schen Prinzips (Differenzierung für leistungsstarke SuS: Erklärung über Schweredruck)

Abwägen von Vor- und Nachteilen verschiedener Gase (Wasserstoff, Helium, CO2, Wasserdampf, Methan) zum Betreiben eines Luftschiffes

Wie lässt sich der Auftrieb von heißer Luft beobachten und nutzen?

  • die Wärmekonvektion in Gasen durch die Wirkung von Auftriebskräften erklären und die Nutzung des Effekts beim Segelflug beschreiben (UF1, UF4),

Experimente mit Kerzen und Windrädern (Weihnachtspyramide)

Versuch zum Auftrieb von heißer Luft [2]

Erklärung der natürlichen Wärmekonvektion unter Verwendung von Animation bzw. Film [3] und ihrer Anwendung beim Segelfliegen

Bau eines Heißluftballons aus Seidenpapier oder eines sog. Solarzeppelins

Quantitative Bestimmung der Wärmeausdehnung von Luft (Diagramm von Gay-Lussac) [siehe Zusatzmaterial]

Bestimmung der Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur der Luft mit Hilfe der Messdaten

Temperatur im Teilchenmodell

Abhängigkeit der Luftdichte von der Temperatur im Teilchenmodell

Berechnung der Tragfähigkeit eines Heißluftballons.

Wie funktioniert Auftrieb bei einer Tragfläche?

  • den dynamischen Auftrieb an Tragflächen mit einem Modell der Luftströmungen und den Aussagen des Bernoulli-Gesetzes erklären (E8),
  • anhand von Modellexperimenten den Einfluss unterschiedlicher Flügelprofile auf den Auftrieb erklären (E5, E8).

Beschreibung des Auftriebsprinzips nach vorgegebener Fragestellung zu einem Film oder einer Animation [4]

AB (Fragen zu gegebenen Antworten formulieren)

Phänomene zur Wirkung des Bernoulli-Effekts beobachten und beschreiben (Luftstrom zwischen Papierblättern, Tischtennisball in Luftstrom)

Experimente zur Untersuchung des Auftriebs in Abhängigkeit der Form und des Anstellwinkels der Tragfläche

Kraftwirkungen am Flugzeug

Wie werden Flugzeuge angetrieben?

  • den Impuls eines Körpers als Produkt aus Masse und Geschwindigkeit beschreiben (UF1),
  • Rückstoßphänomene mit der Impulserhaltung erklären (UF1),
  • die Funktionsweise von Düsen- und Propellertriebwerken sowie Schiffsschrauben als technische Nutzung des Rückstoßprinzips erläutern (UF4).

Demonstration des Rückstoßprinzips durch verschiedene Phänomene (z.B. auf der Luftkissenfahrbahn, Medizinball auf Rollen stehend abstoßen) unter Variation von Masse und Geschwindigkeit

Definition Impuls und Impulserhaltung

Experiment mit dem Minipropeller (zwischen den Handflächen gedrehte Propellerachse) und Erklärung der Funktionsweise mit dem Wechselwirkungsprinzip

Betrachtung technischer Ausführungen von Schiffsschrauben, Düsen- und Propellertriebwerken und Erklärung ihrer Funktionsweise;

Gemeinsamkeiten und Unterschiede herausarbeiten

Exkurs: Vorführung eines Fahrzeugs mit Propellerantriebs (mit Gummibandmotor)

Größer, schneller weiter – wie haben sich unsere Flugzeuge entwickelt?

  • Kriterien zur Beurteilung der Entwicklung von Luftfahrzeugen nennen (B1).

Anfertigung eines Zeitstrahls mit den Meilensteinen der Luftfahrtgeschichte mit Erklärung der eingesetzten physikalischen Phänomene [5]

Vergleich verschiedener am Markt angebotener Flugzeugtypen

Kriterien, die für verschiedene Einsatzzwecke bedeutsam sind (Recherche auf Webseiten der Flugzeugbauer)

Linkliste: (geprüft am 18. 01.2017)

1.

Uni Göttingen: Experiment zur Dichte von Wasserstoff und Helium

2.

Uni Göttingen: Experiment zum thermischen Auftrieb mit Luft (V1)

3.

YouTube: Film zur Wärmekonvektion

4.

YouTube: Film zum dynamischen Auftrieb

5.

WDR: Meilensteine der Luftfahrt

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