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© Horst Hübel Würzburg 2005 - 2014

Wege zu einer anschaulichen Mechanik in der gymnasialen Oberstufe

Beim traditionellen Mechanik-Unterricht sehen die Schüler - wenn überhaupt - über Wochen hinweg nur einen experimentellen Aufbau: die Fahrbahn mit Lichtschranken und einem unübersichtlichen Verhau von Verbindungsleitungen; vielfach stehen im Zentrum mathematische Ableitungen und Rechnungen und es besteht die Gefahr, dass physikalisches Denken zu kurz kommt.

Seit Jahren werden vielfältige Vorschläge gemacht, den physikalischen Gehalt der Schulmechanik mit neuen Techniken zu erhöhen. Hier ein Weg, mit dem ich gute Erfahrungen gemacht habe.

Grundlegend waren für mich fünf Konzepte, die durch folgende Schlagworte gekennzeichnet sind:

Mit dem Orts-Konzept ist gemeint, dass Bewegungen beschrieben werden durch die Veränderungen des Ortes im Laufe der Zeit (nicht durch Wege in Abhängigkeit von der Zeit; vgl. didaktogene Lernschwierigkeiten). Dies setzt u.a. voraus, dass sich Schüler wie Lehrer vor jeder Untersuchung auf ein Koordinatensystem einigen. Das bewährt sich u.a. später beim Lösen von Aufgaben, wo die richtige Wahl des Koordinatensystems u.U. schon die halbe Lösung der Aufgabe bedeutet.

Mit Geschwindigkeits-Konzept ist gemeint, dass man m.E. einen schnelleren Zugang zum Kern der betreffenden physikalischen Größen (vor allem der Beschleunigung a) erhält, wenn man zunächst den Begriff der Geschwindigkeit erarbeitet. Das habe ich vor vielen Jahren einmal von Prof. Heuer gelernt.

Als Vehikel zum Verständnis von Geschwindigkeit und Beschleunigung, das auch beim Lösen von Aufgaben sehr nützlich ist, lernen die Schüler den Umgang mit Steigungen in einer anschaulichen und nicht formalisierten Weise.

"manueller" Steigungsbegriff: nicht
formalisiert: positive Steigung
negative Steigung

Und überhaupt lernen die Schüler recht bald, mit Graphen umzugehen und diese auch grundsätzlich als Vehikel zum Lösen von Aufgaben zu benutzen.

Insgesamt sollen die traditionelle Kinematik zurückgedrängt und recht schnell dynamische Gesichtspunkte und speziell die Kausalität (vgl.  Kausalität) ins Spiel gebracht werden.

Je nachdem, was für ein Verständnis günstiger erscheint, werden Sonarmeter (oder andere "berührungslose" Bewegungsmesswandler wie Infrarot-Sensoren), Lichtschranken oder Handstopp-Verfahren eingesetzt. Ziel ist es, dass sich die Schüler die physikalischen Inhalte damit erarbeiten, u.U. auch in Schülerversuchen. Der Einsatz dieser Methoden soll nicht nur zur Illustration dienen. Mit solchen Geräten gelingen einzigartige Versuche, die direkte - und damit besonders einfache und anschauliche - Zugänge zu den Phänomenen und ihrer Beschreibung ermöglichen.

Es wird unterschieden zwischen

Zwischen beiden "Mechaniken" gibt es die bekannten Brücken. Es erscheint sinnvoll beide "Mechaniken" zunächst unabhängig zu formulieren, auch um die Schüler darauf aufmerksam zu machen, dass die Naturbeschreibung nicht eindeutig ist, sondern sogar mit völlig unterschiedlichen Begriffen völlig richtig gelingen kann.

Vgl. auch: Logischer Gehalt der Newtonschen Mechanik

Wenn im Folgenden von Vektoren die Rede ist, wird ein naiver Vektorbegriff angesprochen (Vektor = Größe mit Betrag und Richtung). Dabei ist in der Regel eine koordinatenfreie Schreibweise des Vektors gemeint.

Einige Schritte sollen hier erläutert werden:

I Newtonsche Mechanik

II Die Mechanik der Erhaltungssätze

III Newtonsche Mechanik im Raum und mit nicht konstanten Kräften