Thema KETTENREAKTION
Kursthemen
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Mechanische Kettenreaktionsmaschine - LuftballonzerplatzmaschineDie Bewegung eines Objekts löst die Bewegung eines anderen Objekts aus - wie etwa bei hintereinander aufgestellten Dominosteinen, die sich gegenseitig umwerfen. Dieses Verständnis von Ursache und Wirkung entwickeln Kinder schon sehr früh. Erste Erfahrungen sind beispielsweise, dass ein Gegenstand näherkommt, wenn man an dessen Schnur zieht oder ein Ball rollt, wenn man ihn anstößt. Werden verschiedene solcher Bewegungsmechanismen miteinander verknüpft, entstehen eindrucksvolle mechanische Kettenreaktionen die (nicht nur) Kinder faszinieren. Das verdeutlichen auch zahlreiche Rekordversuche. Bei dieser Tinkering-Aufgabe können sich die Schülerinnen an ihren eigenen Rekordversuch wagen und dabei verschiedene Grundlagen der Mechanik und des Energieerhaltungssatzes erforschen. -
ThemenbereicheAnhand der Tinkering-Aufgabe „Kettenreaktionsmaschine“ können verschiedene Themenbereiche sowie grundlegende Konzepte der Physik den Kindern auf leicht verständliche, spielerische Weise zugängliche gemacht werden. Dazu zählen u.a. folgende Bereiche:
- Mechanik: Bewegung von Körpern unter Einfluss äußerer
Kräfte
Schlagworte: Gewichtskraft, Schwerpunkt, Schwerkraft, Zentrifugalkraft, Reibung, Kraftübertragung, Bewegung, schiefe Ebene, Freier Fall, Erhaltungssätze, Pendel, Hebel, … - Kausalität: Verhältnis von Ursache und Wirkung
- Magnetismus: Kraftwirkung zwischen zwei Magneten
- Physikalische Naturgesetze
- Mechanik: Bewegung von Körpern unter Einfluss äußerer
Kräfte
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Ziel der Tinkering-AufgabeDie Schülerinnen sollen aus dem vorgegebenen Material einen Kettenreaktionsaufbau mit mindestens fünf Energieübertragungen entwickeln und dabei eigene Lösungen finden. Ziel ist es, dass eine Schülerin den ersten Impuls startet und die Kettenreaktion dann ohne weiteres Zutun ohne Unterbrechung durchläuft. Am Ende der Kettenreaktion soll ein Luftballon zum Platzen gebracht werden.
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Aufgabenstellung für KinderDie Katze Minka schlief auf einem Sessel, als ein lauter Knall sie erschrak. Minka hüpfte auf und blieb beim Wegrennen mit ihren Krallen am Tischtuch hängen. Sie zog das Tischtuch ein Stück hinunter. Durch diesen Ruck fiel die Blumenvase auf die danebenstehende Obstschüssel. Dabei wurde eine Orange aus der Obstschüssel gestoßen, die dann über den Tisch rollte, über die Tischkante stürzte und genau in der Futterschüssel von Minka landete.
Ein einziger Knall war in dieser kleinen Geschichte Ursache für eine ganze Reihe von Ereignissen. Als Minka durch den Knall erschrak, zog sie am Tischtuch. Dadurch hat sie das nächste Ereignis ausgelöst, denn die Blumenvase viel um. Das wiederum brachte die Orange ins Rollen, die schließlich in der Futterschüssel landete. Eine solche Abfolge von Ereignissen nennt man Kettenreaktion. Daraus kann man sich einen Spaß machen und selber Kettenreaktionen aufbauen, die einen bestimmten Zweck erfüllen. So gibt es zum Beispiel lustige Kettenreaktionsmaschinen, die auf Umwegen eine Glocke läuten oder ein Glas Wasser einschenken.
Auch ihr könnt nun eine eigene Kettenreaktionsmaschine bauen. Dabei sollt ihr natürlich keine Katze erschrecken und auch nicht Mamas Lieblingsvase umschmeißen. Eure Aufgabe ist es, eine Luftballonzerplatzmaschine zu bauen. Am Anfang der Maschine löst ihr ein Ereignis aus, das dann mindestens fünf weitere Ereignisse auslöst, ohne dass ihr die Maschine nochmals berührt. Am Ende der Kettenreaktion soll dann ein Luftballon zerplatzen. Ihr könnt Papier, Verpackungsmaterial, Schnüre und Spielzeug verwenden, um zum Beispiel Seilzüge, Hebel und Rampen für eure Kettenreaktionsmaschine zu bauen. Welche Materialien ihr genau verwenden dürft, könnt ihr in der Materialliste nachlesen. -
AufgabestellungKettenreaktionsaufbauten sind fesselnd, bringen großen Spaß und motivieren zu Teamarbeit. Ganz nebenbei können die Schülerinnen viele verschiedene physikalische Einsichten entwickeln, Zusammenhänge erkennen und Handlungskompetenzen erwerben.
Die Schülerinnen sollen bei dieser Tinkering-Aufgabe einen Kettenreaktionsaufbau mit mindestens fünf Energieübertragungen entwickeln. Es dürfen für den Aufbau jedoch nur Materialien aus der vorgegebenen Liste verwendet werden (siehe unten). Ein am Anfang gesetzter Impuls sollte es ohne weiteres Eingreifen bis zum Ende schaffen. Besonders eindrucksvoll wird die Kettenreaktionsmaschine, wenn verschiedene Formen der Impulsweitergabe eingebaut werden, wie etwa Pendel, Wippe, (Seil)rutsche, umfallende Objekte, Schaukel usw..
Am Ende der Kettenreaktion soll ein Luftballon zum Platzen gebracht werden.Eine wichtige Kompetenz in der naturwissenschaftlichen Grundbildung ist die Kommunikation. So sollen die Schülerinnen die Vorgänge der Kettenreaktionsmaschine auch beschreiben und benennen können, um eigene Gedanken zur ordnen und einen Austausch untereinander zu ermöglichen.
Beispiel:
Eine Erkenntnis der Schülerinnen bei der Kettenreaktionsmaschine ist das Prinzip von Ursache und Wirkung:
- Eine Ursache löst ein Ereignis (= Wirkung) aus.
- Eine Wirkung wird durch ein Ereignis (= Ursache) verursacht.
Mögliche Formulierungen zur Kausalität:
- Warum fällt der Dominostein um? > Weil das Spielzeugauto ihn umgefahren hat.
- Wenn das Spielzeugauto den Dominostein trifft, dann fällt der Dominostein um.
- Das rollende Spielzeugauto trifft den Dominostein, daher fällt er um.
- Das rollende Spielzeugauto ist die Ursache dafür, dass der Dominostein umfällt.
Mögliche Schritte zur fertigen Kettenreaktionsmaschine:
- Sehen Sie sich zur Einstimmung mit den Schülerinnen Videos oder Bilder von Kettenreaktionsmaschinen an. Gute Suchergebnisse im Internet erhalten Sie bei der Suche nach „Rube Goldberg Maschine“.
- Um das Verständnis für physikalische Abläufe in der Kettenreaktion zu fördern, eignen sich kleinere Experimente die vorab durchgeführt werden (siehe Technikbox).
- Die Schülerinnen überlegen sich gemeinsam oder in Teams Stationen für den Kettenreaktionsaufbau. Hilfreich ist es, wenn die Stationen vor dem Bau gezeichnet werden.
- Die benötigten Materialien zusammentragen.
- Bau der einzelnen Stationen und testen, ob der Ablauf funktioniert. Gegebenenfalls können Verbesserungen vorgenommen werden.
- Nun die einzelnen Stationen zusammenfügen und die Kettenreaktionsmaschine ausprobieren. Wahrscheinlich müssen einige Nachjustierungen (vor allem bei den Übergängen) vorgenommen werden, bis alles einwandfrei abläuft. Vergessen Sie nicht, die Kettenreaktion zu filmen oder zu fotografieren, um sie bei der Girls Day Challenge einzureichen.
Tipp: Größere Schülerinnen-Gruppen können in kleinere Teams eingeteilt werden, die an einzelnen Bauabschnitten der Kettenreaktion arbeiten. Jedes Team hat zum Beispiel eine Tischlänge Platz für ihren Bauabschnitt. Damit die Energieübertragung zwischen den einzelnen Tischen auch funktioniert, ist eine gute Absprache der Schülerinnen nötig.
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Bezug zum UnterrichtDer Bau einer Kettenreaktionsmaschine fördert viele Kompetenzen die auch im Lehrplan der Volksschule angeführt werden. Im Erfahrungs- und Lernbereich Technik lassen sich vor allem folgende Bereiche hervorheben:
- Technische Gegebenheiten erforschen
- mit naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten experimentieren
- Kenntnisse über Kräfte und ihre Wirkungen erlangen
- Sachgemäßes und verantwortungsbewusstes Handeln beim Gebrauch der Technik
- Spezifische Arbeitstechniken erlernen
Zudem fördert das Arbeiten an der Kettenreaktionsmaschine Kompetenzen, wie etwa
- Sach- und problembezogene Gespräche führen
- Einfache Sachverhalte und Handlungsabläufe beobachten möglichst genau beschreiben
- Fragen zu naturwissenschaftlichen Vorgängen stellen
- Anderen aufmerksam zuhören
- Kreativität
- Logisches Denken
- Konzentrationsfähigkeit
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Anregungen zur VorbereitungDamit die Schülerinnen auch das technische Verständnis hinter dem Kettenreaktionsaufbau erhalten und eigene Ideen entwickeln können, ist es empfehlenswert mit kleinen Experimenten zur Mechanik zu starten. Bevor es also richtig los geht, werfen Sie doch einen Blick in die Technikbox. Dort finden Sie altersgerechte Anleitungen und Erklärungen:
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Beispiele für LösungenIm Internet finden Sie unzählige Beispiele für Kettenreaktionsmaschinen. Besonders lustige Ergebnisse erhalten Sie mit dem Suchbegriff „Rube Goldberg Maschine“.
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