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Physik in der Oberstufe – Vom Versuch zum gedanklichen Durchdringen

Drei Wochen Physikepoche: Die 9. und 10. Klasse erleben den Einstieg ins Thema „Freier Fall“ mit einem spannenden Versuch – ein Besuch bei Alois Heigl im Unterricht.


Mit Schraubzwingen ist eine Bohrmaschine am oberen Ende der Tafel befestigt. Darunter steht ein grosses Plastikrohr, darin ein langer Streifen Papier an der Rückwand, unten im Rohr steckt ein Stück Styropor, daneben eine Leiter. Wer ins Klassenzimmer der 9. und 10. Klasse kommt, fragt sich sofort, was es mit diesem ausgefallenen Aufbau auf sich hat. Schon bald wird es klar: Heute ist der Freie Fall Thema des Unterrichts und als Einstieg hat Physiklehrer Alois Heigl einen besonderen Versuch gewählt. An der Bohrmaschine soll mittels einer Schnur ein mit Tinte gefülltes Lot befestigt werden, das, wird die Schnur durchtrennt, auf den Boden fällt. Weil der Schlauch um das Lot aber mit Tinte gefüllt ist und ein Loch hat, spritzt die Tinte heraus und hinterlässt eine Spur an der Innenwand des Plastikrohrs und auf dem darin befestigten Papierstreifen – ein Versuch, der die Fragen der Schulstunde klären soll: Was passiert beim Freien Fall? Welche Gesetzmässigkeiten gibt es?

Einsatz und Erfindungsgeist

Vor über 50 Jahren, berichtet Physiklehrer Alois Heigl, hat er den Versuch bei seiner Ausbildung in Winterthur kennengelernt. „Ich hatte danach ein passendes Lot fast drei Jahre lang auf meinem Schreibtisch liegen und wusste noch nicht, wie ich es so umsetzen sollte, dass es gleichmässig fällt – wir haben hier keinen Feinmechaniker.“ Schliesslich hatte er den entscheidenden Einfall: Er befestigte einen Schlauch um das Lot, mit einer heissen Büroklammer brannte er ein Loch hinein, das ihm seither als Einfüllloch dient und durch das die Tinte beim sich durch die Bohrmaschine angetrieben Drehen des Losts herausspritzt. Auch als Lehrer ist Einsatz gefragt.

Die Tinte spritzt

Endlich geht es los: Alois Heigl füllt den Plastikschlauch mit Tinte, steigt auf die Leiter und befestigt das Lot an der Bohrmaschine. Dann geht er ein zweites Mal auf die Leiter, die Schere in der Hand. Man spürt die neugierige Spannung der Schüler*innen – als würden sie die Luft anhalten. Der Physiklehrer schneidet die Schnur durch, rasend schnell fällt das Lot auf dem Boden. Ausatmen. Die Tinte hat wie erwartet eine Spur hinterlassen. Es ist eine sich nach unten öffnende Spirale. Die Schüler*innen dürfen nach vorne kommen und sich genau anschauen, wie der Abdruck aussieht und erkennen sofort, dass die Geschwindigkeit beim Fallen zunehmen muss. Die Abstände zwischen den Linien werden gemessen und notiert, danach wird gerechnet: Über die Drehgeschwindigkeit der Bohrmaschine und die Anzahl der Tintenkreise wird die Fallzeit ermittelt. Mit den gemessenen, zum Boden hin grösser werdenden Abständen zwischen den Tintenkreisen kann dann berechnet werden, wie sich die Geschwindigkeit verändert, das Lot beim Fall beschleunigt. Schon ist der Epochenunterricht für diesen Tag zu Ende. Der Versuch darf nun über Nacht wirken, am nächsten Tag soll die Auswertung abgeschlossen und im Heft alles notiert werden.

Physik erleben

Ab der 6. Klasse gehört die Physikepoche zum festen Bestandteil der Schuljahre. Zusammen mit ihrem Klassenlehrer oder ihrer Klassenlehrerin lernen die Schüler*innen bis in die 8. Klasse die verschiedenen Gebiete von Optik über Akustik und Wärme bis hin zu Elektrizität und Magnetismus kennen; in der 7. Klasse ausserdem die wichtigsten mechanischen Grundbegriffe, z.B. Hebel, Flaschenzug, Walze oder schiefe Ebene, in der 8. Klasse zusätzlich Hydraulik, Aeromechanik, Klimatologie und Witterungskunde. Dabei liegt das Hauptaugenmerk – an die Entwicklung und kognitiven Fähigkeiten der Kinder angepasst – auf dem Wahrnehmen mit allen Sinnen. Konkret bedeutet dies, dass die Schüler*innen „in zahlreichen Versuchen bis ins Leibliche hinein erleben, wie Gesetzmässigkeiten funktionieren“, erklärt Alois Heigl. „Das Gesehene, Gehörte, Gefühlte wird beschrieben, eine Berechnung braucht es noch nicht.“ Das Schlussfolgern und Berechnen kommen erst langsam in den höheren Klassen zu den Versuchen hinzu. So beobachten die Schüler*innen beispielsweise in der 7. Klasse die optische Verschiebung im Wasser, indem sie den Lehrer (wie auf dem Foto deutlich wird) hinter dem Wasserprisma stehend „verschoben“ wahrnehmen, d.h. der durchs Prisma gesehene Körper ist rechts vom Kopf des Lehrers – ein Versuch, der in das Thema vom einfachen Prisma und Stufenprisma mit mehreren Knickstellen bis hin zur kontinuierlichen Rundung der Sammellinse führt.

„Ich kann's verstehen!“

Den vielen unterschiedlichen Gebieten, die in den Klassen 6 bis 8 betrachtet werden, steht in der 9. und 10. Klasse die Reduktion auf wenige Themen gegenüber. Für die 9. Klasse formulierte Rudolf Steiner als Ziel des Physikunterrichts, die Schüler*innen sollen die Dampfmaschine und das Telefon „wirklich verstehen. Das sind zwar nur zwei Themen, das wirkliche Verstehen umfasst jedoch so viele Faktoren wie z.B. Motoren, Kraft, Vakuum bei der Dampfmaschine“, sagt Alois Heigl. In der 10. Klasse stehen die Wurfparabel und Kräfte auf dem Lehrplan. Der Physiklehrer erklärt, dass besonders das gedankliche Zerlegen der Wurfparabel erst in der 10. Klasse möglich wird: „Zwischen der 9. und 10. Klasse gibt es ihm Lehrplan und bei den Jugendlichen nicht nur in der Physik einen grossen Sprung. 'Ich kann's verstehen!' – Das rückt in der 10. Klasse nach vorne, die physikalischen Phänomene können dann erst wirklich gedanklich durchdrungen werden“ – da momentan die 9. und 10. Klässler*innen gemeinsam an der RSSK lernen, eine besondere Herausforderung. Gerade aus diesem Grund sind Versuche auch für den Unterricht in den höheren Klassen so wichtig: „Erlebtes lässt sich viel leichter merken und anschaulich machen, besonders auch für Schüler und Schülerinnen, die vielleicht mit dem Berechnen noch Probleme haben. Die Faszination für die Schönheit dessen, was die Natur gezeichnet hat, ist auf jeden Fall da.“ Der Versuch zum Freien Fall hinterlässt so sicherlich nicht nur eine Tintenspur im Plastikrohr, sondern auch Spuren bei den Schüler*innen.

Anika Mahler (Gruppe für Öffentlichkeitsarbeit)
Fotos: Alois Heigl, Anika Mahler

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