Hebel Hebelwirkung Phänomen: Waage Material Bau einer Marktwaage 1 vierkantigen Holzstab (50 cm x 1 cm x 1 cm) 1 Korken Schnur Klebestreifen Schere Streichhölzer Streichholzschachtel 2 Kartonstücke (10 cm x 10 cm) 1 großes Glas 1 Teppichmesser Bleistift Kleine Gegenstände (Zuckerwürfel, Schrauben, Büroklammern, Knöpfe…) Problemstellung Wie bekommt man eine Waage ins Gleichgewicht? Versuchsüberblick Früher war die Marktwaage oder Balkenwaage häufig im Einsatz und von keinem Markthändler wegzudenken. Doch wie funktioniert diese? Tipps & Tricks Falls die gebastelte Waage nicht im Gleichgewicht sein sollte, können unter das höhere Kartonstück ein oder mehrere Streichhölzer geklebt werden. Beschreibung Zunächst werden zwei quadratische Kartonstücke in der Größe 10 cm x 10 cm sowie vier Schnüre mit einer Länge von jeweils 30 cm zurecht geschnitten. Das erste Schnurende wird an einer Ecke des Kartonstückes mit einem Klebestreifen befestigt, das andere Ende wird an der gegenüberliegenden Seite des Kartonstücks befestigt. Eine zweite Schnur wird an den beiden freien Ecken befestigt. Mit dem zweiten Kartonstück wird genau gleich verfahren. Das Kärtchen mit den überkreuzten Schnüren werden jeweils ganz links und rechts, möglichst im gleichen Abstand, am Holzstab mit Klebeband befestigt. Mit dem Teppichmesser wird der Korken in zwei lange Teile zerlegt. Der halbierte Korken wird mit einem Klebestreifen mittig auf die Streichholzschachtel geklebt. Anschließend wird die Streichholzschachtel mit der ebenen Seite auf das Glas gelegt. Der Schwerpunkt des Holzstabes (dort wo der Holzstab auf dem Finger balanciert werden kann) wird mit einem Stift markiert und auf den Korken gelegt. Was passiert, wenn auf einer Seite ein Gegenstand abgelegt wird? Ergebnis/Beobachtung Die Waage kippt auf der Seite, auf der der Gegenstand liegt, nach unten. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Waage Bau einer Marktwaage Erklärung Grundlage für das Funktionsprinzip der Marktwaage ist das Hebelgesetz. Zum Wägen wird der zu wägende Gegenstand in eine der Schalen gelegt. Nun wird in die andere Schale so lange Masse in Form von Gewichtsstücken gelegt, bis die Waage im Gleichgewicht ist. Die Masse des zu wägenden Gegenstands ist dann so groß wie die Summe der Gewichtsstücke in der anderen Schale. Fortsetzungsmöglichkeiten Ein Kartonkärtchen wird an seinen Schnüren weiter innen am Holzstab befestigt. Was passiert? Wie bekommt man die Waage wieder ins Gleichgewicht? Alltagsbezug Infobox Klasse 1/2 Kompetenzfeld 7: Natur macht neugierig Experiment zur Hebelwirkung Fachgebiet: Physik Verwandte Themenbereiche: Zeitaufwand: 30 Minuten Früher wurde die Marktwaage überall dort eingesetzt, wo sich der Preis eines Produkts durch das Gewicht der Ware zusammensetzt. Dies sind zum Beispiel der Obst- und Gemüsehändler oder aber auch die Post, die ihre Briefe zur Ermittlung des Portos abwiegen. Heutzutage wurde nahezu alle Marktwaagen durch elektronische Waagen ersetzt. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Waage Material Bau einer Zuckerstückchenwaage 1 Streichholzschachtel 1 Holzleiste (30 cm x 3 cm) Klebestreifen Roter und blauer Buntstift 1 Korken Zuckerstückchen Teppichmesser Problemstellung An welcher Stelle der Waage sind wie viele Zuckerstückchen nötig, um die Waage ins Gleichgewicht zu bringen? Versuchsüberblick Die Zuckerstückchenwaage ist eine Waage die sich ähnlich wie eine Wippe auf dem Kinderspielplatz verhält Tipps & Tricks Beschreibung Mit dem Teppichmesser wird der Korken in zwei lange Teile zerlegt. Der halbierte Korken wird mit einem Klebestreifen mittig auf die Streichholzschachtel geklebt. Im Abstand von 3 cm werden auf die Holzleiste blaue Striche gemacht. Der Mittlere Strich wird rot markiert. Alternativ kann auch eine Papierschablone mit den entsprechenden Markierungen auf die Holzleiste aufgelegt werden. Die Holzleiste wird nun auf den halbierten Korken aufgelegt, sodass der rote Strich in der Mitte des Korkens liegt und die Holzleiste im Gleichgewicht ist. Der rote Strich wird an dieser Stelle über den Korken gezogen. Nun werden auf beiden Seiten der Waage Zuckerstückchen abgelegt. Wie viele Zuckerstückchen müssen wo abgelegt werden, damit die Waage im Gleichgewicht ist? Ergebnis/Beobachtung Werden genau gleich viele Zuckerwürfel im gleichen Abstand zum Schwerpunkt auf der Holzleiste abgelegt, befindet sich diese im Gleichgewicht. Wird auf einer Seite ein Zuckerwürfel nach innen gerückt, entsteht ein Ungleichgewicht, sodass die Waage kippt. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Waage Bau einer Zuckerstückchenwaage Erklärung Physikalische Grundlage für die Funktionsweise der Zuckerstückchenwaage ist das Hebelgesetz. Wie ein Hebel funktioniert, hat der griechische Mathematiker Archimedes herausgefunden, der ungefähr von 287 bis 212 vor Christus lebte. Er experimentierte, maß und rechnete und fand so folgenden Zusammenhang heraus: Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm Das bedeutet: Je schwerer die Last, die mit einer möglichst kleinen Kraft gehoben werden soll, desto länger muss der Kraftarm sein im Vergleich zum Lastarm. Bei der Wippe muss also das der leichtere Gegenstand am längeren Hebel sein, um den schweren Gegenstand ausgleichen zu können. Fortsetzungsmöglichkeiten Infobox Klasse 1/2 Kompetenzfeld 7: Natur macht neugierig Experiment zur Hebelwirkung Fachgebiet: Physik Verwandte Themenbereiche: Zeitaufwand: 20 Minuten Ist es möglich die Zuckerstückchenwaage auszutarieren auch wenn sich die Holzleiste nicht mittig über dem Korken befindet? Alternativ zu Zuckerstückchen können auch Münzen, kleine Kieselsteine oder sonstige kleine Gegenstände verwendet werden. Alltagsbezug Wippe auf dem Kinderspielplatz, Balkenwaage Hebel Hebelwirkung Phänomen: Mobile Material Bau eines Mobiles 3 Schaschlikspieße 1 Rolle Nähgarn 1 Nähnadel Tonkarton Schere Bleistift Problemstellung Wie müssen die Figuren an den Schaschlikspießen befestigt werden so dass das Mobile im Gleichgewicht ist? Versuchsüberblick In vielen Kinderzimmern hängen Mobiles. Aber diese sind schwieriger zu basteln als man denkt: sie müssen genau austariert sein damit sie im Gleichgewicht sind. Tipps & Tricks Beschreibung Zunächst werden verschiedene Motive aus dem Tonkarton ausgeschnitten: Sonnen, Sterne, Blumen, Autos – der Phantasie sind keine Grenzen gesetzt. Insgesamt werden neun Figuren benötigt. Aus diesen Figuren werden Ketten gebildet, indem sie mit Nadel und Faden aneinander genäht werden: eine Dreierkette, zwei Zweierketten und zwei einzelne Figuren. Aus den drei Schaschlikspießen wird das Grundgerüst für das Mobile gebaut. Dazu wird an jedem Schaschlikspieß in der Mitte ein Aufhängefaden angeknotet. Zwei der Spieße werden an jeweils einem Ende des dritten Spießes befestigt. Jetzt können die Figurenketten an den beiden unteren Schaschlikspießen befestigt werden. Wie müssen diese verteilt werden, so dass das Mobile im Gleichgewicht hängt? Ergebnis/Beobachtung Die Figurenketten müssen solange verschoben werden bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Mobile Bau eines Mobiles Erklärung Hebel sind kraftumformende Einrichtungen. Mit ihrer Hilfe lassen sich mit relativ geringem Kraftaufwand große Kräfte erzeugen. Hebel verfügen über eine Drehachse und zwei Kraftarme. Bei zweiseitigen Hebeln wirken die Kräfte auf verschiedenen Seiten der Drehachse. Hebel dienen jedoch nicht der Einsparung von mechanischer Arbeit, sie verringern lediglich die Kraft, die zum Bewegen oder Anheben eines Gegenstandes notwendig ist. Dabei wird allerdings der Weg, der dabei zurückzulegen ist, länger. Fortsetzungsmöglichkeiten Anstelle der Tonkartonfiguren kann auch ein großes Klassenmobile mit den Fotos der Schüler gebastelt werden. Infobox Klasse 1/2 Alltagsbezug Kompetenzfeld 7: Natur macht neugierig Mobile, Windspiele Experiment zur Hebelwirkung Fachgebiet: Physik Verwandte Themenbereiche: Kunst Zeitaufwand: 45 Minuten Hebel Hebelwirkung Phänomen: Wippe Material Eine Wippe im Gleichgewicht? 1 Lineal (30cm) 1 Papprolle / runder Holzstab mehrere gleiche Münzen Schere Problemstellung Wie kann man eine Wippe ausbalancieren? Versuchsüberblick Eine Wippe auf einem Spielplatz lädt immer wieder zum spielen ein. Aber was tun wenn man zu dritt ist? Kann man auch zu dritt wippen? Wer muss sich wohin setzen? Mit diesem Versuch kann man eine Lösung für dieses Problem finden, die anschließend auf dem nächsten Spielplatz in der Realität gestestet werden kann. Beschreibung Die Papprolle wird der Länge nach halbiert und mit der runden Seite nach oben auf den Tische gelegt. Auf die Papprolle wird mittig das Lineal gelegt, so dass sich eine Wippe bildet. Nun wird jeweils eine Münze auf die beiden Enden des Lineals gelegt. Wie müssen die Münzen verschoben werden um die Wippe ins Gleichgewicht zu bringen? Tipps & Tricks Was passiert wenn auf die eine Seite des Lineals eine zweite Münze gelegt wird? Wie muss die andere Münze oder der Münzstapel verschoben werden um die Wippe ins Gleichgewicht zu bringen? Beobachtung Das Lineal muss in der Mitte auf der Papprolle aufliegen und die beiden Münzstapel müssen gleich weit vom Mittelpunkt entfernt liegen. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Wippe Eine Wippe im Gleichgewicht? Erklärung Physikalische Grundlage für die Funktionsweise der Wippe ist das Hebelgesetz. Wie ein Hebel funktioniert, hat der griechische Mathematiker Archimedes herausgefunden, der ungefähr von 287 bis 212 vor Christus lebte. Er experimentierte, maß und rechnete und fand so folgenden Zusammenhang heraus: Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm Das bedeutet: Je schwerer die Last, die mit einer möglichst kleinen Kraft gehoben werden soll, desto länger muss der Kraftarm sein im Vergleich zum Lastarm. Bei der Wippe muss also das der leichtere Gegenstand am längeren Hebel sein, um den schweren Gegenstand ausgleichen zu können. Fortsetzungsmöglichkeiten Infobox Klasse 1/2 Kompetenzfeld 7: Natur macht neugierig Experiment zur Hebelwirkung Fachgebiet: Physik Zeitaufwand: 10 Minuten Ausprobieren anderer Münzkombinationen: 3 Münzen auf der einen Seite, eine einzelne Münze auf der zweiten Seite etc. Wie müssen sich die Schüler auf der Wippe im Schulhof verteilen um sie ins Gleichgewicht zu bringen? Alltagsbezug Wippe auf dem Kinderspielplatz, Balkenwaage Hebel Hebelwirkung Phänomen: Einseitiger Hebel Material Hebel als Hilfsmittel 3 schwere Bücher 1 langes Lineal (30 cm) ein Stück Rundholz Problemstellung Wie lassen sich schwere Gegenstände ohne große Anstrengung einfach anheben? Versuchsüberblick Zu Zeiten als es noch keine Lastenkräne gab mussten Baumeister andere Wege finden um schwere Steine an deren Bestimmungsort zu bringen. Aber wie haben sie es geschafft diese Steine zu bewegen oder anzuheben? Bei diesem Versuch kann man genau das ausprobieren. Tipps & Tricks Beschreibung Die Bücher werden auf dem Tisch übereinander gestapelt. Nun soll versucht werden den Bücherstapel mit dem kleinen Finger anzuheben. Dafür wird der Finger unter eine Seite der Bücher geschoben. Dann wird diese Seite angehoben. Im zweiten Teil des Versuchs soll überlegt werden wie die Bücher mit weniger Kraftanstrengung angehoben werden können. Dafür wird das Lineal unter eine Seite des Bücherstapels geschoben. Das Lineal wird mit dem Rundholz unterlegt. Wo muss das Rundholz liegen damit sich die Bücher am leichtesten anheben lassen? Ergebnis/Beobachtung Es ist sehr anstrengend das Buch mit dem kleinen Finger anzuheben. Wird der Stift als Hebel eingesetzt, so ist wesentlich weniger Kraft notwendig. Je näher das Rundholz an den Büchern liegt, desto leichter lassen sie sich anheben. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Einseitiger Hebel Hebel als Hilfsmittel Erklärung Hebel sind kraftumformende Einrichtungen. Mit ihrer Hilfe lassen sich mit relativ geringem Kraftaufwand große Kräfte erzeugen. Hebel verfügen über eine Drehachse und zwei Kraftarme. Bei einseitigen Hebeln wirken beide Kräfte von der Drehachse gesehen auf der gleichen Seite. Hebel dienen nicht der Einsparung von mechanischer Arbeit, sie verringern lediglich die Kraft, die zum Bewegen oder Anheben eines Gegenstandes notwendig ist. Dabei wird allerdings der Weg, der dabei zurückzulegen ist, länger. Fortsetzungsmöglichkeiten Ausprobieren längerer Holzleisten als Hebel. Was muss verändert werden? Alltagsbezug Infobox Klasse 1/2 Kompetenzfeld 7: Natur macht neugierig Experiment zur Hebelwirkung Fachgebiet: Physik Zeitaufwand: 10 Minuten Nussknacker, Schubkarre, Bremshebel am Fahrrad Hebel Hebelwirkung Phänomen: Einseitiger Hebel Material Hebel am Körper 1 Stofftasche 3-4 Bücher Problemstellung Gibt es am menschlichen Körper auch Hebel? Versuchsüberblick An vielen Stellen im menschlichen Körper kommt die Hebelgesetze zum Einsatz. Kiefer und Achillessehne sind nur zwei Beispiele. Am einfachsten demonstrieren lässt sich die Hebelwirkung jedoch am menschlichen Arm. Beschreibung Tipps & Tricks Die Bücher werden in die Stofftasche gelegt. Ein Schüler winkelt seinen Unterarm im rechten Wickel an und nimmt die Tasche in die Hand. Anschließend wird ihm die Tasche auf Höhe des Handgelenks an den Unterarm gehängt. Dann wird die Tasche in kleinen Schritten immer näher in Richtung Ellbogen geschoben. Wie fühlt sich das Gewicht der Tasche in den einzelnen Positionen an? Wie lässt sich die Tasche mit der geringsten Kraftanstrengung tragen? Ergebnis/Beobachtung Je näher sich die Tasche am Ellbogengelenk befindet, desto leichter wird sie empfunden. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Einseitiger Hebel Hebel am Körper Erklärung Hebel sind kraftumformende Einrichtungen. Mit ihrer Hilfe lassen sich mit relativ geringem Kraftaufwand große Kräfte erzeugen. Hebel verfügen über eine Drehachse und zwei Kraftarme. Bei einseitigen Hebeln wirken beide Kräfte von der Drehachse gesehen auf der gleichen Seite. Hebel dienen nicht der Einsparung von mechanischer Arbeit, sie verringern lediglich die Kraft, die zum Bewegen oder Anheben eines Gegenstandes notwendig ist. Dabei wird allerdings der Weg, der dabei zurückzulegen ist, länger. Fortsetzungsmöglichkeiten Wie sich die Wirkungsweise der Hebel verhält kann auch an einer Türklinke erforscht werden. Infobox Wie muss ich die Türklinke greifen, dass ich möglichst wenig Kraft anwenden muss? Eher Innen? Oder doch Außen? Klasse 1/2 Alltagsbezug Kompetenzfeld 7: Natur macht neugierig Tragen schwerer Taschen Experiment zur Hebelwirkung Fachgebiet: Physik Verwandte Themenbereiche: Biologie Zeitaufwand: 10 Minuten Hebel Hebelwirkung Phänomen: Brücken Material Leonardo-Brücke Mind. 8 Holzleisten der Größe 375 x 30 x 6 mm, z.B. unbehandeltes Buchenholz: - für die Bogenbrücke benötigt man 18 Leisten - für eine Spannweite von 2,80m sind 44 Leisten erforderlich Problemstellung Eine Brücke ohne Nägel, Schrauben und Leim – kann das funktionieren? Versuchsüberblick XXX Tipps & Tricks Beschreibung Konzipiert wurde diese bogenförmige Brücke von Leonardo da Vinci schon im 15. Jahrhundert. Die Leonardo-Brücke funktioniert ohne Leim und Nägel, nur mit Druck und Gegendruck. Die Holzleisten werden dazu leiterartig, wie im Bild zu sehen, übereinandergelegt,. Ergebnis/Beobachtung Schon mit 8 Holzleisten entsteht eine kleine Brücke, die mit jedem weiteren Schritt bogenförmig bis zu einer Spannweite von ca. 2,80m wächst (mit 44 Leisten). Hebel Hebelwirkung Phänomen: Brücken Leonardo-Brücke Infobox Klasse 1/2 Kompetenzfeld 7: Natur macht neugierig Experiment zur Hebelwirkung Fachgebiet: Physik Zeitaufwand: 10 Minuten Bausatz (Preise ohne Gewähr) - www.lms.de - Leonardo Brücke aus Holz mit Aufbewahrungskasten (Spannweite 1,20m); Preis: 11,35€ inkl. MwSt. www.tischlerschuppen.de - Leonardo- Brücke als Lehrmittel (Spannweite 2,80m); Preis: 79,90€ inkl. MwSt. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Schere Material Die Schere als Hebel Drei verschieden große Scheren: Nagelschere, Kinderschere, große Schere 1 Stück dicke Pappe Problemstellung Warum gibt es so viele verschiedene Scheren? Mit welcher Schere lässt sich dicke Pappe am leichtesten Schneiden? Versuchsüberblick Für fast jedes Material gibt es eine besondere Schere. Aber ist dies wirklich nötig? Und welche Schere eignet sich für welches Material? Bei diesem Versuch wird genau das ausprobiert. Beschreibung Tipps & Tricks Mit welcher lässt sich die Pappe am leichtesten zerschneiden? Das dicke Stück Pappe soll auseinander geschnitten werden. Dazu werden die verschiedenen Scheren nacheinander ausprobiert. Angefangen wird mit der kleinsten Schere, dann die Kinderschere und zum Schluss die große Schere. Ergebnis/Beobachtung Die Nagelschere schneidet die Pappe überhaupt nicht, mit der Kinderschere geht es sehr schwer. Die große, lange Schere schneidet die Pappe am besten. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Schere Die Schere als Hebel Erklärung Hebel sind kraftumformende Einrichtungen. Mit ihrer Hilfe lassen sich mit relativ geringem Kraftaufwand große Kräfte erzeugen. Hebel verfügen über eine Drehachse und zwei Kraftarme. Bei zweiseitigen Hebeln wirken die Kräfte auf verschiedenen Seiten der Drehachse. Hebel dienen jedoch nicht der Einsparung von mechanischer Arbeit, sie verringern lediglich die Kraft, die zum Bewegen oder Anheben eines Gegenstandes notwendig ist. Dabei wird allerdings der Weg, der dabei zurückzulegen ist, länger. Fortsetzungsmöglichkeiten Alternativer Versuchsaufbau: ein dicker Draht soll mit verschieden lagen Zangen durchgekniffen werden. Infobox Zum Weiterdenken: Warum haben Astscheren so lange Griffe? Klasse 1/2 Kompetenzfeld 6: Mensch, Tier und Pflanzen Experiment zur Hebelwirkung Fachgebiet: Physik Verwandte Themenbereiche: Technik Zeitaufwand 10 Minuten Alltagsbezug Astscheren mit längenverstellbaren Griffen Scheren Zangen Hebel Hebelwirkung Phänomen: Einseitiger Hebel Material Wie funktioniert eine Zugbrücke? 1 Holzleiste (30 cm x 3 cm) Kleine Gegenstände (Zuckerwürfel, Schrauben, Muttern, Büroklammern, Knöpfe…) Schnur Problemstellung An welcher Stelle muss das Zugseil angebracht werden, sodass sich die Brücke ganz einfach nach oben ziehen lässt? Versuchsüberblick Eine Zugbrücke ist eine bewegliche Brücke, die mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung hochgeklappt werden kann, um den Zugang zu einem Tor zu kontrollieren oder die Durchfahrt von Schiffen auf einer Wasserstraße zu ermöglichen Tipps & Tricks Beschreibung Zuerst schneidet man ein Stück Schnur ab und verknotet die beiden Schnurenden. Die Schnur wird unter die Holzleiste gelegt, so dass man die Holzleiste mit der Schnur hochziehen kann. Jetzt wird unsere Zugbrücke mit kleinen Teilen, wie Schrauben und Muttern, beschwert. Die Zugbrücke wird jetzt an der nicht beschwerten Stelle festgehalten, damit eine Achse entsteht, und am Zugseil nach oben gezogen. Was passiert, wenn die Position des Zugseils verändert wird? Ergebnis/Beobachtung Die Brücke lässt sich umso leichter heben, je weiter entfernt das Zugseil von der Achse ist. Hebel Hebelwirkung Phänomen: Einseitiger Hebel Wie funktioniert eine Zugbrücke? Erklärung Hebel sind kraftumformende Einrichtungen. Mit ihrer Hilfe lassen sich mit relativ geringem Kraftaufwand große Kräfte erzeugen. Hebel verfügen über eine Drehachse und zwei Kraftarme. Bei einseitigen Hebeln wirken beide Kräfte von der Drehachse gesehen auf der gleichen Seite. Hebel dienen nicht der Einsparung von mechanischer Arbeit, sie verringern lediglich die Kraft, die zum Bewegen oder Anheben eines Gegenstandes notwendig ist. Dabei wird allerdings der Weg, der dabei zurückzulegen ist, länger. Dabei ist festzustellen, dass je näher sich die Position des Zugseils an der Drehachse befindet, umso größer wird die Kraft die aufzubringen ist, jedoch sinkt der zurückzulegende Weg des Zugseils um die selbe Masse eines Brückenträgers zu heben. Fortsetzungsmöglichkeiten Infobox Um das Phänomen noch deutlicher zu machen, kann anstatt der Schnur ein Gummi als Zugseil verwendet werden. An welcher Stelle wird das Gummi mehr gedehnt? Klasse 1/2 Alltagsbezug Kompetenzfeld Natur macht neugierig Zugbrücken Experiment zur Hebelwirkung Fachgebiet: Physik Verwandte Themenbereiche: Zeitaufwand 15 Minuten
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