Newton’sche Axiome und Erhaltungssätze – Physik E-Phase

25-seitiges Material für eine Doppelstunde Mechanik in der Einführungsphase: elastischer Stoß auf einen ruhenden Partner, die Notwendigkeit einer zweiten Erhaltungsgröße, Impuls und Impulserhaltung, Rückstoß und inelastischer Stoß. Mit Schüler- oder Demonstrationsversuch — und vollständig auswertbar auch ohne Fahrbahn. PDF farbig und schwarzweiß, dazu eine bearbeitbare Word-Datei.BeschreibungDer Impuls wird in dieser Einheit nicht gesetzt. Er wird gebraucht.Das ist der ganze didaktische Trick — und er beruht auf einer Rechnung, die man selten sieht.Die Lücke, aus der der Impuls entstehtZwei gleich schwere Wagen, einer fährt, einer ruht, Federpuffer.Die Energieerhaltung liefert eine Gleichung mit zwei Unbekannten: u₁² + u₂² = 0,16 (m/s)².Eine Gleichung, zwei Unbekannte — das hat unendlich viele Lösungen.Im Material stehen sie als Punkte auf einem Viertelkreis, und die Klasse trägt selbst weitere ein.Das Experiment zeigt aber immer genau eine davon.Also fehlt eine zweite Bedingung. Erst danach fällt das Wort Impuls.Dazu ein Punkt, der rechnerisch passt und trotzdem unmöglich ist: u₁ = 0,40 m/s und u₂ = 0.Wagen 1 müsste dafür durch Wagen 2 hindurchfahren.Der Takt, der in allen drei Einheiten gleich istDenken — Austauschen — Vorstellen.Erst schreibt jede und jeder zwei Minuten allein, dann wird zu zweit verglichen, dann stellt ein Paar vor.Viermal derselbe Ablauf. Kein Methodenwechsel, der Aufmerksamkeit kostet.Durchgehend Partnerarbeit.Alle vier Materialblätter sind für zwei gebaut. Es gibt keine Phase, in der jemand allein danebensitzt und wartet.Test holen — und selbst auswerten.Am Lehrerpult liegt ein Test über zwölf Punkte, überwiegend Ankreuz- und Lückenaufgaben, dazu zwei Rechnungen und eine Beurteilungsaufgabe.Daneben liegt der Erwartungshorizont mit einer Tabelle, die Punkte in Prozent umrechnet.Die Lernenden tragen ihre Prozentzahl auf dem Laufzettel ein und lesen dort in vier Stufen, was sie bedeutet.Der Test wird nicht eingesammelt und nicht benotet.Das steht auf jedem Blatt — und nur deshalb funktioniert er als ehrliche Rückmeldung.Die vier BausteineM1 · Der Versuch.Drei elastische Stöße auf einen ruhenden Partner, mit gleichen und mit ungleichen Massen.Als Schülerversuch an Stationen, als Demonstration — oder mit den abgedruckten Werten, wenn keine Fahrbahn zur Verfügung steht. Die Auswertung funktioniert in allen drei Fällen vollständig.M2 · Die Energie reicht nicht.Die Paare rechnen die Lücke selbst nach und tragen erlaubte Wertepaare in den Kreis ein.Am Ende steht eine offene Frage an der Tafel, nicht eine neue Formel.M3 · Die zweite Größe.p = m · v, die Impulserhaltung an den eigenen Messwerten geprüft — und vier Zeilen, die zeigen, dass sie gar keine neue Annahme ist: Sie folgt aus dem zweiten und dritten Axiom.Dazu die vollständige Herleitung der Stoßformeln, Schritt für Schritt, mit der Zwischenzeile v₁ + u₁ = u₂.M4 · Rückstoß und Knetstoß.Zwei weitere Versuche. Beim einen ist der Gesamtimpuls vorher null, beim anderen bleibt die kinetische Energie nicht erhalten.Der Impuls bleibt in beiden Fällen unverändert — genau das ist der Punkt.Was dieses Material anders machtDer Weg über die Lücke.Die meisten Materialien führen den Impuls als Definition ein und prüfen ihn dann am Versuch.Hier steht der Versuch am Anfang, die Lücke in der Mitte und der Impuls am Ende — als Antwort auf eine Frage, die die Klasse selbst gestellt hat.Eine Befundseite, die auch sagt, was nicht belegt ist.Belegt: Impuls- und Energieargumente werden systematisch vermengt. Beim elastischen Stoß liegen selbst Fortgeschrittene nur zu 48 Prozent richtig; 36 Prozent nehmen die kinetische Energie undifferenziert als erhalten an (Physical Review Physics Education Research 19, 2023).Nicht belegt: Schülervorstellungen zum Rückstoß — dazu wurde keine Studie gefunden.Ebenso wenig gefunden: deutschsprachige Empirie zum Impuls in der Einführungsphase. Das Standardwerk streift den Impuls nur. Diese Lücke steht im Material, statt übergangen zu werden.Die Zahlen sind ehrlich eingeordnet.Die zitierten Werte stammen aus US-amerikanischen Hochschul-Einführungskursen. Sie sagen: Das Problem existiert. Sie sagen nicht, wie groß es in einer deutschen E-Phase ist — und genau das steht im Heft.Was drin istÜberblicksseite für die Lehrkraft mit Materialliste und KürzungsvarianteAblaufplan über 90 Minuten mit Minutenangaben und SozialformenBefundseite in drei Spalten: belegt, uneinheitlich, nicht belegtSachanalyse mit Impuls, Impulserhaltung, beiden Stoßformeln und drei Grenzfällen zum PrüfenVoraussetzungsseite mit einem Fünf-Minuten-Check zum VorlesenEinstiegsblatt mit einer Vorhersage, die gleich danach überprüft wirdVier Materialblätter M1 bis M4 mit je einem ArbeitsblattVersuchsbeschreibung mit Aufbau, Durchführung und WertetabelleZwei Übungsseiten mit acht Aufgaben von AFB I bis IIISelbsttest über zwei Seiten, zwölf PunkteErwartungshorizont mit Punkte-Prozent-TabelleLaufzettel für alle drei Tests der ReiheLösungen zu allen Materialblättern und Übungen, mit RechenwegQuellenseite mit Autor, Jahr und FundstelleFür wenPhysik in der Einführungsphase, Klasse 10 oder 11, Gymnasium und Gesamtschule.Die Einheit setzt die kinetische Energie und das dritte Newton’sche Axiom voraus — beides wird auf der Voraussetzungsseite abgefragt.Der Inhalt ist bundesweit einsetzbar.Zusätzlich als Word-DateiEinstiegsblatt, Materialblätter, Arbeitsblätter, Übungen, Test, Erwartungshorizont und Lösungen liegen zusätzlich als bearbeitbare Word-Datei bei.So lassen sich die Messwerte durch eigene ersetzen.Die Sachanalyse, die Befundseite und die Quellenseite sind bewusst nicht enthalten.FormatPDF in Farbe, 25 Seiten, A4PDF in Schwarzweiß, 25 Seiten, A4, für den KopiererWord-Datei mit allen Schülerseiten, Übungen, Test, Erwartungshorizont und Lösungenalle Schriften eingebettet, direkt druckbar ohne ZusatzsoftwareHinweisStand der Recherche: September 2026.Die abgedruckten Messwerte sind gerechnete Sollwerte für einen idealen Versuch; das steht so auch im Material. Eigene Messungen weichen in der zweiten Stelle ab — ein guter Anlass, über Messunsicherheit zu sprechen.Alle Zeichnungen, Diagramme und Skizzen sind eigene Gestaltung.

Klassenstufen: EF (10./11. Jhg.), Q1 (11./12. Jhg.)

25-seitiges Material für eine Doppelstunde Mechanik in der Einführungsphase: Arbeit, kinetische und potenzielle Energie, Energieerhaltung und energetisch abgeschlossene Systeme. Die Formel für die kinetische Energie wird nicht gegeben — die Klasse liest sie aus zwei Diagrammflächen ab. PDF farbig und schwarzweiß, dazu eine bearbeitbare Word-Datei.BeschreibungEine Idee trägt die ganze Doppelstunde.Eine Fläche in einem Diagramm ist keine Fläche, sondern eine physikalische Größe. Welche, verrät ihre Einheit.Aus dieser einen Idee entsteht in vier Schritten die Formel für die kinetische Energie.Niemand muss sie glauben, weil sie im Buch steht.Der Takt, der in allen drei Einheiten gleich istDenken — Austauschen — Vorstellen.Erst schreibt jede und jeder zwei Minuten allein, dann wird zu zweit verglichen, dann stellt ein Paar vor.Viermal derselbe Ablauf. Kein Methodenwechsel, der Aufmerksamkeit kostet.Durchgehend Partnerarbeit.Alle vier Materialblätter sind für zwei gebaut. Es gibt keine Phase, in der jemand allein danebensitzt und wartet.Test holen — und selbst auswerten.Am Lehrerpult liegt ein Test über zwölf Punkte, überwiegend Ankreuz- und Lückenaufgaben, dazu zwei Rechnungen und eine Beurteilungsaufgabe.Daneben liegt der Erwartungshorizont mit einer Tabelle, die Punkte in Prozent umrechnet.Die Lernenden tragen ihre Prozentzahl auf dem Laufzettel ein und lesen dort in vier Stufen, was sie bedeutet.Der Test wird nicht eingesammelt und nicht benotet.Das steht auf jedem Blatt — und nur deshalb funktioniert er als ehrliche Rückmeldung.Die vier BausteineM1 · Eine Fläche, die ein Weg ist.Ein v-t-Diagramm, ein Dreieck, die Einheit s · m/s = m.Das kennt die Klasse — es ist die Denkbewegung, die sie gleich noch einmal braucht.M2 · Eine Fläche, die Energie ist.Derselbe Wagen, ein F-s-Diagramm, die Einheit N · m = J.Dann die Herleitung in vier Schritten: Fläche gleich Arbeit, F = m · a, s = ½ · v · t, einsetzen — und die Zeit kürzt sich vollständig heraus. Übrig bleibt ½mv².M3 · Die Summe bleibt gleich.Eine Bilanztabelle für fünf Höhen: Lageenergie, Bewegungsenergie, Summe, Geschwindigkeit.Die Klasse rechnet die Erhaltung nicht nach, sie sieht sie in einer Spalte stehen.Dazu die Rechnung, die zeigt, warum die Masse sich herauskürzt.M4 · Wo zieht ihr die Grenze?Vier Situationen: Ist das betrachtete System energetisch abgeschlossen?Die Systemgrenze ist eine Entscheidung, keine Eigenschaft der Natur — und Reibung nimmt keine Energie weg, sie wandelt sie um.Was dieses Material anders machtDie Formel wird nicht gegeben.Die meisten Materialien beginnen mit ½mv² und rechnen dann. Dieses beginnt mit einer Fläche und einer Einheit.Der Umweg dauert zwanzig Minuten und ist die einzige Stelle, an der die Formel begründet wird.Die Frage nach der Einheit steht vor der Deutung.Nicht „Was ist die Fläche?“, sondern „Welche Einheit hat sie?“Die Einheit verrät die Größe — das überzeugt mehr als jede Ansage.Eine Befundseite, die auch sagt, was nicht belegt ist.Belegt: Die Energieerhaltung wird erst in Klasse 10 erreicht, und auch dort nur von einem Teil (Neumann und andere 2013, n = 1 856, deutsche Klassen 6, 8 und 10).Genau die Stufe also, die am Übergang in die Oberstufe noch nicht gesichert ist.Nicht belegt: dass die grafische Herleitung besser funktioniert als die algebraische. Dazu gibt es keine Untersuchung — das steht im Material, statt behauptet zu werden.Was drin istÜberblicksseite für die Lehrkraft mit Materialliste und KürzungsvarianteAblaufplan über 90 Minuten mit Minutenangaben und SozialformenBefundseite in drei Spalten: belegt, uneinheitlich, nicht belegtSachanalyse zu Arbeit, kinetischer und potenzieller Energie, Erhaltung und SystemgrenzeVoraussetzungsseite mit einem Fünf-Minuten-Check zum VorlesenEinstiegsblatt: zwei Rampen, eine HöheVier Materialblätter M1 bis M4 mit je einem ArbeitsblattZwei Übungsseiten mit acht Aufgaben von AFB I bis III, darunter eine Feder mit nicht konstanter KraftSelbsttest über zwei Seiten, zwölf Punkte, mit DiagrammaufgabeErwartungshorizont mit Punkte-Prozent-TabelleLaufzettel für alle drei Tests der ReiheLösungen zu allen Materialblättern und Übungen, mit RechenwegQuellenseite mit Autor, Jahr und FundstelleFür wenPhysik in der Einführungsphase, Klasse 10 oder 11, Gymnasium und Gesamtschule.Die Einheit funktioniert für sich, schließt aber unmittelbar an die Newton’schen Axiome an: Sie braucht F = m · a und liefert die Energie, mit der in Einheit 3 der Impuls begründet wird.Der Inhalt ist bundesweit einsetzbar.Zusätzlich als Word-DateiEinstiegsblatt, Materialblätter, Arbeitsblätter, Übungen, Test, Erwartungshorizont und Lösungen liegen zusätzlich als bearbeitbare Word-Datei bei.So lassen sich Zahlenwerte und Aufgabenstellungen an die eigene Lerngruppe anpassen.Die Sachanalyse, die Befundseite und die Quellenseite sind bewusst nicht enthalten.FormatPDF in Farbe, 25 Seiten, A4PDF in Schwarzweiß, 25 Seiten, A4, für den KopiererWord-Datei mit allen Schülerseiten, Übungen, Test, Erwartungshorizont und Lösungenalle Schriften eingebettet, direkt druckbar ohne ZusatzsoftwareHinweisStand der Recherche: September 2026.Alle Rechnungen im Heft verwenden g = 9,81 m/s². Wer mit 10 m/s² rechnet, muss die Ergebnisse um rund zwei Prozent anpassen; darauf weist die Quellenseite ausdrücklich hin.Alle Zeichnungen, Diagramme und Skizzen sind eigene Gestaltung.

Klassenstufen: EF (10./11. Jhg.), Q1 (11./12. Jhg.)