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Illustration: ein Kind fährt auf einem Fahrrad nach rechts, hinter ihm Bewegungslinien. Darüber schwebt eine große Stoppuhr.

Physik · Niedersachsen · Sek I

Geschwindigkeit und Bewegungsdiagramme

Eine Unterrichtsreihe zu gleichförmigen Bewegungen für Klasse 7 und 8 nach dem niedersächsischen Kerncurriculum. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Bewegungen mit Bezugskörper, Ort und Zeit, berechnen Geschwindigkeiten, rechnen zwischen m/s und km/h um, zeichnen und deuten t-s- und t-v-Diagramme, unterscheiden Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit und begründen Verkehrsregeln mit dem Reaktionsweg.

Klassen
7–8
Schulformen
Gymnasium, Oberschule
Umfang
11 Unterrichtsstunden
Fach
Physik
Bundesland
Niedersachsen
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Lernziele

  • Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Bewegungen relativ zu einem Bezugskörper mit Ort und Zeit und halten sie in Messtabellen fest.
  • Sie berechnen Geschwindigkeit, Weg und Zeit mit v = s/t und rechnen zwischen m/s und km/h um.
  • Sie zeichnen t-s-Diagramme gleichförmiger Bewegungen, deuten die Steigung als Geschwindigkeit und bestimmen Treffpunkte.
  • Sie zeichnen t-v-Diagramme, deuten die Fläche unter dem Graphen als Weg und wechseln zwischen beiden Diagrammen.
  • Sie unterscheiden Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit und vermeiden den Fehler, Geschwindigkeiten einfach zu mitteln.
  • Sie berechnen Reaktionswege und begründen Verkehrssicherheitsregeln physikalisch.

Bezug zum Kerncurriculum

Kerncurriculum für das Gymnasium Schuljahrgänge 5–10 Naturwissenschaften (Niedersachsen, 2015), Teil Physik

  • Inhaltsbereich: Mechanik
  • Kompetenzerwartung: verwenden lineare t-s- und t-v-Diagramme zur Beschreibung geradliniger Bewegungen.
  • Kompetenzerwartung: erläutern die zugehörigen Gleichungen.
  • Kompetenzerwartung: verwenden Größen und Einheiten und führen erforderliche Umrechnungen durch.
  • Kompetenzerwartung: fertigen Grafen zu proportionalen oder linearen Zusammenhängen an.
  • Kompetenzerwartung: wechseln zwischen sprachlicher, grafischer und algebraischer Darstellung eines Zusammenhanges.
  • Kompetenzerwartung: verwenden Regeln über die sinnvolle Genauigkeit von Zahlenangaben.
  • Kompetenzerwartung: begründen Verkehrssicherheitsregeln.
  • Kompetenzerwartung: argumentieren mithilfe von Diagrammen, insbesondere zu proportionalen Zusammenhängen.

Ablauf

  1. Abschnitt 1

    Bewegungen beschreiben

    Bezugskörper, Ruhe und Bewegung, Ort, Weg und Zeit, Messtabelle, Arten von Bewegungen, Messung auf dem Schulhof.

    • Lektion

      Bewegungen beschreiben: Bezugskörper, Ort und Zeit

      Du sitzt im Zug, der Zug fährt. Bewegst du dich? Für deine Sitznachbarin sitzt du still. Für jemanden am Bahnsteig rast du mit 120 km/h vorbei…

    • Aufgabe

      Schulhofmessung

      Messt in der Gruppe auf dem Schulhof, wie gleichmäßig eine Person geht und wie gleichmäßig sie läuft.

      1. Markiert alle 5 m eine Linie bis 30 m.
      2. Notiert die Zeiten an jeder Linie in einer Messtabelle.
      3. Entscheidet mit der Tabelle, ob die Bewegungen gleichförmig waren.

      Nur auf dem Schulhof messen, nicht auf der Straße.

  2. Abschnitt 2

    Geschwindigkeit berechnen

    v = s/t, Einheiten m/s und km/h, Umrechnen mit 3,6, typische Geschwindigkeiten, Gleichung umstellen, sinnvolle Genauigkeit.

  3. Abschnitt 3

    Das t-s-Diagramm

    Aufbau, Ursprungsgerade, Steigung als Geschwindigkeit, Startort, Ruhe, Treffpunkt zweier Körper, interaktiver Graph.

  4. Abschnitt 4

    Das t-v-Diagramm

    Gleichförmige Bewegung als waagerechte Linie, Fläche als Weg, Wechsel zwischen t-s- und t-v-Diagramm, Ausblick auf beschleunigte Bewegung.

    • Lektion

      t-v-Diagramm: Geschwindigkeit und Weg als Fläche

      Der Tacho eines Autos zeigt in jedem Moment die Geschwindigkeit an. Schreibt man die Tachowerte während einer Fahrt Sekunde für Sekunde auf, erhält…

    • Aufgabe

      Diagramme zu einer Fahrt

      Denk dir eine Fahrt mit dem Rad aus drei Abschnitten aus (zum Beispiel fahren, warten, schneller fahren).

      1. Schreibe die Abschnitte mit Zeit und Geschwindigkeit auf.
      2. Zeichne das t-v-Diagramm und berechne den Gesamtweg über die Flächen.
      3. Zeichne das passende t-s-Diagramm.

  5. Abschnitt 5

    Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit

    Gesamtweg durch Gesamtzeit, Tacho und Radar, Durchschnitt im t-s-Diagramm, Mittelwertfehler, Abschnittskontrolle.

    • Lektion

      Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit

      Ein Navi sagt: „Ankunft in 1 Stunde, 80 km.“ Trotzdem fährt das Auto nicht die ganze Zeit mit 80 km/h. Mal steht es an der Ampel, mal fährt es auf…

    • Häufiger Fehler

      Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist nur dann der Mittelwert der Geschwindigkeiten, wenn alle Abschnitte gleich lange dauern. Sonst immer Gesamtweg durch Gesamtzeit rechnen.

  6. Abschnitt 6

    Reaktionsweg und Verkehrssicherheit

    Reaktionszeit und Reaktionsweg, Bremsweg und Anhalteweg nach Faustformel, Verkehrsregeln begründen, Übungsmix zur ganzen Reihe.

    • Lektion

      Reaktionsweg berechnen: Anhalteweg und Verkehrssicherheit

      Vor einer Schule gilt oft Tempo 30. Macht das wirklich einen Unterschied zu 50 km/h? Wenn plötzlich ein Kind zwischen parkenden Autos auf die Straße…

    • Material

      Anhalteweg (Wikipedia)

      Wikipedia, Lizenz: CC BY-SA 4.0

    • Aufgabe

      Plakat Tempo 30

      Gestalte ein Plakat für die Straße vor deiner Schule, das mit Physik begründet, warum dort Tempo 30 gilt.

      1. Berechne Reaktionsweg und Anhalteweg für 30 km/h und 50 km/h.
      2. Stelle beide Anhaltewege maßstabsgetreu nebeneinander dar.
      3. Formuliere einen kurzen, sachlichen Satz für Autofahrerinnen und Autofahrer.

Hinweise für Lehrkräfte

Einordnung in das Kerncurriculum

Das Kerncurriculum Naturwissenschaften für das Gymnasium (2015) ordnet „Bewegung, Masse und Kraft“ dem Doppeljahrgang 7/8 zu: Die Schülerinnen und Schüler verwenden lineare t-s- und t-v-Diagramme zur Beschreibung geradliniger Bewegungen, erläutern die zugehörigen Gleichungen und nutzen sie zur Lösung einfacher Aufgaben. Im Kompetenzbereich Bewertung steht „begründen Verkehrssicherheitsregeln“. Das Kerncurriculum der Oberschule (2013) verlangt bis Ende Jahrgang 8 die qualitative Beschreibung gleichförmiger Bewegungen mit t-s- und t-v-Diagrammen, die Unterscheidung von Momentan- und Durchschnittsgeschwindigkeit und die Bewegungsgleichungen. Gleichmäßig beschleunigte Bewegungen folgen dort in 9/10 und erscheinen in dieser Reihe nur als Ausblick (Lektion 4, Knobelaufgabe). Masse und Kraft sind nicht Teil dieser Reihe.

Zeitplan (etwa 11 Stunden)

AbschnittStundenSchwerpunkt
1 Bewegungen beschreiben2Bezugskörper, Messtabelle, Schulhofmessung
2 Geschwindigkeit2v = s/t, Umrechnen, Größenordnungen, Umstellen
3 t-s-Diagramm2Steigung, Startort, Treffpunkt
4 t-v-Diagramm2Fläche als Weg, Diagrammwechsel
5 Durchschnitt und Moment1–2Mittelwertfehler, Abschnittskontrolle
6 Reaktionsweg, Sicherung1–2Anhalteweg, Verkehrsregeln, Übungsmix

Sicherheit

  • Messungen mit Gehen, Laufen oder Fahrrädern nur auf dem Schulhof oder Sportplatz, nie im öffentlichen Straßenraum. Bei Fahrrädern Helm, Abstand, keine Wettrennen, festgelegte Fahrtrichtung.
  • Rollwagen auf Fahrbahnen gegen Herunterfallen sichern (Endanschlag), Füße nicht in die Fahrbahn.
  • Zeitmessung per Smartphone-Video: Aufnahmen von Mitschülerinnen und Mitschülern nur mit Einverständnis und nicht veröffentlichen.

Didaktische Hinweise

  • Das Kerncurriculum betont den Wechsel zwischen Sprache, Tabelle, Graph und Gleichung. Jede Lektion verlangt mindestens einen solchen Wechsel. Die Reihe greift die linearen Funktionen aus Mathematik Klasse 7/8 auf: Die Geschwindigkeit ist die Steigung, der Startort der y-Achsenabschnitt.
  • Die interaktiven Graphen in Lektion 3 und 4 zeigen, wie Geschwindigkeit und Startort die Graphen verändern. Lassen Sie vorher Vermutungen formulieren.
  • Achten Sie auf korrekt beschriftete Achsen mit Größe und Einheit und auf sinnvolle Genauigkeit der Ergebnisse.
  • Die Fahrschul-Faustformeln für Reaktions- und Bremsweg sind Näherungen. Der Bremsweg wird nicht hergeleitet, weil er eine beschleunigte Bewegung ist.
  • Digitale Messung: Videoanalyse (zum Beispiel mit einer kostenlosen Videoanalyse-App) oder Lichtschranken liefern genauere Werte als Handstoppung.

Typische Fehlvorstellungen

  • Das t-s-Diagramm wird als Bild der Strecke gelesen („Die Linie geht bergauf“).
  • Eine waagerechte Linie im t-v-Diagramm bedeutet Stillstand.
  • Durchschnittsgeschwindigkeit = Mittelwert der Geschwindigkeiten.
  • Beim Umrechnen wird mit 3,6 in die falsche Richtung multipliziert.
  • Ein Körper ist „in Ruhe“ ohne Angabe eines Bezugskörpers.

Differenzierung

  • Grundlagenaufgaben: Einsetzen, Umrechnen, Ablesen. Weiter-Aufgaben: mehrteilige Bewegungen, Diagrammwechsel, Fehleranalyse.
  • Knobelaufgaben: Begegnung zweier Züge, unmöglicher Durchschnitt am Berg, Ausblick auf beschleunigte Bewegungen.
  • Für schwächere Lernende: Umrechnungstabelle km/h und m/s, vorgezeichnete Achsen.

Prozessbezogene Kompetenzen

  • Erkenntnisgewinnung: Messtabellen anlegen, abhängige und unabhängige Größen erkennen, lineare Diagramme zeichnen.
  • Mathematisieren: Größengleichungen umformen, Einheiten umrechnen, sinnvolle Genauigkeit.
  • Kommunikation: Diagramme lesen und adressatengerecht erklären.
  • Bewertung: Verkehrssicherheitsregeln begründen.

Häufige Fragen

In welcher Klasse werden t-s- und t-v-Diagramme in Niedersachsen unterrichtet?

An Gymnasium und Oberschule im Doppeljahrgang 7/8. Beschleunigte Bewegungen folgen an der Oberschule in 9/10.

Wie viele Stunden braucht die Reihe?

Etwa 11 Unterrichtsstunden. Ohne Schulhofmessung und Abschnittskontrolle reichen 9 Stunden.

Muss lineare Funktionen in Mathematik schon behandelt sein?

Es hilft, ist aber nicht nötig. Die Reihe führt Steigung und Steigungsdreieck im Physikkontext selbst ein und kann gut parallel zum Mathematikunterricht laufen.

Passt die Reihe für die Oberschule?

Ja. Das Oberschul-Kerncurriculum verlangt bis Ende Jahrgang 8 genau diese Inhalte, einschließlich der Unterscheidung von Momentan- und Durchschnittsgeschwindigkeit.

Quellen

Bildnachweise

  • Titelbild: KI-generiert
  • t-v-Diagramm: Eine waagerechte Linie bei 4 Meter pro Sekunde von 0 bis 6 Sekunden. Das Rechteck darunter ist gefärbt und mit s = 4 m/s mal 6 s = 24 m beschriftet.: Eigene Darstellung
  • t-s-Diagramm einer Radtour: bis 20 min steigt der Ort auf 5 km, bis 30 min Pause, bis 60 min Anstieg auf 11 km. Eine gestrichelte Gerade von Start zu Ziel zeigt den Durchschnitt 11 km/h.: Eigene Darstellung

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