Die Challenge:
Welches Material eignet sich am besten für eine schnelle und präzise Messung einer unbekannten Höhe, auf der ihr euch befindet? Ihr habt nur ein 30cm-Lineal zur Verfügung, aber auch einen Tisch mit weiteren Materialien (die Liste findet ihr etwas weiter unten in der Infobox). Diese knifflige Challenge war Teil des Castings der ersten Staffel der Take Off Show. Wir zeigen euch, wie ihr diese Challenge mit eurer Gruppe von Schülern oder Jugendlichen nachstellen könnt – eine unterhaltsame mathematische Herausforderung.
Hier könnt ihr euch die Episode von Take Off anschauen, in der diese Challenge vorkommt: Take Off Show Luxembourg | The Quest for the Top 12! 🚀 Episode 1 | S.1 (youtube.com) (ab Minute 10:25)
Eine Science Challenge, ebenso wie ein Experiment, ermöglicht einerseits Wissenschaft interaktiv und spannend zu behandeln, andererseits aber auch die wissenschaftliche Methode zu vermitteln.
Regeln:
- Die Gruppe/Person, die nach 3 Minuten am nächsten am richtigen Wert der Höhe liegt, hat die Challenge gewonnen
- Alle Gruppen haben jeweils nur 3 Minuten Zeit, die Höhe zu bestimmen
- Die Teams/Personen machen die Challenge nacheinander. Die richtige Höhe wird erst bekanntgegeben, wenn alle Teams/Personen ihren Wert gemessen haben
- Es darf nichts hinuntergeworfen werden, das kaputt gehen kann (z.B. Stoppuhr, Laserpointer)
- Es darf nur das Material benutzt werden, was auf dem Tisch zur Verfügung gestellt wurde
Infobox
Take Off ist eine wissenschaftliche Science-Gameshow, in denen sich 12 smarte junge Erwachsene kniffligen Challenges stellen. In jeder Folge scheidet ein Kandidat aus. Im großen Finale nimmt dann der oder die Gewinnerin den Preis von 10.000 € mit nach Hause.
Die Show wird auf RTL, RTL Play und YouTube ausgestrahlt. Auf Instagram und TikTok gibt es kurze, unterhaltsame behind-the-scenes Videos mit den Kandidaten und den Moderatoren zu sehen.
Eckdaten:
- Thema: Mathematik
- Dauer: 30 – 40 Minuten (Plus Vorbereitung)
- Schwierigkeits-Level: Fortgeschritten
- Wettkampf: Einzeln oder in Gruppen von bis zu 4 Personen.
- Vorbereitung: ++ (etwas aufwändig)
Infobox
Die Schwierigkeit der Challenge variiert je nach zur Verfügung gestelltem Material und der Zeit, die sie haben, die Höhe zu bestimmen.
Für den Challengemaster (Person, die die Challenge vorbereitet):
- Lasermeter
- Kreide oder Tape
- Papier oder Tafel
Für die Challenge:
- 30cm Lineal
- Geodreieck/ Winkelmesser
- Laserpointer
- mehrere Tennisbälle
- Stoppuhr
- Formel ausgedruckt auf Papier:
h=Höhe, g= Erdanziehung 9.81 m/s2; t= gemessene Zeit
- Taschenrechner
- Langes Seil
- Karabiner oder ein kleines Gewicht
Vor der Challenge sind folgende Vorbereitungen zu treffen:
- Einen geeigneten Ort auswählen, beispielsweise ein Fenster oder einen Balkon. Dabei ist es wichtig, dass die Höhe mindestens 5 Meter beträgt und am Boden mindestens dieselbe Distanz zur Verfügung steht. Es ist besonders wichtig, auf die Sicherheit zu achten: Wählt einen Ort, an dem keine Gefahr besteht, dass jemand hinunterfällt. Gegebenenfalls sollte der Bereich am Boden, wo Objekte hinunterfallen könnten, abgesperrt werden.
- Die zu bestimmende Höhe genau und mehrmals messen, idealerweise mit einem Lasermeter oder alternativ mit einem langen Maßband. Smartphones mit Lidar-Sensor können ebenfalls die Höhe präzise messen.
- Perpendikulär zur Höhe sollten auf dem Boden die Meter (z.B. mit Kreide) markiert werden – mindestens genauso viele Meter wie die Höhe beträgt, am besten jedoch mehr.
- Einkauf der benötigten Materialien.
Konkreter Ablauf: Die wissenschaftliche Methode anhand der Science Challenge vermitteln
Diese Science Challenge kann sowohl individuell als auch in Gruppen durchgeführt werden. Es ist entscheidend, dass alle Teilnehmenden identisches Material verwenden und die Regeln sowie Gewinnkriterien klar verstanden werden. Die Schwierigkeit der Challenge variiert je nach zur Verfügung gestelltem Material und der Zeit, die sie haben, die Höhe zu bestimmen.
Der Ablauf der Challenge ist angelehnt an 4 Schritten, die es erlauben, die wissenschaftlichen Methode zu vermitteln: 1. Frage, 2. Hypothesen, 3. Experiment /Test 4. Schlussfolgerung.
Die Frage ist die eigentliche Challenge. Die Schüler formulieren anschließend ganz intuitiv ihre Hypothesen: Wie genau will ich die Challenge am besten lösen? Welche Methode ist am vielversprechendsten? Diese Hypothese wird danach im Experiment bzw. der Durchführung getestet. Wenn unterschiedliche Gruppen unterschiedliche Herangehensweisen haben, werden somit unterschiedliche Hypothesen getestet. Das Resultat zeigt dann, welche Hypothese die bessere war.
Infobox
Die wissenschaftliche Methode beginnt mit einer Frage, die man sich stellt. Ein Beispiel einer Frage könnte sein: „Welchen Einfluss hat Licht auf das Wachstum von Pflanzen?“ Anschließend formuliert der Forscher eine Hypothese, eine vorläufige denkbare Erklärung, zum Beispiel: „Pflanzen wachsen besser in hellem Licht, weil sie Fotosynthese betreiben können, um Nahrung herzustellen.”. Die Hypothese wird dann durch Experimente oder Beobachtungen getestet, um zu überprüfen, ob sie richtig oder falsch ist. In diesem Falle würde man die Hypothese testen, indem man zwei Gruppen von Pflanzen nimmt, eine Gruppe in hellem Licht platziert, die andere in Dunkelheit. Das Wachstum der beiden Gruppen würde man dann über einen bestimmten Zeitraum beobachten und die Ergebnisse vergleichen. Basierend auf den Ergebnissen zieht der Forscher Schlussfolgerungen, die entweder die Hypothese bestätigen oder verwerfen können: Nachdem die Daten analysiert wurden, stellen wir fest, dass die Pflanzen, die dem Licht ausgesetzt waren, besser gewachsen sind als die in Dunkelheit. Unsere Hypothese, dass Licht das Pflanzenwachstum fördert, wird bestätigt.
1. Frage stellen: Der oder die Challengemaster gibt die Frage bekannt: Mit welchem Material misst man schnell und präzise eine unbekannte Höhe? Gewonnen hat die Gruppe, oder die Person, die am nächsten am richtigen Wert liegt. Die Teilnehmer dürfen sich das zur Verfügung stehende Material anschauen und sollen dabei auch die markierten Meter auf dem Boden beachten.
2. Hypothesen formulieren: Nachdem jeder die Regeln sowie die Materialien kennt, haben die Teams 5 Minuten Zeit, Hypothesen zu formulieren und zu überlegen, mit welcher Methode sie die unbekannte Höhe in der kurzen Zeit (3 Minuten)* am präzisesten messen können. Nach Ablauf der 5 Minuten schreibt jede Gruppe ihre Hypothese auf die Tafel oder auf ein Blatt Papier.
3. Testen: Nun startet die Challenge. Jede Gruppe hat nacheinander** 3 Minuten Zeit, um möglichst genau die Höhe zu bestimmen. Den gemessenen Wert sollen sie notieren. Nachdem alle Gruppen gemessen haben, wird aufgelöst.
*Falls die Räumlichkeiten es erlauben, kann auch gleichzeitig gearbeitet werden
4. Schlussfolgerung/Erklärung: Gewonnen hat das Team, das nach 3 Minuten am nächsten an dem Anfang bestimmten Wert ist. Gemeinsam wird diskutiert, welche Methode am besten geeignet war und warum. (Fehlerquellen, zeitliche Komponente, Rechenmethoden) Gegebenenfalls können die Gruppen auch in einer zweiten Runde eine weiter Methode ausprobieren um sich zu verbessern.
** Wenn die Challenge etwas leichter sein soll, kann den Teilnehmenden für das Messen auch mehr Zeit geben
*Falls die Räumlichkeiten es erlauben, kann auch gleichzeitig gearbeitet werden
Mögliche Methoden:
Hier sind drei mögliche Methoden zur Lösung dieser Challenge, die wir euch vorschlagen möchten. Natürlich gibt es auch andere Ansätze, die ausprobiert werden können. Wir freuen uns sogar sehr, wenn jemand eine Idee hat, die wir noch nicht kennen! 😊 Teilt sie gerne in den Kommentaren unter dem YouTube-Video mit uns!
Methode 1: Mit Seil und Lineal
Ein Seil mit einem Gewicht (z.B. Karabiner) vom Balkon herunterlassen. Das Gewicht dient dazu, dass das Seil gerade runterhängt und nicht vom Wind verweht wird. Die Länge des Seils kann dann mit einem Lineal gemessen werden. Besser – also präziser- geht es aber, wenn man zuerst den Tisch mit dem Lineal misst und dann die Seillänge darauf abschätzt, also schaut, wie oft die Schnur in die Länge des Tischs passt. Diese Methode dauert jedoch in der Regel am längsten...
Methode 2: Mit der vereinfachten Formel von Newton
Hierzu lässt man einen Ball von oben fallen und misst die Zeit, die er braucht, um unten anzukommen. Hierfür benötigt man eine vereinfachte Formel von dem Gravitationsgesetz von Isaac Newton: 
wird zu h=1/2gt2. Die Fallhöhe h im freien Fall lässt sich mit der Formel h=1/2gt2 berechnen, wobei t die Zeit ist, die seit Beginn des freien Falls vergangen ist. Der Nachteil dieser Methode ist, dass schon einige Zehntelsekunden in der Zeitmessung große Unterschiede im Resultat ausmachen können. Um einen genaueren Wert zu erhalten, sollte man mehrmals die Zeit des Falls stoppen und davon dann den Durchschnitt nehmen. Auch sollte man bedenken, dass der Schall des Aufpralls am Boden noch einige hundertstel Sekunden braucht, um wieder oben bei der Person anzukommen, die dann erst die Zeit stoppt. Die Zeit wird also sehr leicht zu lange eingeschätzt, was auch wiederum einen relativ großen Einfluss auf das Resultat hat.
Infobox
Die Formel h=1/2gt2 gilt tatsächlich nur in einem Vakuum, einem Raum frei von Luft, und daher ohne Luftwiderstand. In einem Vakuum fallen alle Objekte unabhängig von ihrem Volumen oder Gewicht mit derselben Geschwindigkeit zum Boden. Eine Feder würde genauso schnell fallen wie eine 10 kg schwere Eisenkugel.
In einem Luftmedium hingegen wirkt sich der Luftwiderstand stärker auf große, leichte Objekte aus als auf kleine, schwere. In unserem Beispiel, bei kurzer Fallzeit und Fallhöhe, ist der Luftwiderstand jedoch vernachlässigbar. Ebenso wird angenommen, dass die Erdanziehungskraft g konstant ist, obwohl sie tatsächlich an verschiedenen Orten der Erdoberfläche leicht variieren kann.
Methode 3: Die Lasermethode.
Vom Balkon aus zielt man mit Hilfe eines Geodreiecks einen Laserstrahl in einem Winkel von 45° nach unten und liest die am Boden eingezeichnete Distanz ab. Diese Distanz ist die gleiche wie die Höhe. Wieso? Zielt man mit dem Laser in einem 45 Grad Winkel hinunter, so entsteht ein rechtwinkliges, gleichschenkliges Dreieck, bei der die gleichlangen Seiten die Höhe und die Distanz auf dem Boden sind. Diese Methode ist wohl die schnellste.
Hier findet ihr noch weitere Take Off Challenges zum Nachmachen.
In unserer Rubrik “Für Lehrer und Eltern” - “Ideen für den naturwissenschaftlichen Unterricht in der Schule” haben wir auch noch ein paar Science Challenges und auch eine ganze Menge Experimente, die du mit deiner Klasse einfach nachmachen kannst, mit vollständigen Unterrichtsentwürfen.
In unserer Rubrik „Experimentieren“ findet ihr außerdem noch zahlreiche Experimente zum Selber ausprobieren.
Autorin: Lucie Zeches (FNR)
Editor: Joseph Rodesch (FNR)
Die Ausarbeitung dieser Rubrik wurde von science.lu in Kooperation mit dem Script (Service de Coordination de la Recherche et de l´Innovation pédagogiques et technologiques) durchgeführt.
