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  • Aktivitätsübersicht
    Bei dieser Untersuchung lernen die Schüler zunächst, die Geschwindigkeit für das Fahren einzustellen. Anschließend sollen sie untersuchen, wie sich die Geschwindigkeit des Roboters auf seinen Impuls auswirkt. Klicken Sie hier (Google / .docx / .pdf), um eine Übersicht dieser Aktivität anzuzeigen. Das Verständnis der Dynamik des Roboters ist ein wichtiges Konzept für die Anwendung beim Bowlingspiel Strike Challenge.

  • Was die Schüler programmieren werden
    Mithilfe des Speedbot-Vorlagenprojekts (Antriebsstrang mit 2 Motoren, kein Gyro) können die Schüler die Geschwindigkeitseinstellungen des Speedbot ändern, indem sie einfach set_drive_velocity zur Anweisung drive_for hinzufügen. Im angeleiteten Teil der Aktivität bewegen die Schüler den Speedbot mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Am Ende der Aktivität werden sie aufgefordert, ihre Fähigkeiten zur Geschwindigkeitsprogrammierung auf Tests von Impuls und Energieübertragung anzuwenden.

Speedbot ist bereit, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu fahren!

Diese Untersuchung wird Ihnen dabei helfen, mehr über die Programmierung des Speedbot zu erfahren, damit er mit der für die Aufgabe am besten geeigneten Geschwindigkeit fährt. In der Strike-Challenge am Ende müssen Sie für den Speedbot eine Geschwindigkeit finden, die es ihm ermöglicht, schnell zu sein und viel Schwung zu haben, aber dennoch die Kontrolle zu behalten, um den Ball in einem guten Winkel und mit großer Kraft zu treffen.

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Hier ist eine Übersicht über die Benutzeroberfläche von VEXcode V5. Diese Registerkarten/Schaltflächen werden den Schülern im Rahmen der Aktivitäten in diesem Momentum Alley STEM-Labor vorgestellt. Im gesamten STEM-Labor sind außerdem Links mit weiteren Informationen zu diesen Registerkarten/Schaltflächen verfügbar. Bild der Benutzeroberfläche von VEXcode V5 Python

VEXcode V5 Python-Anweisungen, die im ersten Teil dieser Untersuchung verwendet werden:

  • Antriebsstrang.set_drive_velocity(50, PROZENT)

  • Antriebsstrang.Antrieb_für(VORWÄRTS, 200, MM)

  • Um weitere Informationen zu einer Anweisung zu erhalten, wählen Sie „Hilfe“ und anschließend das Fragezeichensymbol neben einer Anweisung, um weitere Informationen anzuzeigen.

    Bild der Hilfe in VEXcode V5, geöffnet in einem Python-Projektfenster

    Stellen Sie sicher, dass Sie über die erforderliche Hardware, Ihr technisches Notizbuch und VEXcode V5  verfügen und bereit sind.

Symbol „Tipps für Lehrer“ Tipps für Lehrer

Wenn die Studierenden VEXcode V5 zum ersten Mal verwenden, können sie während der Erkundung jederzeit auf die Tutorials zurückgreifen. Die Tutorials befinden sich in der Symbolleiste. Bild des Tutorial-Symbols, hervorgehoben in der VEXcode V5-Symbolleiste

Jede Studentengruppe sollte die erforderliche Hardware und das technische Notizbuch der Gruppe erhalten. Öffnen Sie dann VEXcode V5.

Benötigte Materialien:
Menge Benötigte Materialien
1

Speedbot-Roboter

1

Geladener Roboterakku

1

VEXcode V5

1

USB-Kabel (bei Verwendung eines Computers)

1

Technisches Notizbuch

1

Ball (Größe und Form eines Fußballs) 

1

3 x 3 m Freiraum

1

Meterstab oder Lineal

1

Rolle Klebeband

1

Datentabelle

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Machen Sie den Schülern jeden Schritt zur Fehlerbehebung exemplarisch vor.

Schritt 1:  Vorbereitung auf die Erkundung

Haben Sie alle diese Gegenstände bereit, bevor Sie mit der Aktivität beginnen?

  • Sind alle Motoren an die richtigen Portsangeschlossen?

  • Sind die Smart Cables bei allen Motoren vollständig eingesteckt?

  • Ist das Gehirn eingeschaltet?

  • Ist der Akku geladen?

Schritt 2: Ein neues Projekt starten

Führen Sie die folgenden Schritte aus, um das Projekt zu starten:

  • Öffnen Sie das Menü „Datei“ und wählen Sie „Beispiele öffnen“.

    Bild des in VEXcode V5 geöffneten Dateimenüs mit hervorgehobenen offenen Beispielen

     

  • Wählen und öffnen Sie das Speedbot-Vorlagenprojekt (Antriebsstrang mit 2 Motoren, kein Gyro). Das Vorlageprojekt enthält die Motorkonfigurationdes Speedbots. Wenn die Vorlage nicht verwendet wird, führt Ihr Roboter das Projekt nicht korrekt aus.

    Bild der Speedbot-Vorlage im Menü „Beispielprojekte“

     

  • Da Sie an der Erforschung der Geschwindigkeit arbeiten, nennen Sie Ihr Projekt DriveVelocity. Wenn Sie fertig sind, wählen Sie Speichern.

    Bild des Projekttitels umbenennen

     

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  • Projektnamen können zwischen oder nach den Wörtern Leerzeichen enthalten.

    V5 umbenennen

  • Sie können die Schüler bitten, ihre Initialen oder den Namen ihrer Gruppe zum Projektnamen hinzuzufügen. Dies trägt zur Differenzierung der Projekte bei, wenn Sie die Studierenden auffordern, diese einzureichen.

  • Da dies die erste Programmieraktivität ist, die Ihre Schüler ausprobieren, sollten Sie die Schritte vorführen und die Schüler dann bitten, dieselben Aktionen auszuführen. Der Lehrer sollte die Schüler dann überwachen, um sicherzustellen, dass sie die Schritte richtig ausführen.

  • Stellen Sie sicher, dass die Studierenden im Menü „Datei“ die Option „Beispiele öffnen“ ausgewählt haben.

  • Stellen Sie sicher, dass die Schüler das Vorlagenprojekt „Speedbot (Antriebsstrang mit 2 Motoren, kein Gyro)“ ausgewählt haben.

  • Sie können die Studierenden darauf hinweisen, dass auf der Seite „Beispiele“ mehrere Auswahlmöglichkeiten zur Verfügung stehen. Wenn sie andere Roboter bauen und verwenden, haben sie die Möglichkeit, unterschiedliche Vorlagen zu verwenden.

  • Überprüfen Sie, ob der Projektname DriveVelocity jetzt im Fenster in der Mitte der Symbolleiste angezeigt wird. Image of the project name in the Toolbar

Lehrer-Toolbox-Symbol Lehrer-Toolbox - Projekte speichern

  • Weisen Sie darauf hin, dass das Fenster beim ersten Öffnen von VEXcode V5 die Bezeichnung „VEXcode-Projekt“ trug. „VEXcode-Projekt“ ist der Standardprojektname beim ersten Öffnen von VEXcode V5. Nachdem das Projekt in „Drive“ umbenannt und gespeichert wurde, wurde die Anzeige aktualisiert und zeigte den neuen Projektnamen. Über dieses Fenster in der Symbolleiste lässt sich leicht überprüfen, ob die Studierenden das richtige Projekt verwenden.

  • Sagen Sie den Schülern, dass sie nun bereit sind, mit ihrem ersten Projekt zu beginnen. Erklären Sie den Schülern, dass sie mit nur wenigen einfachen Schritten ein Projekt erstellen und ausführen können, das den Speedbot voranbringt.

  • Erinnern Sie die Schüler daran, ihre Projekte während der Arbeit zu speichern. Der Abschnitt Python der VEX-Bibliothek erläutert die Speicherpraktiken in VEXcode V5.

Lehrer-Toolbox-Symbol Lehrer-Toolbox - Stoppen und diskutieren

Dies ist ein guter Punkt, um eine Pause einzulegen und die Schüler einzeln oder in Gruppen die gerade abgeschlossenen Schritte zum Starten eines neuen Projekts in VEXcode V5 wiederholen zu lassen. Bitten Sie die Schüler, einzeln nachzudenken, bevor sie ihre Erkenntnisse in ihrer Gruppe oder der gesamten Klasse teilen.

Schritt 3: 150 mm mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorwärts fahren

Sie sind noch nicht bereit, mit der Programmierung des Roboters zu beginnen, damit dieser mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorwärtsfährt! 

  • Bevor wir mit dem Programmieren beginnen, müssen wir verstehen, was eine Anweisung ist. Eine Anleitung besteht aus drei Teilen. Bild eines Python-Befehls mit jeder identifizierten Komponente

Symbol „Tipps für Lehrer“ Tipps für Lehrer

Möglicherweise bemerken Sie eine Autovervollständigungsfunktion, wenn Sie mit der Eingabe der Anweisung beginnen. Wählen Sie mit den Tasten „Auf“ und „Ab“ den gewünschten Namen aus und drücken Sie dann die „Tabulatortaste“ oder (Eingabe/Return) auf Ihrer Tastatur, um die Auswahl zu treffen. Weitere Informationen zu dieser Funktion finden Sie im Artikel Python . Image of the autocomplete feature in a Python project

  • Fügen Sie die Anweisungen zum Projekt hinzu: Bild der Python-Befehle, die dem Projekt hinzugefügt werden sollen

Symbol „Tipps für Lehrer“ Tipps für Lehrer

Beachten Sie, dass die zweite und dritte Anweisung (Zeilen 33 und 34 im Bild oben) mit der vierten und fünften Anweisung (Zeilen 35 und 36 oben) identisch sind, jedoch einen anderen Geschwindigkeitsparameter aufweisen. Nach dem Hinzufügen der dritten Anweisung können die Schüler die zu wiederholenden Zeilen markieren und sie kopieren und einfügen, um das Projekt abzuschließen. Sie können dann die Geschwindigkeit in der vierten Zeile auf 75 Prozent ändern. 

  • Wählen Sie das Slot-Symbol, um einen der acht verfügbaren Slots im Robotergehirn auszuwählen, und wählen Sie Slot 1.

    Abbildung: Auswahl von Steckplatz 1 für das Drive Velocity-Projekt in der Symbolleiste

     

  • Verbinden Sie das V5 Robot Brain über ein Micro-USB-Kabel mit dem Computer und schalten Sie das V5 Robot Brain ein. Das Brain-Symbol in der Symbolleiste wird grün , sobald eine erfolgreiche Verbindung hergestellt wurde.

  • Wählen Sie Download , um das Projekt auf das Brain herunterzuladen.

     

Lehrer-Toolbox-Symbol Lehrer-Toolbox

  • Erinnern Sie die Schüler daran, das USB-Kabel vom Robot Brain zu trennen. Wenn der Roboter während der Ausführung eines Projekts an einen Computer angeschlossen ist, kann es passieren, dass er am Verbindungskabel zieht.
  • Überprüfen Sie auf dem Bildschirm des Robot Brain, ob für Ihr Projekt (Python) heruntergeladen wurde. Im Steckplatz 1 sollte der Projektname DriveVelocity aufgeführt sein.

    Bild des DriveVelocity-Programms, das in Steckplatz 1 des V5 Brain heruntergeladen wurde

Lehrer-Toolbox-Symbol Lehrer-Toolbox

  • Anhalten und diskutieren
    Bitten Sie die Schüler, vorherzusagen, was ihrer Meinung nach passieren wird, wenn dieses Projekt heruntergeladen und auf dem Speedbot-Roboter ausgeführt wird. Bitten Sie die Schüler, ihre Vorhersagen in ihren technischen Notizbüchern festzuhalten. Wenn es die Zeit erlaubt, bitten Sie jede Gruppe, ihre Vorhersage mitzuteilen.

    Die Schüler sollten vorhersagen, dass sich der Speedbot zuerst mit seiner Standardgeschwindigkeit (50 %) vorwärts bewegt, dann langsamer (25 %) als die Standardgeschwindigkeit und dann schneller (75 %) als die Standardgeschwindigkeit.

  • Zuerst ein Modell
    Führen Sie das Projekt vor der Klasse vor, bevor Sie es von allen Schülern gleichzeitig ausprobieren lassen. Versammeln Sie die Schüler an einem Ort und lassen Sie genügend Bewegungsfreiheit für den Speedbot, wenn er auf dem Boden steht.

    Sagen Sie den Schülern, dass sie nun an der Reihe sind, ihr Projekt durchzuführen. Stellen Sie sicher, dass die Wege frei sind und dass sich keine Speedbots gegenseitig anrempeln.

  • Führen Sie (Python) das Projekt auf dem Roboter aus, indem Sie sicherstellen, dass das Projekt ausgewählt ist, und drücken Sie dann die Schaltfläche Ausführen auf dem Robot Brain. Herzlichen Glückwunsch zur Erstellung Ihres ersten Projekts!

    Bild des Brain-Bildschirms zum Ausführen des DriveVelocity-Projekts

Schritt 4: Vorwärts- und Rückwärtsfahrt über 150 mm bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten

Nachdem Sie Ihren Roboter nun so programmiert haben, dass er mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorwärts fährt, programmieren Sie ihn nun so, dass er mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorwärts und rückwärts fährt.

  • Ändern Sie den Parameter in der zweiten Anweisung drive_for , um REVERSEanzuzeigen.

    Abbildung der angepassten Parameter im Projekt

  • Wählen Sie den Projektnamen aus, um ihn von DriveVelocity in ReverseVelocityzu ändern.

  • Wählen Sie das Slot-Symbol aus, um einen neuen Slot auszuwählen. Wählen Sie Steckplatz 2.

    Bild der Slot 2-Auswahl in der Symbolleiste

     

  • Laden Sie das Projekt herunter (Python) .

  • Überprüfen Sie auf dem Bildschirm des Robot Brain, ob für Ihr Projekt (Python) heruntergeladen wurde. Der Projektname ReverseVelocity sollte im Steckplatz 2 aufgeführt sein.

    Bild des ReverseVelocity-Programms, das in Steckplatz 2 des V5 Brain heruntergeladen wurde

  • Führen Sie (Python) das Projekt auf dem Roboter aus, indem Sie sicherstellen, dass das Projekt ausgewählt ist, und drücken Sie dann die Schaltfläche Ausführen auf dem Robot Brain.

    Bild des Brain-Bildschirms zum Ausführen des Reverse Velocity-Projekts

Lehrer-Toolbox-Symbol Lehrer-Toolbox - Abschließen von Schritt 4

  • Um den Befehl drive_for von vorwärts in rückwärtszu ändern, ändern Sie einfach den ersten Parameter in REVERSE. Dadurch bewegen sich die Motoren im Antriebsstrang in die entgegengesetzte Richtung.

  • Die Anzahl der mm kann geändert werden, für dieses Beispiel belassen wir sie jedoch bei 150 mm, wie im vorherigen Schritt festgelegt.

  • Erinnern Sie die Schüler daran, das USB-Kabel vom Robot Brain zu trennen, bevor sie das Projekt ausführen.

  • Erinnern Sie die Schüler daran, ihre Projekte während der Arbeit zu speichern. Die VEX-Bibliothek hat einen Abschnitt für Python , der die Speicherpraktiken in VEXcode V5 erklärt.

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Bitten Sie die Teams, sich bei Bedarf den Testbereich und den Ball zu teilen. Es können jedoch auch mehrere Testbereiche mit jeweils eigenem Ball eingerichtet werden. Entscheiden Sie, ob Sie die Prüfungsbereiche selbst einrichten möchten oder ob dies die Studierenden tun sollen.

Schritt 5: Einrichten Ihres Testbereichs

Bild des Testbereichsaufbaus mit Linien, die alle 50 cm von 0 bis 3 m getrennt und beschriftet sind
Beispiel für die Anordnung des Prüfbereichs

  • Zeichnen Sie mit Klebeband und einem Meterstab eine 3 m lange Linie auf dem Boden, ähnlich der horizontalen Linie im Bild oben.

    • Nachdem die Linie erstellt wurde, verwenden Sie noch einmal Klebeband und Ihren Meterstab, um 1-m-Linien über die 3-m-Linie zu ziehen, wie die vertikalen Linien im Bild oben. Kleben Sie bei jeder 50-cm-Markierung eine 1-m-Linie auf die vertikale Linie, beginnend bei 0 cm.

    • Die kürzeren horizontalen Linien sollten auf der längeren vertikalen Linie zentriert sein.

  • Während der Bereich eingerichtet wird, sollten ein oder zwei Mitglieder Ihres Teams ein neues Projekt mit dem Namen Momentum erstellen. Stellen Sie die Geschwindigkeit auf 50 % ein und lassen Sie den Speedbot im Abstand von 50 cm bis zur ersten Linie vorwärtsfahren. Bedenken Sie, dass 1 cm = 10 mm ist, der Roboter also 50 cm oder 500 Millimeter vorwärts fährt.

Lehrer-Toolbox-Symbol Lehrer-Toolbox – Warum diese Aktivität?

  • Das Sammeln und Analysieren von Daten sowie selbst die Erkennung einfacher Muster sind grundlegende wissenschaftliche Fähigkeiten. Diese Aktivität verleiht der Datenanalyse Struktur, indem sie häufige Fehltritte verhindert.

  • Beachten Sie, dass die Schüler in den Anweisungen nicht aufgefordert werden, neben der Geschwindigkeit des Roboters auch die Fahrstrecke zu variieren. Dies ist eine gezielte Anwendung dessen, was Lernwissenschaftler als „Strategie der Variablenkontrolle“ bezeichnen. Es ist wichtig, unerfahrenen Forschern beizubringen, jeweils eine Variable (in diesem Fall die Geschwindigkeit) zu manipulieren, um ihren Einfluss auf eine zweite Variable (die Distanz, die der Ball nach dem Zusammenstoß zurücklegt) zu bestimmen, da dies nicht unbedingt eine Vorgehensweise ist, die die Schüler spontan einer Rate-und-Überprüfung-Methode vorziehen. Bei typischen Rate-und-Prüf-Ansätzen wird häufig mehr als eine Variable gleichzeitig manipuliert (d. h. sowohl die Geschwindigkeit als auch die vom Roboter zurückgelegte Distanz werden geändert) und die Auswirkung der Konfluenz auf die Distanz, die der Ball nach der Drehung zurücklegt, beobachtet. Mit dieser Aktivität möchten wir die Schüler davon abbringen, da die Beziehungen zwischen den Variablen in diesem Fall nicht eindeutig sind. Ist es die höhere Geschwindigkeit des Roboters, die größere Distanz, die der Roboter fährt, oder beides, das dazu führt, dass der Ball weitere Strecken zurücklegt? Das können wir nicht beantworten, wenn wir beide Variablen gleichzeitig manipulieren.

  • Allerdings können die Teams auch spontan versuchen, mit dem Roboter unterschiedliche Distanzen zurückzulegen. Wenn Sie dies beobachten, bitten Sie Ihren Trainer, nur die Distanz zu ändern, die Geschwindigkeit jedoch beizubehalten, die bei einem Versuch mit der ursprünglichen Distanz von 500 mm vorlag. Auf diese Weise können sie die gleiche Geschwindigkeit mit unterschiedlichen Schlagdistanzen vergleichen, um zu sehen, ob die Schlagdistanz des Roboters auch einen Einfluss darauf hat, wie weit der Ball fliegt.

Schritt 6: Testen der Energieübertragung bei Kollisionen

Bild des Bowling-Aufbaus mit dem Roboter an der 0-cm-Linie und dem Ball auf der 50-cm-Linie
Bowling Challenge Testbereich mit Roboter und Ball

Bowling-Challenge-Testbereich mit Roboter und Ball

Zentrieren Sie den Ball auf der horizontalen Linie bei 50 cm und platzieren Sie Ihren Roboter so, dass seine Vorderseite auf der horizontalen Linie bei 0 cm zentriert ist. Stellen Sie sicher, dass die Vorderseite des Roboters in Richtung des Balls zeigt. Führen Sie Ihr erstes Momentum-Projekt mit einer Geschwindigkeit von 50 % aus und achten Sie genau darauf, wenn der Roboter mit dem Ball kollidiert.

Notieren Sie die eingestellte Geschwindigkeit, die gefahrene Distanz und die Entfernung, die der Ball zurückgelegt hat, in dieser Datentabelle (Google / .pdf). Die erste Zeile der Tabelle wurde basierend auf dem Momentum-Projekt, an dem Sie im vorherigen Schritt gearbeitet haben, für Sie erstellt. Fügen Sie dieser Tabelle weiterhin Daten hinzu, während Sie versuchen, unterschiedliche Geschwindigkeiten einzustellen. Sie können dann die Daten anderer Teams hinzufügen, während Sie Ihre Ergebnisse in der Klasse besprechen.

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  • Bereiten Sie den Bereich so vor, dass der Ball in verschiedene Richtungen und über verschiedene Entfernungen abprallen kann. Schließen Sie bei Bedarf Türen und/oder Fenster.

  • Die Tabelle zum Erkunden der Geschwindigkeit kann unten gespeichert werden, oder die Schüler können die Tabelle in ihren technischen Notizbüchern neu erstellen.

  • Eine Rubrik zur Bewertung von Notizbüchern für die Entwicklung von Teams finden Sie hier (Google / .docx / .pdf), und eine Rubrik zur Bewertung einzelner Notizbücher finden Sie hier (Google / .docx / .pdf). Wenn Sie vorhaben, die Arbeit eines Schülers anhand einer oder mehrerer Rubriken zu bewerten, teilen Sie ihnen die Rubrik unbedingt mit, bevor sie mit der Arbeit am Projekt beginnen.

Denken Sie beim Sammeln Ihrer Daten über die folgenden Fragen in Ihrem technischen Notizbuch nach und beantworten Sie sie:

  • Woran erkennt man, dass durch den Impuls des Roboters beim Zusammenstoß Energie auf den Ball übertragen wurde? Erklären Sie es ausführlich.

  • Wiederholen Sie den Test mindestens noch zweimal. Versuchen Sie es mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50 %. Bringen Sie den Ball wieder an seine Position und notieren Sie in der Tabelle, wie weit der Ball fliegt. Versuchen Sie auch eine Geschwindigkeit von über 50 %. Bringen Sie den Ball wieder an seine Position und notieren Sie in der Tabelle, wie weit der Ball fliegt.

  • Wenn alle Gruppen ihre drei Tests abgeschlossen haben, besprechen Sie die von den anderen Gruppen gewählten Geschwindigkeiten und wie weit der Ball bei ihren Tests geflogen ist. Wenn die Teams ihre Daten teilen, fügen Sie ihre Ergebnisse Ihrer Tabelle hinzu.

  • Suchen Sie in den Daten nach Mustern. Vergrößert oder verringert sich die vom Ball zurückgelegte Distanz, wenn die eingestellte Geschwindigkeit zunimmt?

Lehrer-Toolbox-Symbol Lehrer-Toolbox - Antworten

  1. Die Bewegung des Balles ist ein Beweis dafür, dass der Roboter beim Zusammenstoß Energie übertragen hat. Als Beweis könnten die Schüler auch die Geschwindigkeit des Balls nach dem Aufprall oder seine Flugrichtung beschreiben.

  2. Die vom Ball zurückgelegte Distanz hängt von der Masse/dem Gewicht des verwendeten Balls und der eingestellten Geschwindigkeit des Roboters ab.

  3. Die Schüler sollten erkennen, dass der Ball bei höherer Geschwindigkeit weiter fliegt als bei niedrigerer Geschwindigkeit. Verknüpfen Sie dies explizit mit der Dynamik des Roboters. Heben Sie hervor, dass sich das Gewicht des Roboters nicht geändert hat, sondern nur seine Geschwindigkeit, dass aber beides zur Dynamik des Roboters beiträgt. Fragen Sie sie, ob der Ball ihrer Meinung nach genauso weit fliegen würde, wenn der Roboter schwerer wäre. Das wäre vermutlich der Fall. Mehr zu den Auswirkungen der Ballmasse beim Zusammenstoß erfahren Sie im nächsten Teil.

  4. Die Schülergruppen haben möglicherweise sehr unterschiedliche Geschwindigkeiten gewählt, das allgemeine Lernziel besteht jedoch darin, dass die Schüler erkennen, dass höhere Geschwindigkeiten zu einem größeren Impuls führen, der bei Kollisionen mehr Energie auf den Ball überträgt.