Magnetismus –
fachlicher Hintergrund
und Unterrichtsvorschläge
Florian Ziegler
[email protected]
Stiftung
Bildungspakt
Bayern
11.3.2013
http://www.philso.uni-augsburg.de/lehrstuehle/grundschuldid/downloads_skripten/lehrerfortbildung__gribs/
1
Sequenzierung
Strukturierung des umfangreichen und komplexen Themas:
1. Eigenschaften von Magneten
2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
3. Erdmagnetismus
4. Statische Elektrizität
5. Anschlussbedingungen im elektrischen Stromkreis
6. Wirkungen von Elektrizität
7. Wie fließt Strom? – Aufbau einer Modellvorstellung
8. Elektromagnet, Elektromotor und Dynamo
2
Überblick
1. Eigenschaften von Magneten
Exkurs: Lernen über Modelle
2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
3. Erdmagnetismus
3
1. Eigenschaften von Magneten
 Magnete und magnetisierte Gegenstände ziehen
sich an oder stoßen sich ab.
 Metalle, die sich anziehen lassen: Eisen, Nickel
und Kobalt
 Die magnetische Kraft wird auf die Bewegung
von elektrischen Ladungen oder auf das
magnetische Moment von Elementarteilchen
zurückgeführt.
 Die magnetische Kraft wirkt auch außerhalb des
Magneten  Magnetfeld
4
1. Eigenschaften von Magneten
Das Magnetfeld kann durch Linien dargestellt
werden.
Die magnetische Kraft ist an den Polen am
stärksten.
N
S
5
1. Eigenschaften von Magneten
Unterschiedliche Pole ziehen sich an:
N
S
N
S
Gleichnamige Pole stoßen sich ab:
N
S
S
N
6
1. Eigenschaften von Magneten
Wird ein Magnet zersägt, entstehen wieder zwei
Magnete mit je einem Nord- und einem Südpol:
S
N
N
S
N
S
7
1. Eigenschaften von Magneten
Vereinfacht kann man sich Magnete so vorstellen,
als würden sie aus lauter „Kleinstmagneten“
bestehen:
N
S
N
S
8
1. Eigenschaften von Magneten
1.1 Die anziehende Kraft untersuchen:
Forschender Einstieg: Stabmagnet und Eisenstab (KV1)
Was wird angezogen? Welcher Stab zieht an? Wie weit
reicht die anziehende Kraft? Ziehen alle Stellen des
Stabes gleich stark an?
 Austausch im Gespräch, unterstützt durch kleine
Versuche
 Vertiefung durch weitere Versuche / Spiele (KV 2-5)
9
10
11
1. Eigenschaften von Magneten
1.2 Die abstoßende Kraft untersuchen:
Forschender Einstieg: Zwei Stabmagnete (KV1)
 Austausch im Gespräch: abstoßende Kraft als
neues Phänomen; Wiederholung von Erkenntnissen aus erster Stunde
 Vertiefung durch weitere Versuche (KV 5+6)
12
13
14
1. Eigenschaften von Magneten
1.3 Polarität kennenlernen:
Magnetfeld untersuchen: Systematisches Erstellen
von „Magnet(feld)bildern“(KV 7+8)
 Einführung des Begriffes „Pol“ als Ort der
stärksten magnetischen Kraft
Vertiefung durch weitere Versuche
(evtl. weitere Magnetfeldbilder und KV 8 unten)
15
16
1. Eigenschaften von Magneten
Individuelle Förderung und Differenzierung:
Der Einstieg über freie Forschungssituationen bietet viel Anreiz,
eigenen Ideen und Fragen nachzugehen und sich mit anderen
auszutauschen.
Die Lehrkraft unterstützt das Denken der Kinder, indem sie
 Begründungen einfordert,
 Widersprüche herausstellt,
 Übertragungen anregt,
 die Überprüfung einer Aussage einfordert,
 das Erkennen von Zusammenhängen anregt
 Ideen hervorhebt.
17
2. Magnetisieren und
Entmagnetisieren
Wenn im Unterricht Modellvorstellungen verwendet werden, ist
auch ein Verständnis des Modellbegriffs an sich notwendig. Dies
kann in einem Unterricht über Modelle angebahnt werden.
Ein Unterricht über Modelle
•
kann zu einer bewussten und dauerhaften Unterscheidung von
Erfahrungswelt und Modellwelt führen.
•
betont den hypothetischen Charakter der konstruierten Modelle.
•
(nutzt auch alternative Modellierungen und bewertet diese kritisch.)
(Mikelskis-Seifert & Leisner, 2003)
21
2. Magnetisieren und
Entmagnetisieren
Ferromagnetische Stoffe (wie Eisen, Cobalt und Nickel)
ziehen sich untereinander normaler Weise nicht an.
Durch einen Magneten können sie jedoch magnetisiert
werden. Warum ist das so?
Pierre-Ernest Weiss (1865-1940) hat festgestellt, dass sich
kleine Bereiche in den ferromagnetischen Stoffen wie
Magnete verhalten (sog. Weiss`sche Bezirke).
Vereinfacht kann man sich also auch diese Stoffe so
vorstellen, als würden sie aus lauter „Kleinst-magneten“
bestehen.
22
2. Magnetisieren und
Entmagnetisieren
Ferromagnetische Stoffe (wie Eisen, Cobalt und
Nickel) ziehen sich untereinander normaler Weise
nicht an. Durch einen Magneten können sie jedoch
magnetisiert werden. Warum ist das so?
Pierre-Ernest Weiss (1865-1940) hat festgestellt, dass
sich kleine Bereiche in den ferromagnetischen
Stoffen wie Magnete verhalten (sog. Weiss`sche
Bezirke). Vereinfacht kann man sich also auch diese
Stoffe so vorstellen, als würden sie aus lauter
„Kleinst-magneten“ bestehen.
23
2. Magnetisieren und
Entmagnetisieren
Modellvorstellung der Elementar- (oder: Kleinst-)
magnete in einem ferromagnetischen Stoff:
Im ferromagnetischen Stoff hebt sich die
magnetische Wirkung der Kleinstmagnete
gegenseitig auf, da sie ganz unterschiedlich
ausgerichtet sind.
24
2. Magnetisieren und
Entmagnetisieren
Da sich Magnete gegenseitig anziehen, kann man mit
einem Dauermagneten durch mehrmaliges Überstreichen eines ferromagnetischen Stoffes die Kleinstmagnete darin nach und nach gleich ausrichten.
Diesen Vorgang nennt man Magnetisieren.
http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/
archiv/inhalt_materialien/magnetismus1/magnetismusx/index.html
25
2. Magnetisieren und
Entmagnetisieren
Beim Entmagnetisieren wird die gewonnene
Ordnung der Elementarmagnete wieder zerstört.
Dies geschieht beispielsweise bei
Wärmeeinwirkung oder durch heftige
Erschütterung.
26
2. Magnetisierung und
Entmagnetisieren
1.1 Magnetisieren:
Einstieg durch kognitiven Konflikt:
Büroklammer hängt an magnetisiertem Nagel
 Forscherauftrag: Nagel magnetisieren (KV 9 oben)
 Versuch: Büroklammerkette (KV 9 unten)
 Schüler präsentieren Lösung und Erklärungsansätze im Gespräch
 Aufbau einer Modellvorstellung (KV 10+11)
(Zeigekraft der Lehrkraft; Lesetext; Veranschaulichung; Spiel)
27
28
2. Magnetisieren und
Entmagnetisieren
2.2 Entmagnetisieren:
Die Schüler erhalten vielfältige Anregungen zum
Entmagnetisieren (KV 12)
Mit Hilfe der aufgebauten Modellvorstellung versuchen die Schüler selbst eine Erklärung zu finden.
 Visualisierung analog zum
Magnetisierungsprozess
29
30
2. Magnetisieren und
Entmagnetisieren
2.2 Entmagnetisieren:
Ausklang: „Elementarmagnetenspiel“
Schüler stehen mit ausgestreckten Armen durcheinander.
Auf Kommando (z.B. ansteigendes Summen) wird
„magnetisiert“  die Schüler richten sich in die
gleiche Richtung aus
31
2. Magnetisieren und
Entmagnetisieren
Individuelle Förderung und Differenzierung:
Die Stunden sind auf gemeinsames
Experimentieren und Erarbeiten ausgelegt.
Vorerfahrungen, Vorstellungen und Vorkenntnisse
werden eingebracht, getestet und ggf. modifiziert.
Das Entmagnetisieren kann auch als
Forscherauftrag (mündlich) gegeben werden, so
dass die KV 12 als Hilfe für Schüler ohne
ausreichend eigene Ideen genutzt werden kann.
32
3. Erdmagnetismus
Im flüssigen äußeren
Erdkern steigt heißes Eisen
bis zum kalten Erdmantel
und sinkt wieder ab. Die
Drehung der Erde versetzt
das Eisen zusätzlich in
Bewegung. Diese
Bewegung von flüssigem
Eisen um das feste Eisen im
inneren Erdkern bewirkt ein
riesiges Magnetfeld.
33
3. Erdmagnetismus
Es ist also, als wäre ein
riesiger Stabmagnet im
Inneren der Erde.
Ein frei beweglich
aufgehängter Magnet
richtet sich in diesem
Magnetfeld nach
N und S aus.
Der nach N zeigende Pol
heißt „Nord-pol“.
34
3. Erdmagnetismus
Wenn der magnetische
Nordpol der Kompassnadel jedoch zum
geographischen Nordpol
zeigt, dann nur,
weil in der Nähe des
geografischen Nordpols
ein magnetischer
Südpol liegt!
magnetischer
Südpol
magnetischer
Nordpol
S
35
3. Erdmagnetismus
3.1 Funktionsweise des Kompasses:
Phänomenbegegnung: Magnete pendelt sich in
bestimmter Richtung ein (PA o. GA; KV 13)
Erarbeitung einer Erklärung: in GA an verschiedenen Modellen (KV 14-16)
Präsentation im Plenum: Erklärung warum und in
welche Richtung der Kompass sich einpendelt
 Erkenntnis: Modelle helfen, Phänomene zu
erklären.
36
37
3. Erdmagnetismus
2. Die magnetischen Pole der Erde:
Anknüpfung: Kompass um Erdmodell, Ausrichtung
im Magnetfeld
 Welcher magnetische Pol muss im Norden der
Erde sein, wenn sich der Nordpol der
Kompassnadel dorthin ausrichtet?
 Überprüfen durch Öffnen des Modells
 Grenzen der Modellvorstellung
38
39
3. Erdmagnetismus
Individuelle Förderung und Differenzierung:
Die drei Modelle sprechen die Schüler
unterschiedlich an (Schaubild, gegenständliches
Modell, Computeranimation) und sollten auch
später weiterhin zur Verfügung stehen.
Förderung durch Präsentationen von Versuchen,
Modellen und Plakaten vor der Klasse möglich.
Weiterer Lesetext mit historischem Schwerpunkt
(s. S. 27)
40
Literatur
Basisliteratur:
Ziegler, F., Grygier, P. & Hartinger, A. (Hrsg.) (2011): Individuelles Lernen im
Sachunterricht – Strom und Magnetismus. Berlin: Cornelsen.
Weitere Literatur:
Grygier, P., Günther, J. & Kircher, E. (2007). Über Naturwissenschaften
lernen. Vermittlung von Wissenschaftsverständnis in der Grundschule. 2.
Aufl. Hohen-gehren: Schneider Verlag.
Mikelskis-Seifert, S. & Euler, M. (2005). Naturwissenschaftliches Arbeiten von
Anfang an. Lernen durch Experimentieren und Modellieren. Praxis der Naturwissenschaften – Chemie in der Schule, 4(54), 15–22.
Mikelskis-Seifert, S. & Leisner, A. (2003). Das Denken in Modellen fördern.
Ein Unterrichtsbeispiel zur Entwicklung von Teilchenvorstellungen.
Unterricht Physik, 14(74), 32–34.
41