Definition des el. Widerstandes durch F

D IDAKTIK DER P HYSIK
EXPERIMENTELLES SEMINAR II FÜR LA
SEMESTERWOCHE 09
MIT UNTERRICHTSFACH PHYSIK (RS, HS, GS)
THEMA: ELEKTRISCHER WIDERSTAND
FACHDIDAKTISCHE VORBEMERKUNGEN
Jedes Bauteil und jedes Elektrogerät, das in einen Stromkreis eingebaut wird, behindert (begrenzt) den Stromfluss.
Diese, den verschiedenen elektrischen Bauteilen und Geräten in unterschiedlichem Maß zukommende Eigenschaft
bezeichnet man als den el. Widerstand des Bauteils bzw. Elektrogeräts.
Der elektrische Widerstand eines Bauteils ist umso größer, je kleiner bei einer vorgegebenen Spannung der fließende
elektrische Strom ist.
Er ist aber auch groß, wenn für eine bestimmte Stromstärke durch ein Bauteil eine große Spannung erforderlich ist.
Wenn also bei einem Bauteil das Verhältnis aus Spannung U und Stromstärke I groß ist, dann hat das Gerät einen
großen elektrischen Widerstand.
Man hat deshalb für den elektrischen Widerstand R eines Bauteils, an dem eine Spannung U anliegt und durch das
ein Strom der Stärke I fließt festgelegt: R:=U/I
In der Modellvorstellung von Strom als Bewegung freier Ladungsträger im Inneren eines Leiters macht man sich das
Zustandekommens des elektrischen Widerstandes wie folgt plausibel: Man stellt sich vor, dass die freien
Ladungsträger gegen die auf ihren Gitterplätzen um ihre Gleichgewichtslage schwingenden Atome stoßen und
dadurch in ihrem Fluss gestört werden. Durch wird Verständlich, dass der elektrische Widerstand die Stromstärke in
einer Schaltung begrenzt. Der elektrische Widerstand eines Bauteils hängt im Wesentlichen vom Material und von
der Temperatur ab.
Gruppe 1:
Definition des el. Widerstandes durch Festlegung auf der Basis qualitativer Ergebnisse
1.1 Wecken Sie durch einfache Versuche (z.B. mit verschiedenen Glühlampen oder anderen Bauteilen)
Verständnis für den Begriff elektrischer Widerstand!
1.2 Der elektrische Widerstand eines Bauteils wird sinnvollerweise als umso größer bezeichnet, je kleiner
bei einer vorgegebenen Spannung der fließende elektrische Strom ist.
Der el. Widerstand eines Bauteils ist ebenso sinnvollerweise als umso größer bezeichnet, je größer die
erforderliche Spannung ist, um eine bestimmte Stromstärke zu erreichen.
Wenn also bei einem Elektrogerät das Verhältnis aus Spannung U und Stromstärke I groß ist, dann hat
das Gerät einen großen elektrischen Widerstand.
Man hat deshalb für den elektrischen Widerstand R eines Gerätes (eines Bauteils), an dem eine
Spannung U anliegt und durch das ein Strom der Stärke I fließt festgelegt: R=U/I
Führen Sie geeignete Versuche vor, die dieses Vorgehen bei der Definition des elektrischen
Widerstandes unterstützen!
1.3 Überlegen Sie sich Analogien und Analogieversuche die zum Verständnis eines qualitativen
Widerstandsbegriffs beitragen!
1.4 Bestimmen Sie den elektrischen Widerstand eines Bauteils durch Messung der am Bauteil anliegenden
Spannung und des durch das Bauteil fließenden Stromes und anschließende Rechnung! Führen Sie
dabei
(a) eine spannungsrichtige Messung
(b) eine stromrichtige Messung
durch!
Erstellen Sie zu beiden Messungen einen Schaltplan und begründen Sie, für welche
Widerstandsgrößen die spannungsrichtige und für welche die stromrichtige Messung den geringeren
Fehler liefert!
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Gruppe 2: Definition des el. Widerstandes auf der Basis von Kennlinien
2.1 Nehmen Sie die U-I-Kennlinien für zwei verschiedene Konstantandrähte und einen Festwiderstand auf!
Machen Sie für jede Messreihe eine eigene Wertetabelle, in der Sie jeweils auch eine Zeile für die
Berechnung des Quotienten U/I vorsehen.
Stellen Sie alle Messkurven in einem I-U-Diagramm dar und geben Sie für jede Messkurve auch eine
mathematische Beschreibung an!
2.2 Erläutern Sie, wie man die Messergebnisse aus 2.1 als Ausgangspunkt für die Definition des el.
Widerstandes verwenden kann!
2.3 Überlegen Sie sich Analogien und Analogieversuche die zum Verständnis eines qualitativen
Widerstandsbegriffs beitragen!
Geben Sie auf der Grundlage eines erweiterten Teilchenmodells eine mikroskopische Erklärung, für das
Auftreten des el. Widerstandes!
Gruppe 3: Widerstandsmessgerät; NTC, LDR
3.1 Zeigen Sie in einem qualitativen Versuch, dass sich der elektrische Widerstand
eines Halbleiter-Widerstandes (NTC-Widerstand) bei Erwärmung verändert!
Wie ist der qualitative Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand?
Erklären Sie die Bezeichnung NTC-Widerstand!
Untersuchen Sie mit Hilfe eines Widerstandsmessgerätes, in welchem Bereich sich der el. Widerstand
eines Halbleiter-Widerstandes ändert!
3.2 Zeigen Sie in einem qualitativen Versuch, dass sich der elektrische
Widerstand eines lichempfindlichen Widerstandes (LDR) bei
Beleuchtung verändert!
Wie ist der qualitative Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke und Widerstand?
Erklären Sie die Bezeichnung LDR!
Untersuchen Sie mit Hilfe eines Widerstandsmessgerätes, in welchem Bereich sich der el.
Widerstand eines LDR ändert!
3.3 Bauen Sie mit Hilfe einer 9V-Batterie und mit Hilfe eines Zeigerstrommessgerätes ein
Modellwiderstandsmessgerät auf und kalibrieren Sie dieses!
3.4 Begründen Sie mit Hilfe einer geeigneten Modellvorstellung vom Aufbau der Materie,
warum sich der el. Widerstand eines NTC-Widerstandes in der beobachteten Weise
verändert!
Tun Sie das Gleiche für den LDR!
Gruppe 4: Gesetz von Ohm
4.1 Nehmen sie die U-I-Kennlinie eines Eisendrahtes auf! Beschreiben Sie das Messergebnis in Worten!
Überprüfen sie die Hypothese „der el. Widerstand des Eisendrahtes hängt von dessen Temperatur ab“
durch zwei verschiedene Versuche!
4.2 Demonstrieren Sie, dass sich bei konstanter Temperatur der Widerstand eines Eisendrahtes
unabhängig von der anliegenden Spannung und dem fließenden Strom konstant ist.
4.3 Nehmen Sie die U-I-Kennlinie eines Konstantandrahtes auf. Beschreiben Sie das Messergebnis auch
mathematisch!
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UNIVERSITÄ T R EGENSBURG – F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R.
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4.4 Formulieren Sie das Gesetz von Ohm in mathematischer Kurzform und in Worten!
Womit wird (z.T. auch in Schulbüchern!) das Gesetz von Ohm häufig verwechselt oder gleichgesetzt?
Was könnte der Hintergrund für diese Verwechslung sein?
Beschreiben bzw. diskutieren Sie die aufgenommenen Kennlinien unter dem Gesichtspunkt des
Ohm’schen Gesetzes!
Gruppe 5: Der el. Widerstand von Drähten
5.1 Demonstrieren Sie mit möglichst einfachen Versuchen, wie der elektrische Widerstand eines Drahtes
von der Länge l und der Querschnittsfläche A!
Formulieren Sie die Ergebnisse als gekoppelte Proportionalitäten!
5.2 Demonstrieren Sie, dass der el. Widerstand eines Drahtes Materialabhängig ist!
5.3 Formulieren Sie auf der Basis der Ergebnisse in 5.1 und 5.2 eine Formel für die Berechnung des
elektrischen Widerstand eines Drahtes!
5.4 Bestimmen Sie experimentell den spezifischen Widerstand von Kupfer, Eisen und Konstantan!
Vergleichen Sie die Größenordnungen! Was ist im Fall von Kupfer und Eisen zu beachten!
Gruppe 6: Aufnahme von Kennlinien mit verschiedenen Meßgeräten
4.1
4.2
Nehmen Sie die Kennlinie eines Glühlämpchens
•
mit dem X-Y-Schreiber
•
mit dem Computer-Messwerterfassungssystem auf!
Stellen Sie die Kennlinie eines Glühlämpchens und die einer Leuchtdiode direkt auf dem
Oszilographen dar!
Für alle:
Welche verschiedenen Typen von Spannungs-Strom-Kennlinien haben Sie am heutigen
Versuchsnachmittag kennengelernt?
Wie lässt sich das Auftreten dieser verschiedenen Kennlinien mit Hilfe eines geeigneten Teilchenmodells
vom Aufbau der Materie erklären!
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UNIVERSITÄ T R EGENSBURG – F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R.
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