Widerstandsbegriff, Lineare und nichtlineare Strom

Das Demonstrationsexperiment
WS 2008/09
Widerstandsbegriff, Lineare und
nichtlineare Strom-Spannungskennlinie
Johannes Horn
26.11.2008
Inhaltsverzeichnis
1. Versuchsbeschreibung
1.1 Benötigtes Material
1.2 Versuchsaufbauten und Durchführungen
1.3 Mögliche Aufbau – und Bedienfehler
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2. Lernvoraussetzungen
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3. Lernziele des Demonstrationsexperiments
3.1 Grobziele
3.2 Feinziele
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4. Übergeordnetes Unterrichtsthema
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5. Experimentelle Alternativen
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6. Das Experiment als Schülerversuch
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7. Unterrichtsverfahren
7.1 Sozialformen
7.2 Lehr- und Lernformen
7.3 Motivation/Stundeneinstieg
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8. Sicherung der Lernziele
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9. Lernzielkontrolle
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10. Prä- und Misskonzepte
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1. Versuchsbeschreibung
1.1 Benötigtes Material
1 Stelltrafo PHYWE regelbar
6 Experimentierkabel (3 blaue und 3 rote)
1 Birnchen mit Fassung 6V 3W
Je 1 Ampéremeter und Voltmeter (Drehspulmessgeräte)
1 Zweikanaloszilloskop
1 Elektroniksteckbrett mit 1 Widerstand 47Ω
2 Adapter BNC auf „Banane“
1.2 Versuchsaufbau und Durchführung
I, Messung der Strom-Spannungskennlinie eines Kohleschichtwiderstandes
Der Widerstand wird auf das Steckbrett gesteckt und mit zwei Kabel mit dem 025 V / 12 A Wechselstromausgang des Stelltrafos verbunden. Dann werden
durch einen BNC Adapter die beiden Enden des Widerstands mit dem Kanal 1
des Oszilloskops verbunden. Mit den beiden übrigen Kabel und dem zweiten
BNC-Adapter wird der Stelltrafo mit dem Kanal 2 des Oszilloskops verbunden.
Mit dem Stelltrafo wird eine effeltive Spannung von 5 Volt ∼ erzeugt und auf
dem Schirm des Oszilloskops im x-y-Betrieb die Strom-Spannungskennlinie des
Kohlewiderstands sichtbar, da die Stromstärke auf Grund von I = U/R hier
proportional zur Spannung ist.
II, Messung der Strom-Spannungskennlinie eines Birnchens
Für diese Messung werden das Birnchen und das Ampéremeter an den
Gleichspannungsquellenausgang des Stelltrafos in Reihe geschalten. Die
Gleichspannungsquelle wird benutzt, um ein Flackern des Lämpchen zu
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vermeiden. Das Voltmeter wird wieder direkt an die Spannungsquelle
angeschlossen. Die Spannung der Stromquelle wird in 1 Voltschritten auf 6 Volt
erhöht und am Ampéremeter die dazugehörige Stromstärke abgelesen und in
eine Tabelle übertragen, um die Strom-Spannungskennlinie in einem Diagramm
aufzutragen.
Test des Versuchs
1.3 Mögliche Aufbau- und Bedienfehler
- Die Bauteile werden beschädigt, wenn ein zu großer Strom zu lange fließt.
- Falscher Anschluss des Osziloskops führt zur Erdschleife, da durch
verschiedene Erdpotentiale eine Störspannung erzeugt wird.
2. Lernvoraussetzungen
Die Schüler sollen
- Strom als Bewegung von Ladungsträgern kennen.
- die Spannungsquelle als „Elektronenpumpe“ kennen.
- einfache elektrische Schaltungen kennen.
- wissen, dass eine Erhöhung der Spannung an der Spannungsquelle eine
Erhöhung der Stromstärke im Stromkreislauf bewirkt (und umgekehrt).
- die Anwendungsweise von Spannungs- und Strommessgeräten
(Drehspulmessgerät, evtl. Digitalmultimeter) kennen.
- die Bedingungen (Quotientengleichheit, Ursprungsgerade, Betrachtung
von Vielfachen) für die direkte Proportionalität kennen und im konkreten
Fall anwenden können.
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3. Lernziele des Demoexperiments
3.1 Grobziele
Kenntnis des Begriffs elektrischer Widerstand, seiner Definition, seiner Einheit,
sowie eines Versuchsaufbaus zu seiner experimentellen Bestimmung
3.2 Feinziele
1. Die Schüler sollen einen Zusammenhang (Proportionalität) zwischen
Spannung und Stromstärke bei einem Kohleschichtwiderstand erkennen
und diesen qualitativ beschreiben können.
2. Die Schüler sollen wissen, wie ein Kohleschichtwiderstand aussieht.
3. Die Schüler sollen den Begriff des Widerstands und dessen Definition R:
= U/I kennen.
4. Die Schüler sollen wissen, dass die Einheit des Widerstands das Ohm ist.
5. Die Schüler sollen die Strom – Spannungskennlinie eines Glühbirnchens
durch Erstellen einer Messwertetabelle kennen.
4. Übergeordnetes Unterrichtsthema
Das Thema wird im G8 in der 8.Jahrgangsstufe im Fach Physik im
Themenbereich „Elektrische Energie“ behandelt
5. Experimentelle Alternativen
Der Versuch ist, der am besten zur Einführung des Widerstandsbegriffs
geeignete. Alternativ kann man andere Widerstände messen. So können z.B.
Glühlämpchen mit Wolfram- und Kohlefaden benutzt werden, die
unterschiedliche Kennlinien besitzen.
6. Das Experiment als Schülerversuch
Sollten genügend Schülerexperimentierkästen und Messgeräte (Analogmultimeter) vorhanden sein, so könnte man den Versuch auch als
Schülerversuch durchführen. Dazu sollte den Schülern vorher noch einmal die
Bedienung des Analogmultimeters erklärt werden und man den Aufbau
zusammene mit ihnen anhand eines Schaltplans erarbeiten, den man vorher
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entweder als Kopie austeilt, oder an die Tafel zeichnet. Als Spannungsquelle
sollte eine Batterie verwendet werden, um Beschädigungen am Birnchen oder
Analogmultimeter zu vermeiden. Die Messwerttabellen und Graphen können die
Schüler dann selbstständig anfertigen und zum Schluss miteinander
vergleichen.
7. Unterrichtsverfahren
- Normalverfahren nach Mothes
7.1 Sozialform
- Frontalunterricht
- Unterrichtsgespräch
- Evtl. Gruppenunterricht (bei Schülerversuch)
7.2 Lehr- und Lernform
- Darbietend
- Fragend/erarbeitend
- Aufnehmend/nachvollziehend
7.3 Motivation/Stundeneinstieg
Zu Beginn der Stunden wird den Schülern ein Glühbirnchen, das mit der
Spannungsquelle des Stelltrafos verbunden ist gezeigt. Legt man eine
Gleichspannung von 6 Volt an, so leuchtet das Glühbirnchen stark. Baut man
aber einen Widerstand (oder eine langen Draht) in Reihe zum Glühbirnchen ein,
so leuchtet das Glühbirnchen, bei gleicher Spannung schwächer. Dies führt die
Schüler zu der Annahme, dass das Bauteil eine Auswirkung auf die Stromstärke
hat.
8. Sicherung der Lernziele
Die Lernziele werden im folgenden Hefteintrag festgehalten:
Der elektrische Widerstand
Die Spannung und Stromstärke eines Bauteils werden im folgenden Diagramm
aufgetragen.
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Die Stromstärke I ist proportional zur Spannung U.
U∼I
Der Quotient von elektrischer Spannung und Stromstärke heißt elektrischer
Widerstand. Sein physikalisches Formelzeichen ist R, seine Einheit ist Ω und
wird Ohm genannt.
R: = U/I
1Ω = 1V/1A
Das folgende Schaltbild zeigt den Versuchsaufbau zur Messung des
Widerstands eines Glühbirnchens.
In einer Tabelle wird nun zu bestimmten elektrischen Spannungen die jeweilige
Stromstärke am Glühbirnchen notiert.
Spannung U in V
0V
1V
2V
Stromstärke I in A
U-I-Diagramm:
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3V
4V
5V
6V
9. Lernzielkontrolle
Die folgenden Fragen werden im Verlauf der Stunde gestellt, um die Feinziele
zu konntrollieren:
- Welchen Zusammenhang zwischen der Spannung und der Stromstärke
erkennt man auf dem Oszilloskop? (FZ 1)
- Wie groß ist der Widerstand eines Bauteils, wenn an ihm bei einer
Spannung von z.B. 12 V eine Stromstärke von 1,2 A gemessen wurde?
(FZ 3und 4) (Mehrere Kombinationen)
Als Hausaufgabe kann man die Schüler zu 2-3 vorgegebenen Wertetabellen die
Strom- Spannungskennlinien als Graphen zeichnen lassen, sowie zu
verschiedenen Spannungs- und Stromstärkepaaren die Widerstände ausrechnen
lassen. (FZ 1,3,4,5)
In der nächsten Stunde wird eine Abfrage ähnlich zur Hausaufgabe gehalten, in
der zusätzlich noch der Versuchsaufbau abgefragt wird. (FZ 1-5)
10. Prä- und Misskonzepte
Stromspannung und Stromstärke hängen nicht zusammen.
Der Strom fließt ungehindert durch Leiter.
Verwechslung von Ohm’schen Gesetz und Widerstandsdefinition
Verwendete Literatur:
PHYWE-Schriftreihe, Physik im Demonstrationsversuch, A/B Elektrik,
Industriedruck GmBH, Göttingen
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