Stromverbrauch - Didaktik der Physik!

Thema Nr. 2
Stromverbrauch
In einer Pressenotiz war folgende Information zu lesen: „ Der Stromverbrauch in den
Haushalten ist in den Letzten Jahren leicht angestiegen!“
1. Diskutieren Sie diese Meldung aus physikalischer Sicht!
Der Begriff Stromverbrauch ist aus physikalischer Sicht schlichtweg falsch, denn
Strom kann man nicht wie z. B. Benzin verbrauchen. Strom, nachdem er z. B.
ein Elektrisches Gerät durchflossen hat, immer noch in gleicher Stärke vorhanden ist.
Um denn Sinn der Pressemeldung physikalisch richtig wiederzugeben, muss man von
einem Anstieg des Strombedarfs sprechen, oder von einem steigenden Verbrauch an
elektrischer Energie.
Aufgrund der Potentialdifferenz, die der Spannung U entspricht, sind die
Ladungsträger in der Lage, an einem Verbraucher, sprich an einem Haushaltsgerät,
Arbeit zu verrichten. Diese Arbeit wird dann z.B. über einen Elektromotor in
mechanische Arbeit ( z. B. Mixer), in Wärme ( z. B. Heizung) usw. umgewandelt.
2. Beschreiben Sie zwei Experimente, die zur Aufklärung des physikalischen Sachverhalts in
Teilaufgabe 1 beitragen können und begründen Sie deren Auswahl!
Einmal wäre das Modell eines Wasserkreislaufes geeignet, in den ein Wasserrad
eingebaut ist. Mit seiner potentiellen Energie ist das Wasser dann in der Lage, Arbeit
an einem Wasserrad zu verrichten, wodurch die potentielle Energie in mechanische
Arbeit umgewandelt wird. Geeignet deshalb, weil dieses Experiment den Sachverhalt
veranschaulicht, dass die Ladungs-, bzw. Wassermenge, nachdem eine
Energieumwandlung stattgefunden hatte identisch ist. Die Ladungsmenge, bzw.
Wassermenge bleiben konstant.
Um den Sachverhalt noch zu vertiefen, könnte man einen einfachen Stromkreis
aufbauen, in den ein Verbraucher ( Glühbirne ) geschaltet ist. Dann werden vor und
hinter den Verbraucher je ein Amperemeter geschaltet. Man kann auf diese Weise
verdeutlichen, dass, nachdem die Ladungsträger Arbeit verrichtet haben, die
Ladungsmenge konstant bleibt. Anschließend könnte man noch den Spannungsabfall
über dem Verbraucher messen, um zu zeigen, dass die potentielle Energie der
Ladungsträger, d.h. die Spannung, abgenommen hat.
4. Erläutern Sie drei Varianten zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Drahtes!
Welche Messinstrumente, Gleichungen, Schaltskizzen sind für die von Ihnen beschriebenen
Messvarianten notwendig?
1. Man schließt zur Simulation eines Verbrauchers einen Widerstand in einen
Stromkreis, in den außerdem ein Amperemeter zur Messung der Ladungsmenge
pro Zeit in Reihe geschaltet ist. Anschließend misst man den Spannungsabfall mit
einem Voltmeter, das parallel zum Widerstand angeschlossen wird. Zuletzt
errechnet man mit der Formel R = U / I den Widerstand.
Diese Messmethode wird als sogenannte Zweipunktmethode bezeichnet, da der
Spannungsabfall an zwei Punkten, vor und hinter dem Verbraucher, gemessen
wird.
1
Stromquelle
Widerstand R
V
2. Einen Widerstand kann man auch mit einem sogenannten Ohmmeter bestimmen.
Ein Ohmmeter besteht im wesentlichen aus folgenden Bauteilen: Spannungsquelle,
Widerstand, Galvanometer. Alle Bauteile werden in Reihe geschaltet. Ein Widerstand
RR wird so gewählt, dass das Galvanometer bei einer festen Spannung Vollausschlag
zeigt. Es fließt ein Strom IG, wenn die Klemmen x und y kurgeschlossen werden. Der
Widerstand zwischen x und y ist jetzt 0. Besteht keine Verbindung zwischen x und y,
so ist der Widerstand unendlich und es ergibt sich kein Ausschlag.
Verbindet man x und y nun mit einem unbekannten Widerstand R, so fließt ein Strom,
der kleiner als IG ist.
I = U / ( R + RG + RR )
( RG ist der Innenwiderstand des Galvanometers)
Der Strom ist eine Funktion von R.
Mit Hilfe bekannter Widerstände eicht man nun die Skala des Galvanometers, um R
direkt ablesen zu können. Dabei erhält man allerdings keine lineare Skala, da der
Zusammenhang nicht linear ist. Da sich bei dieser Methode ein mehr oder minder
großer Ablesefehler nicht vermeiden lässt, ist ein solches Ohmmeter nicht als
Präzisionsmessgerät zu gebrauchen, dient aber recht gut dazu, die Größenordnung
eines Widerstandes zu bestimmen.
Auch dies ist eine Zweipunktmethode.
OHMMETER
Widerstand R
2
3. Eine weitere Möglichkeit einen Widerstand zu bestimmen, ist eine WheatstoneBrücke zu verwenden. Dazu werden folgende Bauteile und Messgeräte gebraucht:
Galvanometer, drei bekannte Widerstände, wobei z.B. R1 und R2 von einem
temperaturunabhängigen Draht bekannter Länge gebildet werden. Als Alternative
kann auch ein Präzisionspotentiometer benutzt werden. Der Abgriffpunkt a am Draht
ist verschiebbar und bestimmt das Verhältnis zwischen R1 und R2, die Summe aus
beiden ist konstant.
Liegen die Punkte a und b auf dem gleichen Potential, so ist fließt kein Strom durch
das Galvanometer, d.h. die Brücke ist abgeglichen.
x = Abstand 0 bis a
l – x = Abstand a bis l
c = Proportionalitätskonstante
R1 = cx
R2 = c( l – x )
=> R2 / R1 = ( l – x ) / x
Fließt durch das Galvanometer kein Strom, so ist der Spannungsabfall zwischen 0 und
a gleich dem über Rx. => I1R1 = I2Rx und I1 / I2 = Rx / R1
Um nun Rx zu bestimmen muss noch beachtet werden, dass der Spannungsabfall über
dem oberen Zweig gleich dem über dem unteren Zweig ist.
I1( R1 + R2 ) = I2( Rx + R0 )
=> Rx = ( I1 / I2 ) ( R1 + R2 ) – R0
Rx = Rx ( 1 + R2 / R1 ) – R0 = Rx [ 1 + ( l – x ) / x ] – R0 = lRx / x – R0
nach auflösen Rx = xR0 / ( l - x )
Die Genauigkeit dieser Messmethode ist sehr genau, da man eine Abweichung von
Null misst. Je nach Messgenauigkeit des Galvanometers lassen sich noch kleinste
Abweichungen von Null registrieren.
3
Organisation
und Artikulation
1. Motivation
[fragendentwickelnd)
[Unterrichtsgespräch]
Demonstration des
Wasserkreislaufes
[darbietend]
Geplante Lehrtätigkeit
Erwartetes Schülerverhalten
L liest Pressemeldung vor und
stellt anschließend die Frage,
ob, und wenn ja, was an dieser
Meldung falsch ist.
Es entsteht eine Schüler-LehrerDiskussion, bei der folgende
Schülerantworten möglich sind:
- Meine Eltern zahlen eine
Stromrechnung, also müssen
wir wohl etwas verbrauchen.
- Wir bezahlen Energie.
Es kommt kein Ergebnis zustande.
L demonstriert, dass in einem
Wasserkreislauf das Wasser
ein Wasserrad antreibt und die
Wassermenge dabei nicht
weniger wird.
S greifen auf das bereits behandelte
Analogmodell zurück.
[Anweisung]
L gibt allg. Auftrag an die S,
sich zu überlegen, warum sich
das Wasserrad dreht.
S antworten, dass das Wasser, wenn
es fließt, die „Kraft“ hat, das Rad
anzutreiben.
[fragendentwickelnd]
L hakt ein: Was passiert, wenn
die Wasserstände gleich sind?
S: Es wird kein Wasser fließen..
[Lernzielkontrolle]
L stellt die Frage, wie sich dies
bei einem Stromkreis verhält,
wo ist dort die Druckdifferenz.
[Lernzielkontrolle]
L lässt einen Schüler
wiederholen, was Strom
eigentlich ist und warum er
fließt.
Ratlosigkeit.
FZ1 erarbeitet.
[Lehrervortrag]
Strom nennt man Ladung pro Zeit die
sich auf Grund einer Spannung
bewegt.
(Mit Spannung meint der Schüler
Potentialdifferenz).
Die Spannung entspricht der
Druckdifferenz im Wassermodell und
ist ein Maß für die Arbeitsfähigkeit
der Ladungsträger.
„Die Spannungsquelle in
einem Stromkreis liefert die
Arbeitsfähigkeit der
Ladungsträger. Ist sie nicht
4
Sicherung FZ1
TA1
vorhanden, fließt auch kein
Strom.“
[Lehrervortrag]
L verweist auf das
Wassermodell: ohne
unterschiedliche Wasserstände,
fließt kein Wasser. Durch das
Wasserrad wird die potentielle
Energie des Wassers in
mechanische Arbeit
umgewandelt. Das selbe
passiert in einem Stromkreis
mit Hilfe eines E-Motors.
E-Motor = Wasserrad
FZ2 erarbeitet.
Sicherung FZ2
TA2
[Lernzielkontrolle]
Die Ladungsträger können
durch ihre potentielle Energie
Arbeit an einem Verbraucher
( E-Motor) verrichten.
Auf die eventuelle Frage, wie ein
solcher Motor funktioniere, wird der S
auf die nächste Stunde verwiesen, in
der der Motor ausführlich behandelt
werden soll.
L lässt einen Schüler erklären,
wieso fließendes Wasser an
einem Wasserrad Arbeit
verrichten könne.
S antwortet: Auf Grund der Druckdifferenz ist potentielle Energie vorhanden, und diese wird am Wasserrad
in mech. Arbeit umgewandelt.
[Lehrervortrag]
[fragendentwickelnd]
Das heißt also, dass die
Wasserstromstärke(kinetische
Energie), die das Wasser durch
seine Fließen besitzt wird nicht
weniger.
L erinnert die Schüler mit
einem Experiment: zwei
Rädchen vor und hinter dem
Verbraucher drehen sich gleich
schnell.
L fragt. Was meint ihr, wie es
sich nun im Stromkreis
verhält?
Transfer: Ladungsträger verrichten
auf Grund einer Potentialdifferenz
Arbeit. Ihre Zahl und ihr
Geschwindigkeit müssen gleich
bleiben.
[Anweisung]
L baut lässt einen S einen
5
[fragendentwickelnd]
Stromkreis mit
Verbraucher zusammenbauen,
in den vor und hinter dem
Verbraucher ein Amperemeter
geschaltet ist.
S misst den Strom vor und
hinter dem Verbraucher.
L: Wie können die angezeigten
Stromstärken gedeutet
werden?
„ Die Strom wird trotz Verbraucher
nicht weniger.“
S sehen, dass die gleiche
Ladungsmenge pro Zeit, die an der
Stromquelle abgeht auch wieder
ankommt, trotz des angeschlossenen
Verbrauchers.
[Lehrervortrag]
FZ3 erarbeitet.
L ergänzt: „Dabei nimmt nur
die potentielle Energie der
Ladungsträger ab nicht aber
ihre Zahl.“
Nochmaliges Vorlesen der
Pressemeldung mit
anschließender Analyse.
Der allgemein gebrauchte
Begriff des Stromverbrauchs
ist falsch, und wird korrekt als
Bedarf an el. Energie
bezeichnet.
S wird bewusst, dass der landläufige
Begriff des Stromverbrauchs falsch
ist, da er fälschlicher Weise
suggeriert, dass durch einen
Verbraucher die Zahl der
Ladungsträger abnimmt.
Sicherung FZ3.
TA3.
[fragendentwickelnd]
L gibt Impuls durch folgende
Frage: Wir haben gesehen,
dass das Wasser am Rad seine
potentielle Energie in mechanische umgewandelt hat. Das
heißt, am Rad findet ein
Potentialverlust statt. Analog
müsste nun auch im Stromkreis ein Potentialverlust
auftreten. Wer kann mir sagen
wo er auftritt, und wie wir ihn
messen können.
S wissen, dass der Potentialverlust am
Verbraucher auftritt. Sie werden
antworten, dass man über dem
6
Verbraucher den Potentialverlust, d.h.
den Spannungsabfall, messen können
müsste.
L bittet Schüler heraus und
lässt ihn ein Voltmeter so in
den Stromkreis einbauen, dass
der Spannungsabfall gemessen
werden kann.
L lässt Ergebnis erläutern.
Der Potentialverlust der
Ladungsträger, lässt sich durch einen
Spannungsabfall am Verbraucher
nachmessen.
FZ4 erarbeitet.
Sicherung FZ4.
TA4
FZ1-FZ4 werden in Form von Stichpunkten an der Tafel gesichert (= TA1-TA4) und von den
Schülern mitgeschrieben. Um die Feinziele festzuhalten, bzw. nochmals zu sichern und
gleichzeitig eine Lernzielkontrolle durchzuführen, wird folgendes Arbeitsblatt ausgegeben
(siehe nächste Seite).
Lernvoraussetzungen:
- Kenntnis des Begriffes Strom als bewegte Ladung pro Zeit
- Kenntnis des Analogmodells Wasser-Strom-Kreislauf, hydrostat. Druck
- Kenntnis des Begriffes einfacher Stromkreis und welche wesentlichen Bestandteile er
enthält
- Kenntnis der Funktionsweise und Handhabung eines Amperemeters
- Kenntnis des Begriffes mechanische Arbeit, bzw. Energie ( pot., kin. ), und das eine
Form der Arbeit bzw. Energie in die andere umgewandelt werden kann.
- Kenntnis der Funktionsweise und Handhabung eines Voltmeters
- Kenntnis der kin. Energie
Lernziele:
Grobziel:
- Schüler sollen erkennen, dass der Strom an sich, der aus Elektronen besteht, durch den
Betrieb von el. Geräten nicht weniger wird, sondern dass die Ladungsträger auf Grund
ihrer potentiellen Energie Arbeit an einem Verbraucher verrichten können.
( Statt von Strom müsste man hier genauer von Stromstärke sprechen.)
Feinziele:
1. Kenntnis der Spannung als Maß für die Arbeitsfähigkeit der Ladungsträger.
2. Wissen, dass die Ladungsträger auf Grund ihrer potentiellen Energie Arbeit
verrichten, nicht durch ihre kinetischen Energie.
3. Bewusstsein, dass Strom nicht verbraucht wird und dass der umgangssprachliche
Begriff „Stromverbrauch“ falsch ist und den Bedarf an el. Energie meint.
4. Wissen, dass der Verlust an potentieller Energie in Form eines Spannungsabfalls
über dem Verbraucher gemessen werden kann .
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STROMVERBRAUCH- richtig oder falsch?
Im Wasserkreislauf, so wissen wir, fließt das Wasser durch eine Druckdifferenz. Im
Stromkreislauf entspricht die Spannung der Druckdifferenz im Wasserkreislauf. Sie ist ein
Maß für die
a) kinetische Energie
(3)
b) Arbeitsfähigkeit
(1)
der Ladungsträger.
Das heißt also, dass sowohl Wasser wie auch die Ladungsträger potentielle Energie besitzen,
mit der sie Arbeit an einem Verbraucher verrichten können.
Wir haben in der Stunde gehört, dass der allgemein gebrauchte Begriff „Stromverbrauch“
falsch ist. Strom kann man nämlich nicht wie z.B. Benzin verbrauchen, er ist nach einem
Verbraucher immer noch in gleicher Stärke zu messen. Wie müsste man statt
„Stromverbrauch“ besser sagen?
a) Bedarf an elektrischer Energie
(4)
b) Energieverbrauch
(1)
Am Wassermodell kann man folgendes beobachten: in der selben Zeit fließt
a) genauso viel
(3)
b) weniger
(2)
c) mehr
(0)
Wasser rein, wie raus.
Folglich wird an einem Verbraucher im Stromkreis nur die potentielle Energie umgewandelt,
a) Zahl
(1)
b) Geschwindigkeit
(8)
der Ladungsträger bleiben gleich.
Den Verlust an potentieller Energie kann man mit Hilfe eines
a) Amperemeters
(4)
b) Voltmeters
(7)
c) Ohmmeters
(2)
am Verbraucher messen.
AUFGABE: wie hoch ist die gemessene Stromstärke an A2 im Vergleich zu A1?
a) gleich hoch
b) höher
c) niedriger
V1
A1
V2
V3
A2
8
(9)
(8)
(4)