Sexp_Ke4_Messen elektrischer Größen und

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Gymnasium, Natur und Technik/ Schwerpunkt Physik, Jahrgangsstufe 7
Schülerexperiment:
Messen elektrischer Größen und
Erstellen von Kennlinien
Stand: 26.08.2015
Jahrgangsstufen
7
Fach/Fächer
Natur und Technik/ Schwerpunkt Physik
Benötigtes Material
Volt- und Amperemeter; regelbare Gleichspannungsquellen; Kabel;
als elektrische Bauteile können beispielsweise ausgewählt werden:
Widerstand, Glühlampe, LED, NTC-, PTC-Widerstand, Bleistiftmine,
Metallldraht
Kompetenzerwartungen
Die Schülerinnen und Schüler

verwenden unter Anleitung Stromstärke- und Spannungsmessgerät, protokollieren
Messwerte selbständig in einer Tabelle und erstellen die Kennlinie für einen
ohmschen und einen nichtohmschen Widerstand.
Hinweise zum Unterricht
Ziel:
Im Hinblick auf die Entwicklung experimenteller Kompetenz steht für die Schülerinnen und Schüler der
Jahrgangsstufe 7 im Fokus, erstmals unter Anleitung systematisch zu experimentieren, dabei den
sachgerechten und materialschonenden Umgang mit Experimentiergeräten und das Protokollieren an
einfachen Experimenten zu lernen.
Betrachtet man die obige Kompetenzerwartung zum Schülerexperiment „Messen elektrischer Größen
und Erstellen von Kennlinien“, so steht bei diesem die Durchführung und das Protokollieren im
Mittelpunkt, wohingegen die Interpretation der erzielten Messergebnisse nicht genannt wird und
fakultativ im nachfolgenden Unterricht erfolgen kann.
Bei diesem Schülerexperiment sollen die Schülerinnen und Schüler im Speziellen die richtige
Handhabung von Messgeräten zur Messung elektrischer Größen erlernen. Es geht dabei darum, die
Geräte gekonnt einzustellen und zu bedienen. Den sicheren Umgang mit dem Material zu schulen, ist für
das erfolgreiche Experimentieren und somit für das Lernen zentral. Da dies im Unterricht nicht nebenher
geht, sollte hierfür extra Zeit vorgesehen werden.
Des Weiteren unternehmen sie erste Schritte, Kennlinien zu erstellen sowie zu klassifizieren. Dabei
erkennen sie im Diagramm ein Mittel zur Versuchsauswertung. Hierbei genügt eine Unterscheidung
zwischen einer Ursprungsgeraden und einer gekrümmten Kennlinie, d. h. zwischen den Kennlinien von
Bauteilen mit bzw. ohne ohmscher Charakteristik. Eine Verknüpfung zwischen der Krümmung einer
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Kennlinie und dem Widerstandsverhalten des dazugehörigen Bauteils ist nicht vorgesehen.
Insbesondere intendiert der Lehrplan keine formale Darstellung des ohmschen Gesetzes unter
Verwendung mathematischer Sprechweisen für eine direkte Proportionalität oder eine Ermittlung des
Widerstandswerts aus der Steigung der Kennlinie.
Mögliches Versuchsmaterial:
Volt- und Amperemeter; regelbare Elektrizitätsquelle (Netzgerät oder alternativ z. B. Akku oder Batterie
mit einer Spannungsteilerschaltung als „black box“); verschiedene elektrische Bauteile, wie Glühlampe,
Widerstand, LED, NTC-, PTC-Widerstand, Bleistiftmine; Kabel
Hinweis:
Gegebenenfalls kann der Kauf einfacher Multimeter durch die Schüler in Erwägung gezogen werden, die
dann auch außerhalb des Unterrichts zur Überprüfung von Schaltungen und Geräten eingesetzt werden
können.
Mögliche Organisationsform:
Generell ist ein Experimentieren in Zweiergruppen günstig. Die folgenden Ausführungen gestatten neben
dem Experimentieren in Kleingruppen aber auch eine Einteilung der Klasse in größere Gruppen zum
Experimentieren. In letzterem Fall bietet sich ein arbeitsteiliges Vorgehen mit anschließender
Präsentationsphase zu den ermittelten Kennlinien an. Eine jede Gruppe sollte mindestens ein Bauteil mit
und eines ohne ohmsche Charakteristik untersuchen, so dass die erhaltenen Kennlinien
gegenübergestellt, also Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Kennlinien thematisiert werden
können.
Mögliche Aufträge:
siehe die folgenden Seiten
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ERSTELLEN VON KENNLINIEN ELEKTRISCHER BAUTEILE
Bei diesem Versuch werden verschiedene elektrische Bauteile untersucht. Dazu wird ein Bauteil an eine
Elektrizitätsquelle angeschlossen und bei immer größerer Spannung der Elektrizitätsquelle die jeweilige
Stärke des Stroms gemessen, der durch das Bauteil fließt. Beobachtet man hierbei bei verschiedenen
elektrischen Bauteilen das Gleiche? Oder unterscheiden sich die elektrischen Bauteile? Dies kannst du
am besten entscheiden, wenn du für jedes untersuchte Bauteil eine Kennlinie (ein Diagramm) erstellst
und die erhaltenen Kennlinien dann vergleichst.
Mögliche Arbeitsanweisung:
a) Erstelle zum folgenden Versuch ein Versuchsprotokoll. Gliedere es in die folgenden Teile und
ergänze es im Laufe des Versuchs.
1.
Ziel
Gib knapp das Ziel des Versuchs in eigenen Worten wider.
2.
Aufbau
Beschreibe den experimentellen Aufbau, z. B. mithilfe des
abgebildeten Schaltplans, den du auch beschriftest.
3.
Beschreibung der Durchführung
Beschreibe kurz, wie du den Versuch durchführst,
insbesondere welche Größen du misst.
4.
Messergebnisse
siehe Teilaufgaben c)
5.
Auswertung
siehe Teilaufgabe d) und e)
I
U
b) Baue die Schaltung entsprechend dem obigen Schaltplan auf. Achte besonders auf den richtigen
Einbau der Messgeräte und den jeweils eingestellten Messbereich.
Beachte, dass du erst nach der Kontrolle durch die Lehrkraft die Elektrizitätsquelle einschalten
darfst.
c) Führe für jedes der erhaltenen Bauteile eine Messreihe nach folgendem Schema durch:
Verändere die Spannung an der Elektrizitätsquelle in gleichgroßen Schritten. Beginne bei 0 V. Die
Schrittweite gibt dir deineLehrerin oder dein Lehrer für jedes Bauteil einzeln vor. Notiere jeweils
Spannung und Stromstärke in einer Messwerttabelle nach folgendem Muster (hier Schrittweite 1 V):
U/V
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I/A
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
Hinweis 1: Solltest du in einem Bereich von U-Werten eine stärkere Veränderung der I-Werte als
sonst bemerken, so miss in dieserm U-Bereich nochmal mit kleinerer Schrittweite für die Spannung
U (eigene Tabelle sinnvoll).
d) Trage die Messwerte für jedes untersuchte Bauteil in ein eigenes U-I-Diagramm ein,
d. h. die Spannung nach rechts und die Stromstärke nach oben auftragen. Wähle die
Achseneinteilungen so, dass die Achsen jeweils ca. 10 bis 15 cm lang sind.
Hinweis 2:
Sollte dir erst jetzt auffallen, dass sich in einem bestimmten Bereich von U-Werten die I-Werte sehr
stark verändern, so folge jetzt dem obigen Hinweis 1 und miss nochmal (eigene Tabelle anlegen).
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e) Zeichne jetzt eine ausgleichende Kurve (Kennlinie) in jedes Diagramm ein;
die Kurve soll Messungenauigkeiten „ausgleichen“, indem sie sinnvoll „zwischen“ den Kreuzchen im
Diagramm verläuft.
Mögliches Versuchsprotokoll:
1. Ziel
Der Zusammenhang zwischen der Spannung, die an einem Bauteil angelegt wird, und der Stärke des
Stroms, der durch das Bauteil fließt, soll näher untersucht werden. Indem diese Untersuchung für
mehrere elektrische Bauteile wiederholt wird, soll außerdem untersucht werden, in wie weit diese sich
gleichen bzw. unterscheiden.
2. Aufbau
Amperemeter
I
Elektrizitätsquelle
(regelbar)
Elektrisches Bauteil
U
Voltmeter
Als Elektrizitätsquelle dient eine regelbare Gleichstromquelle. Die Messung erfolgt mit
Digitalmultimetern.
3. Beschreibung der Durchführung
Die angelegte Spannung wird von 0 V beginnend in Schritten von etwa 1 V bzw. 2 V gesteigert,
zusammen mit der Stromstärke gemessen und die erhaltenen Wertepaare in die Messwerttabelle
eingetragen. Es werden für verschiedene Bauteile jeweils ca. 10 Messwertpaare aufgenommen und in
U-I-Diagramme dargestellt.
4. Messergebnisse
Glühlampe (6V, 3W)
U/V
0,0
0,2
0,4
0,5
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
I/A
0,00
0,10
0,14
0,14
0,18
0,26
0,32
0,37
0,42
0,46
NiCr-Draht ( 0,2mm, 1,4m lang)
U/V
0,1
2,0
4,3
6,0
8,0
10,2
12,0
14,1
15,9
17,9
I/A
0,00
0,04
0,08
0,12
0,18
0,23
0,29
0,33
0,37
0,42
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5. Auswertung
6. Ergebnis
Die beiden Kennlinien unterscheiden sich in ihrer Form. Bei der Glühlampe ist die Kennlinie gekrümmt,
während sie beim Draht eine Ursprungsgerade ist.
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Anmerkungen
Ausgehend von den im Schülerexperiment erhaltenen unterschiedlichen Kennlinien kann im
nachfolgenden Unterricht die Bezeichnung „ohmscher Widerstand“ eingeführt werden. Mithilfe der
bereits eingeführten Größenbeziehung R = U/I kann anhand der Messwerttabelle gemeinsam mit den
Schülerinnen und Schülern festgestellt werden, dass es sich beim „ohmschen Widerstand“ um ein
Bauteil handelt, das stets den gleichen Widerstand besitzt. Nichtohmsche Widerstände zeigen
demzufolge einen unterschiedlichen Widerstand; je nach dem welche Stärke der Strom besitzt, der
durch sie fließt.
Die folgende Abbildung zeigt eine Auswahl weiterer Kennlinien von Bauteilen, die ebenfalls bei diesem
Schülerexperiment eingesetzt werden können.
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