Vergleich von Realversuch und Simulation
Werbung
Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips Elektrizitätslehre - Einführung Fach: Physik Klassenstufe: 8. Schuljahr Thema: - Stromkreise und Schaltzeichen; Reihen- und Parallelschaltung - Messen von Stromstärke und Spannung - Widerstände bei Parallelschaltung Die angegebenen Lehrplaneinheiten werden als „Curriculum“ behandelt. - 1. Runde: Nur Phänomene - 2. Runde: Erklärung durch Messung Verwendetes Programm: Croco-Clips Vorbemerkung: Da die angegebenen Lehrplaneinheiten als Einstieg in die Physik verwendet werden, sollte unbedingt mit Realversuchen begonnen werden. Die Simulation mit dem Computer bietet sich einerseits als eine gute Möglichkeit für eine Vertiefung an, andererseits bringt es den Schülern eine neu in der Industrie angewandte Arbeitsweise näher. 1. Stunde: Ergebnisse: Zeichnen in Bildform/Bekannt machen mit dem Programm - Stromkreis mit Batterie und Birne - In den Stromkreis wird noch ein Schalter eingefügt. - Die Birne wird durch einen Motor bzw. einen Summer ersetzt. Verwendung von Schaltzeichen vereinfachen das Schaltbild Die bekannten Stromkreise werden mit Schaltzeichen neu gezeichnet. - Unter einem Stromkreis versteht man die Verbindung von + und –Pol einer Stromquelle - - Birnen (Geräte) funktionieren nur wenn der Stromkreis geschlossen ist. - - Schalter = Unterbrecher des Stromkreises. -1– Braun/Spannagel Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips 2. Stunde Stromkreise mit mehreren Geräten in Reihe - - 2 bzw. 3 Birnen in Reihe mit Schalter - Ergebnis: Die Birnen brennen schwächer. - -1 Birne wird durch einen Motor ersetzt. - Ergebnis: Der Motor läuft nicht. Mögliche Begründung? - - Probiere aus, wie viel Birnen in Reihe geschaltet werden müssen, dass keine Birne mehr brennt. - Verständnisfrage: Betrachte die Helligkeit der Birnen bei Bedienung von Schalter A bzw. bei Bedienung von Schalter A und B. Erklärungsversuch? -2– Braun/Spannagel Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips 3. Stunde: Parallelschaltung Schaltbild mit 3 Parallelgeschalteten Birnen. Ergebnis: Alle Birnen Brennen gleich hell. 3 unabhängige Stromkreise. - Füge einen Schalter so ein, dass alle Birnen ausgeschaltet werden können. - Füge einen Schalter so ein, dass nur 1 Birne ausgeschaltet wird. - Füge einen Schalter so ein, dass 2 Birnen ausgeschaltet werden können. - Füge eine 4. Stromkreis mit einem Motor ein. Verständnisfrage: Was geschieht, wenn ein 5. Stromkreis ohne „Gerät“ eingebaut wird? Ergebnis: - Alle Stromkreise können durch Schalter beliebig unterbrochen werden - Zwischen dem + und dem –Pol muss sich immer ein „Gerät“ befinden, sonst geht die Batterie kaputt. -3– Braun/Spannagel Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips 4. Stunde: Festigung; Überblick Stromkreis mit 2 Schaltern in Reihe = Sicherheitsschaltung bzw. Logisches „UND“ Nur bei Betätigung von Schalter 1 und Schalter 2 brennt die Birne. 2 Stromkreise mit 2 Schaltern parallel = Klingelschaltung bzw. Logisches „ODER“ Die Klingel läutet, wenn Schalter 1 oder Schalter 2 betätigt wird. Lockerer Abschluss: Stromkreislabyrinth mit 6 Birnen und 1 Schalter. -4– Braun/Spannagel Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips 5. Stunde: Wir messen elektrische Ströme. Zeichnen des Schaltbildes Batterie, Amperemeter, Lampe mit dem Computer. Rückbesinnung auf den praktischen Aufbau. Warum brennen die Lampen bei der Reihenschaltung schwächer? Ergebnis: Bei der Reihenschaltung von Lampen nimmt die Stromstärke im Stromkreis ab. Transfer: Zusammenhang zwischen Lampenzahl und Stromstärke Ergebnis: Je mehr Lampen sich im Stromkreis befinden, desto geringer ist die Stromstärke. Untersuchung der Parallelschaltung Ergebnis: Je mehr Lampen parallel geschaltet werden, desto mehr Strom kann fließen. (Entstehung neuer Stromkreise) -5– Braun/Spannagel Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips 6. Stunde: Elektrische Anlagen, Sicherungen Einstieg: Fehlerhafter Stromkreis Ergebnis: Bei Betätigung des Schalters wird die Batterie zerstört. Problemlösung: Billige Unterbrechung des Stromkreises bei Fehlschaltungen = Sicherung Ergebnis: Sicherung wird statt der Batterie zerstört. Transfer: Bei zu großer Stromstärke kann sich die Leitung unzulässig stark erwärmen. Zu viele Geräte werden an die gleiche Stromquelle parallel angeschlossen. Ergebnis: Beim Einschalten der 6. Lampe brennt die Sicherung durch. Ergebnis: Motoren brauchen dickere Leitungen und stärkere Sicherungen. -6– Braun/Spannagel Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips 7. Stunde: Die elektrische Spannung Problemstellung: Warum brennt die Lampe nicht? Das Spannungsmessgerät ist so gebaut, dass möglichst wenig Elektronen durchfließen. Es misst den Elektronenunterschied zwischen zwei Punkten. Ergebnis: Das Voltmeter muss parallel angeschlossen werden. Ergebnis: Bei Reihenschaltung ist die Spannung bei Messen zwischen verschiedenen Punkten unterschiedlich. In einem Leitungsstück kann sich kein Elektronenunterschied aufbauen. Die Spannung ist daher Null. Ergebnis: Bei der Parallelschaltung ist die Spannung an jedem Gerät gleich groß. -7– Braun/Spannagel Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips 8. Stunde: Elektrischer Widerstand Ergebnisse: 1. Bei gleicher Lampe steigt bei steigender Spannung die Stromstärke im gleichen Verhältnis. 2. Dividiert man die Spannung durch die Stromstärke erhält man einen konstanten Wert. 3. Dieser konstante Wert wird als Widerstand R der Lampe bezeichnet. Transfer: Gilt dieser Zusammenhang auch für einen Elektromotor? Untersuche die folgende Schaltung. Ergebnis: Der Zusammenhang gilt auch hier. Gilt dieser Zusammenhang auch für einen Lautsprecher? Verallgemeinerung: Der Quotient Spannung/Stromstärke wird allgemein als Widerstandswert eines elektrischen Bauteils bezeichnet. -8– Braun/Spannagel Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips 9./10. Stunde: Festigung 1. Miss die Stromstärke zwischen allen Lampen. Was stellst du fest.? 2. Miss die Spannung an den Lampen. Was stellst du fest? 3. Miss die Stromstärke an jeder Lampe bzw. die Gesamtstromstärke. Was stellst du fest? 4. Wie groß sind die Spannungen an den 3 Lampen? 5. Überprüfe das Ohm’sche Gesetz an folgender Schaltung: ___________________________________________________________________________ 6. Widerstände in Reihenschaltung. Wie groß ist der Gesamtwiderstand im folgenden Stromkreis? Miss die Gesamtstromstärke und die Gesamtspannung. Wende das Ohm’sche Gesetz an und vergleiche mit den angegebenen Widerständen. -9– Braun/Spannagel Realversuch und Simulation – Klassenstufe 8, Realschule Bonndorf Croco-Clips Gemachte Erfahrungen beim Arbeiten mit dem Programm 1. Die Schüler arbeiten nach einer kurzen Einführung problemlos mit dem Programm. 2. Bei der Einführung ist das Aufstellen von Stromkreisen mit Realbildern der Bauteile für die Schüler sehr interessant. Der Übergang zu Symbolen bereitet keine Schwierigkeiten. 3. Das Ausdrucken der Schaltbilder animiert zu einer sorgfältigeren Heftführung. 4. Das Programm liefert ideale Messergebnisse. Messfehler in der Praxis werden von den Schülern als störend empfunden. (z.B.: siehe Ohm’sches Gesetz) 5. Die Diskussion von Messfehlern in der Praxis ist unbedingt notwendig. 6. Der praktische Einbau von Messgeräten in Stromkreise macht den Schülern Schwierigkeiten. Die Übersicht geht in der Praxis leicht verloren. 7. Das Messen von Stromstärke und Spannung (Reihe/parallel) funktioniert am Computer viel besser als im Realversuch. 8. Auch aufwendige Versuche lassen sich mit dem Programm leicht realisieren. 9. Die Vor- und Nachteile einer Simulation können bei diesem Vergleich anschaulich diskutiert werden. 10. Das Programm eignet sich sowohl für Einzelarbeit als auch für das Arbeiten in Zweiergruppen. 11. Bei Fehlschaltungen führt das Programm zur symbolischen Zerstörung von Bauteilen, was die Schüler amüsiert und zur Fehlersuche anregt 12. Bei vielen Schülern zeigt sich eine theoretische Experimentierfreudigkeit, weil in Wirklichkeit nichts zerstört werden kann. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Arbeiten mit dem Programm eine Bereicherung für den Physikunterricht darstellt. Auf Realversuche zu verzichten, würde aber einem Rückfall in die Zeit der „Kreidephysik“ gleichkommen. In beiden Versuchsklassen wurden die gleichen Erfahrungen gemacht. In einem zweiten Durchgang sollte das Augenmerk besonders darauf gelegt werden, zu welchem Zeitpunkt der Einsatz des Computerprogramms den größten Erfolg bringt. Für die R8a G. Spannagel Für die R8b H. Braun - 10 – Braun/Spannagel
