3 Planen und erfinden elektrischer Stromkreise Franz Kranzinger Empfohlenes Schuljahr 8. – 10. Zeitrahmen Name der Einheit 2 × 45 Min. Technische Erfindungen Ziel und Kompetenzentwicklung ❀❀ Das Ziel dieser Unterrichtseinheit besteht darin, dass die Schülerinnen und Schüler an elektrischen Schaltkreisen lernen, Potenzialangaben theoretisch zu ermitteln und dann in Experimenten zu überprüfen. Fachübergreifende Beziehungen ❀❀ Zusammenhänge zwischen Physik und Mathematik / Logik 4 A Holz, Metalle und Kunststoffe A 6.1 Technische Erfindungen Theoretische Einführung Stromkreise und ihre Potenziale Für den elektrischen Stromkreis gibt es zwei entscheidende Größen: Strom (I) und Spannung (U), die Spannung wird auch als Potential bezeichnet. Bei elektrischen Verbrauchern im Stromkreis wird die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen des Verbrauchers geringer, das Potential fällt ab. Bei Reihenschaltung addieren sich die Spannungen bzw. die Potentiale, bei Parallelschaltung bleibt die Spannung (das Potential) gleich. Dies soll in praktischen Versuchen gezeigt werden. Zum Erarbeiten der Gestzmäßigkeiten ist es sinnvoll die Theorie mit praktischen Versuchen zu verbinden. Die Schülerinnen und Schüler bekommen den Arbeitsauftrag A: Sie müssen hierbei in einem Schaltbild drei Lampen (mit gleichen Sollwerten – 2,5 V/0,1 A) in Reihe an eine elektrische Energiequelle (9 V-Batterie-Block) anschließen. Dann sollen sie im Team diskutieren, welche Potenzialwerte sie an den verschiedenen Kabelabschnitten erwarten. Sie wenden hierbei die Potenzialfärberegel an und überprüfen dann – Arbeitsauftrag B – ihre Vorhersagen im Experiment. In der anschließenden Teamarbeit – Arbeitsauftrag C – bearbeiten die Schülerinnen und Schüler komplexere Schaltungen, die man mit der zuvor erworbene Kompetenz lösen kann. Methodischer Teil für Lehrer ❀❀ Ein ganz wesentlicher Aspekt ist hierbei die Einforderung der Vorhersagen durch die Physiklehrkraft, bevor die Schülerinnen und Schüler die Schaltung aufbauen. ❀❀ UND ganz wesentlich ist auch die Arbeit im Team. Die Physiklehrkraft sollte sich soweit wie möglich aus dem „Findungsprozess“ der Schülerinnen und Schüler heraushalten. ❀❀ Es ist ganz wichtig, dass die Physiklehrkraft hierbei keinen „zeitlichen Druck“ aufbaut und mit Blick auf eine gute „Fehlerkultur“ falsche Vorhersagen der Schülerinnen und Schüler zulässt. Der ganz wesentliche Lernerfolg besteht nämlich darin, dass falsche Potenzialvorhersagen durch das eigene Experiment – UND NICHT durch die Physiklehrkraft“ entdeckt werden! ... ❀❀ Im Unterricht zuvor wurde diskutiert, was man unter einem elektrischen Potenzial versteht. ❀❀ Warum man bei einem elekrischen Potenzial das Nullpotenzial definieren muss. ❀❀ Dass man bei der Festlegung des elektrischen Potenzials völlige Freiheit hat. Dass man aber geschickt vorgehen kann, wenn man das Nullpotenzial in den tiefsten Potenzialpunkt legt und damit negative Potenzialwerte vermeidet. Planen / erfinden elektrischer Stromkreise ❀❀ Wie man geschickt die Potenzialfärberegel anwendet. Das heißt, man färbt die galvanischen Verbindungen in der elektrischen Schaltung mit der gleichen Farbe ein und geht dabei davon aus, dass sich das Potenzial längs eines hinreichend dicken Laborkabels nicht ändert, weil der elektrische Widerstand dieses Laborkabels im Vergleich zu den anderen verbauten ohmschen Widerständen nicht ins Gewicht fällt. Und man geht davon aus, dass eine Glühlampe, durch die sich keine elektrische Stromstärke einstellt (die als einfach gesprochen „nicht leuchtet“), an beiden Enden das gleiche Potenzial hat. ❀❀ Bei diesem Vorgehen wird die „naturwissenschaftliche Arbeitsweise“ trainiert: Das bedeutet: Aus einer Theorie heraus folgen Vorhersagen, die in einem Experiment überprüft werden. Bestätigt das Experiment die Vorhersage, gewinnt die zu Grunde liegende Theorie an Vertrauen. Falsifiziert das Experiment die Vorhersage, dann besteht Handlungsbedarf (Überprüfung des Experiments, Fehlerdiskussion, Verwerfen der zu Grunde liegenden Theorie ... ODER Einschränkung der Theorie auf „engere Randbedingungen“). ❀❀ Die theoretischen Vorhersagen der Potenzialwerte werden mit einem Spannungsmessgerät überprüft. ❀❀ Anschließend werden die in dem einfachen Alternative 1 Eine Möglichkeit besteht darin, die Schaltungen mit realen Bauteilen konkret aufzubauen. Die Überprüfung erfolgt dann mit einem „realen Spannungsmessgerät“. Alternative 2 Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Schaltung in einem Simulator – z.B. im Yenka-Simulator (http://www.yenka.com/de/Home/) aufzubauen. Allerdings lernen die Schülerinnen und Schüler dabei, dass ein Simulator mit Blick auf die naturwissenschaftliche Arbeitsweise das „Realexperiment“ nicht ersetzen kann. 5 6 Arbeitsblatt ➋ A Holz, Metalle und Kunststoffe A 6.1 Technische Erfindungen Teamauftrag C – Potenzialaufgaben Nach der Bearbeitung der letzten Potenzialaufgabe wollen wir unsere bisherige Kompetenz auf folgende komplexere Schaltbilder anwenden. Die Aufgabe besteht darin, die Potenzialwerte an verschiedenen Stellen vorhersagen und dann im Experiment zu „verifizieren“ – bzw. „falsifizieren“. Bestimme mit deinem Team die Potenzialwerte an den mit Buchstaben gekennzeichneten Stellen im Schaltbild. Gehe davon aus, dass die in der Schaltung vorkommenden Glühlampen immer baugleich sind, wenn keine anderen Angaben im Schaltbild für die Lampendaten angegeben sind. Die Lampen haben unterschiedliche Betriebsdaten. Welche Potenzialdifferenz liegt an den Lampen an? Welche Lampen leuchten bei welcher Schalterstellung?