Franz Kranzinger: Entwerfen von Elektrischen

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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
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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.
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Arbeitsblatt
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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?