Von Höhen- und Potentialdifferenzen - Institut für Physik

Johannes Gutenberg-Universität Mainz
FB 08: Physik, Mathematik und Informatik
Bachelorarbeit im Fach Physik (B.Ed.)
Erstprüfer (Betreuer): Dr. Frank Fiedler
Zweitprüfer: Prof. Dr. Heinz-Georg Sander
Von Höhen- und Potentialdifferenzen
Konzeption und Erprobung eines Experimentiertags
für die Mittelstufe zur Einführung der
elektrischen Spannung
Datum: 25.06.2012
Miriam Speyer
Inhaltsverzeichnis
1 – Einleitung
2
2 – Vorgaben durch den Lehrplan
3
2.1
Rheinland-Pfalz, G9
3
2.2
Hessen, G9 und G8
4
3 – Physikalischer Hintergrund und didaktische Reduktion
5
3.1
Darstellung der physikalischen Grundlagen
6
3.2
Pädagogische und didaktische Überlegungen zum elektrischen
13
Stromkreis in der Mittelstufe
4 – Schülervorstellungen
18
4.1
Verbreitete Fehlvorstellungen in der Elektrizitätslehre
18
4.2
Bemerkungen der Schüler der Testklasse
20
4.3
Modelle und Schülervorstellungen
22
5 – Allgemeine methodische Überlegungen zur Umsetzung
des Schülerprojekts
6 – Ausarbeitung und Durchführung der Stationen
25
29
6.1
Erläuterung der Bildschirmpräsentation zur Einführung
30
6.2
Station 1: Potential – Potentialdifferenz – Spannung
31
6.3
Station 2: Was ist Spannung und wie verhält sie sich im Stromkreis?
33
6.4
Station 3: Wie misst man die elektrische Spannung
35
6.5
Station 4: Stromkreise mit mehreren Bauteilen I
37
6.6
Station 5: Stromkreise mit mehreren Bauteilen II
39
6.7
Station 6: Geht’s vielleicht anschaulicher?
40
6.8
Station 7: Es werde Licht
43
6.9
Schlussbemerkung
45
7 – Evaluation und Fazit
45
8 – Bibliographie
47
9 – Anhang
50
1 – Einleitung
Elektrizität ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie ist omnipräsent und
jeder einzelne geht regelmäßig mit ihr um – so natürlich auch die Schülerinnen und Schüler 1
der Sekundarstufe I. Es ist daher folgerichtig, dass die Elektrizitätslehre, und dabei
insbesondere die Elektrodynamik, einen großen Platz im Gymnasiallehrplan des Faches
Physik in der Mittelstufe einnimmt.
Jedoch handelt es sich bei der Elektrizitätslehre, vielleicht gerade weil sie uns so
alltäglich begegnet, um ein Thema, das besonders mit Fehlvorstellungen seitens der Schüler
belastet ist. Wie mehrere Studien gezeigt haben, bleibt vielen Schülern das Konzept der
Spannung auch nach der Behandlung im Unterricht unklar 2. Aus diesem Grund wird sich
diese Arbeit der Vielschichtigkeit des Konzeptes und seiner Vermittlung widmen. Einerseits
soll das elektrische Potential aus physikalischer Sicht erklärt werden, andererseits wird es um
die didaktische Reduktion des Themas in Klassen der Sekundarstufe I gehen. Hierzu sollen
sowohl die schulrelevanten Themen als auch ein Konzept zur Vermittlung der elektrischen
Spannung in Form eines Stationenlernens vorgestellt werden. Die vorliegende Arbeit richtet
sich vorrangig an Physiklehrer und Lehramtsstudenten des Faches Physik an Gymnasien: Die
Beschränkung auf diese Schulart wurde vorgenommen, da die Johannes GutenbergUniversität Mainz, an der diese Arbeit verfasst wurde, ausschließlich die Ausbildung für das
Lehramt an diesem Schultyp anbietet.
Das Sammeln von Praxiserfahrungen hat positive Auswirkungen auf die spätere
Berufsausübung, sodass zukünftige Physiklehrer hier von im Schülerprojekt gesammelten
Beobachtungen und Erkenntnissen profitieren können. Mithilfe der Hinweise zur
Durchführung, welche ab Seite 105 im Anhang angesehen werden können, sollen sie ferner
dazu ermutigt werden, das Projekt im Rahmen des Lern-Lehr-Labors durchzuführen und
weiter zu perfektionieren.
Zunächst werden nun die Vorgaben durch den Lehrplan erläutert. Dieser Betrachtung
folgt die Darstellung der physikalischen Hintergründe sowie der Aspekte des Themas, die für
den Physikunterricht in der Sekundarstufe I relevant sind. Daran werden sich Überlegungen
zu Schülervorstellungen, zu Modellen im Physikunterricht und zu allgemeinen Fragen
anschließen, die zur Organisation des Stationenlernens geführt haben. Abschließend wird es
1
Aus Gründen der Lesbarkeit wird im Folgenden die Bezeichnung „Schüler“ geschlechtsneutral sowohl für
Schüler als auch für Schülerinnen verwendet. Ebenso sind auch alle anderen Personenbezeichnungen zu
verstehen.
2
vgl. u.a. PdN-PhiS 6/57, S.6
2
um die Entwicklung der einzelnen Stationen des Projekts sowie ihre Erprobung am 30. Mai
2012 mit einer siebten Klasse aus Hessen gehen.
2 – Vorgaben durch den Lehrplan
Da in Deutschland Bildung zu den Aufgaben der Länder zählt, bestehen zuweilen
erhebliche Unterschiede zwischen den jeweiligen Lehrplänen. Es wäre aus diesem Grund sehr
aufwendig, hier die genauen Vorgaben jedes einzelnen Bundeslandes in Bezug auf die
Elektrizitätslehre im Physikunterricht der Mittelstufe darzustellen. Da die Stadt Mainz in
Rheinland-Pfalz liegt, sich aber direkt an der Grenze zu Hessen befindet, erscheint es sinnvoll
die Vorgaben beider Länder zur Elektrizitätslehre in der Mittelstufe zu beleuchten.
Darüberhinaus handelt es sich bei der 7. Klasse, die das Schülerprojekt getestet hat, um eine
Schülergruppe aus Hessen.
Aufgrund der Umstellung vom neun- auf das achtjährige Gymnasium3 wird die
Erläuterung des Lehrplans diesbezüglich untergliedert sein.
In beiden Ländern wird die Elektrizitätslehre in der Mittelstufe thematisiert.
Dementsprechend
sind
die
im
Rahmen
dieser
Bachelorarbeit
entwickelten
Experimentierstationen in beiden Ländern von hoher unterrichtlicher Relevanz.
2.1
Rheinland-Pfalz, G9
In der Darstellung der Lerninhalte für das neunjährige, rheinland-pfälzische Gymnasium
berufen wir uns auf den 1998 erschienenen Lehrplan Naturwissenschaften gesamt: Biologie /
Chemie / Physik - Sekundarstufe 1, der auf dem Bildungsserver des Landes Rheinland-Pfalz
eingesehen werden kann4. Zum Lehrplan in G8-Gymnasien lagen bei Abgabe dieser Arbeit
noch keine Informationen vor.
Im G9-Lehrplan ist die „Elektrik“ Thema der zehnten Klasse. In diesem Zusammenhang
wird zunächst die Elektrostatik thematisiert und anhand des Elektroskops die Begriffe der
Ladung, der Neutralisation und der Influenz besprochen. Bei der Behandlung der beiden
Ladungsarten soll es sich um eine Wiederholung der in der Orientierungsstufe besprochenen
3
Aus Gründen der Lesbarkeit werden im Folgenden die geläufigen Abkürzungen G8 für das achtjährige und G9
für das neunjährige Gymnasium verwendet.
4
vgl. Lehrpläne (…) Naturwissenschaften gesamt: Biologie / Chemie / Physik - Sekundarstufe 1, 28.05.2012,
17.59Uhr
3
Inhalte handeln, in deren Rahmen bereits mit einfachen Stromkreisen experimentiert worden
ist5.
Den zweite Themenblock des Abschnitts Elektrik bilden die Behandlung der Ladung, der
Stromstärke und der Spannung. Zunächst soll der Strom als fließende Ladung thematisiert
werden, worauf dann die Betrachtung der Spannung folgt, welche als Grundgröße oder als
Ableitung aus
=
behandelt werden kann6. Wie später in der Erläuterung der
Experimentierstationen erkennbar sein wird, erfolgt die Behandlung der Spannung im
Rahmen dieser Arbeit in beiden Formen. Während die meisten Stationen die Spannung als
Potentialdifferenz und damit als eine Grundgröße behandeln, wird an einer der Stationen der
Weg über
die oben genannte
Relation gewählt.
Hierbei kommt
es zu einer
Energiebetrachtung, wie sie im letzten Abschnitt des Themenblocks 2 des Lehrplans,
„Ladung, Stromstärke, Spannung“, gefordert wird.
Die Betrachtung von Stromkreisen soll durch die Behandlung des elektrischen
Widerstandes und der damit verbundenen Anwendung der Kirchhoffschen Regeln
abgeschlossen werden7. Beide Themengebiete werden an den Experimentierstationen aus
didaktischen Gründen nur „angeschnitten“.
2.2
Hessen, G9 und G8
Da sich die Lehrpläne im Fach Physik in Bezug auf die Elektrizitätslehre in der
Mittelstufe nur wenig unterscheiden, wird in diesem Abschnitt sowohl der G9 als auch der G8
Lehrplan des Faches Physik in Hessen betrachtet. Wir berufen uns hier auf die
entsprechenden Lehrpläne, die auf dem hessischen Bildungsserver eingesehen werden
können8. Im Gegensatz zu Rheinland-Pfalz ist die Elektrizitätslehre in der hessischen
Sekundarstufe I bereits in der siebten und achten Klasse Teil des Curriculums. Während in der
siebten Klasse der Stromkreis im Mittelpunkt steht, soll im zweiten Quartal der achten Klasse
die statische Elektrizität das Zentrum bilden. Es ist auch die Trennung von Ladungen, die
schließlich zum Begriff der Spannung führt, deren Betrachtung dann die Anknüpfung an den
Stromkreis, der im vorangegangenen Jahr behandelt worden ist, folgt. Ebenso wie in
Rheinland-Pfalz ist es vorgesehen die Betrachtung des Widerstands und der Kirchhoffschen
Regeln nach der Einführung der Spannung vorzunehmen
5
vgl. Rahmenlehrplan Naturwissenschaften – Orientierungsstufe, S.38
vgl. Lehrplan Naturwissenschaften gesamt, S. 198
7
vgl. ibid., S.198
8
vgl. http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?cid=e000df8eb58c60051fb48e0dcb5ad616 ,
5.06.12, 21.43Uhr
6
4
Auch für das Land Hessen kann daher festgehalten werden, dass die Spannung fester
Bestandteil des Lehrplans ist und dass somit das hier ausgearbeitete Schülerprojekt von
höchster unterrichtlicher Relevanz ist.
Da zwischen Schülern der zehnten und der siebten Klasse jedoch erhebliche Unterschiede
im Bearbeitungs- und Lerntempo bestehen, ist es nötig, Arbeitsblätter und Zeitplan der
jeweiligen Klassenstufe anzupassen. Im Rahmen der hier vorliegenden Bachelorarbeit war
eine Erprobung mit beiden Klassen aus Zeitgründen leider nicht möglich. Es wird daher hier
nur auf die Erfahrungswerte mit einer siebten Klasse eingegangen werden.
3 – Physikalischer Hintergrund
Viele wichtige und alltägliche Anwendungen der Elektrizitätslehre lassen sich mit dem
Konzept des Stromkreises verstehen, weshalb letzterer im Physikunterricht der Mittelstufe im
Zentrum der Aufmerksamkeit steht. Bei einem Stromkreis handelt es sich um einen Aufbau,
der mindestens aus einer Spannungsquelle und einem weiteren Gerät, wie z. B einer
Glühbirne oder einem Motor, besteht. Oft wird für dieses weitere Gerät die Bezeichnung
„Verbraucher“ verwendet, was aus physikalischer Sicht ungünstig ist, da sie impliziert, im
Stromkreis werde etwas verbraucht. Dies ist nicht richtig, denn es gilt hier die
Kontinuitätsgleichung, die im schulischen Physikunterricht
als „Ladungserhaltung“
bezeichnet wird:
( , ).
( , )=
Selbstverständlich liegt auch Energieerhaltung vor. Der „Verbraucher“ müsste daher
richtigerweise „Wandler“ heißen, da es in ihm durch Stromfluss zur Umwandlung elektrischer
Energie in andere Energieformen kommt; so wandelt z.B. eine Glühbirne elektrische Energie
in Wärme und Licht um. Dennoch werden wir im Sinne der Konformität mit den meisten
Schulbüchern die Bezeichnung „Verbraucher“ in dieser Arbeit beibehalten.
Die
folgenden
Unterkapitel
richten
sich
vorrangig
an
Physiklehrer
bzw.
Lehramtsstudenten des Fachs Physik, da sie sich mit den physikalischen Hintergründen 9 des
ausgearbeiteten Schülerprojekts beschäftigen werden. Auf diese abstrakte Betrachtung wird
die didaktische Reduktion der beschriebenen Zusammenhänge folgen.
9
Die Darstellung der physikalischen Hintergründe konzentriert sich auf die für das Schülerprojekt relevanten
Aspekte. Eine ausführlichere Darstellung kann z.B. bei Demtröder 2009 gefunden werden.
5
3.1
Erläuterung des physikalischen Hintergrunds
a. Elektrische Felder
Befindet sich eine elektrische Ladung Q in einem Raum, so ist sie der Ursprung eines
( ), welches auf die Probeladung q wirkt:
Kraftfeldes
( , )=
4
Führt man eine Grenzwertbetrachtung durch, bei der man die Ladung q gegen Null laufen
lässt, kann man, analog zum Gravitationsfeld, das elektrische Feld definieren:
=
=
4
( ) ist definiert als die elektrische Feldstärke; aus ihr ergibt sich umgekehrt wieder die Kraft
, die auf eine Probeladung q im elektrischen Kraftfeld wirkt.
b. Das elektrische Potential
Bewegt man eine Ladung im elektrischen Feld ( ), so wird die Arbeit W geleistet:
=
=
.
Da das elektrische Kraftfeld konservativ ist, kann die potentielle Energie Epot über das
Wegintegral
Grenzwert
definiert werden. Bei der Betrachtung kleiner Testladungen q gilt im
0 die Proportionalität Epot ~ q. Folglich kann der Proportionalitätsfaktor
eingeführt werden, den man als Potential bezeichnet und für den gilt
( )=
=
.
Die Differenz der Potentiale in zwei Punkten P1 und P2 nennt man elektrische Spannung U.
=
( )
( )=
Wie im folgenden Unterkapitel ab Seite 13 zu sehen sein wird, wird diese Definition eine der
zentralen Erkenntnisse des Schülerprojekts darstellen, wenn auch nicht in dieser
mathematischen Form.
Die soeben beschriebene Potentialdifferenz kann ebenfalls über den Gewinn bzw. den
Verlust potentieller Energie in einem elektrischen Feld definiert werden. Durchläuft eine
Ladung q eine Potentialdifferenz U, so erfährt sie eine Änderung ihrer Energie, welche
proportional zur Potentialdifferenz ist:
=
6
Entsprechend des Energieerhaltungssatzes muss sich bei einer Änderung der potentiellen
Energie auch die kinetische Energie der Ladung ändern:
=
=
+
=
=
.
Wichtig ist, dass das Potential immer einen Bezugspunkt P0 benötigt, an dem das Potential
auf einen Wert ( ) =
(
festgelegt ist. Im Allgemeinen wird die Erde als dieser Punkt mit
) = 0 gewählt; selbstverständlich ist jedoch die Potentialdifferenz U unabhängig von
der Wahl des Bezugspunktes.
Bewegt man Ladungen entlang sogenannter „Äquipotentialflächen“, auf denen das
Potential konstant ist, wird keine Arbeit verrichtet. Im Zusammenhang mit der didaktischen
Reduktion wird dieser Begriff noch einmal thematisiert.
c. Der elektrische Strom
Wird zwischen zwei Punkten unterschiedlichen Potentials eine leitende Verbindung
hergestellt, so kommt es zu einem elektrischen Stromfluss. Die Potentialdifferenz kann
Schülern dementsprechend als Antrieb für den Strom vorgestellt werden. Unter letzterem
versteht man den Transport elektrischer Ladungen. Die Stromstärke I, welche in Ampere
angegeben wird, ist als „die Ladungsmenge Q, die pro Zeiteinheit durch einen zur
Stromrichtung senkrechten Querschnitt fließt“ definiert:
=
Elektrische Ladungen können Elektronen und Löcher, aber auch positive oder negative Ionen
sein.
Selbst wenn kein äußeres elektrisches Feld
angeschlossen ist, bewegen sich die
Ladungsträger in Stoffen mit einer bestimmten Geschwindigkeit. In Metallen liegt diese in
einer Größenordnung 10 von 106-107 m/s. Jedoch sind die Bewegungsrichtungen der
Leitungselektronen bei
verschwindet.
= 0 statistisch verteilt, sodass ihre Stromdichte im Mittel
Legt man ein äußeres elektrisches Feld an den Leiter an, so wirkt eine Kraft
Ladungen, die eine Beschleunigung
der einzelnen Ladungen q mit Masse m bewirkt:
=
10
=
vgl. Demtröder 2009, S. 47
7
.
auf die
Während der mittleren Zeit
s
zwischen zwei Stößen erhalten die Ladungsträger daher eine
zusätzliche mittlere Geschwindigkeit, die Driftgeschwindigkeit vD genannt wird und welche
zu einem Ladungstransport mit der Stromdichte führt.
Mit
=
=
ergibt sich:
=
2
=
=
=
Man kann so die materialabhängige „elektrische Leitfähigkeit“
el
definieren:
mit [ ] = 1
=
Dabei ist n die Ladungsträgerkonzentration, m die Masse der Ladungsträger und
s
die
mittlere Zeit zwischen zwei Stößen.
Trotz der Beschleunigung der Ladungen durch das äußere elektrische Feld ergibt sich
eine konstante Geschwindigkeit, da die Stöße mit den Teilchen des Metalls die Elektronen
immer wieder abbremsen. Aus diesem Grund ist es möglich, die Wirkung der Stöße als eine
Art „Reibungskraft“
aufzufassen, welche der Feldrichtung entgegen gerichtet ist. Sobald
die maximale Driftgeschwindigkeit erreicht ist, muss daher gelten: Je kleiner die
Reibungskraft, desto höher die Driftgeschwindigkeit 11 :
In der oben beschriebenen Gleichung
=
=
+
= 0
werden die Stromdichte und
die elektrische Feldstärke verbunden. Dieser Zusammenhang wird, nach seinem Entdecker
Georg Simon Ohm (1789-1854)12, als Ohmsches Gesetz bezeichnet. Für einen homogenen
Leiter mit Querschnitt A und Länge L, wie er z.B. in Form von Kabeln und Drähten vorliegt,
kann diese Gleichung durch Integration zu
=
umgeformt werden. Es ergibt sich die Größe
=
elektrischen Widerstand bezeichnet. Die Größe
=
mit [ ] = 1 = 1 , die man als
bezeichnet den spezifischen
Widerstand, da dieser nur vom verwendeten Material abhängig ist.
11
12
vgl. ibid., S.48
vgl. Grehn J., Krause J. 2004, S.202
8
Die Behandlung des elektrischen Widerstandes ist fester Bestandteil des Lehrplans der
Elektrizitätslehre in der Mittelstufe, welcher im vorangegangenen Kapitel erläutert wurde und
folgt in der Regel auf die Einführung der Spannung.
d. Arbeit und Leistung im elektrischen Stromkreis
Um eine Ladung q von einem Punkt mit Potential
1
zu einem Punkt mit Potential
2
zu
bringen, wird, wie bereits oben beschrieben, Arbeit verrichtet:
)
(
.
Diese wird je nach Vorzeichen der Ladung und der Potentialdifferenz U frei oder
aufgewendet. Die Leistung P definiert ist bekanntlich als Arbeit pro Zeit definiert:
.
Bleibt die Potentialdifferenz U während der Zeit dt konstant, so kommt durch die sich zeitlich
verändernde Ladung
die folgende elektrische Leistung zu Stande:
.
Bei zeitlich konstanter Potentialdifferenz und Spannung ergibt sich dann durch Integration für
die elektrische Arbeit W:
.
e. Kirchhoffsche Regeln
Die beiden Kirchhoffschen Regeln geben Auskunft über das Verhalten von Strom und
Spannung in vernetzen Stromkreisen. Sie ermöglichen dadurch, meist mithilfe des ohmschen
Gesetzes, die einzelnen Stromstärken sowie Spannungen in den Armen des Stromkreises zu
berechnen.
Die erste Kirchhoffsche Regel, die in der Schulphysik
als „Knotenregel“ bekannt ist, betrifft das Verhalten der
Stromstärke in Verzweigungen des Stromkreises. Aus der
Kontinuitätsgleichung (vgl. S.5) ist bekannt, dass Ladung
weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Daraus ergibt
sich, dass an einem Knoten die „Summe der einlaufenden
Abbildung 1: Veranschaulichung der
1. Kirchhoffschen Regel
Ströme gleich der Summe der auslaufenden Ströme sein“13 muss. Für den Punkt P in Abb. 1
muss daher gelten:
13
. Allgemein formuliert ist:
Demtröder 2009, S.57
9
= 0.
Die zweite Kirchhoffsche Regel betrifft die Spannung und wird auch „Maschenregel“
genannt. Sie besagt, dass die Summe der Spannungen in
einer „Masche“ des Stromkreises verschwinden muss.
Für den Stromkreis in Abb. 2 ergibt sich daher folgende
Gleichung:
kann man sagen:
= 0.
= 0.
Verallgemeinert
In der Schule werden diese Regeln nach der
Abbildung 2: Veranschaulichung der
2. Kirchhoffschen Regel
Einführung des elektrischen Widerstandes genutzt, um
die jeweiligen Ströme und Spannungen in elektrischen
Netzwerken zu berechnen. Im Rahmen des hier beschriebenen Schülerprojekts ist lediglich
die Maschenregel von Interesse, da nur sie die elektrische Spannung betrifft.
Nach der Beschreibung der wichtigsten physikalischen Grundlagen im elektrischen
Stromkreis folgen nun die Erläuterung der Funktionsweise der Glühbirne als auch die der
Zink-Kohle-Batterie, da beide Geräte im Rahmen des Schülerprojekts verwendet werden.
Mithilfe der folgenden Informationen sollen dem Leser Zusatzinformationen gegeben werden,
damit er möglicherweise auftretende Schülerfragen zu den Bauteilen beantworten kann.
f. Funktionsweise der Glühbirne
Die Glühbirne ist eine vollkommen alltägliche Lichtquelle, die bereits auf eine mehr als
100jährige Geschichte zurückblickt.
Die ersten Glühbirnen, 1854 von Heinrich Goebel hergestellt und 1879 von Thomas
Edison verbessert, bestanden aus Kohlefäden14, die man in einem evakuierten Glaskolben
anbrachte.
Abbildung. 3 zeigt den schematischen Aufbau einer Glühbirne15. Sie besteht aus einem
evakuierten Glaskolben (6), in dem sich ein Glühfaden aus Wolfram befindet (1). In den
Anfangsjahren um 1840 war dieser aus Platin, was jedoch kaum eine brauchbare
Lichtausbeute erlaubte. Goebel und später auch Edison entschieden sich daher für Kohle, bei
der die Aggregatszustandsänderung erst bei deutlich höheren Temperaturen stattfindet als bei
Platin (Platin schmilzt bei 1770°C16, während Kohle erst bei 3550°C sublimiert17). Um die
Lichtausbeute zu erhöhen, hat man auch Metalle auf ihre Tauglichkeit als Glühfäden
14
vgl. Raith 2006, S.111
Gezeichnet von Miriam Speyer, nach Appel et al. 2007, S.109
16
vgl. Tafelwerk 2003, S.101
17
vgl. Glühlampe – Wikipedia, 27.05.12, 8.17Uhr
15
10
untersucht. Anfang des 20. Jahrhunderts hat sich dann Wolfram, welches auch heute noch in
Glühlampen verwendet wird, als Material für den Glühfaden durchgesetzt (Wolfram schmilzt
bei 3350°C18, d.h. es verändert seinen Aggregatzustand etwa bei der gleichen Temperatur wie
Kohle). Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Metallen als Glühfäden ist, dass sie zu
Wendeln geformt werden können, was nicht nur das Licht bündelt sondern auch erlaubt, die
Glühlampe kleiner zu bauen19. In der Anfangszeit der Glühbirne wurde der Kolben evakuiert.
Heute füllt man ihn mit einem Edelgas, meist Krypton, um die Verdampfung des Glühfadens
gering zu halten20.
Abbildung 3: Schematischer Aufbau einer Glühbirne
Neben dem Kolben, in dem sich die Glühwendel (1) sowie eine isolierte Halterung (2), die
die Glühwendel stützt, befinden, besteht die Glühlampe noch aus einem Sockel. An diesem
befindet sich das Gewinde (3), mit dem die Lampe in eine Fassung eingedreht wird. An
diesem Sockel sind ebenfalls die beiden Kontakte angebracht. Ein Kontakt, der sogenannte
Fußkontakt (4), befindet sich an der Unterseite der Birne. Der zweite Kontakt, auch als
Sockelkontakt (5) bezeichnet, befindet sich seitlich am Gewinde. Selbstverständlich sind
diese beiden Kontakte gegeneinander isoliert, da es sonst zu einem Kurzschluss käme und die
Lampe nicht leuchten würde.
g. Funktionsweise der Zink-Kohle-Batterie
Neben
der
Glühlampe
kommen
beim
Schülerlabor
„Von
Höhen-
und
Potentialdifferenzen“ ebenfalls Zink-Kohle-Flachbatterien zum Einsatz. Auch wenn deren
18
vgl. Tafelwerk 2003, S.101
vgl. Raith 2006, S.111
20
vgl. ibid., S. 111
19
11
Funktionsweise nicht Thema des Experimentiertages ist, erscheint es dennoch sinnvoll, bei
der Erläuterung der physikalischen Grundlagen, auf denen das Schülerprojekt aufbaut, kurz
das Funktionsprinzip der verwendeten chemischen Spannungsquelle zu erläutern.
Eigentlich bezeichnet der Begriff „Batterie“ erst eine Schaltung aus mehreren Zellen,
umgangssprachlich werden jedoch auch Monozellen „Batterien“ genannt. Im Fall der ZinkKohle-Flachbatterie mit einer Spannung von 4,5V handelt es sich um die Reihenschaltung
dreier getrennter Zink-Kohle-Zellen, die ihren Ursprung im 1867 entwickelten LeclanchéElement haben21. Die Anode besteht aus einem Zinkbecher, während die Kathode ein
Graphitstift ist, welcher von einem Gemisch aus Braunstein (MnO2, Mangandioxid) und Ruß
umgeben ist. Während das Leclanché-Element von einer Ammoniumchloridlösung umgeben
war, benutzt man in den heutigen Zellen einen Elektrolyten, der aus einer Lösung von
Zinkchlorid mit ein wenig Ammoniumchlorid besteht und der durch die Verwendung von
Quellmitteln eingedickt wurde. Die Lösung wird dadurch zu einem Gel, weshalb man diese
Art der Spannungsquelle auch „Trockenelement“ nennt 22. Schematisch ergeben sich die in
Abb. 523 und 624 gezeigten Aufbauten.
Abbildung 5: Schematischer Aufbau einer Zink-Kohle Batterie
Abbildung 4: Schematischer, didaktisch
reduzierter Aufbau einer Zink-KohleMonozelle
Zwischen den beiden Elektroden besteht eine Nennspannung von 1,5V. Bei Betrieb der
Zelle sinkt diese Spannung, da sich am Pluspol gasförmiger Ammoniak (NH3) sammelt und
so die Kohle-Elektrode gegen ihre Umgebung isoliert. Dadurch steigt der Widerstand der
21
vgl. Eisner et al. 2000, S.175
vgl. ibid., S.175
23
aus: Feuerlein et al. 2002, S.69
24
aus: Demtröder 2009, S.76
22
12
Zelle, was zum Sinken der Stromstärke führt 25 und erklärt, warum sie nicht für den
Dauerbetrieb geeignet ist. Für das Schülerprojekt stellt dies jedoch kein Problem dar, da die
Batterien an den Stationen nie über eine längere Zeit belastet werden.
Die Tatsache, dass die Zink-Kohle-Zelle eine konstante Spannung von etwa 1,5 V liefert,
liegt in den Stoffeigenschaften, genauer in den Elektrodenpotentialen von Zink und Kohle,
begründet. Das Elektrodenpotential gibt an, welche Spannung eine Elektrode in einem
Elektrolyten liefern kann bzw. welche Spannung zur Elektrolyse angelegt werden muss. Zur
Veranschaulichung des Elektrodenpotentials verwendet man zuweilen den Begriff
„Elektronendruck“. Hat ein Material einen hohen Elektronendruck, so ist sein Bestreben,
Elektronen abzugeben hoch. Es wirkt daher reduzierend auf die Stoffe in seiner Umgebung 26.
Zink hat ein Elektrodenpotential von -0,76V27. Bei Betrachtung der Gesamtspannung der
Zelle ergibt sich, dass das Elektrodenpotential der Anode in der gleichen Größenordnung wie
das der Kathode liegen, aber positiv sein muss. Während am Minuspol Zink oxidiert, wird am
Pluspol Mangandioxid (=Braunstein) reduziert 28:
2
2
+2
+2
+2
+2
2
2
+2
(
)+2
Neben Ammoniak wird bei Betrieb der Zelle ebenfalls Wasser abgeschieden, was dazu
führt, dass eine ältere Zelle nicht mehr sicher gegen Auslaufen ist.
Nach der Erläuterung der wichtigsten physikalischen Hintergründe für das Schülerlabor,
wird es im Folgenden um die didaktische Reduktion des Themas gehen
3.2
Pädagogische und didaktische Überlegungen zum elektrischen Stromkreis
in der Mittelstufe
Den Einstiegspunkt zur Elektrodynamik bildet im Allgemeinen die Betrachtung des
Stromflusses. Diese Vorgehensweise findet sowohl im Lehrplan als auch in zahlreichen
Schulbüchern Anwendung. Da die Spannung die Ursache für den Stromfluss darstellt, bietet
es sich an, sie als den Antrieb des Stroms einzuführen, weil eine solche Vorstellung für die
Schüler sehr anschaulich ist. Dementsprechend ist es folgerichtig, zunächst den Strom und
25
vgl. Tausch 1993, S.192
vgl. ibid., S.182
27
vgl. Eisner et al. 2000, S.161
28
vgl. Tausch 1993, S.192
26
13
erst danach die Spannung einzuführen. Damit Schüler jedoch auch das Verhalten der
Spannung im Stromkreis nachvollziehen können, ist es wichtig, ihnen auch zu erklären,
welcher Art dieser Antrieb ist. Hier kommt die Gravitationsanalogie, die das Höhenmodell
verwendet, ins Spiel, auf die weiter unten eingegangen werden wird.
Ganz zu Beginn dieser Betrachtung des Stromkreises steht die Feststellung, dass ein
Stromkreis geschlossen sein muss, damit Elektrizität fließen kann. Dies ist deshalb so wichtig,
da bei den im Alltag verwendeten Geräten meist nur eine Verbindung zwischen dem Gerät
und der Steckdose zu sehen ist. Aus diesem Prinzip ergibt sich dann die Erhaltung der
Elektrizität bzw. der Ladung29 ganz selbstverständlich. Danach folgt die Einführung der
Stromstärke
als
Zusammenhanges
Geschwindigkeit
=
einer
Ladungsmenge.
Dies
ist
aufgrund
des
möglich. Im schulischen Physikunterricht schließt sich an diese
Definition meist die Unterscheidung von Stoffen in Leiter und Nichtleiter an. Eine der
Stationen des Schülerprojekts wird auch auf dieses Wissen zurückgreifen. Allerdings ist es
nicht zwingend notwendig, dass eine Klasse, bevor sie am Schülerprojekt teilnimmt, solche
Betrachtungen im Unterricht durchgeführt hat, da sie nur eine marginale Rolle spielen. Daher
soll in dieser Arbeit nicht weiter auf Leiter und Isolatoren eingegangen werden.
Bei der Behandlung des Stromkreises lernen die Schüler, dass es ohne eine
Spannungsquelle nicht zu einem Stromfluss kommt. Wie bereits auf Seite 7 beschrieben, ist
diese Betrachtung vollkommen legitim, da die chaotische Bewegung der Ladungsträger im
Leiter bei
= 0 in der Summe verschwindet. Die Spannungsquelle wird dadurch im
Unterricht zum Antrieb für die Elektrizität und damit zur Ursache für einen Stromfluss. Bei
dem hier ausgearbeiteten Schülerprojekt soll es deshalb, wie bereits oben erwähnt, darum
gehen, welcher Art dieser Antrieb ist.
Entsprechend der technischen Stromrichtung fließt Elektrizität vom Plus- zum Minuspol.
Einige Schulbücher für die Oberstufe, darunter Metzler Physik30, ermöglichen das Finden von
Analogien zwischen der Gravitation und dem elektrischen Potential, dessen Behandlung
direkt auf die Betrachtung des Gravitationsfeldes folgt. In der Mittelstufe hingegen spielt das
Gravitationspotential noch keine Rolle, sodass man sich selten dieser Analogie bedient. Da
letztere jedoch auch für Schüler der Sekundarstufe I aufgrund ihrer Alltagserfahrung leicht zu
verstehen ist und tatsächlich viele Vergleichspunkte zwischen dem elektrischen und dem
Gravitationspotential bestehen, wird die Analogie bei der Ausarbeitung des Schülerprojekts
29
Entsprechend der Sprache im Karlsruher Physikkurs wird hier der Begriff der Elektrizität und nicht der
Ladung verwendet, da dieser bestimmten Schülerfehlvorstellungen vorbeugt. Genauere Erläuterungen hierzu
können u.a. Hermann 1997, S.25-26 entnommen werden.
30
vgl. Grehn J., Krause J. 2004
14
aufgegriffen, zumal durch wissenschaftliche Untersuchungen erwiesen ist, dass die
Verwendung dieser Analogie auch bei jüngeren Schülern erfolgreich ist 31. Schüler der
Mittelstufe wissen aus ihrer persönlichen Erfahrung, dass Gegenstände von selbst zu Boden
fallen, wenn man sie los lässt. Sie können sich ebenso gut vorstellen, dass etwas, wie z.B.
Wasser in einem Wasserfall, von einem höher gelegenen Punkt zu einem niedrig gelegeneren
Punkt fließt.
Dieses Alltagswissen nutzt das Höhenmodell (vgl. Abb.6), auf dessen Verwendung in
Kapitel 4.3 noch einmal genauer eingegangen werden wird, aus. In diesem Modell wird ein
hohes Potential, wie z.B. der Pluspol einer Batterie, als eine bestimmte Höhe veranschaulicht.
Der Minuspol ist immer der am tiefsten gelegene Punkt. Entlang eines Kabels ist das Potential
konstant. Selbstverständlich ist im realen Stromkreis das Potential entlang eines Kabels nicht
völlig konstant, da es immer zu Verlusten durch den ohmschen Widerstand kommt. Da diese
jedoch im Vergleich zum Spannungsabfall an den Verbrauchern gering sind, kann für den
Unterricht vom idealen Stromkreis ausgegangen werden, bei dem sich das Potential nur an
den Verbrauchern ändert, sonst aber konstant bleibt.
Abbildung 6: Höhenmodell für eine Reihenschaltung mit zwei gleichen Verbrauchern
Beim oben verwendeten „Vokabular“ zeigt sich, dass im Rahmen des Schülerprojekts die
Begriffe des Potentials und der Potentialdifferenz verwendet werden, die für den
Mittelstufenunterricht eher unüblich sind. Der Grund für diese Wortwahl liegt in der
Verwendung der Gravitationsanalogie. Spricht man so bei der potentiellen Energie im
Gravitationspotential von Höhen und Höhenunterschieden, so ist es demensprechend im
Stromkreis nur konsequent, die Begriffe Potential und Potentialdifferenz zu verwenden. Viele
der Fehlvorstellungen der Schüler haben ihren Ursprung in der Wortwahl, sodass die
Verwendung des Wortes „Potentialdifferenz“ bereits klarstellen kann, dass Spannung immer
31
vgl. PdN-PhiS 6/57, S.8
15
zwischen zwei Punkten besteht und daher nicht an einer einzelnen Stelle gemessen werden
kann. Die beschriebenen Erkenntnisse bilden den Grundstein sowie die wichtigsten Lernziele
des Schülerprojekts.
Nachdem bekannt ist, dass eine Spannung zwischen zwei Punkten gemessen wird, kann
die Anwendung und Weiterführung dieses Wissens erfolgen. Hierzu bietet sich die
Behandlung des Reihen- und Parallelstromkreises an, da sich an diesen beiden Typen der
Unterschied zwischen dem Verhalten des Stromes und dem des Potentials im Stromkreis
herausarbeiten lässt. Um die Schüler nicht zu überfordern, ist es wichtig, bei dieser
Betrachtung zunächst nur gleiche Verbraucher zu verwenden, denn der ohmsche Widerstand
ist noch nicht bekannt. Aus diesem Grund wird im Rahmen des Schülerprojekts „Von Höhenund Potentialdifferenzen“ auch ausschließlich mit baugleichen Lämpchen experimentiert.
Selbstverständlich birgt diese vorübergehende Vereinfachung die Gefahr, dass sich die
Fehlvorstellung des „Lokalen Denkens“32 bei den Schülern verfestigt. Dem sollte im
nachfolgenden Unterricht durch die Behandlung des Widerstandes entgegengewirkt werden.
Es empfiehlt sich daher, den Widerstand direkt nach dem Kennenlernen und Erforschen der
elektrischen Spannung durch die Schüler einzuführen. Da die Behandlung des elektrischen
Widerstandes jedoch das Wissen über das Verhalten der elektrischen Spannung im Stromkreis
voraussetzt, wird er im Rahmen des Schülerprojekts, welches dem Kennenlernen und
Verstehen der Spannung im Stromkreis gewidmet ist, nicht angesprochen.
Um die Potentialdifferenz nicht nur als theoretisches Konstrukt einzuführen und das
Potential anschaulicher zu machen, bietet es sich an, die Energie zu verwenden. Wie bereits
im vorangegangenen Unterkapitel beschrieben, kann die elektrische Spannung über die
potentielle Energie einer Ladung definiert werden (
=
). Dieser Zusammenhang
kann auch in der Mittelstufenphysik verwendet werden. In Anlehnung an die potentielle
Energie im Gravitationsfeld der Erde wird an dieser Stelle die im Höhenmodell verwendete
Analogie weitergedacht. Während Schüler der zehnten Klasse den mathematischen
Zusammenhang mit
=
bereits kennen und so prinzipiell auch rechnerische
Vergleiche ziehen könnten, ist dies bei den Schülern aus Hessen noch nicht der Fall. Die
Kenntnis der genannten Formel ist jedoch zum Verständnis der verwendeten Analogie gar
nicht notwendig. Das naive Alltagsverständnis, über welches jedes Kind verfügt, reicht völlig
32
Es gibt immer wieder Schüler, die der Ansicht sind, dass sich der Strom an Knotenpunkten ungeachtet der
Verbraucher in den jeweiligen Armen gleichmäßig aufteilt. Ebenso glauben sie, dass in der Reihenschaltung die
Spannung gleichmäßig an allen Verbrauchern abfällt und ihr Abfallen daher nicht vom Widerstand der
jeweiligen Bauteile abhängt. Genauere Erklärungen zu diesem Sachverhalt können dem Kapitel
„Schülervorstellungen in der Elektrizitätslehre“ ab Seite 19 entnommen werden.
16
aus, um zu verstehen, dass in einem höher gelegener Körper mehr Energie gespeichert ist, als
in einem tiefer gelegenen Körper. Analog zu einem Gegenstand, der zu Boden fällt, wandelt
sich auch im Stromkreis die potentielle, durch die Potentialdifferenz der Spannungsquelle
bereitgestellte Energie in „kinetische Energie der Ladung“ um. Je höher also die Spannung in
einem Stromkreis, desto höher die Energie, die zur Verfügung steht, d.h. desto höher auch der
Stromfluss (bei gleichem Widerstand). Diese Analogie kann von den Schülern anhand einer
Murmelbahn erforscht werden, bei der die Möglichkeit besteht, die Murmel aus
unterschiedlichen Höhen starten zu lassen. Dieser Höhenunterschied steht, ebenso wie im
Höhenmodell, für die Potentialdifferenz. Mithilfe von Glöckchen, die für einen Verbraucher
im Stromkreis stehen, kann man einerseits die Geschwindigkeit andererseits aber auch die
Energieabgabe der Kugel an die Glöckchen hörbar machen. Dadurch, dass man die
Differenzierung von Stromfluss und Energie erst über dieses mechanische Beispiel vornimmt,
ist zu erwarten, dass vielen Schülern die Übertragung auf den Stromkreis besser gelingen
wird, denn sie können sich durch die Analogie leichter vorstellen, was im Stromkreis passiert.
Auf diese allgemeinen Hinweise zu den Inhalten des Projekts „Von Höhen- und
Potentialdifferenzen“ folgen nun Bemerkungen zu den beiden technischen Geräten, die in den
Stationen verwendet werden.
a. Glühbirne
Bei den Stationen des Experimentiertages werden ausschließlich Glühbirnen als
Anzeigegeräte für einen Stromfluss verwendet. Es handelt sich hierbei um 6V, 3W
Glühbirnen, wie sie bei Fahrradlampen zum Einsatz kommen. Selbst wenn die Glühbirne
aufgrund neuer EU-Richtlinien mehr und mehr aus dem Alltag der Schüler verschwindet, ist
sie immer noch ein verstehensmächtiges „Anzeigegerät“ für den Stromfluss. Weiterhin
demonstriert sie zwei wichtige Wirkungen des elektrischen Stroms: die Erzeugung von Licht
und Wärme. Schließlich ist sie aufgrund ihres einfachen Aufbaus und der Tatsache, dass man
die meisten Bauteile beim Betrachten direkt erkennen kann, außerordentlich leicht
verständlich.
Da es jedoch beim Betrachten der Glühbirne und ihrer Fassung leicht so aussehen kann, als
ob sie nur einen Anschluss hätte, obwohl selbstverständlich zwei für einen geschlossenen
Stromkreis von Nöten sind, wird an einer Station des Schülerprojekts durch den Bau einer
Lampenfassung aus Streichholzschachteln der Lage der beiden Anschlüsse auf den Grund
gegangen. Danach geht es um den Aufbau der Glühbirne selbst, auf den bereits auf den Seiten
10 und 11 eingegangen wurde.
17
b. Batterie
Beim Schülerprojekt „Von Höhen- und Potentialdifferenzen“ werden ausschließlich 1,5V
und 4,5V Batterien verwendet, um potentielle Gefahren möglichst auszuschließen. Weiterhin
kann durch die Verwendung von Batterien etwaiger Verwirrung, wie sie durch zahlreiche
Bedienelemente eines Netzgerätes auftreten könnte, vorgebeugt werden. Ein Eingehen auf die
Funktionsweise der Batterie ist nicht vorgesehen, da diese für Schüler der 7. Klasse zu
komplex ist. Im Übrigen wissen Schüler aus ihrem Alltag, dass Batterien Spannungsquellen
sind, sodass sich hier keine Notwendigkeit ergibt, ihre Funktionsweise explizit zu erläutern.
4 – Schülervorstellungen in der Elektrizitätslehre
4.1
Verbreitete Fehlvorstellungen in der Elektrizitätslehre
Mehrere, u.a. auch europaweite, Untersuchungen haben gezeigt, dass Schüler bestimmte
Vorstellungen zum Thema der Elektrizitätslehre haben, die ihnen zum einen das Verständnis
der Lerninhalte erschweren können und die zum anderen oft nach dem Unterricht weiter
bestehen33. Der erlebte Unterricht schafft es in diesem Fall nicht nachhaltig, die Schüler von
den korrekten Vorstellungen zu überzeugen.
Zunächst war vorgesehen, in der Klasse, die am 30. Mai 2012 das Schülerprojekt „Von
Höhen- und Potentialdifferenzen“ getestet hat, einen Vorwissenstest durchzuführen, um dabei
mögliche Schülervorstellungen abzufragen. Aus Zeitgründen war es jedoch lediglich möglich,
die bestehenden Vorstellungen durch einige freie Notizen der Schüler zu erfragen auf die in
Kapitel 4.2 eingegangen werden wird. Es werden daher die wissenschaftlich nachgewiesenen
Schülervorstellungen als in dieser Klasse geltend betrachtet.
Viele Fehlvorstellungen seitens der Schüler haben ihren Ursprung in der unpräzisen
Alltagssprache. Dies ist nicht nur der Fall in der Elektrizitätslehre, sondern betrifft ebenfalls
andere Themengebiete, wie z.B. die Begriffe „Kraft“ und „Impuls“ in der Mechanik.
Da in der Alltagssprache regelmäßig eine „Stromrechnung“ bezahlt wird und Batterien
„leer“ werden, ist es für viele Schüler kaum vorstellbar, dass Elektrizität eine Erhaltungsgröße
ist und Stromkreise daher geschlossen sein müssen. Hinzu kommt, dass elektrische Geräte im
Alltag auf den ersten Blick nur ein und keine zwei Kabel besitzen. Aus den Unschärfen der
33
vgl. C2 Key concepts of electricity
18
Alltagssprache erwächst daher auch die Vermischung bzw. fehlende Trennung der Konzepte
des Stroms und der Energie, die Schüler oft als identisch ansehen34.
Des Weiteren glauben viele Schüler, dass der Strom und nicht die Spannung fest von der
Spannungsquelle vorgegeben sei35. Dies liegt meist darin begründet, dass die Spannung als
eine Größe angesehen, die den Strom ergänzt und nicht erkannt wird, dass sie die Ursache für
den Stromfluss darstellt. Eine Ursache hierfür könnte sein, dass im Alltag in Bezug auf
Elektrizität fast nie von Spannung gesprochen wird und diese den Schülern daher weniger
wichtig erscheint oder weniger bekannt ist. Schließlich passiert es, dass Schüler die Konzepte
Spannung und Strom nicht trennen können36. Im Hinblick auf die eben erläuterte
Fehlvorstellung wurde Station 2 des Lernzirkels konzipiert (vgl. S.33).
Eine weitere, häufig auftretende Fehlvorstellung bezieht sich auf Widerstände im
Stromkreis und die damit verbundenen Kirchhoffschen Regeln. Nachweislich sind hier viele
Schüler der Ansicht, dass sich der Strom an Knotenpunkten, ungeachtet der Verbraucher,
gleichmäßig aufteilt, da sie glauben, der Strom „wisse“ nicht, welche Bauteile ihn im
Stromkreis noch „erwarten“. Ebenso glauben sie, dass in der Reihenschaltung an allen
Verbrauchern die gleiche Spannung abfalle und ihr Abfallen daher nicht vom Widerstand der
jeweiligen Bauteile abhänge. Diese beiden Fehlvorstellungen werden häufig unter dem
Begriff des „lokalen Denkens“ zusammengefasst37. Bei der Durchführung des Schülerprojekts
konnte insbesondere an den Stationen 4 und 5 beobachtet werden, dass auch bei dieser
spezifischen Schulklasse solche Ideen vorhanden waren. Da jedoch im Rahmen des
Schülerprojekts weder die Behandlung des Widerstands, noch die der die Knoten- bzw.
Maschenregel vorgesehen ist, müssen hier die Reihen- und Parallelschaltung mit baugleichen
Lämpchen betrachtet werden. Um dennoch der Fehlvorstellung des lokalen Denkens entgegen
zu wirken, wird auf den entsprechenden Arbeitsblättern explizit darauf hingewiesen, dass es
sich bei den verwendeten Verbrauchern um jeweils baugleiche Lämpchen handelt und dass
auch nur Regeln für solche gleichartigen Bauteile erstellt werden sollen (vgl. Anhang, S.59
und S.62).
Schließlich sind viele Schüler der Ansicht, dass man Spannung an einem bestimmten
Punkt im Stromkreis messen könne. Sie erkennen daher nicht, dass Spannung eine Größe ist,
die nur zwischen zwei Punkten existieren kann. Diese Vorstellung konnte beim Einbau der
Voltmeter an fast allen Stationen beobachtet werden. Besonders die Stationen 1 und 3 haben
34
vgl. PdN-PhiS 3/58, S.28
vgl. C2 Key concepts of electricity
36
vgl. PdN-PhiS, 6/57, S.7
37
vgl. PdN-PhiS, 6/57, S.6
35
19
zum Ziel, dieser unzutreffenden Vorstellung entgegen zu wirken. Dazu werden an beiden der
Einbau von Voltmetern im Stromkreis und das Messen von Spannungen ausdrücklich zum
Thema gemacht. Darüberhinaus ist das der Grund, warum in der Bildschirmpräsentation und
zu Beginn der ersten Station nur die Begriffe Potential und Potentialdifferenz verwendet
werden und die Spannung als Terminus erst gegen Ende von Station 1 eingeführt wird.
4.2
Bemerkungen der Schüler zum Thema „Spannung“
Um einen Eindruck von den Schülervorstellungen zu erhalten, die in der Klasse
vorliegen, die am 30. Mai 2012 das Schülerprojekt „Von Höhen- und Potentialdifferenzen“
getestet hat, wurden die Schüler am Tag vor der Durchführung nach ihren Vorstellungen von
Strom und Spannung befragt. Sie hatten zu diesem Zeitpunkt bereits sechs Stunden
Physikunterricht zum Thema der Elektrik. Zur Untersuchung ihrer Ideen dienten die
folgenden Fragen:
Was versteht man unter elektrischem Strom?
Was versteht man unter elektrischer Spannung?
Selbstredend handelt es sich hier nicht um eine systematische Untersuchung, stattdessen geht
es darum, einen kleinen Einblick in die Vorstellungen der Schüler zum Thema
Elektrizitätslehre zu gewinnen. Diese Methode hat den Vorteil, dass die Schüler spontan und
frei ihre Ideen und Vorstellungen äußern können, was mitunter sehr aufschlussreich sein
kann. Es muss jedoch beachtet werden, dass unscharfe oder fehlerhafte Definitionen nicht nur
auf fachliche, sondern auch auf sprachliche Schwächen zurückzuführen sein können. Es ist
außerdem sinnvoll, sowohl nach dem Verständnis des elektrischen Stroms als auch der
Spannung zu fragen, da die beiden Konzepte, laut der auf den Seiten 18 und 19 beschriebenen
Schülervorstellungen, für viele Schüler verschwimmen. Dies ergab sich auch bei der
Befragung aus der hier zitiert wird. Die vollständige Liste der Antworten befindet sich im
Anhang ab Seite 103.
Viele Schüler heben in ihrer Antwort die Gefährlichkeit des Stromes und der
Spannung hervor. Weiterhin betonen einige von ihnen die Tatsache, dass der Stromkreis
geschlossen sein muss, damit Strom fließen kann, sowie dass Strom aus Teilchen besteht, die
sich anziehen bzw. abstoßen. Sie nennen außerdem den Blitz als einen, in der Natur
auftretenden Stromfluss. Was die Spannung betrifft, so zeigt sich, dass einige Schüler richtig
erkannt haben, dass sie als Antrieb für den Strom fungiert und dass man sie in Volt misst.
Nach Rücksprache mit dem unterrichtenden Lehrer hat sich ergeben, dass er die Spannung im
Unterricht noch nicht explizit thematisiert, sondern nur die Batterie als Antrieb vorgestellt
20
hatte. Bei diesen Schülerantworten ist daher nicht zu sagen, ob es sich bei ihnen um eine
genuine Schülervorstellung handelt oder ob eine möglicherweise fehlerhafte oder fehlende
Vorstellung durch den Unterricht bereits berichtigt wurde.
Bei den Schülerfehlvorstellungen zeichnen sich einige wichtige Aspekte ab, die bereits in
Kapitel 4.1 genannt wurden. Viele Schüler unterscheiden kaum oder gar nicht zwischen den
beiden Konzepten Energie und elektrischer Strom wie die folgenden beiden Zitate zeigen:
„Elektrischer Strom ist Energie, die in einem Fluss weitergeleitet wird.“
„Strom ist, wenn z.B. ein Fön unter Strom steht, funktioniert er. Er hat
Energie.“
Bei einigen Schülern bestehen Unsicherheiten bezüglich der Einheit des Stromes und der
Spannung. Sie geben unter anderem an, dass Spannung in Watt, während Strom in Volt
gemessen werde. Die letztgenannte Verwechslung der Einheiten deutet bereits die
vorherrschende Fehlvorstellung zu den Konzepten Strom und Spannung an. Bei mindestens
der Hälfte der Schüler der Testklasse besteht Unsicherheit darüber, wie Strom und Spannung
zusammenhängen. Während, wie oben bereits genannt, vereinzelte Schüler die Spannung
richtig als Antrieb für den Strom identifizieren, sind die weiteren Aussagen weniger
differenziert. So bezeichnen sie Spannung als eine zusätzliche Eigenschaft des Stromes:
„Elektrische Spannung ist die Geschwindigkeit, mit der der Strom fließt.“
„Elektrische Spannung ist ein Maß für den elektrischen Strom. Man erkennt
dadurch, wie viel Strom in wie viel Zeit fließt.“
Ein weiterer Schüler identifiziert gar den ganzen Stromkreis als eine Spannung:
„Ein Stromkreis, der unter Strom steht, ist eine elektrische Spannung.“
Es gibt außerdem Schüler, die Spannungen als einen Zustand zwischen den elektrischen
Teilchen beschreiben. Selbst wenn diese Vorstellung nicht vollständig falsch ist – Spannung
beschreibt einen Zustand der Ladungstrennung – so ist dennoch bei den Äußerungen der
Schüler Vorsicht geboten, da sie sehr ungenau sind, wie man dem folgenden Zitat entnehmen
kann:
„Elektrische Spannung ist, wenn Teilchen elektrisiert werden und elektrisch
werden, spannen sie sich auf.“
Schließlich bleibt noch zu bemerken, dass viele der Schüleräußerungen von der
Alltagssprache beeinflusst sind und daher ungenau oder gar falsch sind. Insbesondere der
Einfluss der Redensarten „unter Strom/Spannung stehen“ zeigt sich hier deutlich. Weiterhin
findet man den Begriff der „Stromleitung“, der in der folgenden Antwort wohl eher eine
Hochspannungsleitung bezeichnet:
21
„Unter elektrischem Strom versteht man, dass man [ihn] mithilfe [von]
Kraftwerken herstellt und dann über Stromleitungen in die Steckdose
kommt.“
Abschließend kann festgehalten werden, dass sich die Schüleräußerungen im
Allgemeinen mit den wissenschaftlich erwiesenen Schülerfehlvorstellungen, wie sie in
Kapitel 4.1 erläutert wurden, decken. Ein besseres Verständnis der elektrischen Spannung
sowie die Differenzierung der Konzepte Spannung und Strom durch das Schülerprojekt
anzustreben, scheinen daher sinnvolle und notwendige Zielsetzungen des im Rahmen dieser
Arbeit entwickelten Stationenlernens.
4.3
Modelle im Physikunterricht
Im Physikunterricht begegnen die Schüler oft komplexen, schwer vorstellbaren
Konzepten und Zusammenhängen. Um Unanschauliches anschaulich zu machen, bedient man
sich daher häufig Modellen. Diese können als Merk- und Verständnishilfen dienen oder Ideen
zum Formulieren von Zusammenhängen geben38.
Damit Modelle den Unterricht bereichern und den jeweiligen Zusammenhang
tatsächlich leichter verständlich machen, sind einige Kriterien zu beachten. Ein Modell sollte
unter anderem möglichst einfach zu verstehen sein, gleichzeitig sollte es aber den
tatsächlichen Sachverhalt nicht zu stark verkürzen. Es können aber sehr wohl bestimmte
Aspekte der Wirklichkeit abstrahiert werden, um andere klarer hervortreten zu lassen. Was
das für das Höhenmodell bedeutet, ist weiter unten zu sehen.
Die Elementarisierung, die durch ein Modell vorgenommen wird, muss daher sowohl
schüler-, fach- als auch zielgerecht sein. Schülergerecht bedeutet, dass das verwendete Modell
dem Alter und der kognitiven Entwicklung der Schüler angemessen ist. Weiterhin verlangt
dieses Kriterium, dass an existierende Schülervorstellungen angeknüpft wird39. Von der
Fehlvorstellung, dass Spannung die Stärke sei, mit der der Strom fließt, kann daher zur
Spannung als Antrieb übergeleitet werden, dessen Funktionsweise dann im Höhenmodell
mithilfe der Gravitationsanalogie erklärt wird. Wie bereits erwähnt, muss ein Modell auch
nach den Elementarisierungen noch fachlich richtig sein. Zudem sollte es erweiterbar und
damit auch in anderen, komplexeren Situationen anwendbar sein. Schließlich muss das
38
39
vgl. Hees 2008, S.45
vgl. ibid., S.49
22
Modell zielgerichtet sein, d.h. dass die Schüler das Modell anwenden und dadurch selbst zu
neuen Einsichten kommen können 40.
Das Höhenmodell, für dessen Verwendung wir uns im Rahmen dieses Schülerprojekts
entschieden haben, erfüllt alle diese Kriterien. Es ist schülergerecht, da es durch die
Gravitationsanalogie an Alltagserfahrungen der Schüler anknüpft. Es ist leicht zu verstehen,
sodass es auch Schüler in der siebten Klasse begreifen und anwenden können.
Dementsprechend ist es auch zielgerecht. Schließlich ist es ebenfalls fachgerecht, da es das
Verhalten der Spannung durch die Analogien Höhe-Potential und HöhenunterschiedPotentialdifferenz fachlich richtig veranschaulicht. Die Geschlossenheit des Stromkreises
wird durch die Verbindung der Bauteile mit Kabeln suggeriert. Das Modell ist erweiterbar, da
in ihm z.B. auch das Verhalten der Spannung an unterschiedlichen Widerständen
veranschaulicht werden kann, wovon jedoch beim Schülerprojekt „Von Höhen- und
Potentialdifferenzen“ kein Gebrauch gemacht
wurde.
In Abbildung 741 sind ein einfacher
elektrischer Stromkreis sowie zwei Modelle, das
Wasser- und das Höhenmodell, mit denen das
Konzept der Spannung veranschaulicht werden
kann, abgebildet. Das Höhenmodell verwendet
für das Potential eine Gravitationsanalogie, wie
sie sonst meist nur in der Oberstufe zum Einsatz
kommt. Weiterhin ist es in den meisten
Mittelstufenschulbüchern eher unüblich, von
Potentialen
und
Potentialdifferenzen
zu
sprechen. Nichtsdestoweniger werden diese
Begriffe hier verwendet, da durch sie klarer
wird, dass Spannung eine Größe ist, die
zwischen
zwei
Punkten
besteht.
Abbildung 7: Vergleich der Analogien
Beim
Höhenmodell wird ein Potential durch ein Stäbchen mit einer gewissen Länge
veranschaulicht. Ein Unterschied im Potential wird daher durch zwei Stäbchen
unterschiedlicher Länge gekennzeichnet. Die Bauteile dieses Modells bestehen aus Platten,
auf denen jeweils zwei Stäbe unterschiedlicher Länge befestigt sind. Dieser Aufbau zeigt,
40
41
vgl. ibid. S.76
Abb. aus PdN-PhiS 6/57, S.9
23
dass sich die Spannung immer nur an einem Bauteil (d.h. Batterie, Lampe, Motor) ändert. An
jeden der beiden Stäbe kann ein Kabel mit Bananenstecker angeschlossen werden. Durch das
Verbinden der einzelnen Bauteile durch Kabel wird das Prinzip des geschlossenen
Stromkreises unterstrichen. Des Weiteren ist die Übersetzung des Höhenmodellstromkreises
in den entsprechenden „echten“ hierdurch besonders einfach, da im Höhenmodell gleich viele
Bauteilen und Kabel benötigt werden wie im analogen elektrischen Stromkreis.
Um eine Verwechslung zwischen Spannungsquellen und Verbrauchern zu vermeiden,
die im Höhenmodell a priori gleich aussehen, wurde bei der Durchführung des Schülerlabors
ein Farbcode eingeführt. Alle Spannungsquellen sind mit grün gekennzeichnet, während die
Verbraucher gelb markiert wurden (vgl. Abb. 6). Diese Markierung findet sich weiterhin auch
bei den „echten“ elektrischen Bauteilen wieder.
Es mag möglicherweise verwundern, warum im Rahmen dieser Arbeit nicht auf den
Wasserstromkreis als Veranschaulichung zurückgegriffen wird, welcher die verbreitetste
Analogie für den elektrischen Stromkreis ist. Dieser Verzicht hat zwei wichtige Gründe. Zum
einen wurde
bei Untersuchungen
festgestellt,
dass durch die
Verwendung des
Wasserstromkreises viele Fehlvorstellungen der Schüler nicht beseitigt werden können. So
haben Schüler auch beim Wasserstromkreis u.a. Schwierigkeiten zu erkennen, dass der
Stromfluss überall konstant ist und dass sich im Parallelstromkreis der Strom entsprechend
der Knotenregel aufteilt42. Zum anderen hat das Höhenmodell drei Vorteile gegenüber dem
Wassermodell. Der erste Vorteil ist die Tatsache, dass es den Stromfluss abstrahiert. Während
das Wassermodell den Stromkreis als ganzes modelliert, wird beim Höhenmodell explizit das
Verhalten der Spannung im Stromkreis betrachtet. Da es bei dem hier vorgestellten
Schülerprojekt vorrangig um letzteres Konzept geht, können durch die Verwendung dieses
Modells störende bzw. ablenkende Nebenaspekte, wie sie beim Wasserstromkreis auftreten
würden, ausgeschlossen werden. Des Weiteren ist das Höhenmodell bezüglich des Verhaltens
der Spannung im Stromkreis sehr anschaulich. Während das Wassermodell eine hohe
Anschaulichkeit in Bezug auf Strom und Stromstärke bietet, fehlt ihm der direkte
Lebensweltbezug bei der Spannung, die als Druckdifferenz präsentiert wird. Dagegen spricht
man im Höhenmodell von Höhendifferenzen, die sich Schüler deutlich besser vorstellen
können. Schließlich kann das Höhenmodell leicht und verhältnismäßig kostengünstig selbst
nachgebaut werden. Im Gegensatz zum Wassermodell, bei dem dies zu aufwendig wäre, kann
so jeder Schülergruppe ein Satz Höhenmodelle als Veranschaulichung zur Verfügung gestellt
42
vgl. PdN-PhiS 6/57, S.7
24
werden. Entsprechend der dargelegten Argumente kommt daher bei der Durchführung des
Schülerprojekts das Höhenmodell zum Einsatz.
5 – Allgemeine methodische Überlegungen zur Umsetzung des Schülerlabors
Der Entwicklung des Schülerlabors, dessen konkrete Bestandteile im folgenden Kapitel ab
Seite 29 beschrieben werden, gingen selbstverständliche einige grundlegende Entscheidungen
zur methodischen Organisation voraus. Da ein sinnvolles und gewinnbringendes
Experimentieren, bei dem möglichst alle aktiv sein können, nur in kleinen Gruppen möglich
ist, ergab sich so schnell die Entscheidung zur Gruppenarbeit. Unter kleinen Gruppen versteht
man in der Literatur Gruppen von 3-6 Schülern43. Im Fall des hier beschriebenen
Schülerlabors sind Gruppen von maximal vier Schülern vorgesehen, da sonst nicht alle
gleichzeitig am Experimentierprozess teilnehmen könnten.
Diese schülerorientierte
Sozialform hat weiterhin eine ganze Reihe Vorteile, die wir im Folgenden kurz auflisten
wollen.
Gruppenarbeit ermöglicht es Schülern, aber zwingt sie zugleich, miteinander zu arbeiten
und zu kooperieren. Sie müssen sich das zur Verfügung stehende Material zum
Experimentieren teilen und gemeinsam Lösungen zu den Problemen finden, vor die sie
gestellt werden. Durch diesen Aspekt leistet Gruppenarbeit einen wichtigen Beitrag zur
Entwicklung der Teamfähigkeit, die im Leben oft entscheidend ist. Die hier beschriebene
Sozialform fordert Schüler ebenfalls auf, sich selbstständig mit dem physikalischen Inhalt der
entsprechenden Aufgaben auseinanderzusetzen. Auf diese Weise kann sich kein Schüler
„zurücklehnen“, um sich vom Unterrichtsgeschehen „berieseln“ zu lassen, sondern ist dazu
gezwungen, aktiv am Gruppenprozess teilzunehmen. Diese Tatsache führt zu einer erhöhten
kognitiven Aktivierung jedes einzelnen44. Es ist außerdem zu bemerken, dass Methoden, in
denen die Schüler selbst Verantwortung für ihr fachliches Fortkommen übernehmen müssen,
im Allgemeinen ihre Motivation steigern45. Um die Sicherung der wichtigsten Ergebnisse zu
gewährleisten, stehen den Schülern an entscheidenden Stellen Lösungskarten zur Verfügung.
Auch hier ist es ihre Entscheidung, wann diese konsultiert werden.
Des Weiteren führt die Verpflichtung zur Kooperation innerhalb der Gruppe zur
Förderung der Kommunikation unter den Mitgliedern. Um gemeinsam die gestellten
43
vgl. Mikelsis-Seifert, Rabe 2007, S.133
vgl. ibid., S.134
45
vgl. ibid., S.133
44
25
Aufgaben lösen zu können, müssen sich die Schüler austauschen. Treten unterschiedliche
Meinungen über eine Fragestellung auf, so müssen sie sich durch Diskutieren friedlich auf
eine Argumentationslinie einigen. Auf diese Weise sind die Schüler gezwungen, ihre
Sichtweisen physikalisch soweit präzise zu formulieren, dass die übrigen Gruppenmitglieder
sie nachvollziehen können. Selbst wenn das von den Schülern verwendete Vokabular meist
noch nicht vollständig „physikalisch richtig“ ist, so helfen diese Kommunikationssituationen
dennoch, das physikalische Vokabular einzuüben, da die Schüler so dazu gebracht werden,
die entsprechenden Begriffe aktiv zu verwenden46.
Schließlich ermöglicht Gruppenarbeit auch eine sinnvolle Binnendifferenzierung. Im
lehrerzentrierten Unterricht ist es oft schwierig, den bestehenden Differenzen zwischen den
einzelnen Schülern einer Klasse adäquat zu begegnen. Bei einer Methode, bei der die Schüler
in Kleingruppen ihren Lernprozess selbst organisieren, ist dies sehr viel einfacher
umzusetzen. Um zum Beispiel Unterschieden im Bearbeitungs- und Lerntempo Rechnung zu
tragen, enthalten fast alle Arbeitsblätter Zusatzaufgaben. Diese sollen die Schüler jedoch
keinesfalls als „Strafarbeit“ für schnelles Arbeiten auffassen, sondern jede einzelne dieser
Aufgaben soll ihnen die Möglichkeit geben, einzelne Aspekte des Themas zu vertiefen oder
ergänzende Zusammenhänge zu finden (vgl. Station 3, S.35 und Station 4, S.37). Eine der
Zusatzaufgaben ist auch lediglich eine Aufforderung zum Testen der Geschicklichkeit am
„Heißen Draht“, da Abwechslung in der Art der Aufgaben von vielen Schülern positiv
aufgenommen wird und ihnen auf diese Weise eine kognitive Pause gewährt. Um
Leistungsunterschieden zwischen den Schülern angemessen zu begegnen, sind bei dem hier
vorliegenden Schülerprojekt noch zwei weitere Maßnahmen eingeplant. Zum einen stehen an
tendenziell schwierigeren Aufgaben Hilfekarten (siehe Anhang, S.86) bereit, die die Schüler
konsultieren können, wenn sie nicht weiterwissen. Diese Karten verraten in der Regel nicht
die Lösung der Aufgabe, sondern geben eine Hilfestellung, die den Gruppen die
Problemlösung erleichtern soll. Zum anderen stehen Studenten als Experten zur Verfügung,
die von den Schülern jederzeit gefragt werden können. Wichtig bei diesen Angeboten ist
jedoch, dass die Schülergruppe selbst entscheiden muss, wann und welche Art der Hilfe sie in
Anspruch nimmt. Es liegt also in der Verantwortung der einzelnen Gruppen, ihr Fortkommen
zu organisieren.
Bei dem hier entwickelten Schülerprojekt handelt es sich jedoch nicht nur um eine
Gruppenarbeit, sondern auch um ein Stationenlernen. Diese Methode zeichnet sich dadurch
aus, dass unterschiedliche Gruppen zur gleichen Zeit an unterschiedlichen Stationen
46
vgl. ibid., S.135
26
unterschiedliche Aspekte eines Themas bearbeiten und nach einer gewissen Zeit die Station
wechseln, um dort einen anderen Aspekt kennenzulernen und zu erarbeiten. Um Schülern die
Orientierung im „Stationendschungel“ zu erleichtern, bietet es sich an, ihnen Laufzettel
auszuteilen, auf denen ein Ablauf vorgegeben ist. In Physik Methodik schlägt Zwiorek vor,
dass Stationenlernen ohne Zeitdruck stattfinden sollte, d.h. dass die Schüler die Station dann
wechseln, wenn sie das möchten47. Dies ist im Rahmen des hier vorgestellten Projekts jedoch
nicht möglich, da für jede Station nur begrenzter Platz sowie begrenzte Materialien zur
Verfügung stehen. Ein freies, unorganisiertes Wechseln der Schüler von Station zu Station ist
praktisch nicht umsetzbar.
Das Stationenlernen hat zwei wichtige Vorteile, die bei der Entscheidung für diese
Methode eine große Rolle gespielt haben. Zum einen können die Schüler an den Stationen
einzelne Aspekte des Überthemas Spannung kennenlernen und verstehen, ohne vom schieren
Umfang des Hauptthemas „erschlagen“ zu werden. Weiterhin ermöglicht diese Methode
Medieneinsatz, Lernzugänge und Anforderungsniveau von Station zu Station zu variieren48.
Das Prinzip der Abwechslung war ein wichtiges Gebot bei Entwicklung der meisten
Stationen. So ist es grundsätzlich vorgesehen, dass sich praktische und theoretische Aufgaben
abwechseln, dass jedoch die ersteren leicht überwiegen, da im „herkömmlichen“
Physikunterricht oft theoretische Aufgaben einen größeren Raum einnehmen als aktives
Experimentieren seitens der Schüler. Unter diesem Gesichtspunkt wurde unter anderem
Station 7 entwickelt, bei der die Schüler durch den Bau einer eigenen Lampenfassung
ausschließlich praktisch aktiv sind. Außerdem sollte auch jedes einzelne Arbeitsblatt von
Abwechslung geprägt sein. So wurde z.B. darauf geachtet, die Fragestellungen
unterschiedlich weit zu fassen (vgl. Station 3, S.35) sowie sowohl gebundene als auch freie
Aufgabenformate zu verwenden. Bei gebundenen Aufgabenformaten sind alle zur Antwort
nötigen Bausteine schon in der Aufgabenstellung enthalten, als Beispiele können single- und
multiple-choice Aufgaben sowie Zuordnungsaufgaben angeführt werden. Bei freien
Aufgabenformaten hingegen muss der Schüler die Antwort zum Großteil selbst produzieren.
Es kann sich hierbei um Fragen, Aufforderungen zur freien Äußerung oder auch Aufgaben,
bei denen Teile der Antwort ergänzt werden müssen, handeln. 49 Da Schüler bei dieser Art der
Aufgabenstellung gezwungen sind, ihre Antworten selbstständig zu formulieren, müssen sie
bereits ein bestimmtes Verständnis des Sachverhalts erlangt haben50. Jedoch heißt dies nicht,
47
vgl. ibid.,, S.148
vgl. ibid.,, S.148
49
vgl. Klauer 2001, S.105
50
vgl. ibid., S.105
48
27
dass gebundene Aufgabenformate zum Prüfen des Verständnisses nicht geeignet wären. So ist
es für die richtige Zuordnung verschiedener Analogien im Rahmen einer der Stationen
unumgänglich (vgl. Abb. 24), den Sachverhalt zumindest grob verstanden zu haben. Erst
wenn einige Analogien bereits richtig zugeordnet wurden, kann bei anderen nach dem
Ausschlussprinzip verfahren werden. Ein wichtiger Vorteil gebundener Aufgabenformate ist
die damit einhergehende Zeitersparnis. Diese Aufgaben können schnell bearbeitet und
ebenfalls schnell kontrolliert werden 51. Weiterhin können Schüler durch sie darauf gebracht
werden, gezielt über eine Fragestellung nachzudenken, da sie nur eine begrenzte Wahl an
Antwortmöglichkeiten haben. Aus den genannten Gründen eignen sich gebundene
Aufgabenformate daher ebenso zum Einstieg in eine Station als auch als Abschluss, wie man
an zahlreichen Stationen sehen kann.
Zuletzt ist noch anzumerken, dass die Durchführung des Projekts nicht im Klassenraum
vorgesehen ist, sondern in den Räumlichkeiten des Instituts für Physik der Universität Mainz,
die die Klasse dazu für einen Vormittag besucht. Es handelt sich dabei also um eine
Exkursion im Klassenverband an einen außerschulischen Lernort. Laut einer Studie sind
letztere u.a. eher dazu geeignet, Mädchen und Jungen gleichermaßen anzusprechen, als es der
herkömmliche Physikunterricht tut52. Außerdem ermöglicht die Exkursion ein Aufbrechen der
im Klassenraum etablierten Hierarchie, da der Lehrer hier nicht das Wissensmonopol hat und
in den Hintergrund tritt. Im Gegenteil kümmern sich an diesen Orten, wie auch beim
Schülerlabor „Von Höhen- und Potentialdifferenzen“, meist Studenten oder Beschäftigte der
Universität um die Schüler – eine Tatsache, die positive Auswirkungen auf die Motivation der
Schüler haben kann. Sie wird auch durch das breite Angebot an Experimenten gefördert.
Während im Unterricht Schülerexperimente oft nur Randerscheinungen sind, so stehen sie in
Schülerlaboren im Allgemeinen und bei „Von Höhen- und Potentialdifferenzen“ im
Speziellen im Mittelpunkt.
Abschließend kann man daher sagen, dass alle organisatorischen und methodischen
Entscheidungen mit dem Ziel getroffen wurden, den Lernzuwachs der Schüler zu optimieren.
Lediglich Aspekte in Bezug auf die räumlichen sowie zeitlichen Gegebenheiten haben zu
gewissen Einschränkungen bei der Methodenwahl und der Organisation geführt.
51
52
vgl. ibid.
vgl. Mikelsis-Seifert, Rabe 2007, S.221
28
6 – Entwicklung und Durchführung des Stationenlernens
Am 30. Mai 2012 wurde das Schülerprojekt „Von Höhen- und Potentialdifferenzen“ zum
ersten Mal durchgeführt. Die Erprobung fand in den Räumen des Demonstrationspraktikums
des Instituts für Physik der Universität Mainz statt. Die Schulklasse, auf deren Besuch die
Verbesserungsvorschläge beruhen, war eine siebte Klasse von einem hessischen G8Gymnasium.
Aufgrund des Adressatenkreises, d.h. Klassen der Mittelstufe, haben sich einige
Rahmenbedingungen ergeben. Um die Schüler nicht zu überfordern und um ihnen gleichzeitig
ausreichend Zeit für das Verstehen des Konzeptes der Spannung einzuräumen, erscheint es
sinnvoll, dass sich das Schülerprojekt nur auf die Vermittlung des letzteren beschränkt.
Weiterhin erscheint es auf dem Hintergrund dieser Überlegung sinnvoll, das Projekt für einen
Vormittag zu konzipieren. Hinzu kommt, dass durch den genannten Zeitrahmen bei
Halbtagsschulen keine Kollisionen mit den Freizeitaktivitäten der Schüler auftreten. Damit
die Dauer des Schülerprojekts inklusive An- und Abreise die Länge eines normalen
Schultages nicht überschreitet, ist ein Aufenthalt von dreieinhalb Stunden sinnvoll. In dieser
Zeit ist es jedoch insbesondere für Schüler einer siebten oder achten Klasse nicht möglich,
alle sieben Stationen zu durchlaufen. Es ist wichtiger, dass die Schüler die Stationen
verstehen, die sie bearbeiten, als dass sie alle Stationen nur „abarbeiten“. Für den
Testdurchlauf am 30. Mai 2012 war zunächst für jede Station eine Bearbeitungszeit von 25
Minuten vorgesehen. Da sich erwiesen hat, dass diese Kalkulation zu knapp war, bietet sich
für die Zukunft der in Tabelle 1 dargestellte Zeitplan an, bei der die Klasse gegen 9:00Uhr im
Demonstrationspraktikum eintrifft und gegen 12:30Uhr wieder abreist. Wie dem Zeitplan
entnehmen ist, sind jeweils zwei Pausen à 15 Minuten (in der Tabelle durch dicke Linien
gekennzeichnet) sowie jeweils 15-minütige „Puffer“ am Anfang und am Ende des
Schülerprojekts eingeplant, da es durchaus vorkommen kann, dass eine Klasse erst mit
Verspätung ankommt (dies war z.B. beim Testdurchlauf am 30. Mai 2012 der Fall, sodass
dieser unter Zeitdruck stattfand) oder dass einzelne Stationen mehr Zeit erfordern. Innerhalb
der
ersten
Viertelstunde
des
Schülerprojekts
erfolgt
außerdem
eine
kurze
Bildschirmpräsentation, um die Schüler in die Thematik einzuführen. Diese kann ab Seite 91
im Anhang eingesehen werden. Die Viertelstunde am Ende des Vormittags kann auf das
Ausfüllen des Evaluationsbogens verwendet werden. Sie kann den Schülern aber auch
zusätzlich zur Bearbeitung von Stationen zur Verfügung stehen. Sollte es vorkommen, dass
Klassen am Projekt teilnehmen, die schneller fertig sind oder denen mehr Zeit zur Verfügung
29
steht, kann der Zeitplan durch weitere Stationen ergänzt werden, da im vorliegenden Zeitplan
die Gruppen jeweils nur fünf von sieben Stationen durchlaufen.
Tabelle 1: Vorschlag zum Zeitplan
Gruppe:
A
B
C
D
E
F
G
H
9:15-9:45
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
9:45-10:15
Station 2
Station 3
Station 4
Station 5
Station 6
Station 7
Station 2
Station 7
10:30-11:00
Station 3
Station 7
Station 6
Station 7
Station 5
Station 2
Station 4
Station 3
11:00-11:30
Station 7
Station 5
Station 7
Station 2
Station 4
Station 3
Station 6
Station 5
11:45-12:15
Station 5
Station 2
Station 3
Station 4
Station 7
Station 6
Station 7
Station 2
Bei dem oben gemachten Vorschlag zum Zeitplan wird mit acht Gruppen kalkuliert, da
dies bei einer durchschnittlich großen Klasse (24-30 Schüler) erlaubt, Gruppen à maximal vier
Schüler zu bilden. Wie bereits im vorangegangenen Kapitel erläutert, sollten die Gruppen eine
Schülerzahl von vier nicht übersteigen. Aufgrund dieser Überlegungen stellte sich so heraus,
dass fast alle Stationen doppelt vorhanden sein müssen. Aus logistischen Gründen stand am
30. Mai 2012 lediglich Station 6 nicht zweifach zur Verfügung, eine Tatsache, die viele
Schüler kritisierten. Es wäre demzufolge in Zukunft zu überlegen, ebenfalls eine zweite
Murmelbahn aufzubauen.
Wie dem Zeitplan zu entnehmen ist, durchlaufen alle Schüler gleichzeitig die erste
Station, die eine Einführungsstation darstellt, an der alle Schüler sich mit dem Höhenmodell
vertraut machen können. Danach bearbeiten sie die Stationen in unterschiedlicher
Reihenfolge.
Im Folgenden wird nun das Konzept der Bildschirmpräsentation und der Stationen
erläutert werden.
6.1
Erläuterung der Bildschirmpräsentation zur Einführung
Wie bereits weiter oben erläutert, begann das Schülerprojekt mit einer ca. zehnminütigen
Bildschirmpräsentation (siehe Anhang, S.91) zur thematischen und organisatorischen
Einführung. Als Einstieg diente das Zeigen einer Kindersicherung für Steckdosen, die die
Schüler auch gleich zielsicher erkannten, und der Fragestellung, warum man nicht in die
Steckdose greifen dürfe. Daraufhin folgte die Präsentation des Potentials anhand des Bildes
einer Batterie. Weiterhin wurde bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass nicht das
Potential, sondern vielmehr die Potentialdifferenz im Stromkreis von physikalischer Relevanz
ist. Da insbesondere der Begriff des Potentials recht unanschaulich ist, erfolgte die
Übertragung auf die Höhe und den Höhenunterschied, die schließlich auch zum Höhenmodell
30
führte. Zunächst wurde jedoch das Fließen der Elektrizität mit dem Fließen des Wassers in
einem Wasserfall verglichen. In beiden Fällen fließt etwas (Elektrizität bzw. Wasser) von
selbst von einem Punkt mit höherer potentieller Energie zu einem Punkt, an dem sie einen
niedrigeren Wert hat, nicht aber umgekehrt. Dieses Bild wurde dann noch auf den
Unterschied zwischen Stockwerken eines Hauses übertragen. Nach der Ausführung der
Analogien wurde das Höhenmodell sowohl an den in der Präsentation vorhandenen Bildern
als auch an einem echten Aufbau erläutert. Dieser beinhaltete nicht nur den einfachen Aufbau
des Höhenmodells, wie er auf der siebten Folie der Präsentation zu sehen ist, sondern
ebenfalls den entsprechenden elektrischen Stromkreis. Dies diente dazu, die Analogie direkt
anschaulich und mit dem „echten“ Stromkreis vergleichbar zu machen.
Auf diese thematische Einführung folgten einige organisatorische Hinweise, die sich auf die
Hilfe- und Lösungskarten sowie den zeitlichen Ablauf bezogen.
Von den Teilnehmern des Schülerprojekts gab es leider keine Rückmeldung zu diesem
Teil des Vormittags. Die Assistenten meldeten zurück, dass die Präsentation mit ca. zehn
Minuten die richtige Länge hatte und dass es gut gewesen sei, diese sofort nach Ankunft der
Schüler durchzuführen, um weiteren Zeitverzug zu vermeiden.
6.2
Station 1: Potential – Potentialdifferenz - Spannung
Station 1 ist eine Einführungsstation, die dazu dient, die Schüler mit dem Höhenmodell
und seiner Übertragung auf den Stromkreis
vertraut zu machen. Den Einstieg hierzu bildet
das Markieren unterschiedlicher Potentiale in
Schaltskizzen in verschiedenen Farben. Darauf
folgt der Nachbau dieser Stromkreise mithilfe
des Höhenmodells (vgl. Abb.8). Das Markieren
der Potentiale wurde von vielen Schülern als
hilfreich empfunden, da es als Vorarbeit für das
Nachbauen
Höhenmodell
der
Schaltskizzen
angesehen
mit
werden
dem
kann.
Dennoch gab es Gruppen, die nur nach
Abbildung 8: Aufbau der Parallelschaltung im Höhenmodell
durch eine Schülergruppe
mehrfachem Eingreifen durch die Assistenten
zu richtigen Aufbauten kamen. Es scheint daher durchaus sinnvoll, auch für diese Aufgabe
Lösungskarten zu erstellen und die Schüler zu ermutigen, diese nach einer gewissen Zahl an
Fehlversuchen zu konsultieren.
31
Nach diesem praktischen Teil können die vier Grundregeln53 für das Verhalten des
Potentials im Stromkreis induktiv erschlossen werden. Damit die Schüler beim Festhalten
dieser Regeln nicht ganz auf sich alleine gestellt sind, helfen ihnen hier die Satzanfänge der
Regeln (vgl. Abbildung 9).
Als Hilfestellung zur Formulierung der Regeln waren, statt der Satzanfänge, zunächst
einzelne Satzbausteine vorgesehen, die die Schüler zusammenfügen sollten. Bei der ersten
Durchführung hat sich jedoch herausgestellt, dass dieses Aufgabenformat zu schwer war, da
die Schüler sich noch nicht gut genug mit dem physikalischen Konzept des Potentials
auskannten.
Abbildung 9: Station 1 - Aufgabe 3
Im Anschluss werden die Schüler darüber informiert, dass man eine Potentialdifferenz als
„Spannung“ bezeichnet. Weiter lernen sie, dass ein Voltmeter ein Messgerät ist, mit dem man
Spannungen messen kann. An diese Informationen schließt sich logisch die Frage nach dem
Platz eines Voltmeters in den Stromkreis an. Dank die Hinführung zu dieser Frage durch das
Markieren von Potentialen und den Nachbau im Höhenmodell ergab sich am 30. Mai 2012 für
viele Schüler die richtige Antwort vollkommen intuitiv. In Bezug auf den genannten Aspekt
kann daher die Verwendung des Höhenmodells als voller Erfolg gewertet werden.
Wie viele andere Stationen enthält auch die erste Station eine Zusatzaufgabe für besonders
schnelle Schüler. An dieser werden sie aufgefordert, Schaltskizzen den entsprechenden
Höhenmodellaufbauten zuzuordnen. Nach der Erstdurchführung liegen noch keine
Erfahrungen über diese Aufgabe vor, weil keine der Schülergruppen nach Bearbeitung der
Pflichtaufgaben noch Zeit für die Zusatzaufgabe hatte. Da das richtige Zuordnen von
53
Die Grundregeln orientieren sich an den Regeln zum Höhenmodell aus PdN-PhiS 6/57, S.12
32
Modellaufbauten und Schaltskizzen jedoch zu einer der Grundfertigkeiten des Schülerprojekts
zählt, ist es in jedem Fall sinnvoll, die Aufgabe in dieser Art zu erhalten.
Allgemein hat sich bei der ersten Station gezeigt, dass die Schüler eher 30-40 Minuten
brauchen, um sie zu bewältigen als 25, wie beim Testdurchlauf vorgesehen. Da diese Station
jedoch den Ausgangspunkt für alles weitere Experimentieren im Rahmen des Schülerprojekts
bildet, sollte an dieser Station eher mehr Zeit eingeplant werden bzw. die Zeiteinteilung
flexibel gehandhabt werden, so wie es auch am 30. Mai 2012 der Fall war. Die flexible
Handhabung ist möglich, weil alle Schüler diese Station als erste bearbeiten.
6.3
Station 2: Was ist Spannung und wie verhält sie sich im Stromkreis?
Nach Abschluss der ersten Station durchlaufen die Gruppen die Stationen in
unterschiedlicher Reihenfolge (vgl. Zeitplan, S.30). Die Nummerierung der Stationen
entspricht daher nicht für jede Gruppe der Reihenfolge ihrer Bearbeitung.
Bei der zweiten Station wird der „Heiße Draht“ aufgebaut. Selbstverständlich geht es an
dieser Station aber nicht vorrangig um das Testen der Geschicklichkeit der Teilnehmer,
sondern vielmehr darum, dass sie erkennen, dass ein Schalter verkappt sein kann und dass
sich das Potential in Teilen des Stromkreises ändern kann, sobald dieser geschlossen wird.
Zur Einführung in diese Problematik war zunächst vorgesehen, dass die Schüler
unterschiedliche Batterien und Elektrogeräte aus dem Alltag betrachten und ihre technischen
Angaben untersuchen. Beim Testdurchlauf hat sich jedoch herausgestellt, dass dieser
Arbeitsschritt kaum neue Erkenntnisse bringt und dass den Schülern mehr Zeit zur Verfügung
gestellt werden sollte, damit sie sich intensiv mit dem „Heißen Draht“ auseinandersetzen.
Der Aufbau und die Verwendung des „Heißen Drahtes“ bieten sich hier an, da sie in eine
sonst
recht
spielerischen
Abb.10).
theoretische
Aspekt
und sich
Station einen
einbringen
(siehe
positiv auf die
Motivation der Schüler auswirken Des
Weiteren ist das Öffnen bzw. Schließen des
Stromkreises bei einem solchen Aufbau
besonders einfach. Da bei vielen Schülern,
insbesondere zu Beginn der Behandlung der
Elektrizitätslehre, die Konzepte Spannung
Abbildung 10: Schüler beim Experimentieren mit dem "Heißen
Draht"
33
und Strom kaum getrennt sind54, ist zu erwarten, dass viele Schüler glauben, dass in einem
geöffnetem Stromkreis keine Spannung besteht, selbst wenn eine Spannungsquelle
angeschlossen ist. Diese Vorstellung wird deshalb durch zwei Single-Choice Aufgaben
abgefragt (vgl. Abb.11) und soll hauptsächlich dazu dienen, dass sich die Schüler ihrer
Vorstellung bewusst werden, bevor sie dann durch eine Messung in Bezug auf die Spannung
mit dem Gegenteil konfrontiert werden. Das Vorgehen zielt auf eine Differenzierung der
Konzepte Strom und Spannung ab. Bei der Durchführung mit einer siebten Klasse zeigte sich,
dass diese Fehlvorstellung bei fast allen Schülern vorlag und dass die eben beschriebene
Aufgabe daher von hohem didaktischem Wert ist.
Abbildung 11: Station 2 - Aufgabe 2a
Mithilfe des Merksatzes, der auf die Spannungsmessung folgt, sollen dann die durch
Konfrontation gefundenen Erkenntnisse in Bezug auf das Verhalten der Spannung im offenen
Stromkreis festgehalten werden. Zusatzaufgabe ist an Station 2 lediglich die Aufforderung
zum Testen der Geschicklichkeit mit dem „Heißen Draht“, weil sich dies unter motivationalen
Aspekten anbietet. Wie sich bei der Abschlussevaluation zeigte, gehört diese Station zu einer
der beliebtesten des Schülerprojekts, eine Tatsache, zu der der Bau des „Heißen Drahtes“
sicher einen großen Beitrag leistet.
Bei der Beobachtung der Schüler beim Experimentieren ergab sich lediglich ein formaler
Verbesserungsvorschlag. Viele Schüler hatten Schwierigkeiten, den „Heißen Draht“ in der
Schaltskizze (vgl. Abb. 12) wiederzuerkennen. Aus diesem Grund wurde die Schaltskizze des
„Heißen Drahtes“ so verändert, dass sie nun mehr näher an der Realität ist (vgl. Abb.13).
Abbildung 12: Schaltskizze "Heißer Draht" alt
54
Abbildung 13: überarbeitete Schaltskizze
vgl: PdN-PhiS 6/57, S.6
34
Die Zusatzaufgabe sowie der Cartoon (vgl. Anhang, S.56) kamen bei den Schülern
ausgesprochen gut an, so dass sich hier keinerlei Änderungen ergeben.
6.4
Station 3: Wie misst man die elektrische Spannung
An der dritten Station geht es vorrangig um die Vertiefung des Umgangs mit dem
Voltmeter, wie er in Station 1 erarbeitet worden ist. Weiterhin sollen die Schüler erkennen,
dass die Spannung entlang der Verbraucher im Stromkreis vollständig abfällt. Zur
Veranschaulichung der beiden Aspekte bedienen wir uns eines Versuchs, der z.B. im
Physikbuch Metzler Physik55 beschrieben ist, und der den Bedürfnissen an dieser Station
entsprechend verändert wurde.
Selbst wenn sich die Skizze auf dem Arbeitsblatt (vgl. Abb.14) dem Aufbau in Abbildung
1556 annähert, so sind doch entscheidende Änderungen vorgenommen worden. Zum einen
wird keine Wechselspannungsquelle, sondern eine einfache Flachbatterie verwendet, zum
anderen ein weiteres Voltmeter, welches die Spannung an der Batterie misst, eingefügt. Die
Gleichspannungsquelle ist gewählt worden, da die Behandlung der Wechselspannung zu weit
geführt und den Rahmen des Schülerprojekts gesprengt hätte. Das zweite Voltmeter wurde
ergänzt, um den Schülern den direkten Vergleich zwischen der Spannung zwischen einem
Punkt auf der Pappe und dem Minuspol und der Spannung an der Batterie zu ermöglichen.
Abbildung 14:Skizze zu Station 3
Des Weiteren geht es an dieser Station nicht vorrangig um das Finden von
Äquipotentiallinien, sondern vielmehr um das erforschende Messen der Spannung entlang der
Pappe und das Finden möglicher Gesetzmäßigkeiten. Letztere können unterschiedlicher Natur
sein. Sie können unter anderem sowohl die Existenz von Linien mit konstantem Potential als
auch den Verlauf der Spannung zwischen den beiden Elektroden betreffen.
55
56
vgl. Grehn J., Krause J. 2004, S.189
Aus: ibid, S.189
35
Abbildung 15: Messen von Äquipotentiallinien
Aus diesem Grund gibt es hier keinen festen, sondern nur einen offenen Arbeitsauftrag:
„Macht nun Messungen, indem ihr auf der Pappe entlangfahrt und versucht dabei
Gesetzmäßigkeiten zu finden. Ihr dürft dabei gerne Markierungen auf der Pappe
machen. Wenn ihr möchtet, könnt ihr (…) eure Messungen skizzieren.“
Sollte es Schüler geben, für die diese offene Art der Aufgabenstellung zu unkonkret sein
sollte, ist für diesen Fall ein Hilfekärtchen vorgesehen, welches auf die bereits oben
genannten Gesetzmäßigkeiten hinweist. Dieses hat sich bei der Durchführung als sehr wichtig
erwiesen, da einige Schüler kritisierten, keine konkrete Aufgabenstellung erhalten zu haben.
Den Abschluss dieses Arbeitsblattes bildet ein Merksatz, der sowohl die Tatsache
wiederholt, dass Spannungen immer zwischen zwei Punkten bestehen als auch, dass eine
Spannung im Alltag im Allgemeinen vorgegeben ist und damit die Ursache für den
Stromfluss darstellt. Bei diesem Merksatz haben wir uns für ein halboffenes Aufgabenformat
in Form eines Lückentextes entschieden, da diese Art der Aufgabenstellung wie bereits im
vorangegangenen Kapitel beschrieben nicht nur das Verständnis des Sinnes im Ganzen
erfordert, sondern ebenfalls die Verknüpfung und das Verständnis von einzelnen Inhalten und
die Berücksichtigung der Informationen, die der unvollständige Satz bietet.57 Weiterhin
erlaubt dieses Format eine Zeitersparnis, da der Schüler nicht erst selbst die Regel formulieren
muss, sondern sich auf bereits Bestehendes beziehen kann. Schließlich wird so auch noch
sichergestellt, dass die Lösung des Schülers nicht vollkommen falsch sein kann, da die bereits
bestehenden Satzteile nicht verändert werden können. Für diese Aufgabe steht wieder eine
Hilfekarte zur Verfügung, auf der die fehlenden Wörter in veränderter Reihenfolge angegeben
sind. Bei der ersten Durchführung stellte sich heraus, dass die Schüler den Merksatz nur mit
der Hilfekarte korrekt vervollständigen konnten. Aus diesem Grund sind nunmehr auf dem
Arbeitsblatt die fehlenden Begriffe in veränderter Reihenfolge angegeben. Bei der
Durchführung der Stationen mit einer zehnten Klasse wäre jedoch zu überdenken, ob die
57
vgl. Klauer, 2001, S.107
36
Aufgabe dann zu einfach wird und ob an dieser Stelle dann nicht wieder zur ursprünglichen
Form der Aufgabe zurückgekehrt werden sollte.
Auch Station 3 ist mit einer Zusatzaufgabe versehen. In dieser werden die Schüler
explizit aufgefordert, Äquipotentiallinien zu suchen und durch das Austauschen und
Verformen der Elektroden den Zusammenhang zwischen der Form der Elektrode und den
entstehenden Linien zu finden. An dieser Station war das Zeitbudget angemessen vorgesehen,
da fast alle Gruppen das gesamte Arbeitsblatt in der vorgegebenen Zeit bearbeiten konnten.
Lediglich für die Zusatzaufgabe blieb ihnen keine Zeit mehr.
6.5
Station 4: Stromkreise mit mehreren Bauteilen I
An Station 4 geht es um die Betrachtung der Reihenschaltung und des Verhaltens der
Spannung in dieser Art des Stromkreises. Im ersten Teil des Arbeitsblattes wird die
Reihenschaltung von Verbrauchern, in unserem Fall Lämpchen, betrachtet. Im zweiten Teil
geht es dann um die Reihenschaltung von Batterien, welche viele Schüler von Alltagsgeräten
kennen. Mithilfe des in der Einführungsstation erworbenen Wissens werden die Schüler auf
dem Arbeitsblatt zunächst aufgefordert, das Schaltbild eines Stromkreises mit drei Lämpchen
zu
zeichnen
und
dann
die
unterschiedlichen Potentiale, die sich
darin ergeben, mit unterschiedlichen
Farben zu markieren. Es erwies sich
bei
der
hilfreich,
Durchführung
an
dieser
als
sehr
Stelle
das
Höhenmodell zur Veranschaulichung
hinzuzuziehen. Aus diesem Grund
wurde dies nachträglich auf dem
Arbeitsblatt
ergänzt.
Nach
der
Beobachtung des Verhaltens von erst
zwei,
dann
drei
Lämpchen
im
Abbildung 16: Aufbau einer Reihenschaltung mit drei Lämpchen
Stromkreis (siehe Abb.16) und dem Messen der Spannungen an den jeweiligen Lämpchen,
können die Schüler selbst ihre Markierungen aus der ersten Aufgabe überprüfen und wenn
nötig korrigieren. Als Abschluss dieses Aufgabenteils werden die Schüler aufgefordert, eine
eigene Regel für diese Art der Schaltung aufzustellen. Um falsche Verallgemeinerungen zu
vermeiden, erfolgt an dieser Stelle ein ausdrücklicher Hinweis darauf, dass es sich hier um
gleichartige Lämpchen handelt. Aus Forschungen zu Schülervorstellungen, wie sie in Kapitel
37
2 vorgestellt wurden, ist bekannt, dass viele Schüler bei der Knoten- sowie bei der
Maschenregel davon ausgehen, dass sich der Strom bzw. die Spannung grundsätzlich
gleichmäßig aufteilen, selbst wenn dies nur dann der Fall ist, wenn es sich um gleichartige
Bauteile handelt. Da diese Regel eine der Quintessenzen dieser Station darstellt, steht den
Schülern an dieser Stelle eine Lösungskarte zur Verfügung.
Der zweite Teil dieser Station beschäftigt sich mit der Reihenschaltung von Batterien. Den
Einstieg zu diesem Arbeitsschritt bildet das Foto einer Fahrradlampe und dem dazugehörigen
Batteriepack, in dem sich insgesamt fünf
Batterien befinden (vgl. Abb. 17).
Auf diese Weise wird die Relevanz
dieser Schaltung im Alltag verdeutlicht.
Danach sollen sich die Schüler anhand
des Höhenmodells den Grund für eine
Abbildung 17: Fahrradlampe mit Batteriepack
solche Schaltung klar machen:
„Viele Geräte kommen nicht mit nur einer Batterie aus, sondern benötigen
mehrere. Überlegt euch mithilfe des Höhenmodells, warum es nötig sein kann,
z.B. drei Batterien hintereinanderzuschalten. Skizziert kurz euer Ergebnis.“
Darauf erfolgt der Nachbau des soeben mithilfe des Höhenmodells gebauten Stromkreises.
Hierbei werden zunächst nur eine Batterie, dann sukzessive zwei weitere Batterien in den
Stromkreis geschaltet und dabei jeweils die Spannung am Lämpchen bestimmt. Auf diese
Weise sollen die Schüler feststellen, dass sich die Spannungen in Reihe geschalteter Batterien
addieren und dass mehr Spannung (bei gleichem Widerstand – der Verbraucher blieb während
des ganzen Versuches das 6V, 3W Lämpchen) ein helleres Leuchten des Lämpchens zur
Folge hat. Auch hierzu gibt es wieder die Aufgabe, eine allgemeine Regel zu formulieren und
wie beim ersten Teil des Arbeitsblattes steht für diese Aufgabe eine Lösungskarte zur
Verfügung.
Da sich beim Testdurchlauf am 30. Mai 2012 herausstellte, dass alle Gruppen in der
vorgegebenen Zeit nur den ersten Teil der Station bearbeiten konnten, ist der zweite Teil,
welcher die Reihenschaltung von Batterien betrifft, von nun an nur noch Zusatzaufgabe. Dies
ist auch inhaltlich möglich, da erstens die Reihenschaltung von Spannungsquellen nach dem
gleichen Prinzip funktioniert wie die Reihenschaltung von Verbrauchern und zweitens dieser
Sachverhalt an Station 6 noch einmal angesprochen wird. Erwiesen hat sich ebenfalls, dass für
viele Schüler der Vergleich der Reihenschaltungen von zwei bzw. drei Lämpchen sehr
38
aufschlussreich ist. Mithilfe einer Kuchenanalogie58, die am Versuchstag mündlich ergänzt
wurde, konnte den Schülern das Aufteilen der Spannung noch anschaulicher gemacht werden.
6.6
Station 5: Stromkreise mit mehreren Bauteilen II
Station 5 beschäftigt sich mit der Parallelschaltung, welche neben der Reihenschaltung der
wichtigste Spezialfall des Stromkreises ist. Bei der ersten Aufgabe sind drei Stromkreise,
darunter eine Parallel- und eine Reihenschaltung, mit Glühlämpchen abgebildet, bei denen die
Schüler Aussagen über die Helligkeit der Lampen treffen sollen (vgl. Abb.18).
Abbildung 18: Station 5 - Aufgabe 1a
Danach erfolgen die Überprüfung der Vermutungen durch den Bau der Stromkreise und das
Messen der jeweiligen Spannungen an den Lämpchen. Am Ende dieses Arbeitsschrittes steht,
wie bei der vorangegangenen Station, die Formulierung einer Regel, für die auch hier wieder
eine Lösungskarte zur Verfügung steht.
Ähnlich wie bei Station 4 folgt darauf die Übertragung der Parallelschaltung auf
Batterien, wie in Abb. 19 zu sehen ist. Da dieser Teil des Arbeitsblattes im Rahmen des
Testdurchlaufes jedoch von fast keiner Schülergruppe bearbeitet wurde, sind die folgenden
Aufgaben nunmehr Zusatzaufgaben. Anhand der Leitfragen aus Abbildung 19 soll klar
werden, was die Parallelschaltung zweier gleicher Batterien für einen Stromkreis bedeutet.
Darauf folgt die Betrachtung eines fast identischen Stromkreises, bei dem jedoch eine der
Batterien mit umgekehrter Polung angeschlossen ist. Hierbei ist zu erkennen, worin der
Unterschied zum darüber abgebildeten Parallelstromkreis liegt, sowie warum ein solcher
Stromkreis nicht gebaut werden darf. Das ist der Grund, warum bei dem zweiten Teil des
58
Hat man zu viert einen Kuchen (=Spannung der Batterie) zur Verfügung, so muss man ihn aufteilen. Es kann
also keiner einen ganzen Kuchen bekommen, sondern dieser muss in vier Stücke (=Spannung am Lämpchen)
geteilt werden. Hat man dahingegen einen Kuchen für sich alleine, so kann man ihn auch alleine essen.
39
Arbeitsblattes auch für die Parallelschaltung keine Aufforderung zum Bau der Schaltung
erfolgt und warum den Schülern an dieser Station nur eine Batterie zur Verfügung steht.
Abbildung 19: Station 5 - Aufgabe 2a
6.7
Station 6: Geht’s vielleicht anschaulicher?
Die im Folgenden beschriebene Station bildet das Bindeglied zwischen dem Begriff der
Spannung und der elektrischen Energie. Sie zielt darauf ab, dass Spannung für die Schüler
nicht nur ein abstraktes Konstrukt bleibt, sondern mit „greifbaren“ Einheiten wie Energie
verknüpft wird. Bei der Ausarbeitung dieser Station haben wir uns die Definition der
Spannung zu Nutze gemacht.59 Diese findet sich auf dem Arbeitsblatt in paraphrasierter Form,
um sie leichter verständlich zu machen (vgl. Abb. 20)
Abbildung 20: Definition der Spannung über die Energie
In dem erklärenden Text, der der Definition folgt, wird, ebenso wie beim Höhenmodell, eine
Höhendifferenz mit einer Potentialdifferenz verglichen. Anstatt jedoch an diesem Punkt zu
bleiben, wird hier die Analogie weitergedacht. In der Mechanik ist es die Lage eines Körpers,
die angibt, wie viel Energie in ihm gespeichert ist, in der Elektrizitätslehre ist es das Potential.
Die Umwandlung von potentieller in kinetische Energie (Geschwindigkeit des Körpers bzw.
der Elektrizität) kann daher weitgehend analog betrachtet werden. Das ist sehr angenehm, da
59
vgl. Dorn Bader 2007, S.233
40
Schüler
im Allgemeinen alltägliche,
mechanische Probleme leichter erfassen
und durchdringen, als komplexe und
unanschauliche
Phänomene
in
der
Elektrik. Weiterhin ist dies der Grund für
die Verwendung der Murmelbahn, mit
der
die Schüler
an dieser
Abbildung 21: Bild des Aufbaus
Station
experimentieren.
Die Murmelbahn, wie sie auf den Abbildungen 21 und 22 zu sehen ist, ermöglicht das
Starten der Kugel auf zwei unterschiedlichen Höhen. Zunächst können die Schüler mit der
Murmelbahn experimentieren und dabei die
Abhängigkeiten zwischen Starthöhe,
Geschwindigkeit der Kugel bei der Ankunft und Klingeln der Glöckchen untersuchen
(Aufgabe 1a). Nach dem Finden dieser Zusammenhänge folgt eine Energiebetrachtung
(Aufgabe 1c). Im Laufe dieser
sollen
sich
die
Schüler
der
Tatsache bewusst werden, dass die
Energie, die beim Einwurf in der
Kugel gespeichert war, sich beim
Rollen
in
umwandelt
Abbildung 22: Skizze der verwendeten Murmelbahn
wiederum
kinetische
und
beim
Energie
dass
Anstoßen
diese
der
Glöckchen an sie abgegeben wird.
Die Glöckchen können daher als „Verbraucher“ angesehen werden. Diese Frage zielte darauf
ab, dass die Schüler, wenn auch vielleicht unbewusst, erkennen, dass Energie nicht alleine,
sondern mit einem Träger fließt, den sie wechseln kann. Pate stand hier das Energie-Träger
Konzept aus dem Karlsruher Physikkurs60. Auf die Überlegungen zur Murmelbahn folgt die
Betrachtung des elektrischen Stromkreises wie sie Abb. 23 entnommen werden können.
Zunächst sollen die Zusammenhänge, die in Aufgabe 1a gefunden wurden, explizit auf diesen
übertragen werden. Zur freiwilligen Veranschaulichung dieser Abhängigkeiten stehen zwei
1,5V-Batterien, ein Lämpchen und entsprechende Kabel zur Verfügung. Während zwei der
vier Gruppen, die diese Station absolviert haben, sich dieser Möglichkeit bedient haben,
haben die beiden anderen die Übertragung auf den Stromkreis nur theoretisch vorgenommen.
60
vgl. Hermann 2007, S.9-14
41
Es bestätigt sich also, dass das Angebot der Veranschaulichung durch Batterien und Lampen
sinnvoll ist, eine Verpflichtung jedoch wenig gewinnbringend wäre.
In der folgenden Teilaufgabe wird dann eine neue, analoge Energiebetrachtung
vorgenommen. Die Übertragung hat zum Ziel, dass die Schüler bewusst die Größen
Spannung, Strom und Energie voneinander unterscheiden, die sie oft undifferenziert
verwenden61. So soll hier klar werden, dass die Spannung die Energie liefert und den Strom
antreibt. Dieser fließt im Kreis, während die Energie, die er transportiert, nur von der
Spannungsquelle zum Verbraucher (Glühlampe, bzw. Glöckchen in der Analogie) fließt.
Nach den theoretischen Erkenntnissen wird erneut der Alltagsbezug hergestellt, indem die
Schüler mithilfe ihrer Erkenntnisse zur Energie erläutern, warum im Alltag unterschiedliche
Spannungsquellen verwendet werden.
Abbildung 23: Station 6 - Aufgabe 2 a) und b)
Um sicher zu stellen, dass sämtliche Parallelen richtig verwendet und verstanden wurden,
folgt auf diese Fragen eine Zuordnungsaufgabe (vgl. Abb.25), zu der eine Lösungskarte zur
Verfügung steht.
Nach dieser Aufgabe folgen die Vertiefung und Anwendung der zugeordneten Analogien
durch das Umwandeln von Stromkreisen in Murmelbahnen. Bei den Stromkreisen haben wir
uns erneut für die beiden wichtigsten Spezialfälle, nämlich die Reihen- und die
Parallelschaltung entschieden, da eine Energiebetrachtung in diesen Stromkreisen maßgeblich
zu ihrem Verständnis beitragen kann. Weiterhin kann mithilfe der Murmel im
Parallelstromkreis bereits andeutungsweise die Knotenregel besprochen werden.
Die Pflichtaufgaben der Station enden mit Aufgabe 4. Danach folgt nur noch eine
Zusatzaufgabe, bei der eine umgekehrte Umwandlung (von Murmelbahn zu Stromkreis) und
ihre Energiebetrachtung bearbeitet werden sollen.
61
vgl. PdN-PhiS, 3/58, S.28
42
Abbildung 24: Station 6 - Aufgabe 3
Aufgrund des spielerischen Aspekts mit der Murmelbahn, hat Station 6 vielen Schülern
am besten gefallen62. Einige der Schüler, die diese Station aufgrund des Zeitplans nicht
durchliefen, waren richtiggehend enttäuscht davon. Es wäre daher auf jeden Fall zu überlegen,
in Zukunft auch Station 6 doppelt aufzubauen und im Zeitplan vorzusehen, dass jede Gruppe
sie einmal durchläuft.
Die hier beschriebene Station eignet sich gut, um die Elektrizität als Energieträger
herauszuarbeiten, da es den meisten Gruppen leicht fiel, die Energieabgabe an das Glöckchen
zu erkennen und zu benennen. Die Assistenten bemerkten, dass sich bei der Erklärung der
Begriff des Stroms meist als problematisch herausstellte und schlugen vor, ihn aus der Station
herauszulassen, um stattdessen von fließender Elektrizität zu sprechen. Da sich eine solche
Auslassung aber bei der Behandlung der elektrischen Energie
=
=
und der Leistung
im Unterricht als problematisch erweisen könnte, sollte der Begriff des Stromes
zumindest bei der Zuordnung der Analogien (Aufgabe 3) nicht fehlen.
Es bleibt festzuhalten, dass diese Station durch den Aufbau der Murmelbahn hohen
motivationalen und veranschaulichenden Wert hat, der einen positiven Beitrag zum
Verständnis des Verhaltens der Energie im Stromkreis leistet. Dementsprechend ergeben sich
keine Veränderungen für das Arbeitsblatt von Station 6.
6.8
Station 7: Es werde Licht
Station 7, die letzte des Schülerprojekts, unterscheidet sich deutlich von den bisher
beschriebenen Stationen, da sie sehr praktisch orientiert ist. Die Schüler bauen hier selbst aus
einer Streichholzschachtel eine Lampenfassung, um dabei zu verstehen, wo genau an der
Glühbirne die beiden Kontakte sind.
Diese Aufgabe ist deshalb interessant, da es bei Glühlampen auf den ersten Blick leicht so
aussehen kann, als hätten sie nur einen Anschluss, aus dem Höhenmodell und dem
62
vgl. Auswertung der Abschlussevaluation S. 96 im Anhang
43
Stromkreisaufbau wissen die Schüler
jedoch, dass jedes elektrische Bauteil
zwei Anschlüsse haben muss. Die Idee
zum Bau der Lampenfassung, wie sie in
Abb.25 zu sehen ist, stammt aus dem
Schulbuch Spektrum Physik SI63, auf
dem auch die Bauanleitung auf dem
Arbeitsblatt beruht.
Abbildung 25:Stromkreis mit StreichholzschachtelLampenfassung
Dem Bau der eigenen Lampenfassung folgt die Skizze einer Glühlampe (vgl. Abb. 26),
die mithilfe des Wissens über die Lage beiden Kontakte beschriftet werden soll. Um
sicherzustellen, dass die ergänzten Begriffe richtig sind, sind sie in der Aufgabenstellung
vorgegeben. Die Schüler müssen so nur noch richtig zuordnen.
Obwohl
diese
Station
sich
nicht
unmittelbar mit der Spannung beschäftigt, hat
sie dennoch hohe pädagogische Relevanz. Zum
einen
stellt
die
Praxisorientierung
einen
Methodenwechsel dar und ermöglicht es,
unterschiedliche Lerntypen anzusprechen. Zum
anderen dient er dazu, die Motivation der
Schüler durch Abwechslung zu steigern. Viele
Abbildung 26: Schema einer Glühlampe (Station 7)
Schüler sollte es außerdem motivieren, dass am
Ende dieser Station ein Produkt steht, dass sie selbst hergestellt haben und mit nach Hause
nehmen können. Es wäre deshalb wünschenswert, bei der Erstellung des Zeitplans darauf zu
achten, dass möglichst alle Gruppen diese Station durchlaufen können.
Wie bereits vermutet, kam Station 7, ebenso wie Station 6, bei vielen Schülern sehr gut
an, da sie hier nicht theoretisch, sondern praktisch arbeiten durften. Problematisch war hier
jedoch, wieder einmal, der Zeitaspekt, da 25 Minuten zu knapp bemessen waren. Um die
Lampenfassung vollkommen fertig zu stellen, ist eine halbe Stunde notwendig. In dieser Zeit
hätten es dann auch die meisten Schüler geschafft, die Bestandteile der Lampe im Schema zu
ergänzen.
63
Appel, T. et al. 2007, S.103
44
6.9
Schlussbemerkung:
Bereits beim Testen der einzelnen Stationen vor der tatsächlichen Durchführung am 30.
Mai 2012 stellte sich heraus, dass einige Arbeitsblätter zu umfangreich für den engen
Zeitrahmen von 25 Minuten pro Station sein würden. Aus diesem Grund wurden nachträglich
einige Aufgaben, die als weniger wichtig erachtet werden können, grau statt schwarz
gedruckt. Diese Aufgaben hätten, bei Zeitdruck, weggelassen werden können, ohne dass das
Lernziel der Station davon verändert worden wäre. Diese „Definition von Abkürzungen“
wurde bei den Stationen 2 und 4 vorgenommen, da diese besonders lang waren. Bei den grau
gedruckten Aufgaben handelt es sich jedoch ausdrücklich nicht um Zusatzaufgaben, sondern
vielmehr um Aufgaben, bei denen Wissen erworben werden kann, welches die Erkenntnisse,
die bei den Pflichtaufgaben erworben werden, ergänzt oder erweitert.
Bei der Durchführung zeigte sich jedoch, dass die meisten Arbeitsblätter selbst mit
„Abkürzung“ noch zu zeitintensiv waren. Im Anhang ab Seite 51 können die ursprünglichen
Arbeitsblätter und die darin vorgenommenen Änderungen eingesehen werden.
7 – Evaluation und Fazit
Nach diesem Testdurchlauf kann also festgehalten werden, dass die Stationen im
Allgemeinen sinnvoll konzipiert waren. Weiterhin hat sich eindeutig erwiesen, dass das
Höhenmodell maßgeblich zum Verständnis des Konzepts der Spannung beigetragen hat.
Ebenso konnte die Murmelbahn effektiv die Verknüpfung von Elektrizität, Spannung und
Energie veranschaulichen und plausibel erklären. Aufgrund des Zeitaspekts mussten jedoch
viele Stationen gekürzt bzw. umstrukturiert werden. Es ist zu empfehlen, den Schülern bei
einer erneuten Durchführung jeweils eine halbe Stunde pro Station einzuräumen (vgl.
Vorschlag zum Ablauf, S.30).
Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Hilfe- und Lösungskarten nicht alle Fragen bzw.
Verständnishürden abdecken konnten. Daher wäre es bei Lerngruppen der Jahrgangsstufe 7
erstrebenswert, dass für jede Station ein Assistent zur Verfügung stünde.
Die Auswertung des Nachwissenstests, dessen ursprüngliche und überarbeitete Form im
Anhang eingesehen werden kann (ab S.99), hat gezeigt, dass die meisten Schüler die Einheit
und die Funktion der Spannung gut verinnerlicht hatten. Sie konnten mehrheitlich die
Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung und Energie richtig herstellen. Das Ziel, eine
Differenzierung zwischen diesen Größen zu erreichen, kann daher als erreicht angesehen
werden. Bezüglich des Anschlusses des Voltmeters im Stromkreis zeigten sich jedoch einige
45
Unsicherheiten. Die Aufgabe 2, bei der die Spannungen in einem Parallel- und einem
Reihenstromkreis mit Lämpchen verglichen werden sollten, wurde kaum richtig beantwortet.
Einige Schüler bemängelten auf ihrem Blatt, dass sie die Aufgabe nicht verstanden hätten.
Aus diesem Grund wurde auf dem überarbeiteten Nachwissenstest diese Aufgabe so
verändert, dass nunmehr die Schüler dazu aufgefordert werden, unterschiedliche Potentiale
mit unterschiedlichen Farben zu markieren.
Bei einer Durchführung mit einer 10. Klasse ergäben sich selbstverständlich gewisse
Änderungen beim Zeitplan und bei der Formulierung einiger Aufgabenstellungen. Da im
Rahmen dieser Arbeit das Projekt nicht mit dieser Klassenstufe getestet wurde, haben wir uns
dagegen entschieden, konkrete Vorschläge zu einer solchen Durchführung zu machen. Es
können jedoch dem Mentorenskript (im Anhang ab S.105) einige Hinweise entnommen
werden.
Diese Arbeit sollte insbesondere Lehramtsstudenten und Lehrer des Faches Physik
ermutigen, ausgetretene Pfade in Bezug auf Modelle, Methoden und Begrifflichkeiten zu
verlassen, um durch neue Ansätze des Physikunterrichts ein besseres Verständnis der
jeweiligen Themengebiete bei ihren Schülern zu erreichen. Wir möchten daher insbesondere
Lehramtsstudenten dazu auffordern, das beschriebene Projekt erneut durchzuführen, um es
dadurch weiter zu entwickeln und selbst wertvolle Praxiserfahrungen zu sammeln.
Es bleibt für die Zukunft zu hoffen, dass Schüler durch die Teilnahme an „Von Höhenund Potentialdifferenzen“ nachhaltig ein besseres Verständnis der Spannung erlangen und
dass sie auf diese Weise die später im Physikunterricht auftretenden Phänomene in
Verbindung mit dem elektrischen Potential leichter verstehen können. Außerdem wäre es
wünschenswert,
dass
das
Schülerprojekt
einen Beitrag
zu
einem
sicheren und
verantwortungsvollen Umgang mit Elektrizität im Alltag leistet.
Schließlich ist festzuhalten, dass den Schülern das Experimentieren viel Spaß bereitet hat
und dass einige Aspekte der Spannung im Stromkreis durch das Schülerlabor verdeutlicht
werden konnten. Um weiterreichende Aussagen zum Lernerfolg machen zu können, wären
erneute Durchläufe wünschenswert. Aber bereits jetzt kann das Projekt in seiner aktuellen
Form als Bereicherung für den schulischen Unterricht zur Elektrizitätslehre angesehen
werden.
46
Bibliographie
Bücher
Appel, Thomas et al., Spektrum Physik SI, Gesamtband. Schroedel, Braunschweig 32007.
Bader, Prof. Dr. Franz, Oberholz, Heinz-Werner, Dorn-Bader Physik Gymnasium Sek I,
Schroedel Hannover 52005.
Demtröder, Wolfgang, Experimentalphysik 2, Elektrizität und Optik. Springer, Berlin 52009.
Eisner, Werner et al., elemente chemie II. Unterrichtswerk für die Sekundarstufe II. Klett,
Stuttgart 2000
Feuerlein, Rainer et al., Physik N, Sekundarstufe 1. Bayerischer Schulbuchverlag, München
²2002.
Grehn, Joachim., Krause, Joachim. (Hrsg.), Metzler Physik. Schroedel Hannover 32004.
Hees, Beate, Das Elementarmagneten-Modell im Physikunterricht am Gymnasium. Eine
fachdidaktische Analyse der klassischen Modelle & Konzeption und Erprobung eines
alternativen Modells. Dissertation an der Universität Duisburg-Essen, 2008
Hermann, Dr. Friedrich, Der Karlsruher Physikkurs. Ein Lehrbuch für den Unterricht der
Sekundarstufe I, Teil 1. Aulis Verlag Deubner, Köln 2007.
Hermann, Dr. Friedrich, Der Karlsruher Physikkurs. Ein Lehrbuch für den Unterricht der
Sekundarstufe I, Teil 2. Universitätsdruckerei Karlsruhe, Karlsruhe 1997.
Klauer, Karl Josef.: „Wie misst man Schulleistungen?“ In F.E. Weinert (Hrsg.),
Leistungsmessungen in Schulen (S.104-115), Beltz, Weinheim 2001.
Mikelsis-Seifert, Silke, Rabe, Thorid (Hrsg.): Physik Methodik. Handbuch für die
Sekundarstufe I und II. Cornelsen Berlin 2007.
Raith, Wilhelm, Bergmann Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2
Elektromagnetismus. Walter de Gruyter Berlin 92006.
Tausch, Dr. Michael (Hrsg.), Chemie SII. Stoff – Formel – Umwelt. C.C. Buchner, Bamberg
1993
Ohne Autor:
Das große Tafelwerk interaktiv, Formelsammlung für die Sekundarstufen I und II. Cornelsen,
Berlin 2003
47
Zeitschriftenartikel
Koller, D., Waltner, Ch., Wiesner, H, „Zur Einführung von Stromstärke und Spannung“ in
Praxis der Naturwissenschaften, 6/57, Jahrgang 2008, S. 6-18
Schwarze, H., „Zur Weiterführung von Stromstärke und Spannung“ in Praxis der
Naturwissenschaften, 3/58, Jahrgang 2009, S.27-35
Internetquellen
Akku.pdf
http://www.chemie.uni-regensburg.de/Anorganische_Chemie/Pfitzner/demo/demo_ss04/akku.pdf ,
15.06.2012, 12.25Uhr
C2 Key concepts of electricity
http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ICPE/C2.html , 05.06.2012, 22.24Uhr
E4 Teaching introductory electricity
http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ICPE/E4.html , 05.06.2012, 22.26Uhr
Einführung in die Elektrizitätslehre:
http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/archiv/inhalt_materialien/einf_elektrizitaet/index.html ,
20.05.2012, 11.39 Uhr
Elektrochemische Spannungsreihe – Wikipedia
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrochemische_Spannungsreihe , Stand: 11. Mai 2012, 15.06.2012,
11.58Uhr
Elektrodenpotential – Wikipedia
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrodenpotential , Stand: 21. Februar 2012, 15.06.2012, 11.57Uhr
Glühlampe – LEIFI-Physik
http://www.leifiphysik.de/web_ph10/umwelt-technik/05_gluehlampe/aufbau.htm , 27.05.2012,
10.46Uhr
Glühbirne » Stromvergleich.org
http://www.stromvergleich.org/stromtipps/beleuchtung/gluehbirne.html , 27.05.2012, 8.16Uhr
Glühlampe – Wikipedia
http://de.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BChlampe (zuletzt geändert am 17. April 2012 um 19.22Uhr),
27.05.2012, 8.17Uhr
Hessisches Kultusministerium – Gymnasium8
http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?cid=ac9f301df54d1fbfab83dd3a6449af60 ,
28.05.2012, 20.05Uhr
Hessisches Kultusministerium – Gymnasium9
48
http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?cid=9e0b5517dfc688683c15ce252202d4b
9 , 28.05.2012, 20.06Uhr
Lehrpläne: Bildungsserver Rheinland-Pfalz: Fächer: Naturwissenschaften gesamt:
Biologie / Chemie / Physik - Sekundarstufe 1
http://lehrplaene.bildung-rp.de/lehrplaene-nachfaechern.html?tx_abdownloads_pi1[action]=getviewdetailsfordownload&tx_abdownloads_pi1[uid]=1
92&tx_abdownloads_pi1[category_uid]=105&tx_abdownloads_pi1[cid]=5786&cHash=964e08658b3
14255a30d8420e0452772 , 28.05.2012, 17.59Uhr
Rahmenlehrplan Naturwissenschaften – Orientierungsstufe
http://lehrplaene.bildung-rp.de/lehrplaene-nachfaechern.html?tx_abdownloads_pi1%5Baction%5D=getviewcatalog&tx_abdownloads_pi1%5Bcatego
ry_uid%5D=225&tx_abdownloads_pi1%5Bcid%5D=5786&cHash=4352533553c49a20959a4c5556a
5e69c , 5.06.2012, 21.59Uhr
E4 Teaching introductory electricity
http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ICPE/E4.html , 05.06.2012, 22.26Uhr
Bildnachweis
Soweit nicht anders angegeben sind die Abbildungen und Fotos von der Verfasserin dieser
Arbeit selbst erstellt worden. Die Graphiken, die auf den Arbeitsblättern die Hilfe- sowie die
Lösungskarten markieren, stammen aus der Clipart-Sammlung von Microsoft Word 2010.
49
Anhang
(a) Arbeitsblätter vom 30. Mai 2012
51
(b) Überarbeitete Arbeitsblätter
72
(c) Lösungskarten
84
(d) Hilfekarten
86
(e) Bildschirmpräsentation zum Einstieg
91
(f) Evaluationsbogen
94
(g) Auswertung der Evaluationsbögen
96
(h) Nachwissenstest vom 30. Mai 2012
99
(i) Überarbeiteter Nachwissenstest
101
(j) Schülermeinungen zum elektrischen Strom und zur elektrischen Spannung 103
(k) Mentorenskript
105
50
Station 1
Potential – Potentialdifferenz – Spannung
Analogien zur Spannung
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station könnt ihr selbst mit dem Höhenmodell arbeiten u. Stromkreise nachbauen. Dabei
werdet ihr den Unterschied zwischen Potential u. Potentialdifferenz (auch „Spannung“ genannt)
kennen lernen. Außerdem sehen wir uns an, wie man ein Spannungsmessgerät („Voltmeter“) in
einen Stromkreis einbaut, und warum es gerade so eingebaut werden muss.
Die Spannung ist eine Größe des elektrischen Stromkreises.
1. Nachdem ihr jetzt eine kleine Einführung zum Potential und zum Höhenmodell
hattet, könnt ihr nun die wichtigsten Regeln zusammentragen.
Fügt dazu die Satzteile so zusammen, dass sie Sinn ergeben und bildet vollständige
Sätze1:
Wert des Potentials - Batterie – Minuspol – Pluspol – größer
Regel 1
Regel 2
Elektrizität – Stellen mit hohem Potentialwert – Stellen mit niedrigem
Potentialwert – fließt
Regel 3
zwei Stellen – verbunden – elektrische Potential – Stromkreis – konstant –
Kabel – nur
Regel 4
Potentialwert – Minuspol – Batterie – 0V
2. Markiert in den folgenden Stromkreisen gleiche Potentiale mit gleichen Farben
(die Glühlämpchen sind alle baugleich).
a)
1
b)
c)
Regeln nach PdN 6/57, S.12
51
3. Baut nun die Stromkreise aus Aufgabe 3 mit dem Höhenmodell nach.
4.
Die Differenz zwischen zwei Potentialen nennt man Spannung.
Wo im Stromkreis lässt sich eine Potentialdifferenz beobachten? Markiere in den
Stromkreisen a), b) und c) jeweils 2 Stellen, zwischen denen eine Potentialdifferenz besteht.
5. Ein
Voltmeter
ist
ein
Gerät,
mit
dem
Überlegt
euch,
wie
dieses
Gerät
in
eingebaut werden kann und baut es entsprechend ein.
man
eurem
Spannungen
Höhenmodell
misst.
sinnvoll
Skizziert, wie ihr eurer Voltmeter angeschlossen habt. Formuliert außerdem einen kurzen Merksatz.
Zusatzaufgabe (falls ihr noch Zeit habt):
Ordnet die Skizzen der Höhenmodelle den Stromkreisen zu (damit man die Lampen besser
erkennen kann, sind sie hier nicht gelb sondern ausnahmsweise rot gezeichnet):
52
Station 2
Was ist Spannung und wo kommt sie her?
Der heiße Draht
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station werdet ihr in eurer Gruppe einen heißen Draht bauen. Bei diesem
Geschicklichkeitsspiel, mit dem ihr natürlich auch später noch spielen könnt, werdet ihr die
Unterschiede zwischen dem Strom und der Spannung kennen lernen.
1. Was ist denn Spannung?
a. Vor euch auf dem Tisch seht ihr mehrere Batterien:
Schaut sie euch genau an: Welche Unterschiede könnt ihr bezüglich ihrer Form und ihrer
technischen Angaben feststellen?
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
MERKE!
Die Spannung ist eine Größe, die man mit dem Buchstaben U abkürzt.
Sie wird in der Einheit Volt gemessen, diese Einheit wird mit V abgekürzt.
Das ist wie bei der Masse (m), die in Kilogramm (kg) gemessen wird.
b. Betrachtet die Geräte vor euch genau: Wie hoch darf die Spannung U max maximal
sein, ohne dass sie kaputtgehen?
Gerät
Umax
Gerät
Radiowecker
Computertastatur
Fahrradlampe
Handrührgerät
c.
Umax
Was schließt ihr daraus für die Wichtigkeit der Spannung im Alltag?
Die Batterie gibt im Allgemeinen keine feste Spannung vor.
richtig
falsch
An der Steckdose liegt eine Spannung von _____________ Volt an.
Der Stromfluss ist die Folge der Spannung.
53
richtig
falsch
Spannung und Stromkreis
Dicker Draht
Dünner Draht
a. Aufbau:
Holzröhrchen
Ihr benötigt:
-
1 langes Kabel
1 Holzgriff mit Drahtschlaufe
4 Krokodilklemmen
1 Lämpchen mit Halterung
1 Stück dicken Draht
Lampe
Kabel
Kabel
1 Holzplatte als Halterung
Batterie
Steckt nun die Bauteile so zusammen, wie sie auf
Abbildung 1: Skizze zum Aufbau
Abbildung 1 abgebildet sind.
b. Was passiert hier eigentlich? Notiert eure Beobachtungen!
- Was passiert, wenn ihr mit der dünnen Drahtschlaufe den dicken Draht berührt? Warum?
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
- Überlegt euch, was geschieht, wenn ihr die Batterie andersherum anschließt und notiert kurz
eure Theorie. (Erinnert euch an das Höhenmodell aus Station 1): Überprüft dann an eure
Theorie am heißen Draht:
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
2. Spannungs- und Strommessung
a. Was erwartet ihr für die Spannung und für den Strom, wenn der Stromkreis nicht
geschlossen ist?
-
Es fließt ein Strom.
-
Es liegt eine Spannung an:
ja
ja
54
nein
nein
b. Bringt nun das Voltmeter in den Stromkreis.
Zeichnet in der Skizze ein, wie ihr es angeschlossen habt.
dicker Draht
Öse
Abbildung 2: Schaltskizze des heißen Drahtes ohne Voltmeter
Was zeigt das Gerät an, wenn …
U in Volt
… der Stromkreis geschlossen ist?
… der Stromkreis nicht geschlossen ist?
55
Leuchtet das
Lämpchen?
c. Was bedeutet das?
Füllt die Lücken des Merksatzes aus.
Die elektrische Spannung …
… existiert, wenn der Stromkreis ____________ geschlossen ist, d.h. wenn
_______ Strom fließt.
… verursacht, bei geschlossenem Stromkreis, einen ________________________.
Zeichnung von Séraphine Menu
(nach http://www.didaktik.physik.unimuenchen.de/archiv/inhalt_materialien/einf_elektrizitaet/index.html , 19/05/12, 10h41)
Zusatzaufgabe (wenn ihr noch Zeit habt):
Übt eure Geschicklichkeit am heißen Draht. Denkt aber bitte daran, ihn rechtzeitig wieder
abzubauen, sodass die nächste Gruppe den Draht wieder neu aufbauen kann.
56
Station 3
Wie misst man die elektrische Spannung?
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station sollt ihr Spannungen quantitativ mit dem Voltmeter messen. Bei euren Messungen
werdet ihr allgemeine Beziehungen zwischen der Spannung an der Batterie und der Spannung im
Stromkreis kennen lernen.
1. Spannungsmessung:
(a) Auf dem Tisch vor euch seht ihr verschiedene Materialien, mit der wir Spannungen
messen wollen. Schaut euch die Skizze in Abb. 1 an und versucht die entsprechende
Schaltung nachzubauen.
(Tipp: Die Gegenstände an den Krokodilklemmen müssen nicht unbedingt rund sein.)
Voltmeter 1
Voltmeter 2
(b) Bevor es losgehen kann, muss die Pappe befeuchtet werden. Warum?
___________________________________________________________________
(c) In der Skizze ist das Voltmeter 2 noch nicht richtig angeschlossen, um mit ihm die
Spannung zwischen einem Punkt auf der Pappe und dem Minuspol der Batterie zu
messen. Zeichnet die nötigen Kabel ein und baut es im Stromkreis an die
entsprechende Stelle.
(d) Jetzt könnt ihr auf der Pappe mit dem Kabel entlangfahren. Behaltet dabei die beiden
Voltmeter im Auge. Was könnt ihr beobachten?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
57
(e) Macht nun Messungen, indem ihr auf der Pappe entlangfährst und versuche dabei
Gesetzmäßigkeiten zu finden. Ihr dürft dabei gerne Markierungen auf der Pappe
machen.
Wenn du möchtest, kannst du hier deine Messungen skizzieren:
2. Fülle nun die Lücken aus:
Merksatz:
Im Allgemeinen ist die elektrische Spannung ______ von der Spannungsquelle vorgegeben,
sie bestimmt daher den ____________, der fließt. So beträgt z.B. die Spannung der
___________________
__________.
Die
Spannung
nennt
man
auch
______________________. Das bedeutet, dass sich zwei ________________ in einem
Stromkreis in Bezug auf ihr _________________________ voneinander unterscheiden.
Spannung
messen
wir
daher
zwischen
_____________
Punkten.
Zusatzaufgabe (wenn noch Zeit ist):
Tauscht die Elektroden, die ihr verwendet habt, gegen andere aus und messt die Linien aus,
auf denen die gleiche Potentialdifferenz im Vergleich zum Minuspol anliegt. Ihr könnt auch
gerne mit Alufolie eigene Elektroden herstellen.
Welchen Zusammenhang könnt ihr zwischen der Form der Elektrode und den Linien
feststellen?
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
58
Station 4
Schaltungen mit mehreren Bauteilen I
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station werden wir uns einen besonderen Typ Stromkreis ansehen, die Reihenschaltung.
Bei einer solchen Schaltung kann man sowohl Batterien als auch Lämpchen in Reihe schalten. Wir
werden uns beide Fälle anschauen und versuchen, Regeln für das Verhalten der Spannung in solchen
Schaltungen aufzustellen.
1. Hintereinanderschalten von Lämpchen
a. Überlegt euch, wie ein Stromkreis aussehen muss, in dem drei Lämpchen hintereinander
geschaltet sind.
Baut ihn dann mit dem Höhenmodell auf und skizziert euer Ergebnis.
b. Baut nun nacheinander einen Stromkreis erst mit nur zwei, dann mit drei Lampen
auf. Versichert euch bitte bei einem Tutor, dass eure Schaltung richtig ist, bevor ihr
die Batterie anschließt.
c. Was konntet ihr in Bezug auf die Glühlämpchen beobachten?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
59
d. Überlegt euch, wo in eurer Schaltung Potentialdifferenzen vorliegen. Überprüft nun
mithilfe eines Voltmeters, ob eurer Aufbau mit dem Höhenmodell in Aufgabe 1a
richtig war.
e. Verallgemeinerung:
Schaltet man elektrische Bauteile in einem Stromkreis hintereinander, so sprechen
Physiker von einer Reihenschaltung.
Stellt aufgrund eurer Beobachtungen mit zwei und drei gleichen Lämpchen eine
Regel für solche Schaltungen auf.
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Zusatzaufgabe (falls ihr noch Zeit habt)
Hintereinanderschalten von Batterien
a. Viele Geräte kommen
nicht mit nur einer
Batterie aus, sondern
benötigen mehrere.
Überlegt euch mithilfe des
Höhenmodells, warum es
nötig sein kann, z.B. drei
Batterien
hintereinanderzuschalten.
Skizziert kurz euer Ergebnis.
Abbildung 2: Fahrradlampe mit Batteriepack
60
b. Baut nun einen Stromkreis mit einer 1,5V-AA-Batterie und einem Glühlämpchen und messt
die Spannung am Lämpchen. Baut dann bis zu 3 weitere Batterien in den Stromkreis.
ACHTUNG: Achtet beim Anschließen der Batterien unbedingt auf die richtige Polung!
Spannung am Lämpchen
1 Batterie
2 Batterien
3 Batterien
c. Was könnt ihr in Bezug auf die Helligkeit des Lämpchens beobachten?
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
d. Verallgemeinerung
Stellt nun eine allgemeine Regel für Reihenschaltungen mit mehreren Batterien auf.
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
61
Station 5
Schaltungen mit mehreren Bauteilen II
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station werden wir uns einen besonderen Typ Stromkreis ansehen, den man
Parallelschaltung nennt. Sowohl Batterien als auch Lämpchen können parallel geschaltet werden. Wir
werden uns hier beide Fälle anschauen und versuchen, Regeln für das Verhalten der Spannung in
solchen Schaltungen aufzustellen.
1. Potentiale im Stromkreis
a)
b)
c)
L2
L1
L3
L4
L5
a. Welche der folgenden Aussagen sind richtig, wenn die Spannungsquellen sowie die
Lämpchen alle gleich sind?
i. L2 und L3 leuchten gleich hell.
richtig
falsch
ii. L2 und L3 leuchten ebenso hell wie L1.
richtig
falsch
iii. L4 und L5 leuchten beide gleich hell.
richtig
falsch
iv. L4 leuchtet ebenso hell wie L3.
richtig
falsch
v. L5 leuchtet ebenso hell wie L1.
richtig
falsch
vi. L1, L3 und L5 leuchten alle unterschiedlich hell.
richtig
falsch
b. Baut nun die drei Stromkreise auf und überprüft (und korrigiert, wenn nötig) die
Voraussagen, die ihr in Aufgabenteil c. gemacht habt. Messt zusätzlich die Spannung an
den Lämpchen mithilfe der beiden Voltmeter, die euch zur Verfügung stehen.
L1
L2
L3
Spannung [V]
62
L4
L5
c. Stellt eine allgemeine Regel auf.
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
2. Mehrere Batterien?
a. Natürlich kann man auch Batterien parallel
schalten.
Was bedeutet es für die Lampe und die
Potentialdifferenz, die an ihr anliegt, wenn
man 2 gleiche Batterien parallel zur Lampe
anschließt (siehe Skizze rechts)?
-
-
-
Die Potentialdifferenz an der Lampe ist
höher als
genauso groß wie
wenn nur eine Batterie angeschlossen wäre.
geringer als
Das Lämpchen leuchtet
heller als
genauso hell wie
wenn nur eine Batterie angeschlossen wäre.
weniger hell als
Das Lämpchen leuchtet
länger als
genauso lang wie
wenn nur eine Batterie angeschlossen wäre.
kürzer als
b. Sind bei diesem Stromkreis die beiden
Batterien hintereinander oder
parallel geschaltet? Begründet.
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
c. Warum darf man einen solchen Stromkreis niemals bauen?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
63
Zusatzaufgabe (wenn ihr noch Zeit habt):
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Die Einheit des Stromes ist _________.
8. Die Spannung wird in ______ gemessen.
9. Wichtiges Bauteil des Stromkreises: Es
dient als „Antrieb“ für den Strom.
10. Mit diesem Gerät misst man die Stärke
des Stroms.
11. Das „Gegenteil“ der Reihenschaltung
heißt _________-Schaltung.
12. Die
Lampe
wandelt
elektrische
_______________ in Licht und Wärme
um.
Leitet den Strom nicht.
Bauteil des elektrischen Stromkreises, sein
Symbol ist
Ein Stromkreis muss ___________ sein,
damit Strom fließen kann.
Dient
als
Verbindungsstück
in
Stromkreisen.
Mit diesem Bauteil kann man Stromkreise
öffnen und wieder schließen.
Schließt man elektrische
Bauteile
hintereinander, so nennt man das eine
________-Schaltung.
7.
Lösungswort:
____1 ____2 ____3 ____4 ____5 ____6 ____7 ____8 ____9
64
Station 6
Geht es vielleicht anschaulicher?
Was ist Spannung?
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station werden wir die Einheit Volt konkretisieren. Dazu werden wir uns ansehen, wie sie
überhaupt definiert ist und was die Energie damit zu tun hat.
Die Spannung definiert man über die elektrische Energie.
Man benötigt die Energie von 1 Joule, um eine
Elektrizitätsmenge Q von 1 Coulomb von einem Potential von 0
Volt auf ein Potential von 1 Volt zu bringen.
In dieser Station geht es um eine anschauliche Analogie für diese Definition.
Dinge, wie zum Beispiel Äpfel oder Melonen, fallen von
selbst auf den Boden. Je tiefer sie fallen, desto schneller sind
sie, wenn sie auf dem Boden ankommen.
Im Gegenzug müssen wir Energie aufwenden, um diese Dinge
von einer tieferen Lage auf eine höhere Lage zu bringen.
Wir können deshalb sagen:
Die Lage eines Körpers gibt an, wie viel Energie in ihm
gespeichert ist. Fällt dieser Körper zu Boden, dann wird diese
Energie in die immer schneller werdende Fallbewegung
umgewandelt. Die gespeicherte Energie bewirkt ebenfalls,
dass der Körper keinen Antrieb braucht, sondern „von selbst“
herunterfällt.
Zeichnung von Séraphine Menu
Ebenso könnt ihr euch das im Stromkreis vorstellen. Wie ihr in Station 1 gesehen habt, fließt die
Elektrizität „von selbst“ vom höheren Potential zum niedrigeren Potential. Um jedoch eine
Elektrizitätsmenge auf ein bestimmtes Potential zu bringen, muss man Arbeit aufwenden. In unserem
Fall erledigt das die Batterie.
Im Höhenmodell habt ihr bereits gesehen, dass man sich eine Potentialdifferenz mithilfe einer
Höhendifferenz veranschaulichen kann. Im folgenden Versuch könnt ihr euch modellhaft ansehen,
wie sich unterschiedliche Spannungen auf die Stromstärke, d.h. die Geschwindigkeit, mit der die
Elektrizität fließt, auswirken.
65
Bei der Murmelbahn (s. Abb. links) gibt
es die Möglichkeit, die Murmeln aus
verschiedenen Höhen herunterrollen zu
lassen. Wie das genau funktioniert,
könnt ihr der Erklärung auf dem Tisch
entnehmen.
1. Lasst die Kugel aus verschiedenen Höhen herunterrollen und achtet auf das Klingeln der
Glöckchen.
a.
Welche Zusammenhänge könnt ihr zwischen der Starthöhe, dem Rollen der Kugel und
dem Klingeln der einzelnen Glöckchen feststellen?
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
b. Was „messt“ ihr, wenn ihr nacheinander die einzelnen Glöckchen klingeln hört?
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
c.
Was passiert mit der Energie der Kugel, wenn die rollende Kugel ein Glöckchen
anschlägt? Überlegt euch dazu, wo vor dem Stoß die Energie war und wo sie nach dem
Stoß ist.
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
2. Übertragung auf den Stromkreis
Zur Veranschaulichung der Phänomene im Stromkreis stehen euch an dieser Station zwei
1,5V Batterien, ein Lämpchen und Kabel zur Verfügung. Da sich die Spannungen zweier in
Reihe geschalteter Batterien addieren, könnt ihr auf diese Weise die Gesamtspannung im
Stromkreis erhöhen.
a. Was bedeuten eure Erkenntnisse aus 1 (a) für den Stromkreis?
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
b.
Welchen Weg nimmt die Energie im Stromkreis? Überlegt euch dazu, wo die Energie
herkommt, wo sie hinfließt und welche Wirkungen sie hat.
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
66
c.
Warum benötigen wir daher im Alltag je nach Verbraucher unterschiedliche
Spannungen?
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
3. Ordnet nun die einzelnen Analogien einander zu.
> Höhendifferenz
> Abgabe der elektrischen Energie E, z. B. an
Lampe
> Höhe
> Elektrizitätsmenge Q
> Geschwindigkeit der Kugel
> Kabel
> Murmel
> Spannung U
> Murmelbahn
> Stromstärke I
> Klingeln der Glöckchen
> Potential
4. Umwandeln von Stromkreisen in Murmelbahnen
(die hier folgenden Fragen könnt ihr durch
Notizen oder durch eine Zeichnung beantworten)
Abb. 1: Reihenschaltung
Abb. 2: Parallelschaltung
a. Wie müsste eine Murmelbahn aussehen, mit der man die Reihenschaltung zweier
gleicher Lämpchen simulieren kann (vgl. Abb.1)?
67
b. Wie kann man sich eine Murmelbahn vorstellen, bei der eine Parallelschaltung
zweier gleicher Batterien simuliert wird (vgl. Abb. 2)? Ergeben sich für die Murmel
Änderungen? Wenn ja, welche?
Zusatzaufgabe (wenn ihr noch Zeit habt):
Wie muss der Stromkreis aussehen, der zu
der rechts abgebildeten Murmelbahn passt?
Überlegt euch, an welchen Stellen die Energie wichtig
ist.
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
68
Station 7
Es werde Licht…
Wir bauen eine Lampenfassung
Worum es an dieser Station gehen wird:
Diese Station ist eine Bastelstation. Bei allen Stationen haben wir Lämpchen benutzt und haben
jeweils zwei Kabel an sie angeschlossen. Doch wo sind überhaupt die beiden Kontakte an einer
Lampe und wie genau funktioniert eine Lampenfassung? Das soll an dieser Station erforscht werden.
Ihr habt euch vielleicht schon gefragt, wie genau an einer Lampenfassung zwei Anschlüsse
sein können, wenn sie doch nur ein metallenes Gehäuse hat. Mithilfe einer selbstgebastelten
Lampenfassung wollen wir diesem Problem auf den Grund gehen.
Jeder von euch benötigt…
… zwei Streifen Alufolie (2cm x 15cm)
… eine Streichholzschachtel
… einen kleinen Steckmoosquader
… Tesafilm
… ein Lämpchen
… kleine Kreisschablone
An dieser Station arbeiten wir
mit Cuttern, die sehr scharf
sind. Bitte geht mit diesen
Messern vorsichtig um, damit
ihr euch nicht verletzt.
Wie geht’s weiter?
Herstellung der Fassung:
Schritt 1:
Nehmt die Streichhölzer aus der Packung
und legt auch die „Schublade“, in der die
Streichhölzer drin waren, in die Froschdose.
Schritt 2:
Nehmt die kleine Kreisschablone und
markiert damit einen Kreis auf der
Außenhülle der Streichholzschachtel. Dieser
sollte sich in der Mitte des Kästchens
befinden.
Abbildung 3: Schritt 2
Schritt 3:
Schneidet nun den markierten Kreis mithilfe eines Cutters aus.
Schritt 4:
Schiebt nun den kleinen Steckmoosquader in die Hülle der Streichholzschachtel ein.
69
Schritt 5:
Schneidet nun mithilfe des Cutters ein
kreisförmiges Loch aus dem Steckmoos heraus.
Das Loch sollte gerade durch das Steckmoos
gehen.
Orientiert euch dabei am Kreis, den ihr aus der
Schachtel ausgeschnitten habt.
Fahrt dazu am besten einmal mit dem Cutter
entlang des Loches. Nehmt dann das Steckmoos
heraus, dreht es um, schiebt es wieder hinein
und wiederholt den Vorgang.
Abbildung 4: Schritt 5
Schritt 6:
Sobald ihr das Loch herausgeschnitten habt, könnt ihr das Steckmoos wieder heraus nehmen.
Herstellung der Kontakte:
Schritt 7:
Nehmt nun die beiden Aluminiumstreifen und faltet sie entlang der langen Seite auf eine
Breite von ca. 0,5cm.
Schritt 8:
Befestigt nun einen der Streifen mithilfe des
Tesafilms auf der Unterseite des Steckmooses.
Achtet dabei darauf, dass er über das ganze
Loch reicht und an einer der Seiten mind.
10cm über das Ende des Steckmooses
hinaushängt.
Abbildung 5: Schritt 8
Schritt 9:
Schiebt nun die Spitze des zweiten
Aluminiumstreifens von oben durch das Loch
im Steckmoos. Achtet darauf, dass dieser
Streifen den Aluminiumstreifen auf der
Unterseite nicht berührt.
Befestigt dann den Streifen mit Tesafilm auf
der Oberseite des Steckmooses. Achtet darauf,
dass mind. 10cm des Streifens über das Ende
des Steckmooses hinaushängt.
Abbildung 6: Schritt 9
Schritt 10:
Schiebt nun das Steckmoos wieder in die Streichholzschachtel und steckt eine Lampe in die
Öffnung – FERTIG!
70
Nun könnt ihr eure Lampenfassung
ausprobieren.
Verbindet hierzu die Batterie mithilfe
der Kabel mit den beiden Anschlüssen
eurer Lampenfassung.
Abbildung 7: Fertiger Stromkreis
Anhand eurer Lampenfassung könnt ihr euch überlegen, an welchen beiden Stellen eine
Glühlampe ihre Kontakte haben muss.
Beschriftet dann das folgende Schaubild mit den folgenden Begriffen:
Edelgas – Glühwendel – Fußkontakt (Anschluss 1) –
Sockelkontakt (Anschluss 2) – Glaskolben – Gewinde – Halterung
71
Station 1
Potential – Potentialdifferenz – Spannung
Analogien zur Spannung
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station könnt ihr selbst mit dem Höhenmodell arbeiten u. Stromkreise nachbauen. Dabei
werdet ihr den Unterschied zwischen Potential u. Potentialdifferenz (auch „Spannung“ genannt)
kennen lernen. Außerdem werdet ihr euch ansehen, wie man ein Spannungsmessgerät („Voltmeter“)
in einen Stromkreis einbaut, und warum es gerade so eingebaut werden muss.
6. Markiert in den folgenden Stromkreisen gleiche Potentiale mit gleichen Farben.
a)
b)
c)
7. Baut nun die Stromkreise aus Aufgabe 1 mit dem Höhenmodell nach.
8. Nachdem ihr nun bereits das Potential über das Höhenmodell kennengelernt habt,
könnt ihr nun die wichtigsten Regeln für den Umgang damit zusammentragen2.
Verwendet dazu die Satzteile, die euch zur Verfügung stehen:
Fehlende Satzteile:
2
Regel:
-
Minuspol
Batterie
größer
Der Wert des Potentials ist am Pluspol …
-
hohem Potentialwert
niedrigem Potentialwert
Stellen
konstant
elektrisches Potential
Die Elektrizität fließt von Stellen mit ….
-
Potentials
der Wert
O Volt
Am Minuspol beträgt…
Sind zwei Stellen im Stromkreis nur durch ein Kabel
verbunden …
Regeln nach PdN 6/57, S.12
72
9.
Die Differenz zwischen zwei Potentialen nennt man Spannung.
Ein Voltmeter ist ein Gerät, mit dem man Spannungen misst. Überlegt euch, wie dieses
Gerät in eurem Höhenmodell sinnvoll eingebaut werden kann und baut es entsprechend ein.
Skizziert, wie ihr eurer Voltmeter angeschlossen habt. Formuliert außerdem einen kurzen Merksatz.
Zusatzaufgabe (falls ihr noch Zeit habt):
Ordnet die Skizzen der Höhenmodelle den Stromkreisen zu (damit man die Lampen besser
erkennen kann, sind sie hier nicht gelb, sondern ausnahmsweise rot gezeichnet):
73
Station 2
Was ist Spannung und wie verhält sie sich im Stromkreis?
Der heiße Draht
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station werdet ihr in eurer Gruppe einen heißen Draht bauen. Bei diesem
Geschicklichkeitsspiel, mit dem ihr natürlich auch später noch spielen könnt, werdet ihr die
Unterschiede zwischen dem Strom und der Spannung kennen lernen.
3. Spannung und Stromkreis
MERKE!
Die Spannung ist eine Größe, die man mit dem Buchstaben U abkürzt.
Sie wird in der Einheit Volt gemessen, diese Einheit wird mit V abgekürzt.
Das ist wie bei der Masse (m), die in Kilogramm (kg) gemessen wird.
c. Aufbau:
Dicker Draht
Ihr benötigt:
-
Dünner Draht
Holzröhrchen
1 langes Kabel
1 Holzgriff mit Drahtschlaufe
4 Krokodilklemmen
1 Lämpchen mit Halterung
1 Stück dicken Draht
Lampe
1 Holzplatte als Halterung
Kabel
Kabel
Steckt nun die Bauteile so zusammen,
Batterie
Abbildung 8: Skizze zum Aufbau
wie sie auf Abbildung 1 abgebildet sind.
d. Was passiert hier eigentlich? Notiert eure Beobachtungen!
- Was passiert, wenn ihr mit der dünnen Drahtschlaufe den dicken Draht berührt? Warum?
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
74
4. Spannungs- und Strommessung
a.
Was erwartet ihr für die Spannung und für den Strom, wenn der Stromkreis nicht
geschlossen ist?
b.
-
Es fließt ein Strom.
-
Es liegt eine Spannung an:
ja
ja
nein
nein
Bringt nun das Voltmeter in den Stromkreis und zeichnet in der Skizze ein, wie ihr es
angeschlossen habt.
Abbildung 2: Schaltskizze des heißen Drahtes ohne Voltmeter
Was zeigt das Gerät an, wenn …
U in Volt
… der Stromkreis geschlossen ist?
… der Stromkreis nicht geschlossen ist?
75
Leuchtet das
Lämpchen?
Was bedeutet das? Füllt dazu die Lücken des Merksatzes aus.
Die elektrische Spannung …
… existiert, wenn der Stromkreis ____________ geschlossen ist, d.h. wenn
_______ Strom fließt.
… verursacht, bei geschlossenem Stromkreis, einen
________________________.
Zeichnung von Séraphine Menu
(nach http://www.didaktik.physik.unimuenchen.de/archiv/inhalt_materialien/einf_elektrizitaet/index.html , 19/05/12, 10h41)
Zusatzaufgabe (wenn ihr noch Zeit habt):
Übt eure Geschicklichkeit am heißen Draht. Denkt aber bitte daran, ihn rechtzeitig wieder
abzubauen, sodass die nächste Gruppe den Draht wieder neu aufbauen kann.
76
Station 3
Wie misst man die elektrische Spannung?
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station sollt ihr Spannungen quantitativ mit dem Voltmeter messen. Bei euren Messungen
werdet ihr allgemeine Beziehungen zwischen der Spannung an der Batterie und der Spannung im
Stromkreis kennen lernen.
3. Spannungsmessung:
(f) Auf dem Tisch vor euch seht ihr verschiedene Materialien, mit denen ihr Spannungen
messen könnt. Schaut euch die Skizze in Abb. 1 an und versucht die entsprechende
Schaltung nachzubauen.
(Tipp: Die Gegenstände an den Krokodilklemmen müssen nicht unbedingt rund sein.)
Voltmeter 1
Voltmeter 2
(g) Bevor es losgehen kann, muss die Pappe befeuchtet werden. Warum?
___________________________________________________________________
(h) In der Skizze ist das Voltmeter 2 noch nicht richtig angeschlossen, um mit ihm die
Spannung zwischen einem Punkt auf der Pappe und dem Minuspol der Batterie zu
messen. Zeichnet die nötigen Kabel ein und baut es im Stromkreis an die
entsprechende Stelle.
(i) Macht nun Messungen, indem ihr auf der Pappe entlangfahrt und versucht dabei
Gesetzmäßigkeiten zu finden.
77
a. Sucht dabei nach Stellen an denen die gleiche Potentialdifferenz im Vergleich
zum Minuspol anliegt.
b. Vergleicht dabei die Potentialdifferenz zum Minuspol an der linken Elektrode
mit der an der rechten Elektrode und schaut, wie sie sich zwischen den beiden
Elektroden verhält.
Wenn ihr möchtet, könnt ihr hier eure Messungen skizzieren:
4. Füllt nun die Lücken aus:
Merksatz:
Fehlende Wörter: Strom – fest – Potentialdifferenz – zwei – 230V –Stellen – Potential – Steckdose
Im Allgemeinen ist die elektrische Spannung ______ von der Spannungsquelle vorgegeben,
sie bestimmt daher den ____________, der fließt. So beträgt z.B. die Spannung der
___________________
__________.
Die
Spannung
nennt
man
auch
______________________. Das bedeutet, dass sich zwei ________________ in einem
Stromkreis
zwischen
denen
eine
Spannung
besteht,
in
Bezug
auf
ihr
_________________________ voneinander unterscheiden.
Spannung
messen
wir
daher
zwischen
_____________
Punkten.
Zusatzaufgabe (wenn noch Zeit ist):
Tauscht die Elektroden, die ihr verwendet habt, gegen andere aus und messt die Linien aus, auf
denen die gleiche Potentialdifferenz im Vergleich zum Minuspol anliegt. Ihr könnt auch gerne mit
Alufolie eigene Elektroden herstellen. Welchen Zusammenhang könnt ihr zwischen der Form der
Elektrode und den Linien feststellen?
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
78
Station 4
Schaltungen mit mehreren Bauteilen I
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station werden wir uns einen besonderen Typ Stromkreis ansehen, die Reihenschaltung.
Bei einer solchen Schaltung kann man sowohl Batterien als auch Lämpchen in Reihe schalten. Wir
werden uns beide Fälle anschauen und versuchen, Regeln für das Verhalten der Spannung in solchen
Schaltungen aufzustellen.
2. Hintereinanderschalten von Lämpchen
f.
Überlegt euch, wie ein Stromkreis aussehen muss, in dem drei Lämpchen hintereinander
geschaltet sind.
Baut ihn dann mit dem Höhenmodell auf und skizziert euer Ergebnis.
g. Baut nun nacheinander einen Stromkreis erst mit nur zwei, dann mit drei Lampen
auf. Versichert euch bitte bei einem Tutor, dass eure Schaltung richtig ist, bevor ihr
die Batterie anschließt.
h. Was konntet ihr in Bezug auf die Glühlämpchen beobachten?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
79
i.
Überlegt euch, wo in eurer Schaltung Potentialdifferenzen vorliegen. Überprüft nun
mithilfe eines Voltmeters, ob eurer Aufbau mit dem Höhenmodell in Aufgabe 1a
richtig war.
j.
Verallgemeinerung:
Schaltet man elektrische Bauteile in einem Stromkreis hintereinander, so sprechen
Physiker von einer Reihenschaltung.
Stellt aufgrund eurer Beobachtungen mit zwei und drei gleichen Lämpchen eine
Regel für solche Schaltungen auf.
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Zusatzaufgabe (falls ihr noch Zeit habt):
Hintereinanderschalten von Batterien
a. Viele Geräte kommen
nicht mit nur einer
Batterie aus, sondern
benötigen mehrere.
Überlegt euch mithilfe des
Höhenmodells, warum es
nötig sein kann, z.B. drei
Batterien
hintereinanderzuschalten.
Skizziert kurz euer Ergebnis.
Abbildung 9: Fahrradlampe mit Batteriepack
80
b. Baut nun einen Stromkreis mit einer 1,5V-AA-Batterie und einem Glühlämpchen und messt
die Spannung am Lämpchen. Baut dann bis zu 3 weitere Batterien in den Stromkreis.
ACHTUNG: Achtet beim Anschließen der Batterien unbedingt auf die richtige Polung!
Spannung am Lämpchen
1 Batterie
2 Batterien
3 Batterien
c. Was könnt ihr in Bezug auf die Helligkeit des Lämpchens beobachten?
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
d. Verallgemeinerung
Stellt nun eine allgemeine Regel für Reihenschaltungen mit mehreren Batterien auf.
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
81
Station 5
Schaltungen mit mehreren Bauteilen II
Worum es an dieser Station gehen wird:
An dieser Station werden wir uns einen besonderen Typ Stromkreis ansehen, den man
Parallelschaltung nennt. Sowohl Batterien als auch Lämpchen können parallel geschaltet werden. Wir
werden uns hier beide Fälle anschauen und versuchen, Regeln für das Verhalten der Spannung in
solchen Schaltungen aufzustellen.
1. Potentiale im Stromkreis
a)
b)
c)
L2
L1
L3
L4
L5
d. Welche der folgenden Aussagen sind richtig, wenn die Spannungsquellen sowie die
Lämpchen alle gleich sind?
i. L2 und L3 leuchten gleich hell.
richtig
falsch
ii. L2 und L3 leuchten ebenso hell wie L1.
richtig
falsch
iii. L4 und L5 leuchten beide gleich hell.
richtig
falsch
iv. L4 leuchtet ebenso hell wie L3.
richtig
falsch
v. L5 leuchtet ebenso hell wie L1.
richtig
falsch
vi. L1, L3 und L5 leuchten alle unterschiedlich hell.
richtig
falsch
e. Baut nun die drei Stromkreise auf und überprüft (und korrigiert, wenn nötig) die
Voraussagen, die ihr in Aufgabenteil c. gemacht habt. Messt zusätzlich die Spannung an
den Lämpchen mithilfe der beiden Voltmeter, die euch zur Verfügung stehen.
L1
L2
L3
Spannung [V]
82
L4
L5
f. Stellt eine allgemeine Regel auf.
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Zusatzaufgabe (wenn ihr noch Zeit habt):
Mehrere Batterien?
d. Natürlich kann man auch Batterien parallel
schalten.
Was bedeutet es für die Lampe und die
Potentialdifferenz, die an ihr anliegt, wenn
man 2 gleiche Batterien parallel zur Lampe
anschließt (siehe Skizze rechts)?
-
-
-
Die Potentialdifferenz an der Lampe ist
höher als
genauso groß wie
wenn nur eine Batterie angeschlossen wäre.
geringer als
Das Lämpchen leuchtet
heller als
genauso hell wie
wenn nur eine Batterie angeschlossen wäre.
weniger hell als
Das Lämpchen leuchtet
länger als
genauso lang wie
wenn nur eine Batterie angeschlossen wäre.
kürzer als
e. Sind bei diesem Stromkreis die beiden
Batterien hintereinander oder
parallel geschaltet? Begründet.
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
f. Warum darf man einen solchen Stromkreis niemals bauen?
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
83
(c) Lösungskarten:
84
85
(d) Hilfekarten:
86
87
88
89
90
91
92
93
Schülerexperimentiertag zur
elektrischen Spannung
Feedbackbogen
Allgemeine Informationen
Alter:
Ich bin:
Weiblich
Männlich
Wie haben Dir die Stationen allgemein gefallen?
sehr gut
gut
mäßig
gar nicht
Station 1
Station 2 – Heißer Draht
Station 3 – Spannungen auf Pappe
Station 4 – Reihenschaltung
Station 5 – Parallelschaltung
Station 6 – Murmelbahn
Station 7 – Lampenfassung
An welcher Station hast Du viel dazu gelernt?
Viel
Ein bisschen
Gar nichts
dazugelernt
dazugelernt
dazugelernt
Nicht
gemacht
Station 1
Station 2 – Heißer Draht
Station 3 – Spannungen auf Pappe
Station 4 – Reihenschaltung
Station 5 – Parallelschaltung
Station 6 – Murmelbahn
Station 7 – Lampenfassung
Wie war die Zeiteinteilung pro Station?
Genau
Zu viel Zeit
richtig
Zu wenig Zeit
Station 1
Station 2 – Heißer Draht
Station 3 – Spannungen auf Pappe
Station 4 – Reihenschaltung
Station 5 – Parallelschaltung
Station 6 – Murmelbahn
94
Nicht
gemacht
Nicht
gemacht
Station 7 – Lampenfassung
Besonders gut gefallen hat mir…
Das hätte man besser machen können…
Was ich sonst noch sagen möchte…
95
Schülerbemerkungen auf dem Evaluationsbogen:
Besonders gut gefallen
hat mir…
Das hätte man besser
machen können…
Was ich sonst noch
sagen möchte
-
Das wir jemanden hatten, der uns hilft
Das alles erklärt wurde
Hilfe :D
Besonders gut hat mir die Stationen 7, 1, 2 gefallen, weil man da etwas
aufbauen oder basteln konnte.
Kugelbahn, „Es werde Licht“
Station 7, weil wir etwas basteln durften.
Station 1
Station 7 (Lampe machen)
Eine Lampe basteln
die Station 7
Station 1 und 7
die Lampenfassung gefallen
Das Basteln der Lampenfassung und Station 1
die Station 7, weil man da selbst etwas bauen konnte und behalten durfte
Das Basteln
Station 7, weil wir basteln konnten und es viel Spaß gemacht hat
Heißer Draht, Spannungen auf Pappe Murmelbahn
Alles
Murmelbahn, Heißer Draht
die Murmelbahn
dass die Stationen oft lehrreich waren und die netten hilfsbereiten Leute
nichts
die Murmelbahn
das Basteln
dass wir manchmal Hilfe hatten
mehr Zeit
längere Pausen
Manchmal hat die Zeit nicht gereicht
MEHR ZEIT
Das man mehr Zeit bekommt
interessanter gestalten
Manchmal etwas mehr Zeit.
Das man mehr Zeit in der Pause hat und das man mehr Zeit für Versuche
hat. Weniger Versuche ausführlicher
mehr Pause
Station 6 und 3
Station 6 und 3
Die Zeit war zu knapp
Manchmal zu schwer formuliert.
mehr Zeit und besser einteilen, dass jeder jede Station machen kann.
Interessanteres gestalten
mehr Zeit für die einzelnen Stationen, vor allem für Station 7
mehr Platz für einige Stationen
ein bisschen mehr Versuche zum Selbermachen
die Zeiteinteilung
dass wir früher gekommen wären
man hätte mehr Zeit einplanen können
An manchen Stationen war es mir manchmal langweilig
einmal wusste der Tutor nicht, was er uns wie erklären sollte.
-
schönen Tag noch (2x)
Es hat mir viel Spaß gemacht. Danke
Mir hat es im Großen und Ganzen gut gefallen.
Viel Glück bei ihrem Projekt.
-
96
-
Vielen Dank!!!
Lampen basteln macht Spaß
Viel Glück bei ihrem Projekt.
nichts
Nichts
???
war cool
nix
Hat mir gefallen
Dankeschön
Alles in allem gut, man hätte aber die erste Station spannender gestalten
können
war gut
nichts
es war ganz gut und ich hab bei fast jeder Station was gelernt
tolles Team. Alles in allem ok.
97
98
Nachwissenstest:
Elektrische Spannung
Markiere die richtige Antwort:
Es ist jeweils nur eine Antwort richtig
1.
(a)
(b)
(c)
(d)
In welcher Einheit gibt man die elektrische Spannung an?
In Watt
In Ampère
In Joule
In Volt
2.
(a)
(b)
(c)
Wie muss man ein Spannungsmessgerät anschließen?
In einer Reihenschaltung
In einer Parallelschaltung
Das ist egal
3.
(a)
(b)
(c)
Was ist die elektrische Spannung für den Stromfluss
Sie ist der Antrieb für den Strom.
Sie ist genau das gleiche wie der Strom.
Man braucht sie im Stromkreis eigentlich gar nicht.
ACHTUNG, ab hier sind mehrere Antworten richtig.
4.
(a)
(b)
(c)
(d)
Welcher Zusammenhangbesteht zwischen Spannung und Energie?
Die Spannung ist das gleiche wie die Energie.
Je höher die Spannung, desto weniger Energie steht zur Verfügung.
Je höher die Spannung, desto mehr Energie steht zur Verfügung.
Die Spannung ist ein Maß dafür, wie viel Energie gespeichert ist.
5.
(a)
(b)
(c)
(d)
Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Elektrizität, Spannung und Energie?
Fließende Elektrizität ist das gleiche wie die Energie.
Je schneller die Elektrizität fließt, desto mehr Energie transportiert sie.
Fließende Elektrizität transportiert die Energie.
Die Spannungsquelle übergibt Energie an die Elektrizität.
.
99
Erkläre aufgrund deines Wissens zur elektrischen Spannung.
1. Welche(s) Tier(e) sind hier in Gefahr und warum?
Zeichnung von Séraphine Menu
___________________________________________________________________________
(nach http://www.didaktik.physik.unimuenchen.de/archiv/inhalt_materialien/einf_elektrizitaet/index.html , 19/05/12, 10h41)
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
2. Vergleicht in den Stromkreisen (a) und (b) die Spannung an den Lämpchen mit der
von der Batterie gelieferten Spannung, die in der Zeichnung angegeben ist.
(a)
(b)
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
100
Nachwissenstest:
Elektrische Spannung
Markiere die richtige Antwort:
Es ist jeweils nur eine Antwort richtig
1.
(a)
(b)
(c)
(d)
In welcher Einheit gibt man die elektrische Spannung an?
In Watt
In Ampère
In Joule
In Volt
2.
(a)
(b)
(c)
Wie muss man ein Spannungsmessgerät anschließen?
In einer Reihenschaltung
In einer Parallelschaltung
Das ist egal
3.
(a)
(b)
(c)
Was ist die elektrische Spannung für den Stromfluss?
Sie ist der Antrieb für den Strom.
Sie ist genau das gleiche wie der Strom.
Man braucht sie im Stromkreis eigentlich gar nicht.
ACHTUNG, ab hier sind mehrere Antworten richtig.
4.
(a)
(b)
(c)
(d)
Welcher Zusammenhang besteht zwischen Spannung und Energie?
Die Spannung ist das gleiche wie die Energie.
Je höher die Spannung, desto weniger Energie steht zur Verfügung.
Je höher die Spannung, desto mehr Energie steht zur Verfügung.
Die Spannung ist ein Maß dafür, wie viel Energie gespeichert ist.
5.
(a)
(b)
(c)
(d)
Welchen Zusammenhang gibt es zwischen Elektrizität, Spannung und Energie?
Fließende Elektrizität ist das gleiche wie die Energie.
Je schneller die Elektrizität fließt, desto mehr Energie transportiert sie.
Fließende Elektrizität transportiert die Energie.
Die Spannungsquelle übergibt Energie an die Elektrizität.
.
101
Erkläre aufgrund deines Wissens zur elektrischen Spannung.
3. Welche(s) Tier(e) sind hier in Gefahr und warum?
Zeichnung von Séraphine Menu
___________________________________________________________________________
(nach http://www.didaktik.physik.unimuenchen.de/archiv/inhalt_materialien/einf_elektrizitaet/index.html , 19/05/12, 10h41)
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
4. Markiert in den beiden Stromkreisen (a) und (b) unterschiedlichen Potentiale mit
unterschiedlichen Farben. Was ergibt sich daraus für die Helligkeit der Lämpchen?
(a)
(b)
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
102
Schülermeinungen zum elektrischen Strom und zur elektrischen Spannung
(wörtlich zitiert bis auf die Verbesserung der Rechtschreibfehler)
Was versteht man unter elektrischem Strom?
-
Was versteht man unter elektrischer Spannung?
Elektrischer Strom wird in einem Stromkreis
geleitet in dem ein Gerät angehen kann.
Man versteht unter elektrischem Strom/ sind
Ströme die elektrisch sind.
man versteht unter elektrischem Strom, das ist
der Strom der von der Batterie angetrieben wird.
Es wird durch die Leiter geführt.
-
-
-
Elektrischer Strom…
-
-/-
-
-
Elektrischer Strom ist Strom den man für
Unterhaltung (z.B. elektrische Geräte), kochen,
usw. benötigt. Man kann ihn aus der Steckdose
bekommen und er ist auch sehr gefährlich.
Elektrischen Strom gibt es auch in der Natur
(Blitze).
Man versteht darunter etwas Gefährliches, was
bei über 40 Volt zu einem Stromschlag führen
kann.
Unter elektrischem Strom versteht man, dass
man sie mithilfe [von] Kraftwerken herstellt und
dann über Stromleitungen in die Steckdose
kommt.
Unter elektrischem Strom versteht man z.B. den
Strom, der aus der Steckdose kommt und
welchen man mithilfe von Kraftwerken herstellt
und dann über Stromleitungen geleitet wird.
Strom wird in Volt gemessen. Elektrischer Strom
wird für elektrische Geräte benötigt und kommt
aus der Steckdose.
Das ist der Stoff, der durch den Kreislauf fließt. Er
entsteht durch die Spannung.
-
Unter elektrischem Strom versteht man, wenn
z.B. ein Fön, der unter Strom steht, dann
funktioniert er, er hat Energie.
Man braucht einen geschlossenen Stromkreis.
Elektrischer Strom ist die als Masse angegebene
elektrische Energie, die in Watt gemessen wird.
Elektrischer Strom ist ein Strom, der aus
Elektrizität entsteht, das können auch Teilchen
sein.
Das sind viele kleine „Teilchen“, die zusammen
Strom erzeugen.
-
Normaler Strom, mit dem man elektrische Dinge
benutzen kann.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Elektrische Spannung ist, wenn Teilchen
elektrisiert werden und elektrisch werden,
spannen sie sich auf. Also die Spannung.
Elektrische Spannungen sind Spannungen, die
elektrisch sind.
Man versteht unter elektrischen Spannungen, das
es das Maß für die Elektrizität. Sie regelt wie viel
Spannung von der Batterie zur z.B. Lichtquelle
kommen soll.
Elektrische Spannung ist ein Maß für den
elektrischen Strom. Man erkennt dadurch wie viel
Strom in wie viel Zeit fließt.
Elektrische Spannung ist eine Spannung, die
Elektrizität antreibt. Dadurch entsteht elektrischer
Strom. Die Spannung kommt auch aus Batterien
und läuft durch einen Stromkreis.
Elektrische Spannung ist ein Maß womit man
elektrischen Strom messen kann (kW). Ab einer
bestimmten Grenze (Spannung) wird elektrischer
Strom gefährlich (~40kW)
-
Elektrische Spannung ist wie viel Strom durchläuft.
-
Elektrische Spannung kann ab 40 Volt gefährlich
sein und ist das Maß für Volt.
-
Die elektrische Spannung kann erst ab 40 Volt
gefährlich sein. Man misst sie in Volt.
-
Elektrische Spannung wird auf manche Stoffe
übertragen und kann, wenn die Spannung stark ist
(>40Volt) kann es tödlich sein.
Die Spannung erzeugt den Strom, der durch den
Kreislauf fließt. Je höher die Spannung, desto
mehr Strom gibt es. Sie wird in V angegeben.
Ein Stromkreis, der unter Strom steht, ist eine
elektrische Spannung.
-
-
-
103
Man braucht viel Spannung für eine Batterie.
Elektrische Spannung ist die Geschwindigkeit, mit
der der Strom fließt. Die wird in Volt gemessen.
Ist die Spannung, die bei einem elektrischen
Gegenstand vorhanden ist. Bei manchen ist sie
stärker und bei manchen schwächer.
Elektrische Spannung ist, wenn zwischen den
Teilchen Spannung herrscht, und die sich
sozusagen abstoßen.
Wie groß der Strom werden kann.
Elektrische Spannung ist eine Spannung, bei der
-
-
-
Elektrischer Strom ist ein Stromkreis, bei dem der
Gang von Steckdose zum Gerät angefordert wird,
z.B. von der Steckdose zur Playstation 3. Oder
ohne Strom kann man wieder fast nichts machen.
Elektrischer Strom besteht aus vielen kleinen
Teilchen, die sich anziehen.
Es gibt normalen Strom, der im Haushalt benutzt
wird und Strom, der durch Blitze erzeugt wird.
Maß dafür, in welcher Zeit an einer bestimmten
Stelle fließt.
Elektrischer Strom ist Energie, die in einem Fluss
weitergeleitet wird.
Ich verstehe darunter, dass die Stromquelle
(Batterie, Steckdose) den Strom durch den Stoff
(Metall) schickt und die Elektrizität mitnimmt.
Strom ist, wenn z.B. ein Fön unter Strom steht,
funktioniert er. Er hat Energie.
man die Elektrizität sozusagen Energie.
-
-
-
Ab 40 Spannung spürt man sie, ein Blitz hat
mehrere tausend Spannung. Spannung ist voller
elektrischer Strom.
Man versteht unter Spannung, dass die
Elektrizität…
Maß für den Antrieb der Elektrizität, z.B. mit einer
Batterie.
-/-
-
Das ist die Spannung; die von der Stromquelle
angetrieben und aufgebaut wird.
-
In einem Stromkreis steht dieser unter
elektrischer Spannung.
104
Mentorenskript
Abbildung 10: Zeichnung von Séraphine Menu
(nach http://www.didaktik.physik.unimuenchen.de/archiv/inhalt_materialien/einf_elektrizitaet/index.html , 19/05/12, 10h41)
Bei Fragen zum Projekt bitte melden bei:
Miriam Speyer
In der Zeil 17A
67731 Otterbach
[email protected]
105
Material und Hinweise zum Aufbau und zur Durchführung der Stationen
Das Schülerprojekt besteht aus sieben Stationen, für die jeweils mindestens eine halbe
Stunde eingeplant werden sollte. Da ein Vormittag von 3,5 Stunden zu kurz ist, damit alle Schüler alle
Stationen durchlaufen können, sollte der Zeitplan so erstellt werden, dass jede Gruppe eine andere
Station nicht macht. Bei der ersten Durchführung waren 8 Gruppen geplant, sodass jede Station,
abgesehen von der sechsten, doppelt vorhanden ist. Da die meisten der Schüler, die Station 6 nicht
durchliefen, diese Tatsache kritisierten, wäre bei einer erneuten Durchführung zu überlegen, ob der
Zeitplan dahingehend verändert wird, dass jede Gruppe Station 6 durchläuft bzw. das auch Station 6
doppelt aufgebaut wird. Des Weiteren ist es sinnvoll, dass jeder Schüler die Möglichkeit hat, Station 7
zu machen, da sie durch das Basteln der Lampenfassung eine „Erholung“ darstellt. Weiterhin kann so
jeder Schüler der Klasse seine eigene Lampenfassung mit nach Hause nehmen. Ein Vorschlag zum
zeitlichen Ablauf befindet sich in der folgenden Tabelle:
Gruppe:
A
B
C
D
E
F
G
H
9:15-9:45
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
Station 1
9:45-10:15
Station 2
Station 3
Station 4
Station 5
Station 6
Station 7
Station 2
Station 7
10:30-11:00
Station 3
Station 7
Station 6
Station 7
Station 5
Station 2
Station 4
Station 3
11:00-11:30
Station 7
Station 5
Station 7
Station 2
Station 4
Station 3
Station 6
Station 5
11:45-12:15
Station 5
Station 2
Station 3
Station 4
Station 7
Station 6
Station 7
Station 2
Der Testdurchlauf am 30. Mai 2012 fand mit einer 7. Klasse aus Hessen statt, die bereits 2 Wochen
Unterricht zur Elektrizitätslehre hatte, selbst wenn dabei die Spannung noch nicht explizit
angesprochen worden war. Dem entsprechend waren auch die Arbeitsblätter für 7. bzw. 8. Klässer
ausgearbeitet worden. Da Elektrizitätslehre in Rheinland-Pfalz erst Thema der 10. Klasse ist, müssen
bei einer Durchführung für diese Klassenstufe möglicherweise Änderungen bei manchen
Arbeitsaufträgen vorgenommen werden.
An den meisten Stationen stehen sowohl Hilfe- als auch Lösungskarten zur
Verfügung. Die Hilfekarten sind durch ein Männchen (s. Bild rechts) gekennzeichnet,
während die Lösungskarten durch einen grünen Haken (s. links) markiert sind.
Beide Kartentypen werden am besten pro Raum zentral Raum an den weißen
Magnetpinnwänden angebracht, sodass sich die Schüler dort entsprechende Infos holen
können, ohne ihre Mitschüler dabei zu behindern.
Soweit der Ort der Materialien nicht weiter angegeben ist, befinden sie sich in El8+ 2.1 in der
Elektrik. An einigen Stationen befanden sich Hinweisschilder, z.B. bezüglich der richtigen
Einstellungen des Multimeters. Diese Hinweisschilder befinden sich ebenfalls in den Kisten in El8+.
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(a) Bildschirmpräsentation
Bei der Bildschirmpräsentation zur Einführung geht es darum, die Funktionsweise des
Höhenmodells und seine wichtigsten Regeln vorzustellen. Die Folien der Präsentation können im
Demowiki heruntergeladen werden. Zur Einführung und Schüleraktivierung wurde den Schülern eine
Kindersicherung für die Steckdose gezeigt und gefragt, um welchen Gegenstand es sich handelt. Dies
bildete die Überleitung zum Thema der Spannungsquelle. Die Präsentation sollte nicht länger als 10
Minuten in Anspruch nehmen, damit die Schüler so viel Zeit wie möglich zum experimentieren an
den Stationen haben.
(b) Station 1
Station 1 ist die Einführungsstation. Diese durchlaufen alle Schüler als erstes, um sich mit
dem Höhenmodell und seiner Anwendung auf Stromkreise vertraut zu machen. Sollte es aus
Platzgründen notwendig sein, dass die Schüler diese Station bereits an der Station bearbeiten, an der
sie als zweites experimentieren werden, sollte die Folgestation bis zum Abschluss von Station 1 noch
abgedeckt bleiben, damit sie die Schüler nicht ablenkt.
Material
4x Höhenmodell Bodenplatten
8x Hütchen aus Holz
8x Bananenkabel
3x Stangen à 30cm
2x Stangen à 15cm
1x Voltmetermodell aus Holz
(c) Station 2
Am „Heißen Draht“ sollte den Schülern auch Zeit zum Spielen mit dem Aufbau eingeräumt
werden. Sollten beim Einbau des Voltmeters und der Veränderungen, die sich ergeben, wenn der
Stromkreis geschlossen ist, Verständnisprobleme auftreten, so kann hier das Höhenmodell zur
Veranschaulichung herangezogen werden.
Material
1x Aufbau „Heißer Draht“ (es existieren
insgesamt zwei davon)
1x Lämpchen 6V, 3W
1x Fassung (Schubladenschrank Elektronik)
1x kleines Multimeter
1x 4,5V-Batterie
8x Krokodilklemmen (Schublade EL3)
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(d) Station 3
Bei Station 3 werden Pappen benötigt. Hierzu eignen sich besonders die Pappen, die die Rückseite
von Collegeblöcken bilden. Da die Pappen nassgemacht werden, sollte sich diese Station so nah wie
möglich am Waschbecken befinden. Weiterhin sollte für jede Gruppe eine neue Pappe eingeplant
werden.
Material
Pappen (z.B. von Collegeblöcken)
4x Krokodilklemmen
3x rote Bananenkabel
3x blaue Bananenkabel
2x 5-Cent Stücke (müssen mitgebracht werden)
2x Voltmeter
1x 4,5V-Batterie
Alufolie (für Zusatzaufgabe)
(e) Station 4
Bei Station 4 geht es um die Reihenschaltung von Lämpchen sowie von Batterien. Die
meisten Schüler werden voraussichtlich aber nur den ersten Teil der Station (d.h. die
Reihenschaltung von Lämpchen) in der vorgegebenen Zeit schaffen. Bei der Reihenschaltung von
Batterien sollten sich die Schüler (wie auf dem Arbeitsblatt angegeben) bei einem Assistenten
rückversichern, bevor sie die Batterien tatsächlich anschließen.
Zur Veranschaulichung der Phänomene bei der Reihenschaltung kann außerdem die
Kuchenanalogie verwendet werden, die den Schülern bei der Testdurchführung sehr weitergeholfen
hat: Hat man zu viert einen Kuchen (=Spannung der Batterie) zur Verfügung, so muss man ihn
aufteilen. Es kann also keiner einen ganzen Kuchen bekommen, sondern dieser muss in vier Stücke
(=Spannung am Lämpchen) geteilt werden. Hat man dahingegen einen Kuchen für sich alleine, so
kann man ihn auch alleine essen.
Material
Höhenmodell zur Reihenschaltung (gesonderte
Kiste)
8x Krokodilklemmen
6x Bananenkabel
3x Lampenfassungen
3x 6V,3W Lämpchen
1x Voltmeter
1x 4,5V-Batterie
3x 1,5V-Batterien
3x 1,5V-Batteriehalter
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(f) Station 5
An Station 5 werden die Schüler die Parallelschaltung von Lämpchen praktisch und die
Parallelschaltung von Batterien theoretisch erforschen. Zu keiner Zeit sollten den Schülern zwei
Batterien zur Verfügung stehen, da die Gefahr, einen Kurzschluss zu bauen, an dieser Station recht
groß ist. Sollten die Schüler Schwierigkeiten haben, die Parallelschaltung von Lämpchen aufzubauen,
so kann man ihnen den Tipp geben, erst einen einfachen Stromkreis aufzubauen und dann „etwas
hinzuzuschalten“.
Material
8x Krokodilklemmen
6x Bananenkabel
3x Lampenfassungen
3x 6V,3W Lämpchen
1x Voltmeter
1x 4,5V-Batterie
(g) Station 6
Station 6 stellt die Verbindung zwischen
Spannung und Energie her. Hierzu wird eine
Murmelbahn verwendet, die aus einem PVCSchlauch besteht. Es sind zwei Starthöhen möglich.
Dazu muss ein Metallstreifen in einen der beiden im
PVC-Schlauch vorhandenen Schlitze eingeschoben
werden und die Kugel von oben eingeworfen werden.
Mithilfe dreier Stativstangen und
entsprechender Klemmen kann die Murmelbahn aufgebaut werden. Um sie zu stabilisieren bietet es
sich an, das Kupferrohr aus der Mechanik mit Klebeband am PVC-Schlauch zu befestigen (vgl.
Abbildung). Am Ausgang des PVC-Schlauchs wurde die dreieckige Plastikschiene aus M1-4
verwendet.
Material
Murmelbahn
Glöckchen / Messvorrichtung
1x PVC-Schlauch (vgl. El8+), ca. 2,5m lang,
(gekauft bei Hornbach)
Metallkugel aus M5
Kupferrohr (Mechanik, neben Waschbecken)
3 Muffen (M5)
3 Stativstangen, davon 2 à 1m (M6)
3 Stativhalter, schwer (M6)
3 Klemmen (M5)
Klebeband (Werkbank)
Metallstreifen
Glöckchen mit Papphalterung (wichtig, Seite, bei
der Glöckchen ganz am Rand ist, muss von
Murmelbahn wegzeigen!)
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4x rote Plastiklatten aus M1-3 (gehören
eigentlich zum Pendel, hier dienen sie als
Unterlage, damit die Glöckchen hoch genug sind)
dreieckige Plastikschiene aus M1-4
3x 1,5V-Batterien
3x Batteriehalter
8 Krokoklemmen
6 Bananenkabel
Veranschaulichung
(h) Station 7
Station 7 ist eine Bastelstation, bei der es darum geht, dass die Schüler eine eigene
Lampenfassung bauen, um dadurch der Position der beiden Kontakte an einer Lampe auf den Grund
zu gehen. Da bei dieser Station mit Cuttern
umgegangen
dauerhaft
wird,
von
muss
diese
einem
Station
Assistenten
beaufsichtigt werden.
In
der
ursprünglichen
Anleitung
wurde mit Styropor gearbeitet. Da dieses
Material jedoch sehr viel Dreck macht, wurde
bei der Erstdurchführung Steckmoos für
Pflanzen verwendet. Vermutlich wäre es hierbei besser, Nass- statt Trockenmoos zu nehmen, da es
weniger krümelt. Das Steckmoos kann in Baumärkten für ca. 2€ erworben werden. Um bei der
Durchführung Zeit zu sparen, sollten im Vorhinein bereits kleine, in die Streichholzschachteln
passende Quader aus dem Moos ausgeschnitten worden sein.
Material
1x Streichholzschachtel pro Schüler (10
Streichholzschachteln kosten bei dm 0,25€)
1x Lämpchen (z.B. 6V, 3W von Conrad, 0,32€)
pro Schüler
Alufolie
1x Steckmoosquader pro Schüler (sind noch in
EL8+)
Tesafilm
4x Cutter
1x 4,5V-Batterie zum Testen für die Schüler
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