Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis

55 11138
Didaktische FWU-DVD
|
Elektrizitätslehre
Gleichstrom, Wechselstrom,
Schwingkreis
Zur Bedienung
Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung
(DVD-Player) oder der Maus (Computer)
können Sie Menüpunkte und Buttons
ansteuern und mit der OK-Taste bzw.
Mausklick starten.
„Hauptmenü“ führt zurück zum Hauptmenü.
Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in
das Laufwerk Ihres Computers ein
und öffnen den Ordner „material“. Die
Datei „Inhaltsverzeichnis“ öffnet die
Startseite.
Bezug zu Lehrplänen und
Bildungsstandards
Die Schülerinnen und Schüler
• kennen einfache elektrische Stromkreise;
• kennen die physikalische und technische Stromrichtung;
• kennen das Verhalten von Spule und
Kondensator im Gleichstromkreis;
• kennen das Prinzip der Erzeugung
sinusförmiger Wechselspannung;
• kennen sinusförmige Wechselspannung;
2
• kennen Effektivwert und Amplitude;
• kennen das Verhalten von Strom und
Spannung am Transformator;
• kennen ungedämpfte elektromagnetische und mechanische Schwingungen;
• kennen qualitativ den Einfluss der
Dämpfung und wissen, dass im Falle
des elektrischen Schwingkreises der
elektrische Widerstand die Rolle der
Dämpfung hat;
• kennen angeregte Schwingungen
und das Resonanzverhalten;
• kennen das Prinzip der Rückkopplung;
• erkennen die Unterschiede zwischen
Gleichstrom und Wechselstrom;
• erkennen, dass sich die Bauteile
Spule und Kondensator in Gleichund Wechselstromkreisen unterschiedlich verhalten;
• erkennen die Vorteile von Wechselstrom für Energieversorgungsnetze;
• erkennen die Bedeutung des Einund Ausschaltverhaltens von Spule
und Kondensator für den Bau von
Schwingkreisen.
Zum Inhalt
Gleichstrom (Film 9 min)
Der Protagonist Oskar hat eine Digitalkamera und versucht bei schlechtem
Licht Bilder von seinem herumflitzenden
Hamster zu machen. Das Blitzlicht, das
diese Bilder ermöglicht, führt zu der
Frage­stellung, wie ein kleiner Akku einer
Kamera ein so helles Licht erzeugen
kann. Darauf folgt die Betrachtung eines
Gleichstromkreises, zunächst mit dem
Analogon eines Wasserkreislaufes. Das
Verhalten des ohmschen Widerstandes
auf die Stromstärke wird untersucht,
anschließend erfolgt ein kurzer Überblick
über verschiedene Gleichspannungsquellen, darunter die Akkus, wie sie in
Oskars Kamera verwendet werden, aber
auch Blitze. Nun wird der Kondensator
als Bauelement eingeführt. Seine Funktionsweise wird anhand des einfachen
luftgefüllten Plattenkondensators veranschaulicht. Die Speicherung elektrischer
Energie im Kondensatorfeld wird gezeigt
und als Ausgangspunkt für Oskars Blitzlicht verwendet. So wird klar, dass das
schnelle Entladen des Kondensators den
Blitz treibt. Das letzte Bauelement, das
im Gleichstromkreis eingesetzt wird, ist
3
die Spule. Ihre Verwendung als Elektromagnet wird gezeigt und die magnetische Energie des Spulenfeldes erarbeitet.
Anschließend werden einfache Induk­
tionsvorgänge betrachtet, die durch das
Bewegen eines Stabmagneten im Spuleninneren hervorgerufen werden und
leicht nachvollziehbar sind. Der Film
schließt mit einer ersten Betrachtung der
Selbstinduktion der Spule beim Ausschalten.
Menü „Gleichstrom“ (Grafiken)
Widerstand im Gleichstromkreis (Grafik)
Diese Grafik zeigt einen Widerstand in
einem Gleichstromkreis mit einer Batterie als Spannungsquelle. Zusätzlich wird
ein Blick in den Widerstand geworfen.
So kann das Verhalten der Elektronen,
4
die im Widerstand gebremst werden,
erarbeitet werden.
Kondensator im Gleichstromkreis
(3 Grafiken)
In drei Grafiken kann der Lade- und Entladevorgang eines Kondensators in einem Gleichstromkreis erarbeitet werden.
Spule im Gleichstromkreis (2 Grafiken)
In zwei Grafiken kann das Verhalten einer Spule in einem Gleichstromkreis
erarbeitet werden.
Wechselstrom (Film 11 min)
Der Akku an Oskars Kamera muss aufgeladen werden. Dazu wird das Netzteil
in die Steckdose gesteckt. Dort fließt
aber Wechselstrom. Die Frage nach den
Unterschieden zwischen Gleichstrom
und Wechselstrom führt zur Betrachtung
der Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung. Der Generator wird sehr
kleinschrittig und gut nachvollziehbar
eingeführt und der sinusförmige Verlauf
von Strom und Spannung zeitgleich entwickelt. Die Begriffe Sinuskurve, Periode
und Amplitude werden eingeführt. Anschließend wird die Notwendigkeit der
Betrachtung eines Effektivwertes thematisiert und die Effektivwerte von
Stromstärke und Spannung beschrieben.
Nun erfolgt eine Betrachtung der Trans-
formierbarkeit von Wechselspannung
mit der Anwendung in unserem Energieversorgungsnetz und auch im Netzgerät.
Die detailliertere Betrachtung der Einund Ausschaltvorgänge an Spule und
Kondensator führen zu deren Verhalten
im Wechselstromkreis.
Der Film schließt mit einer Beschreibung
der verschiedenen Bauelemente von Oskars Kameranetzteil ab und fasst so die
Inhalte des Kapitels praxisbezogen zusammen.
5
Menü „Wechselstrom“ (Grafiken)
Kondensator im Wechselstromkreis
(Grafik)
Mit dieser Grafik kann das Verhalten
eines Kondensators in einem Wechselstromkreis erarbeitet werden.
Spule im Wechselstromkreis (Grafik)
Mit dieser Grafik kann das Verhalten
einer Spule in einem Wechselstromkreis
erarbeitet werden.
Transformation (Grafik)
Mit dieser Grafik kann der Vorgang der
Transformation erarbeitet werden.
6
Induktive Kopplung (3 Grafiken)
In drei Grafiken wird die induktive Kopplung dargestellt. In Grafik eins und zwei
hat die Primärspule weniger Windungen
als die Sekundärspule; in der dritten Grafik hat die Primärspule mehr Windungen.
Entsprechend wird die dazugehörige
Spannung dargestellt.
Schwingkreis (Film 10 min)
Die Entladung eines Kondensators über
eine Spule führt zur Betrachtung von
elektromagnetischen Schwingungen. Zunächst werden auf der Basis der bereits
bekannten Ein- und Ausschaltvorgänge
die Energieumwandlungen im idealen
Schwingkreis erarbeitet. Der Vergleich mit
einer Schaukel führt den Begriff der
Schwingung ein. Die analogen Energieformen werden betrachtet und der Graph
als zeitlicher Verlauf der Schwingung entsteht. Die Schwingungsdauer wird eingeführt und die Thomson-Gleichung wird
genannt. An ihr erkennt man, dass es die
Kenngrößen von Spule und Kondensator
sind, die die Frequenz und damit die
Schwingungsdauer bestimmen.
Eine Betrachtung der Dämpfung – Reibung im mechanischen, ohmscher
Widerstand im elektrischen Fall – führt
hin zu erzwungenen Schwingungen,
dem Begriff der Resonanz und zuletzt
zur Rückkopplung. So wird gezeigt, wie
man trotz existierender Dämpfung eine
Schwingung aufrechterhalten kann, deren Amplitude konstant bleibt. Während
der gesamten Betrachtung ist der Protagonist Oskar mit der Schaukel als
mechanisches Analogon präsent und
erlaubt so eine anschauliche Einführung
in dieses abstrakte Thema. Am Ende des
Filmes wird kurz auf elektrische Dipole
und elektromagnetische Wellen hingewiesen. Anhand der Datenübertragung
im WLAN-Netz werden die Begriffe Sender und Empfänger eingeführt.
Menü „Schwingkreis“ (Grafiken)
Idealer Schwingkreis (2 Grafiken)
In zwei Grafiken werden Spannung und
Stromstärke in einem idealen Schwingkreis dargestellt.
Freie Schwingungen (2 Grafiken)
Mit zwei Grafiken kann das Entstehen
von freien Schwingungen erarbeitet
werden.
Elektromagnetische Wellen (Grafik)
In dieser Übersichtsgrafik wird ver­
deutlicht, dass die elektromagnetischen
Wellen unterschiedlicher Dinge verschiedene Wellenlängen besitzen.
7
Didaktische Hinweise
Elektrizitätslehre taucht in den Lehrplänen aller Schularten an verschiedensten
Stellen auf. Einfache Gleichstromkreise
erlauben schon früh das Experimentieren, daher werden sie schon gegen Ende
der Unterstufe bzw. zu Beginn der
Sekundarstufe I behandelt. In späteren
Schuljahren folgt die Betrachtung der
Wechselspannung, zunächst in Verbindung mit dem Prinzip der Induktion und
der Untersuchung unseres Energieversorgungsnetzes, und zuletzt werden in
der Sekundarstufe II Schwingkreise und
daraus resultierend elektromagnetische
Schwingungen und Wellen betrachtet.
Jedes Mal baut der neue Stoff auch auf
dem Vorangegangenen auf, der dann oft
schon eine Weile zurückliegt. Diese Produktion kann sowohl dazu dienen, den
aktuellen Stoff zu erarbeiten, als auch
als Wiederholungssequenz bereits Gelerntes schnell wieder präsent zu machen. Dabei stehen hier nicht die Schaltkreise im Vordergrund, sondern das
Verhalten der grundlegenden Bauteile:
ohmscher Widerstand, Spule und Kondensator in Gleichstrom- und Wechselstromkreisen.
8
Alle Teile der Produktion können auch
zur Ergebnissicherung und Zusammenfassung eingesetzt werden. Arbeits­
blätter festigen und ergänzen die Lern­
inhalte. Sie ermöglichen teilweise eine
vertiefende, quantitative Behandlung
des Themas.
Die Produktion eignet sich für die Vermittlung folgender Lehrplaninhalte:
• Einfache elektrische Stromkreise
• Physikalische und technische Stromrichtung
• Spule, Kondensator, Gleichstromund Wechselstromkreis
• Effektivwert
• Strom und Spannung am Transformator
• Schwingungen und Schwingkreise
• Resonanzverhalten
• Rückkopplung
• Induktion und Selbstinduktion
• Lorentzkraft
Arbeitsmaterial
Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROMTeil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung
(siehe Tabelle).
Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor:
• Die PDF-Dateien können am PC
direkt ausgefüllt oder ausgedruckt
werden.
• Die Word-Dateien können bearbeitet
und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden.
Ordner
Materialien
Didaktische Hinweise
Hinweise zum Einsatz des Films, der Sequenzen und der
ergänzenden Arbeitsmaterialien
Arbeitsblätter
(mit Lösungen)
1)Gleichstrom
2) Der Generator
3)Transformator
4)Schwingkreis
5) Die Thomson-Gleichung
6) Die Codierung von Widerständen mit vier Farbringen
Grafiken
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Infotext
• Schaltzeichen und Symbole
Filmtexte
• Filmtexte als PDF-Dokument
Programmstruktur
Übersicht über den Aufbau der DVD
Weitere Medien
Informationen zu ergänzenden FWU-Medien
Produktionsangaben
Produktionsangaben zur DVD und zum Film
Widerstand im Gleichstromkreis
Kondensator im Gleichstromkreis
Spule im Gleichstromkreis
Kondensator im Wechselstromkreis
Spule im Wechselstromkreis
Transformation
Induktive Kopplung
Idealer Schwingkreis
Freie Schwingungen
Elektromagnetische Wellen
9
46 11138 Elektrizitätslehre: Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis
Elektrizitätslehre
Programmstruktur
Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis
Programmstruktur
Untermenü
Hauptmenü
Elektrizitätslehre
Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis
Gleichstrom
Gleichstrom
9 min
Grafiken
Wechselstrom
Wechselstrom
11 min
Grafiken
Schwingkreis
Schwingkreis
10 min
Grafiken
Gleichstrom
Gleichstromkreis mit Widerstand
Grafik
Kondensator im
Gleichstromkreis
3 Grafiken
Spule im Gleichstromkreis
2 Grafiken
Wechselstrom
Kondensator im Wechselstromkreis Grafik
Arbeitsmaterial
Arbeitsmaterial
Spule im Wechselstromkreis
Grafik
Transformation
Grafik
Induktive Kopplung
3 Grafiken
Didaktische Hinweise
Schwingkreis
6 Arbeitsblätter
1 Infotext
Idealer Schwingkreis
2 Grafiken
17 Grafiken
Freie Schwingungen
2 Grafiken
Filmtexte
Programmstruktur
Weitere Medien
Produktionsangaben
10
Elektromagnetische Wellen
Grafik
Produktionsangaben
Elektrizitätslehre: Gleichstrom,
Wechselstrom, Schwingkreis (DVD)
Produktion
FWU Institut für Film und Bild, 2015
DVD-Konzept
Dr. Maike Schuchmann
DVD-Authoring und Design
TV Werk GmbH
im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild,
2015
Coverbild
Weglowinthedark.
Grafiken
Weglowinthedark.
Kamera und Fotos
Carsten Dammann
Barne Peters
Sounddesign
Sven Lütgen
Tonstudio
Marko Peter Bachmann
Sprecher
Pascal Finkenauer
Fachberatung
Dr. Sylvia Becker
Redaktion
Dr. Maike Schuchmann
Arbeitsmaterial
Dr. Sylvia Becker
Begleitheft
Dr. Maike Schuchmann
Pädagogische Referentin im FWU
Dr. Maike Schuchmann
Produktionsangaben zu den Filmen
„Gleichstrom“
„Wechselstrom“
„Schwingkreis“
Produktion
Weglowinthedark.
im Auftrag des
FWU Institut für Film und Bild, 2015
Buch, Regie und Gestaltung
Antonia Kühn
Dominic Bünning
Nur Bildstellen/Medienzentren:
öV zulässig
© 2015
FWU Institut für Film und Bild
in Wissenschaft und Unterricht
gemeinnützige GmbH
Geiselgasteig
Bavariafilmplatz 3
D-82031 Grünwald
Telefon
(089) 6497-1
Telefax (089) 6497-240
E-Mail [email protected]
[email protected]
Internetwww.fwu.de
11
Didaktische FWU-DVD
46 11138
Elektrizitätslehre: Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis
Strom ist ein unverzichtbarer Bestandteil unseres modernen Lebens. Doch Strom ist nicht
gleich Strom und auch die Einsatzbereiche von Elektrizität sind sehr verschieden. Die
Produktion erarbeitet mithilfe anschaulicher Animationen die Begriffe Gleich- und
Wechselstrom sowie deren Unterschiede und Anwendungen. Ergänzt wird dies durch
einem Exkurs über den elektrischen Schwingkreis. Im Arbeitsmaterial stehen Arbeits­blätter,
zahlreiche Grafiken und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung.
Erscheinungsjahr: 2015
Laufzeit: 30 min
Filme:
3
Grafiken:
17
Sprache: Deutsch
DVD-ROM-Teil:
Unterrichtsmaterialien
Arbeitsblätter:
6 (mit Lösungen)
Adressaten:
Allgemeinbildende Schule
(Klasse 7- 13)
Schlagwörter: Amplitude, Antenne, Batterie, Blitz, Dämpfung, Effektivwert, Elektrizität,
Elektrodynamik, elektromagnetische Schwingungen, Elektron, Energie,
Energieumwandlung, Energieversorgung, Frequenz, Generator,
Gleichrichter, Gleichstrom, Halbleiter, Induktion, Induktivität, Kapazität,
Kondensator, Ladung, Leiter, Leistung, Lorentzkraft, Magnet, Magnetfeld,
Netzgerät, Periode, Resonanz, Rückkopplung, Schwingkreis, Schaltkreis,
Schaltung, Schwingung, Selbstinduktion, Spannung, Spitzenwert, Spule,
Stromkreis, Stromquelle, Stromrichtung, Technik, Transformation,
Transformator, Wärme, Wechselstrom, Widerstand, WLAN
Systematik: Physik
 E lektrizitätslehre  Elektrodynamik
 Technische Anwendungen
Lehrprogramm
gemäß
§ 14 JuSchG
GEMAFREI
www.fwu-shop.de
Bestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444
[email protected]
FWU Institut für Film und Bild
in Wissenschaft und Unterricht
gemeinnützige GmbH
Geiselgasteig
Bavariafilmplatz 3
82031 Grünwald
Telefon +49 (0)89-6497-1
Telefax +49 (0)89-6497-240
[email protected]
www.fwu.de
4611138010
4 6 111 3 8 0 1 0