Strom aus Obst - Unterrichtsmaterialien Chemie
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1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Schulversuchspraktikum Till Beuermann Sommersemester 2013 Klassenstufen 7 & 8 Strom aus Obst 1 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Auf einen Blick: Dieses Protokoll beschäftigt sich mit dem Thema Strom durch Obst. Es werden dazu Versuche vorgestellt, die zeigen, dass mit Hilfe von Obst beziehungsweise deren Fruchtsäuren ein Stromkreis erzeugt werden kann (Obst dient als Elektrolyt). Die SuS wissen bereits aus der Physik, dass Spannung und Stromstärke aus Elektronenbewegungen resultieren. Somit kann dieses Wissen gefestigt und ein Bezug zur Physik hergestellt werden. Dabei werden auch die Vorgaben des Kerncurriculums Niedersachsen für Physik berücksichtigt. Zunächst werden einige Lernziele vorgestellt, die in den Kapiteln Lehrerversuche und Schülerversuche mit Hilfe von Versuchen erreicht werden sollen und mit Hilfe eines Arbeitsblattes einschließlich Reflexion abgerundet werden. Die Lehrerversuche können ebenso als Schülerversuche oder Gruppenversuche durchgeführt werden. Allerdings wurden diese, um Ressourcen zu sparen und weil es auch weniger komplexe Versuche für SuS gibt, als Lehrerversuche gewählt. Bei den Schülerversuchen handelt es sich um wenig komplexe Versuchsaufbauten, die zudem mit wenig Aufwand und schnell durchgeführt werden können, sodass der Blick auf das Wesentliche gerichtet werden kann. 2 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Inhalt 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele ...............................................................................4 2 Relevanz und didaktische Reduktion...............................................................................................................4 3 Lehrerversuche .........................................................................................................................................................5 4 5 3.1 V 1 – Apfel-Zitronen-Batterie ....................................................................................................................5 3.2 V 2 – Stromkreise mit Hilfe von Obst......................................................................................................7 Schülerversuche........................................................................................................................................................9 4.1 V 4 – Die Zitronenbatterie ...........................................................................................................................9 4.2 V 5 – Apfelwalkman .................................................................................................................................... 10 Reflexion des Arbeitsblattes ............................................................................................................................. 14 5.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum).............................................................................................. 14 5.2 Erwartungshorizont (Inhaltlich) ........................................................................................................... 15 3 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele 1 Beschreibung des Themas und zugehörige Lernziele Im Folgenden wird das Thema Strom durch Obst näher betrachtet. Dieses Thema schließt an die bereits bekannten Begriffe Spannung, Stromstärke und Stromkreis aus der Physik an, wodurch auch gleich ein Bezug zwischen den beiden Fächern hergestellt werden kann. Das Kerncurriculum der 8. Klasse für Physik schreibt vor, dass SuS Stromkreise in unterschiedlichen Alltagsfunktionen mit Hilfe ihrer energieübertragenden Wirkung beschreiben. Ziel ist es, dass SuS elektrische Spannung als Maß für die je Elektron übertragene Energie deuten. Darüber hinaus erklären SuS die Vorgänge in einem Stromkreis anhand von bewegten Elektronen in und zwischen Metallen. Unter Verwendung des in Kapitel 5 aufgeführten Arbeitsblattes lernen die SuS miteinander unter Gebrauch von Fachsprache zu kommunizieren und zu protokollieren. Mit Hilfe der unten vorgestellten Versuche beschreiben SuS elektrische Stromkreise anhand ihrer energieübertragenden Wirkung anhand von Obstbatterien, die Stromfluss durch ihre Fruchtsäure ermöglichen. Die Schülerversuche eignen sich vor allem, um das eigenständige Arbeiten und die Kommunikation mit anderen SuS zu fördern. Hinzu kommt, dass dadurch das experimentelle Untersuchen und fachgerechtes Formulieren verbessert wird. 2 Relevanz und didaktische Reduktion Die SuS kennen Obst aus dem Alltag, wissen jedoch nicht, dass selbiges auch verwendet werden kann, um einen Stromkreis aufzubauen. Dieser Prozess erzeugt einen kognitiven Konflikt, der SuS dazu bewegen soll, herauszufinden, wie dieser Stromfluss zustande kommt. Es stellt sich demnach die Frage, was für Stoffe in einem Apfel enthalten sind und welche zum Stromfluss führen. Diese Frage kann mit Hilfe der folgenden Versuche in einem problemorientierten Unterricht verfolgt werden. Auf Säure-Base-Reaktionen und vorhandene Ionen wird nicht eingegangen, da diese Themen erst im Themenblock der 9. und 10. Klasse vorkommen. 4 3 Lehrerversuche 5 3 Lehrerversuche 3.1 V 1 – Apfel-Zitronen-Batterie In diesem Versuch wird gezeigt, dass mit Hilfe von Äpfeln und Zitronen Strom erzeugt werden kann, was in diesem Versuch durch eine Reihenschaltung bewerkstelligt wird. Gefahrenstoffe H: - - Materialien: P: - Zitrone, Apfel, 5 Kupferdrähte, Leuchtdiode oder Tutti-Fruity-Clock (Digitale Uhr), 4 Zinkelektroden (zuvor abschmirgeln), 4 Kupferelektroden, Messer Chemikalien: - Durchführung: Der Apfel und die Zitrone werden halbiert. Die Elektroden werden abgeschmirgelt und in jede Hälfte wird je eine Zink- und Kupferelektrode gesteckt. Die Zinkelektroden werden jeweils durch einen Kupferdraht mit einer Kupferelektrode einer anderen Hälfte verbunden. Je eine Kupfer- und eine Zinkelektrode wird mit der Tutti-Fruity-Clock verbunden (gemäß Abb. 1). Beobachtung: Nach dem Schließen des Stromkreises zeigt die Anzeige der Tutti-FruityClock eine Uhrzeit an. 3 Lehrerversuche 6 Abb. 1 – Stromkreislauf der Apfel-Zitronen-Batterie in Reihenschaltung. Deutung: Die Säuren, die sich in den Säften des Apfels und der Zitrone befinden, sorgen dafür, dass sich die Elektronen der Metalle bewegen, wodurch Strom fließt, sobald der Stromkreis geschlossen ist. Sobald die Uhr mit den Apfelund Zitronenhälften verbunden ist, wird daraufhin diese Elektronenbewegung durch eine Anzeige auf der Uhr bestätigt. Die Uhr geht aus, sobald kein Strom mehr fließt beziehungsweise keine Elektronenbewegung mehr stattfindet. Entsorgung: Literatur: Das verwendete Obst wird mit dem Hausmüll entsorgt. [1] In Anlehnung an (zugegriffen am 29.07.2013): http://www.dlr.de/next/Portaldata/69/Resources/images/4_Energie/4_1 _Stromerzeugung-morgen/4_1_7_apfelbatterie/4_1_7_Apfelbatterie.pdf . Unterrichtsanschlüsse Der Versuch eignet sich sobald die SuS Stromkreise im Bereich der Physik kennengelernt haben. Es ist auch von Vorteil, wenn SuS die Begriffe Stromstärke und Spannung und deren Bedeutung verstanden haben. Wichtig bei diesem Versuch ist anzumerken, dass die Äpfel und Zitronen nicht mehr verspeist werden dürfen, da sie giftige Stoffe enthalten. Anstelle der Tutti-Fruity-Clock kann eine Leuchtdiode verwendet werden. 3 Lehrerversuche 3.2 7 V 2 – Stromkreise mit Hilfe von Obst In diesem Versuch wird gezeigt, dass Obst mit Hilfe von Metallelektroden einen Stromkreis bilden kann. Dabei sollen die Spannungs- und Stromstärkenunterschiede mehrerer Untersuchungsgegenstände gemessen werden. Der Versuch eignet sich, sobald SuS den Stromkreislauf kennengelernt haben. Dabei ist es von Vorteil, wenn die SuS mit den Begriffen Stromstärke, Spannung und Stromkreis umgehen können und deren Bedeutung (Elektronenbewegung) verstanden haben. Gefahrenstoffe H: - - Materialien: P: - Apfel, Birne, Banane, Kartoffel, Zitrone, Pfirsich, Multimeter, 6 Zinkelektroden, 6 Kupferelektroden, 12 Kabel, 1-6 Multimeter Chemikalien: - Durchführung: In die Banane (für die anderen Untersuchungsgegenstände analog) wird je eine Zink- und eine Kupferelektrode gesteckt, die wiederum beide mit einem Kabel zum Multimeter verbunden werden. Daraufhin wird zunächst die Spannung und direkt im Anschluss die Stromstärke gemessen. Beobachtung: Für alle sechs Untersuchungsgegenstände lassen sich auf dem Multimeter die Spannung und die Stromstärke ablesen: Frucht Spannung [V] Stromstärke [mA] Banane 0,854 0,25 Apfel 0,969 0,29 Zitrone 0,902 0,47 Kartoffel 0,860 0,58 Pfirsich 0,895 0,34 Birne 0,965 0,09 3 Lehrerversuche 8 Abb. 2 – Messung der Spannung einer Banane mit Hilfe des Multimeters. Deutung: Die unterschiedlichen Fruchtsäuren und andere Flüssigkeiten, die sich in den Säften der Untersuchungsgegenstände befinden, sorgen dafür, dass sich die Elektronen der Metalle unterschiedlich stark bewegen (Elektronenfluss), wodurch unterschiedlich starker Strom fließt, sobald der Stromkreis geschlossen ist. Das hängt zudem von der Leitfähigkeit und den Ladungen ab, welche die Flüssigkeiten und Säuren zur Verfügung stellen. Entsorgung: Das verwendete Obst wird mit dem Hausmüll entsorgt. Unterrichtsanschlüsse Dieses Demonstrationsexperiment eignet sich, um einige SuS mit einzubeziehen, die beispielsweise die 5 übrigen Untersuchungsgegenstände auf Spannung und Stromstärke messen. Sie können die Apparatur aufbauen und den übrigen SuS ihre Ergebnisse vorstellen. Achtung: Die Untersuchungsgegenstände dürfen nicht mehr verspeist werden. Sie sind giftig. Im Anschluss an diesen Versuch kann beispielsweise gemessen werden, wie hoch jeweils Stromstärke und Spannung sind, wenn man alle Untersuchungsgegenstände in Reihe oder Parallel schaltet. 4 Schülerversuche 9 4 Schülerversuche 4.1 V 4 – Die Zitronenbatterie Im folgenden Versuch wird gezeigt, dass elektrochemische Reaktionen mit Hilfe von einer Zitrone in Gang gesetzt werden können, deren Elektronenfluss ohne weitere Instrumente messbar ist. Es wird vorausgesetzt, dass SuS bereits wissen, was ein geschlossener Stromkreis ist. Gefahrenstoffe - Materialien: H: - P: - Zitrone, Kupferblech oder Kupferelektrode, Zinkblech oder Zinkelektrode, 2 Kabel, 2 Kupferdrähte, 2 Krokodilklemmen Chemikalien: - Durchführung: Die beiden Metallelektroden werden so in die Zitrone gesteckt, dass sie sich nicht berühren. Jeweils ein Kabel mit Krokodilklemme wird an der Elektrode befestigt. Daraufhin wird in die Klemmen je ein Kupferdraht geklemmt. Die Enden der Kupferdrähte werden, ohne, dass sie sich berühren, an die Zunge gelegt. Beobachtung: Bei der Berührung der Kupferdrähte mit der Zunge wird ein leichtes Kribbeln spürbar. 4 Schülerversuche 10 Abb. 3 – Die Zitronenbatterie mit Zink- und Kupferelektroden. Deutung: Durch stattfindende elektrochemische Reaktionen zwischen den Metallen der Elektroden und der Fruchtsäure der Zitrone, bewegen sich die Elektronen von einem Metall zum Anderen. Entsorgung: Das verwendete Obst wird mit dem Hausmüll entsorgt. Literatur: [2] 365 Experimente. Für jeden Tag. moses. Verlag. 2010. S. 187. Unterrichtsanschlüsse Zur besseren Unterscheidbarkeit von fließendem und nicht fließendem Strom ist es sinnvoll, einen der Drähte kurzzeitig von der Zunge abzuwenden. Dieser Versuch kann direkt im Anschluss an das Messverfahren in V 2 durchgeführt werden. Das Kribbeln ist dann auch besser spürbar, wenn beispielsweise die sechs Früchte aus obigem Lehrerversuch in Reihe geschaltet werden und für diesen Stromkreis die Kupferdrähte auf die Zunge gelegt werden. 4.2 V 5 – Apfelwalkman Im Folgenden wird ein Versuch vorgestellt, bei dem mit Hilfe von Kopfhörern, die mit Elektroden an einen Apfel angeschlossen sind, ein Stromfluss wahrgenommen werden kann. Außer Kenntnissen aus der Physik über Stromkreise sind keine besonderen Vorkenntnisse der SuS nötig. 4 Schülerversuche 11 Gefahrenstoffe H: - - Materialien: P: - Eisennagel, Apfel, Kupfernagel, Kopfhörer, 2 Verbindungskabel, 4 Krokodilklemmen, Chemikalien: - Durchführung: Die Nägel werden, ohne dass sie sich berühren, in den Apfel gestochen. Die vier Krokodilklemmen werden auf beiden Seiten der Verbindungskabel angesteckt. Daraufhin wird je eine Klemme eines Kabels mit einem der Nägel verbunden und die andere mit jeweils einem Pol des Kopfhörersteckers. Beobachtung: Vor der Verbindung mit den Krokodilklemmen ist nichts zu hören. Danach ist ein leises Knistern/Knacken zu hören. Abb. 5 – Der Apfelwalkman. Deutung: Es entsteht ein Stromkreis, da eine Elektronenbewegung zwischen dem Eisen- und dem Kupfernagel stattfindet. Der Apfel setzt mit seiner Fruchtsäure diesen Prozess in Gang. Somit ist der Vorgang ähnlich wie der in einer Batterie. Entsorgung: Das verwendete Obst wird mit dem Hausmüll entsorgt. Literatur: [2] A. van Saan: 365 Experimente. Für jeden Tag. moses. Verlag. 2010. S. 187. 4 Schülerversuche 12 Unterrichtsanschlüsse Um das Ergebnis glaubwürdiger zu gestalten, ist es sinnvoll, die Kopfhörer zuvor ohne den Stromkreis zu tragen, um beim direkten Vergleich den Schall (KnackGeräusch) nicht als Zufall wahrzunehmen. Dieser Versuch bietet eine Alternative zum Versuch der Zitronenbatterie. Wichtig ist, dass die SuS erfahren, dass das Obst nach dem Experiment giftig ist und somit nicht mehr verspeist werden darf. Strom durch Obst Achtung: Das Obst ist nach den Experimenten giftig! Ihr dürft daher nichts mehr davon essen. Materialien: Eisennagel, Apfel, Kupfernagel, Kopfhörer, 2 Verbindungskabel, 4 Krokodilklemmen, Durchführung: Die Nägel werden, ohne dass sie sich berühren (auch nicht innerhalb des Apfels), in den Apfel gestochen. Die vier Krokodilklemmen werden auf beiden Seiten der Verbindungskabel angesteckt. Daraufhin wird je eine Klemme eines Kabels mit einem der Nägel verbunden und die andere mit jeweils einem Pol des Kopfhörersteckers. Beobachtung: Auswertung Aufgabe 1 – Untersucht mit Hilfe eines Multimeters den Stromfluss und notiert euch, sowohl Spannung als auch Stromstärke. Aufgabe 2 – Vergleicht eure Ergebnisse mit denen anderer Schülerinnen und Schülern. Aufgabe 3 – Deutet eure Beobachtungen. Nehmt dabei eure Erkenntnisse aus Aufgabe 1 und 2 zur Hilfe und überlegt euch, aus welchen Stoffen Äpfel bestehen. 5 Reflexion des Arbeitsblattes 14 5 Reflexion des Arbeitsblattes Mit Hilfe des Arbeitsblattes kann erarbeitet werden, dass SuS erkennen, dass mit Hilfe der Fruchtsäure eines Apfels ein Stromkreis erzeugt werden kann. Die SuS wissen bereits, dass Spannung und Stromstärke aus Elektronenbewegungen resultieren. Sie erkennen, dass ein Stromfluss zustande kommt und somit zwischen den Metallen eine Elektronenbewegung entstanden sein muss. Der Alltagsbezug kann durch einen Vergleich mit herkömmlichen Batterien gezogen werden. Das Arbeitsblatt gibt den SuS die Möglichkeit sich nicht nur auf ein Ergebnis eines Versuchs zu verlassen, sondern dieses noch mit Hilfe einer zweiten Möglichkeit zu bestätigen und zu präzisieren. Das fördert zudem die Experimentierfähigkeit und die SuS lernen (üben) korrekt zu dokumentieren und Messwerte abzulesen. Das Arbeitsblatt eignet sich zur Vertiefung und Anwendung von bereits gelerntem Wissen über Stromkreise aus der Physik. 5.1 Erwartungshorizont (Kerncurriculum) Mit dem obigen Versuch und dem dazugehörigen Arbeitsblatt können sowohl die inhaltsbezogenen als auch die prozessbezogenen Kompetenzen gefördert werden. Im Kerncurriculum der 8. Klasse der Physik heißt es, dass die SuS elektrische Stromkreise in verschiedenen Alltagssituationen beschreiben (Aufgabe 3). Das entspricht dem Anforderungsbereich III, da die SuS ihr Wissen über leitfähige Stoffe auf das Stoffgemisch in einem Apfel übertragen müssen. Sie erkennen darüber hinaus die elektrische Spannung als Maß für die je Elektron übertragene Energie und deuten die Vorgänge in einem Stromkreis mit Hilfe der Eigenschaften bewegter Elektronen in Metallen (Aufgabe 1, Aufgabe 3). Hierbei wird fachspezifisches Wissen in einfachen Kontexten angewendet, wobei die SuS Sachverhalte sprachlich und strukturiert darstellen (Anforderungsbereich II). Durch den obigen Versuch wird Bezug zur Physik genommen, was auch die Festigung von bereits gelerntem ermöglicht. Mit Hilfe des Arbeitsblattes untersuchen die SuS die elektrische Stromstärke, präsentieren ihre Ergebnisse und kommunizieren mit anderen SuS (Aufgabe 1, Aufgabe 2). Das spiegelt sich im Anforderungsbereich I wider, da die SuS experimentelle Arbeitsweisen beschreiben und Kontexte aus fachlicher Sicht anderen SuS erläutern. 5 Reflexion des Arbeitsblattes 5.2 14 Erwartungshorizont (Inhaltlich) 1. Es wird eine Spannung von etwas weniger als 1 V und eine Stromstärke von unter 0,5 mA gemessen. 2. Der Vergleich der Ergebnisse mit anderen SuS ergibt ähnliche Werte. 3. Es entsteht ein Stromkreis, da eine Elektronenbewegung zwischen dem Eisen- und dem Kupfernagel stattfindet. Der Apfel setzt mit seiner Fruchtsäure diesen Prozess in Gang. Das ist mit dem Kopfhörer durch ein Knistern wahrzunehmen.