Elektromagnetismus - Schule trifft Technik
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46 11016 Didaktische FWU-DVD | Elektromagnetismus 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. 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. 2 Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler • erläutern die Grundlagen des Magnetismus beim Stabmagneten sowie der Elektrik durch Betrachtung des einfachen Stromkreises. • erklären die Rechte-Hand-Regel sowie die Drei-Finger-Regel. • lernen verschiedene Anwendungen des Elektromagnetismus kennen. • erkennen, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld hervorruft. • beschreiben das Prinzip der Induk­ tion. • können die wechselseitige Wirkungsweise von Elektromotor und Generator erklären und weitere Beispiele benennen, die nach den gleichen Prinzipien funktionieren. • beobachten, beschreiben und analysieren alltägliche Gegenstände, denen das Prinzip des Elektromagnetismus bzw. die elektromagnetische Induktion zugrunde liegt. Zum Inhalt Elektromagnetismus Film (20 min) Er ist Teil unseres Alltags, ohne ihn wären viele technische Errungenschaften nicht möglich: der Elektromagnetismus. Doch was genau ist Elektromagnetismus? Wo findet man ihn überall und warum? Diesen Fragen gehen die Protagonistinnen Chrissie und Teresa auf den Grund. Sie experimentieren mit Magneten und stromdurchflossenen Leitern und machen dabei erstaunliche Entdeckungen. Chrissies Bruder Daniel erklärt zusätzlich einige Anwendungsmöglichkeiten des Elektromagnetismus anhand einer Klingel und eines Elektromotors. Und auch dem Phänomen der Induktion wird auf den Grund gegangen. Filmsequenzen Elektromagnetismus überall (Filmsequenz 1:20 min) Das Phänomen des Elektromagnetismus begegnet uns im Alltag sehr oft – im Straßenverkehr, im Haushalt oder auch in der Freizeit. Diese Sequenz dient der Motivation und dem Einstieg in die Thematik „Elektromagnetismus“. 3 Magnetismus (Filmsequenz 2:20 min) In kleinen Experimenten werden die Grundlagen des Magnetismus wiederholt. Besonderes Augenmerk wird auf die Magnetfelder von Stabmagneten und Hufeisenmagneten gelegt. nadel reagiert. Sobald sich elektrische Ladungen bewegen, bildet sich also um den elektrischen Leiter ein Magnetfeld aus. Die Orientierung des Magnetfeldes kann man mithilfe der „Rechte-HandRegel“ herausfinden. Ein Draht wird magnetisch (Filmsequenz 2:20 min) Die Protagonistinnen Chrissie und Teresa wollen dem Phänomen Elektromagnetismus auf den Grund gehen. Legt man an einen Draht Strom an, ändert die Kompassnadel ihre Richtung, ohne dass ein anderer Magnet in der Nähe ist. Das bedeutet: Der Stromfluss hat ein Magnetfeld in der Umgebung des Drahtes hervorgerufen, auf das die Kompass- Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld (Filmsequenz 1:20) Befindet sich der stromdurchflossene Leiter senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes, wird auf ihn eine besonders starke Kraft ausgeübt. Der stromdurchflossene Leiter wird im Magnetfeld abgelenkt. Und zwar auf die Seite des schwächeren Magnetfelds. So wird elektrische Energie in Bewegung umgewandelt – bei Elektromotoren zum Beispiel. 4 Die Richtung der Ablenkung kann man mit der Drei-Finger-Regel mit der rechten Hand ermitteln. Die technische Stromrichtung zeigt der Daumen an, der Zeigefinger die Magnetfeldrichtung und der Mittelfinger die Ablenkrichtung. Diese Kraft nennt man Lorentzkraft. Die Protagonistinnen führen Experimente vor, die auch die Schülerinnen und Schüler durchführen können. Die im Film gezeigte Drei-Finger-Regel der rechten Hand ist dabei ein hilfreiches Werkzeug zur Vorhersage des Versuchsausgangs. Die Spule (Filmsequenz 2:50 min) Die magnetische Wirkung eines elektrischen Leiters kann man verstärken, indem man den Strom nicht einfach durch einen geraden Draht schickt, sondern den Draht zu einer Leiterschleife mit vielen Windungen wickelt – einer sogenannten Spule. Die magnetische Kraft lässt sich mit einem Spulenkern aus ferromagnetischen Material noch zusätzlich verstärken. Eine Spule mit Kern wird dann als Elektromagnet bezeichnet. Mit Elektromagneten lassen sich einfache Schalter bauen, aber auch Relais. Die Klingel (Filmsequenz 1:10 min) Chrissies Bruder Daniel erklärt den beiden Protagonistinnen Chrissie und Teresa den Aufbau einer einfachen Klingel an einem Modell. Auch die Klingel nutzt den Elektromagnetismus. Der Elektromotor (Filmsequenz 2:00 min) Ein Elektromotor macht aus elektrischer Energie Bewegungsenergie. An einem einfachen, selbst gebauten Elektromotor und einem Trix-Motor erklärt der Protagonist Daniel das Prinzip eines Elektromotors. Elektromagnetische Induktion (Filmsequenz 3:00 min) Ein fließender Strom kann ein Magnetfeld herstellen. Und umgekehrt kann ein Permanentmagnet auch einen Stromfluss erzeugen. Dies ist durch die Veränderung des Magnetfeldes möglich. Egal, ob sich eine Spule um einen Permanentmagneten oder sich der Permanentmagnet in der Spule bewegt: Die Veränderung des Magnetfeldes bewirkt, dass ein elektrischer Strom induziert wird. Dieses Prinzip wird den Schülerinnen und Schülern anhand einer Schütteltaschenlampe einfach und verständlich erklärt. Die entstehende Spannung nennt man Induktionsspannung, den fließenden Strom Induktionsstrom. Die Induktionsspannung wird größer, je schneller die 5 Bewegung ist. Stoppt die Bewegung – dann entsteht auch keine Spannung mehr und es kann kein Strom mehr fließen. Ein Generator hat prinzipiell den gleichen Aufbau wie ein Elektromotor, funktioniert allerdings genau umgekehrt: Aus Bewegungsenergie wird elektrische Energie. Eines der bekanntesten Beispiele für einen Generator ist die Lichtmaschine am Fahrrad (oft fälschlicherweise als „Dynamo“ bezeichnet). Deren Funktion wird mithilfe einer Animation vereinfacht und begreiflich dargestellt. Der Transformator (Filmsequenz 2:20 min) Das Prinzip des Elektromagnetismus nutzen alle Wärmekraftwerke, auch Kohle, Gas und Kernkraft. Der so erzeugte Strom muss mehrmals gewandelt werden, das heißt, man erhöht oder verringert die Spannung. Hohe Spannung braucht man für den Stromtransport, niedrige Spannung, um zum Beispiel das Handy aufzuladen oder einen Laptop mit Strom zu versorgen. Diese Aufgabe übernehmen Transformatoren, auch Umspanner genannt. Sie bestehen aus Spulen mit unterschiedlich vielen Windungen. Auch eine Induktionsherdplatte nutzt diese elektromagnetische Induktion. 6 Magnetfeld einer Spule (Grafik) In dieser Grafik wird das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule dargestellt. Die Grafik eignet sich zur Wiederholung und auch zur Erarbeitung der Entstehung dieses speziellen Magnetfeldes. Drei-Finger-Regel der rechten Hand (Bild) Die Drei-Finger-Regel der rechten Hand gibt die Richtung des Kreuzprodukts zweier Vektoren an. Die wichtigste physikalische Anwendung ist die Lorentzkraft auf eine bewegte Ladung im Magnetfeld. Dies gilt allerdings nur für positive Ladungen. Arbeitsblatt 46 / 55 11016 Elektromagnetismus Arbeitsblatt 5 Der einfachste Elektromotor der Welt 1. Bau dir den einfachsten Elektromotor der Welt Einfacher geht es nicht: Ein Draht, eine Batterie, eine Schraube und ein NeodymMagnet und schon hat man den kleinsten Elektromotor der Welt, der auch bekannt ist unter dem Namen Monopolar- oder Unipolarmotor. Was wird gebraucht? Eine Batterie der Größe AA Holzschraube Ein etwa sieben Zentimeter langes Kabel, an den Enden abisoliert Ein Neodym-Magnet Und nun … Setze den Neodym-Magneten auf den Kopf der Schraube. Die Spitze der Schraube hängst du an den negativen Pol der Batterie (das ist die flache Seite). Dann halte man das eine Ende des Kabels an den positiven Pol der Batterie, das andere Ende seitlich an den Neodym-Magneten und beobachte, wie die Schraube rotiert. 2. Es dreht sich … Erkläre, wieso sich die Schraube im obigen Versuch dreht. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ 7 Didaktische Hinweise Das Thema „Elektromagnetismus“ ist in den Lehrplänen aller Schulformen meist in den Klassenstufen 9/10 vorgesehen. Die KMK-Bildungsstandards für das Fach Physik weisen die Thematik im Rahmen der Basiskonzepte „Wechselwirkung“ (elektrische Felder, magnetische Felder) und „Energie“ (Generator, Motor, Transformator, Wirkungsgrad) aus. Ein zentraler Begriff ist das magnetische Feld und seine Struktur. In engem Zusammenhang damit steht eine qualitative Vorstellung der magnetischen Feld­stärke. Zentrale Anwendungen sind der Elektro­ magnet sowie der Generator als Umkehrung des Prinzips. Die unterrichtliche Behandlung des Elektromagnetismus setzt die Kenntnis der Grundlagen des Magnetismus sowie der wesentlichen Begriffe der Elektrik (Ladung, Strom, Spannung) voraus. Grundlage eines anwendungsbezogenen Unterrichtsgangs ist das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule. In Analogie zum Stabmagneten wird die stromdurchflossene Spule als ein- und ausschaltbarer Magnet veränderlicher Stärke und Polung betrachtet. Als Ursache des magnetischen Feldes wird der elektrische Strom erkannt. 8 Der Film und die auf der Produktion enthaltenen Zusatzmaterialien erklären den Elektromagnetismus mithilfe von anschaulichen Beispielen und verdeut­ lichen die Relevanz der Physik im Alltag. Möglicher Unterrichtsgang: • Einstieg: Wie funktioniert ein Elek­ tromotor? • Wiederholung der Grundlagen des Magnetismus und des einfachen Stromkreises • Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters • Die Lorentzkraft • Die Magnetfelder von Spule und Stabmagnet – ein Vergleich • Elektromagnetische Induktion • ­Abschlussdiskussion: Anwendungsbeispiele mit den Prinzipien von Elektromotor bzw. Induktion. Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial stehen Ihnen 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 direkt am Computer ausgefüllt oder ausgedruckt werden. • Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Materialien Didaktische Hinweise Hinweise zum Einsatz im Unterricht Arbeitsblätter (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen) 1) Magnetismus und Elektrizität 2) Stromdurchflossene Leiter 3) Die Spule 4) Elektromagnetische Induktion 5) Der einfachste Elektromotor der Welt 6) Die rotierende Spule 7) Der Trix-Motor 8) Kreuzworträtsel „Elektromagnetismus“ Grafik / Bild • Magnetfeld einer Spule • Drei-Finger-Regel der rechten Hand Filmkommentar Filmkommentar als PDF-Dokument Programmstruktur Übersicht über die Didaktische FWU-DVD Weitere Medien Info zu ergänzenden Medien 9 46 11016 Elektromagnetismus Programmstruktur Elektromagnetismus Programmstruktur Hauptmenü Elektromagnetismus Elektromagnetismus Film 20 min Elektromagnetismus Sequenzen Drei-Finger-Regel der rechten Hand Magnetfeld einer Spule Arbeitsmaterial Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 8 Arbeitsblätter (mit Lösungen) 1 Bild 1 Grafik Filmkommentar Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10 Bild Grafik Untermenü Elektromagnetismus Elektromagnetismus überall 1:20 min Magnetismus 2:20 min Ein Draht wird magnetisch 2:20 min Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld 1:20 min Die Spule 2:50 min Die Klingel 1:10 min Der Elektromotor 2:00 min Elektromagnetische Induktion 3:00 min Der Transformator 2:20 min Produktionsangaben Elektromagnetismus (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2013 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design Dicentia Germany GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2013 Coverbild © demarco – Fotolia.com Arbeitsmaterial Dr. Maike Schuchmann Roland Bergmann Fachberatung Dr. Sylvia Becker Roland Bergmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Christina Lehni Produktionsangaben zum Film „Elektromagnetismus“ Produktion Lopane-Film im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild mit Christina Lehni Teresa Modler Daniel Schaub Buch und Regie Monika Latzel Kamera Alexander Böhle Schnitt Wolfgang Grimmeisen Animationen Stefan Weichelt Anna Lux Sprecher Andreas Karg Fachberatung Dr. Sylvia Becker Roland Bergmann Redaktion Dr. Maike Schuchmann Christina Lehni Wir bedanken uns bei allen Beteiligten für die freundliche Unterstützung; besonders bei Cornelsen Experimenta GmbH Die verwendeten Materialien / Lehrmittel wurden von Cornelsen Experimenta entwickelt und sind unter www.corex.de erhältlich. Nur Bildstellen/Medienzentren: öV zulässig © 2013 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 11016 Elektromagnetismus Er ist Teil unseres Alltags, ohne ihn wären viele technische Errungenschaften nicht möglich: der Elektromagnetismus. Doch was genau ist Elektromagnetismus? Wo findet man ihn überall und warum? Diesen Fragen wird in dieser Produktion mit zahlreichen Beispielen aus dem Alltag auf den Grund gegangen. Zusätzlich stehen Arbeitsblätter, didaktische Hinweise und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2013 Laufzeit: 20 min Sequenzen: 9 Grafik: 1 Bild: 1 Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil: Unterrichtsmaterialien Arbeitsblätter:8 (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen) Adressaten: Allgemeinbildende Schule (Klasse 7-11) Schlagwörter: Ampere, André-Marie; Batterie; Bewegung; Draht; Dynamo; Eisenkern; Elektrodynamik; Elektrizität; Elektromagnet; Elektromotor; Elektromotorik; Feldlinien; ferromagnetisch; Generator; Gleichrichter; Gleichstrom; Induktion; Induktionsherd; Klingel; Kommutator; Kompass; Ladungsträger; Lampe; Leiterschleife; Lichtmaschine; Lorentzkraft; Magnet; Magnetfeld; Nordpol; Oersted, Hans Christian; Permanentmagnet; Rechte-Hand-Regel; Relais; Rotor; Schalter; Spannung; Spule; Stator; Stromdurchfluss; Strom; Stromkreis; Stromwender; Südpol; Transformator; Umspanner; Wechselstrom Systematik: Physik 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 Elektrizitätslehre Elektrodynamik Technische Anwendungen Magnetismus Lehrprogramm gemäß § 14 JuSchG GEMAFREI www.fwu-shop.de Bestell-Hotline: +49 (0)89-6497-444 [email protected] 4611016010 4 6 11 0 1 6 0 1 0
