2013 NWA Tag zum Thema Modellierung Das Wassermodell (Elektrizitätslehre nach dem KPK)

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1 2013 NWA Tag zum Thema Modellierung Das Wassermodell (Elektrizitätslehre nach dem KPK) Ausarbeitung zum NWA Tag 2013 von Yesim Itah, Jochen Brosche, Philipp Maier und Katharina Stier Kurs 30C 1

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung ins Wassermodell In die Elektrizitätslehre nach dem Karlsruher Physikkurs (KPK) Didaktischer Kommentar zum Modell 4 2. Erarbeitung von Stromstärke, Widerstand und Spannung durch das Wassermodell Die Stromstärke Der Widerstand Die Spannung 9 3. Bauanleitung und Kosten für das Modell Literaturverzeichnis 11 2

3 1. Einführung ins Wassermodell 1.1 Einführung in die Elektrizitätslehre nach dem Karlsruher Physikkurs (KPK) Mit folgendem Einstiegsphänomen kann der KPK die verschiedensten Fragestellungen der Elektrizitäts-Lehre erarbeiten. Einstiegsphänomen: Beobachtungen: - Draht qualmt - Draht wird heiß und glüht - ändert seine Farbe zu orange - Draht glüht sofort überall Vermutung: - Es fließt ein Strom durch ihn hindurch Die Hauptfrage, mit der sich der KPK beschäftigt ist: Was berechtigt uns, von einem Strom zu sprechen? Im glühenden Draht kann man nichts hören, riechen, schmecken, tasten und sehen, was da strömen soll. Genau dieser Aspekt sollte und muss unbedingt berücksichtigt werden, denn die physikalischen Fachbegriffe zum elektrischen Strom sollten an ersichtlichen und verständlichen physikalischen Erscheinungen geknüpft werden. Bei dieser Begriffsbildung setzt das Konzept vom KPK an. Um dies zu erreichen, hat der KPK ein Modell für den elektrischen Strom entwickelt. In diesem Modell wird von elektrischem Zeug geredet, das durch die Drähte strömt und ganz bestimmte Eigenschaften zeigt. Der KPK stellt verschiedene Vermutungen auf, die das Einstiegsphänomen mit Hilfe des elektrischen Zeugs erklärt. 1. In den Kupferdrähten, denken wir uns sei eine Art Zeug enthalten - ähnlich wie in Schläuchen Wasser enthalten ist. Das Zeug nennen wir Elektrizität (oder elektrische Ladung). 2. Wir denken uns, dass die Kupferdrähte vollständig mit diesem Zeug gefüllt sind; es gibt keine Leerräume in den Drähten, ähnlich wie die Schläuche vollständig mit Wasser gefüllt sind und keine Leerräume enthält. 3. Wir können es uns so denken, dass das Zeug von Natur aus in den Kupferdrähten drin ist. Denkbar ist aber auch, dass der Hersteller der Kupferdrähte das Zeug rein gefüllt hat, ähnlich wie wir das Wasser in die Schläuche gefüllt haben. 3

4 4. Wir nehmen weiter an, dass Elektrizität ähnlich wie Wasser: - sich nicht zusammendrücken oder ausdehnen lässt - nicht aus den Drähten heraus in die Umgebung läuft - sich in den Drähten nirgendwo aufstaut - in den Drähten nicht aus Nichts entsteht und sich nicht in Nichts auflöst - und in den Drähten nicht aus etwas Anderem entsteht und sich auch nicht in etwas Anderes umwandelt. 5. Das elektrische Zeug ist nur sinnvoll einzusetzen, wenn folgende zwei Bedingungen noch bestimmt werden: I. Elektrisches Zeug kann nicht durch die Luft fließen. II. Das elektrische Zeug benötigt eine Leitung zum Fließen. 6. Kupferdrähte enthalten also in unserem Modell nicht nur Elektrizität, sondern dienen auch dazu, die Strömung des gedachten Zeugs in geordnete Bahnen zu lenken. Kupferdrähte denken wir uns als Leitungen für die Elektrizität. 1.2 Didaktischer Kommentar zum Modell: Es ist wichtig diese Eigenschaften vom elektrischen Zeug (Elektrizität) mit den SuS gut zu erarbeiten, da in der Alltagssprache häufig von Stromverbrauch die Rede ist. Das elektrische Zeug müssen wir anders konzeptualisieren, wenn wir zu einer zutreffenden Beschreibung kommen wollen. Wichtig bei dieser Herangehensweise an die E-Lehre ist, dass das elektrische Zeug nur ein Modell ist. Und wie jedes andere Modell hat auch dieses Modell sowohl Vorzüge, als auch Grenzen. Folgende Punkte haben sich für die Modellierung der Elektrizitätslehre als ungeeignet erwiesen: 1. Strömungen eines körnigen Zeugs (Autos, Menschen, kugelförmig gedachte Elektronen), weil diese Zeug-Sorten zusammendrückbar sind und sich daher aufstauen können und weil sie zu einer lokalen Betrachtung verleiten, tatsächlich aber jede lokale Änderung das Ganze beeinflusst. 2. Offene Strömungen, weil sie sich aufstauen können und weil sie zu einer lokalen Betrachtung verleiten. => eine lokale Veränderung hat keine globale Auswirkung Im Folgenden wollen wir dieses Konzept des elektrischen Zeugs an einem Phänomen und am Wassermodell verdeutlichen. 4

5 2. Erarbeitung von Stromstärke, Widerstand und Spannung durch das Wassermodell 2.1 Die Stromstärke Phänomen: Analogie des Phänomens: Durch dieses Phänomen und dem Vorwissen der Schüler, entsteht in den Köpfen der Schüler die Antwort. Der Draht glüht, weil da ein Strom fließt. Aber was berechtigt sie von einem Strom zu sprechen, welche Vorstellung haben sie von Strom? Eine Idee für eine Antwort auf diese Fragen! Man schließt einen Draht an eine Man schließt einen mit Wasser Versuchsdurchführung: Autobatterie an und beobachtet den gefüllten Schlauch an den EinDraht. und Ausgang einer Pumpe an und öffnet den Wasserhahn. Beobachtung: Der Draht glüht sofort überall auf. Alle Rädchen, die im Schlauch einbaut sind, drehen sich gleich schnell. Nach dem Öffnen des Wasserhahns fangen alle Rädchen gleichzeitig an sich zu drehen. Erklärung: Durch den Draht strömt elektrisches Zeug (Elektrizität), das den Draht zum Glühen bringt. Da der Draht sofort überall glüht, nehmen wir an, dass sich dieses elektrische Zeug Durch den Schlauch strömt das Wasser, das die Rädchen mitnimmt. Der Schlauch ist von Anfang an mit Wasser gefüllt. Da man Wasser nicht 5

6 von Anfang an in dem Draht befunden hat. Mit dem Anschließen an die Batterie beginnt das elektrische Zeug in der gesamten Anordnung zu strömen und der Draht glüht auf. Am Ende des Drahts fließt pro Zeit genauso viel Elektrizität heraus, wie am Anfang hineingeflossen ist. An jeder Stelle des Drahts kommt pro Zeit die gleiche Menge an Elektrizität vorbei. Schlussfolgerung: Stromstärke = = zusammendrücken kann, beginnt das Wasser mit dem Öffnen des Wasserhahns an jeder Stelle des Schlauchs zur gleichen Zeit zu strömen. Dadurch beginnen die Rädchen sich gleichzeitig zu drehen. Am Ende des Schlauches fließt pro Zeit genauso viel Wasser heraus, wie am Anfang hineingeflossen ist. An jeder Stelle des Schlauchs kommt pro Zeit die gleiche Wassermenge vorbei. Daraus folgt auch die Erklärung, warum sich die Rädchen alle gleich schnell drehen. Wasserstromstärke = Auf dieses anschauliche und für SuS leicht nachvollziehbare Verfahren wird bei der Erklärung der elektrischen Stromstärke zurückgegriffen: Die elektrische Stromstärke wird dann erklärt als die Menge elektrischen Zeugs pro Zeit. Umso mehr elektrisches Zeug in einer bestimmten Zeit an einer Messstelle durchfließt, desto größer ist die Stromstärke. 6

7 2.2 Der Widerstand Anhand Erfahrung wissen die Schülerinnen und Schüler, dass sich die Wasserrädchen umso schneller drehen, je mehr Wasser pro Sekunde durch die Rädchen fließt. I. Erkundung der Zusammenhangs Länge-Widerstand Phänomen: Analogie des Phänomens: 1. I. 2. II. 1. Man schließt einen Draht von ca. I. Versuchsdurchführung: 1m Länge an eine Autobatterie an und beobachtet den Draht. 2. Der lange Draht wird durch einen deutlich kürzeren Draht ersetzt. II. Zunächst wird ein langer Schlauch an die Pumpe angeschlossen. Dabei werden die Rädchen betrachtet. Ein langer Schlauch wird gegen einen gleich dicken, aber kürzeren Schlauch ausgetauscht und an die Pumpe angeschlossen. Beobachtung: Der kurze Draht glüht heller als der Beim kurzen Schlauch drehen lange Draht. sich die Rädchen schneller als beim langen Schlauch. Erklärung: Jede Leitung (hier Draht und Wasserschlauch) behindert die Strömung. In anderen Worten: Jede Leitung setzt der Strömung (hier fließende Elektrizität, Wasserströmung) einen Widerstand entgegen. Schlussfolgerung: Der Widerstand ist umso größer, je Je länger der Wasserschlauch, länger der Draht ist desto höher ist sein Widerstand. 7

8 II. Erkundung des Zusammenhangs Querschnitt-Widerstand Phänomen: Analogie des Phänomens: Versuchsdurchführung: Ein Drahtstück wird durch ein Ein Teilstück eines Schlauches wird gleich langes, dünneres durch ein gleich langes, dünneres Drahtstück ersetzt. Schlauchstück ersetzt. Beobachtung: Nur der dünne Draht glüht auf. An jeder Stelle des Schlauchs, auch im dicken Schlauchstück, wo nichts geändert wurde, drehen sich die Wasserrädchen langsamer. Erklärung: Die Elektrizität reibt am Draht und wird gehemmt. Der dünne Draht hemmt die Elektrizität stärker als der gleich lange, aber dickere Draht. Dadurch kann nur der dünnere Draht glühen. Das Wasser reibt an den Schlauchwänden. Somit fließt weniger Wasser pro Zeit durch den dünnen und zugleich auch durch das dickere Schlauchstück(lokale Veränderung hat globale Auswirkung). Dies hat zur Folge, dass die Wasserrädchen sich langsamer drehen. Schlussfolgerung: Je dünner der Draht, desto Je dünner der Wasserschlauch, größer ist sein Widerstand desto größer ist sein Widerstand. Die Abhängigkeit des Widerstands vom Material kann man leider am Wassermodell nicht erarbeiten. 8

9 2.3 Die Spannung Nachdem der Begriff des elektrischen Stroms eingeführt und erklärt wurde, kommen wir zum Thema Spannung. Im KPK wird diese zunächst über den Begriff des elektrischen Potentials eingeführt, welcher synonym für die elektrische Spannung benutzt werden kann. Er wird deswegen verwendet, da er weniger abstrakt ist als die Spannung. Den SuS ist aus ihrem Alltag bekannt, dass es unterschiedliche Batterien mit unterschiedlichen Spannungen gibt, die Bedeutung dieser Größe ist jedoch weitgehend unbekannt. In der Wasseranalogie würde es im Grunde genommen schon reichen, mit dem Wasserhöhenunterschied in den beiden Wassereimern zu variieren, um die Auswirkung auf die Geschwindigkeit der Rädchen zu zeigen. Spannender ist es natürlich mit unterschiedlichen Gefäßen zu arbeiten. Möglich wäre es beispielsweise das Wasser aus einem sehr hohen schmalen Gefäß in ein sehr breites Gefäß laufen zu lassen oder umgekehrt. Hier gibt es viele Variationsmöglichkeiten. Wichtig ist, dass am Ende deutlich ist, dass die Geschwindigkeit der Rädchen mit dem Wasserstands unterschied zusammen hängen und nicht mit der Wassermenge im Behälter. Fazit ist also: ð Wasser fließt von selbst vom Behälter mit dem höheren Wasserstand zum Behälter mit dem niedrigeren Wasserstand. ð Je größer der Unterschied der Wasserstände in den beiden Behältern am Eingang und am Ausgang der Pumpe ist, desto stärker ist der Wasserstrom durch den angeschlossenen Schlauch. Möchte man noch einen Schritt weiter gehen, stellt man sich die Frage, warum das Wasser in diese Richtung fließt. Anhand verschiedener Alltagsphänomene lässt sich leicht erklären, dass im Schlauch ein gewisser Druck herrscht. Daraus lässt sich folgendes schließen: ð Wasser fließt von selbst von Stellen höheren zu Stellen niedrigeren Drucks. ð Je größer der Druckunterschied zwischen Ausgang und Eingang der Pumpe ist, desto stärker ist der Wasserstrom durch den angeschlossenen Schlauch. Der Druckunterschied kann also auch als Antrieb für den Wasserstrom im Schlauch aufgefasst werden. Nun muss natürlich die Analogie zur Batterie klar werden. Hierfür kann die Batterie als Elektrizitätspumpe aufgefasst werden (wie die Wasserpumpe in der Wasseranalogie) und verschiedene Batterien müssen entsprechend verschieden große elektrischen 9

10 Druckunterschiede oder elektrische Füllstandsunterschiede zwischen ihren Anschlüssen haben. Dieses Merkmal der Batterie wird allerdings nicht elektrischer Druck oder elektrischer Füllstand genannt, sondern elektrisches Potenzial bzw. Spannung. Wichtig ist nun noch zu wissen, an welcher Stelle in einer Batterie das Potential höher ist und an welcher niedriger. Hierfür gibt uns der Aufdruck einen Hinweis. Und zwar ist das Potential am Pluskontakt der Batterie höher als am Minuskontakt. Somit können wir davon ausgehen, dass die Elektrizität von selbst vom Pluskontakt der Batterie durch den Draht zum Minuskontakt der Batterie fließt. Innerhalb der Batterie läuft es jedoch umgekehrt. Die Batterie pumpt die Elektrizität wie die Wasserpumpe das Wasser vom niedrigen zum hohen Potential. Daher die Bezeichnung Elektrizitätspumpe. 10

11 3. Bauanleitung und Kosten für das Modell Material: Wo: Kosten: 1 großen Malereimer 3,25 1 kleinen Malereimer 2,65 50 cm Schlauch (d = 17 mm) 1,65 2 m Schlauch (d = 8 mm) 3,10 50 cm Schlauch (d = 8 mm) 0,80 2 m Schlauch (d = 11 mm) 4,00 3 T - Schlauchverbinder Bürkle 10 Stücke 7,00 3 Strömungsmesser Bürkle 3 Stück 30 3 Steigrohre Laborbedarf (Chemiesammlung) 3,00 6 Schlauchstücke Gardena 6 Stück 28, Weg-Ventil Gardena 2 Stück 19,90 Hat man alle Teile zusammen ist das Bauen des Wassermodells ganz einfach. Schritt 1: In beide Eimer ein 17 mm großes Loch bohren. Am besten nur 16 mm und mit einer Feile entsprechend groß feilen. Dann in beide Löcher ungefähr ein 10 cm langer Schlauch (d = 17 mm) stecken und abdichten. Wenn man Glück hat ist es gleich dicht, wenn nicht, dann einfach mit Silikon abdichten. Schritt 2: Die Schläuche zurecht schneiden. Aus den 2m langen Schläuchen je drei gleich lange Stücker schneiden. Schritt 3: Alles zusammensetzen für die Situation die man gerade benötig (siehe Bilder bei den einzelnen Themen). Den 50 cm langen Schlauch (d = 8 mm) benötigt man für die Übergange, also gut aufheben. 4. Literaturverzeichnis Herrmann F.; Der Karlsruher Physikkurs, Ein Lehrbuch für den Unterricht der Sekundarstufe I Teil 2; Aulis Verlag Deubner, Köln