Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Elektrik I: Grundsätzliches, Wirkungen, Ladungsformen

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1 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Elektrik I: Grundsätzliches, Wirkungen, Ladungsformen Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de

2 Hinweise zur Arbeit mit diesen Unterrichtseinheiten Die vorliegenden Materialien sind der erste Teil einer auf vier Einheiten angelegten Unterrichtsreihe im Fach Physik für die Mittelstufe. ELEKTRIK 1: Sicherheitsbestimmungen ½ Stunde ELEKTRIK 2: Wiederholung 1 ½ Stunden ELEKTRIK 3: Wirkungen des elektrischen Stroms 4 Stunden ELEKTRIK 4: Ruhende Ladungen 4 Stunden ELEKTRIK 5: Bewegte Ladungen 5 Stunden Die einzelnen Stunden einer Unterrichtseinheit werden in ihrem möglichen Ablauf kurz beschrieben. Die Materialien (Anleitungen bzw. Vorschläge für Experimente, Tafelbilder, Folien, Aufgaben) sind aber so zusammengestellt, dass eine völlige Umgestaltung der Stunden - sowohl ihre inhaltliche Gestaltung als auch den zeitlichen Aufwand betreffend - möglich ist. Ist die Elektrik auf zwei nicht notwendigerweise unmittelbar aufeinander folgende Halbjahre zu verteilen, bietet sich ein Einschnitt nach der Behandlung der elektrischen Verbraucher, also dem Widerstand an. Denn mit dem spezifischen Widerstand wird ein Thema behandelt, dem unter Umständen die mathematischen Voraussetzungen fehlen können. In den Einheiten finden sich in aller Regel (zumindest teilweise) die folgenden Rubriken: Titelblatt: Legt man sich Ordner für die einzelnen Einheiten an, kann man diese Titelblätter verwenden. Methodik und Didaktik: Die einzelnen Stunden werden in ihrem möglichen Ablauf in diesen Dateien beschrieben. n. Std.... : In diesen Dateien finden sich die Hefteinträge der Schüler mit der Anmerkung, wann diese erfolgen sollten, wenn sie nicht bereits in den anderen Dateien zu finden sind. In jedem Fall dienen derartige Dateien der Strukturierung der Dateien einer Unterrichtseinheit. So wird rasch erkennbar, welche Dateien für eine Stunde vorgeschlagen werden. Folie: Derartige Kopiervorlagen dienen häufig zur Veranschaulichung eines Themas. Arbeitsblatt: Arbeitsblätter können von den Schülern selbstständig erarbeitet Aufgabe: werden. In solchen Dateien finden sich Aufgaben mit den jeweiligen Lösungen. Experiment: Hier beschriebene Experimente sind in der Regel Demonstrationsexperimente durch den Lehrer, die aber teilweise auch von einzelnen Schülergruppen übernommen werden können. Versuch: Hier finden sich Arbeitsblätter für Schülerexperimente als Kopiervorlage mit den Lösungen für den Lehrer.

3 Man stelle sich vor: Hier finden sich oftmals verblüffende Anmerkungen zum Thema der jeweiligen Unterrichtseinheit. Was geschah im Jahr: Historische Anmerkungen ordnen den behandelten Stoff zeitlich ein. Wer war: Personen werden beschrieben und in einer Abbildung gezeigt, die sich hinter dem behandelten Thema verbergen beispielsweise als Namensgeber von Einheiten oder auch Experimenten. Wie funktioniert eigentlich: In derartigen Dateien wird die Funktionsweise beispielsweise von Messgeräten genauer erklärt und so Wie kam man darauf: aufbereitet, dass es die Schüler nachvollziehen können. Hier wird erläutert, wie man beispielsweise darauf kam, vom Plus- und Minuspol zu sprechen. Wie man sich irren kann: Hier finden sich häufige Irrtümer ernsthaft oder auch anekdotisch, wenn beispielsweise mittels Comic gezeigt wird, dass elektrischer Strom schwarz ist und nicht blau oder gelb, wie uns die Werbung glauben machen will. Als abschließende Ergänzung wird eine Lernzielkontrolle zum Thema angeboten. Ruhende und bewegte Ladungen Bei zahlreichen Abbildungen finden sich Hinweise und graphische Elemente, die über die eigentliche Abbildung gelegt sind und somit bei Bedarf leicht verändert oder entfernt werden können. In zahlreichen Fällen sind Graphikelemente auch gruppiert, so dass diese Gruppierung vor einer eventuellen Bearbeitung zunächst aufgehoben werden muss. Die Abbildungen selbst sind durchweg so weit zu vergrößern, dass sie auch als Folien ausgedruckt werden können. Für die Schüler ist ein separates Inhaltsverzeichnis beigefügt, das sie nach Abschluss dieser Unterrichtsreihe in ihre Mitschrift einkleben können. Korrektur-, Verbesserungs- oder Ergänzungsvorschläge können Sie gerne über den Verlag an mich richten! Bei der Arbeit mit diesen Unterrichtseinheiten zur Elektrik wünsche ich Ihnen und Ihren Schülern viel Spaß!

4 Übersicht über die Unterrichtsabschnitte und die zu ihnen jeweils vorgeschlagenen Stundeninhalte ELEKTRIK 1: ½ Stunde: Sicherheitsbestimmungen Sicherheitsbestimmungen ELEKTRIK 2: Wiederholung ½ Stunde: Vergleich von Wasserkreislauf und Stromkreis 2. Stunde: Wirkungen des elektrischen Stroms; Leiter und Isolatoren ELEKTRIK 3: Wirkungen des elektrischen Stroms 1. Stunde: Thermische Wirkung - Glühlampe 2. Stunde: Thermische Wirkung - Sicherung 3. Stunde: Magnetische Wirkung 4. Stunde: Chemische Wirkung ELEKTRIK 4: Ruhende Ladungen 1. Stunde: Die verschiedenen Ladungsarten sowie ihre Herkunft 2. Stunde: Nachweis elektrischer Ladungen 3. Stunde: Zusammentreffen elektrischer Ladungen 4. Stunde: Blitz und Influenz ELEKTRIK 5: Bewegte Ladungen 1. Stunde: Der glühelektrische Effekt 2. Stunde: Die Elektronenstrahlablenkröhre 3. Stunde: Die Einheiten von Ladung und Stromstärke 4. Stunde: Messung der Stromstärke und Übungsaufgaben 5. Stunde: Das elektrische Feld

5 Hermann, Armin: Weltreich der Physik. Von Galilei bis Heisenberg, Esslingen (Bechtle) 1980 Kamke, Detlef und Klaus Krämer: Physikalische Grundlagen der Maßeinheiten, Stuttgart (Teubner) 1977 Rhein, Eduard: Du und die Elektrizität, Berlin n(druckhaus Tempelhof) 1951 Sambursky, Shmuel: Der Weg der Physik Jahre physikalischen Denkens, München (dtv) 1978 Segrè, Emilio: Die großen Physiker und ihre Entdeckungen. Von den fallenden Körpern zu den elektromagnetischen Wellen, München (Piper) 1990 Sexl, Roman: Was die Welt zusammenhält. Physik auf der Suche nach dem Bauplan der Natur, Stuttgart (dva) 1982 Zey, René (Hg.): Lexikon der Forscher und Erfinder, Reinbek (rororo) 1997

6 Elektrizitätslehre 1. Sicherheitsbestimmungen 2. Wiederholung 3. Wirkungen des elektrischen Stroms o Thermische Wirkung o Magnetische Wirkung o Chemische Wirkung 4. Ruhende elektrische Ladungen o Die verschiedene Ladungsarten sowie ihre Herkunft o Der Nachweis ruhender elektrischer Ladungen o Das Zusammentreffen ungleichnamiger elektrischer Ladungen o Blitz und Influenz 5. Bewegte elektrische Ladungen o Der glühelektrische Effekt o Die Elektronenstrahlröhre o Die Einheiten von Ladung und Stromstärke o Das elektrische Feld

7 Schriftliche Übung Name: Ruhende und bewegte Ladungen Datum: Note: 1. Erläutere das Schalenmodell des Atoms! Gib insbesondere an, in welcher Weise Ladungen den Aufbau des Periodensystems der Elemente mitbestimmen! 2. Eine Metallkugel wird negativ aufgeladen. Erläutere, wie sich die Masse der Kugel ändert, ob sie zu-, oder abnimmt, oder ob sie unverändert bleibt. Begründe Deine Antwort! 3. Es kann vorkommen, dass man nach dem Aufstehen von einem Stuhl einen elektrischen Schlag erhält, wenn man den Stuhl sehr bald berührt. Erkläre das und präsentiere Vorschläge, wie man den Schlag vermeiden kann. 4. Benenne den (verbalen) Zusammenhang zwischen Stromstärke und Ladung, und zwischen Spannung und Ladung. 5. Erkläre, was das Erhöhen der Spannung bedeutet und wie man sie bewirkt. 6. Begründe, wie ein Amperemeter geschaltet werden muss: in Reihe oder parallel. 7. Begründe, ob der Innenwiderstand eines Amperemeters groß oder klein sein muss. 8. Erläutere den Einbau der Messinstrumente in den folgenden Schaltbildern! Auf den Ein-/Ausschalter wurde verzichtet. Bild 1 Bild 2 Bild 3 Bild 4 Viel Erfolg!

8 Ruhende und bewegte Ladungen (Lösungen) 1. Beim Schalenmodell des Atoms bewegen sich die negativ geladenen Elektronen auf Bahnen oder Schalen um den Atomkern, der beim neutralen Atom aus gleich viel positiv geladenen Protonen und einer gewissen Anzahl von Neutronen besteht. Beim Periodensystem der Elemente hat das auf ein Element folgende ein Elektron mehr in der Hülle und daher notwendigerweise auch ein Proton mehr im Kern. Über die Zahl der Neutronen im Atomkern lässt sich keine grundsätzliche Aussage machen. 2. Wenn eine Metallkugel negativ aufgeladen wird, werden auf ihr negative Ladungen aufgebracht. Daher nimmt ihre Masse (in allerdings nur äußerst geringem Maße) zu. Interessanter noch ist die Problemstellung bei positiver Aufladung. Dann werden nämlich Ladungen (negativ geladene Elektronen) entfernt, so dass ein Überschuss an positiven Protonen im Atomkern entsteht und das Atom mithin positiv wirkt. Durch das Entfernen der Elektronen nimmt die Masse der Kugel dann ab. 3. Man kann einen Schlag bekommen, wenn durch Reibungselektrizität eine Aufladung entstanden ist. Dabei haben sich negative Ladungen etwa vom Stuhl abgerieben und am Körper abgesetzt, der nun negativ geladen ist, während der Stuhl auf Grund des Ladungsverlustes positiv geladen ist. Fasst man den Stuhl kurz darauf an, kommt es zum Ladungsausgleich, der in heftiger Form einen elektrischen Schlag bedeutet. Wartet man zu lange ab, kommt es vorzeitig zu einem langsamen und damit nicht spürbaren Ladungsaustausch mit der Luft. Man kann den elektrischen Schlag vermeiden, indem man den Stuhl beim Aufstehen mit der Hand festhält, so dass eventuell entstehende Reibungselektrizität sofort über die Hand ausgeglichen wird. 4. Unter der Stromstärke versteht man die pro Zeiteinheit durch den Leiterquerschnitt bewegten Ladungen. Unter der Spannung versteht man das Arbeitsvermögen je Ladung. 5. Die Spannung erhöhen bedeutet, das Arbeitsvermögen der Ladungen zu vergrößern. Dazu muss man den Ladungen Arbeitsvermögen, also Energie zuführen, indem man sie weiter von einander trennt, also beispielsweise, wenn sich die Ladungen auf Kondensatorplatten befinden, diese Kondensatorplatten weiter auseinander zieht. 6. Ein Amperemeter muss in Reihe geschaltet werden, da es die Ladungen zählen soll, die pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt fließen. Ein Amperemeter lässt sich mit einem Wasserzähler vergleichen, in dem das durchströmende Wasser gezählt wird, indem ein Rad durch das Wasser gedreht wird. 7. Der Innenwiderstand eines Amperemeters muss klein sein, da es zwar von den Ladungen durchflossen werden muss, die Ladungen dabei aber möglichst kein Arbeitsvermögen verlieren sollen. Gleiches gilt für den Wasserzähler, der den Wasserdruck nicht verringern soll. Bild 1: Das Voltmeter soll das Arbeitsvermögen der Ladungen messen. Vorstellung: Voltmeter messen die von Ladungen verrichtete Arbeit. Wird ein Voltmeter in der

9 gezeigten Weise in den elektrischen Stromkreis eingebaut, können die Ladungen parallel zum Voltmeter aber keine Ladungen verrichten. Das Messgerät kann daher keinen Unterschied im Arbeitsvermögen feststellen. Es zeigt den Wert Null Volt an. Vorstellung: Das Voltmeter ist hochohmig, hat also einen großen Innenwiderstand. Die Ladungen können praktisch nicht durch das Messgerät hindurch fließen. Damit ist der Stromkreis an dieser Stelle praktisch unterbrochen. Man kann sich das Voltmeter wie eine Membran vorstellen, die in die Wasserleitung eingebracht wurde. Das Wasser drückt gegen diese Membran, wobei deren Ausbeulung ein Maß für den Wasserdruck ist. Das Wasser darf dabei aber nicht durch die Membran hindurch fließen, d.h. die Membran unterbricht den Wasserkreislauf. Bild 2: Ein Amperemeter muss von den Ladungen durchflossen werden. Der Einbau des Amperemeters in der dargestellten Weise ist daher korrekt. Bild 3: Das Amperemeter ist korrekt eingebaut wie in Bild 2, aber das Voltmeter ist falsch eingebaut wie in Bild 1. Beide Messgeräte zeigen daher keinen Wert an. Bild 4: Das Amperemeter ist korrekt eingebaut wie in Bild 2, aber das Voltmeter ist parallel zum Amperemeter eingebaut. Es wird daher keine Spannung anzeigen, da die Ladungen praktisch ohne Arbeit zu verrichten das Amperemeter durchfließen. Das Amperemeter zeigt die Stromstärke korrekt an.

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