Magnetismus Ein Phänomen naturwissenschaftlich erkunden

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1 Magnetismus Ein Phänomen naturwissenschaftlich erkunden Sonja Alberts Magnetismus ist ein faszinierendes Phänomen, das durch Anwendung unterschiedlicher naturwissenschaftlicher Arbeitsformen so erkundet werden kann, dass Sach- und Methodenkompetenz gleichzeitig ausgebildet werden. Praktische Handlungssituationen, Modelle und Gedankenexperimente ermöglichen ein erstes theoretisches Verstehen des Phänomens und stellen gleichzeitig ein vertieftes Verständnis für Magnetismus im Alltag her. Das Material bietet hierfür interessante Anregungen. Grundlagen naturwissenschaftlichen Verstehens Die Beschäftigung mit dem Phänomen Magnetismus gehört zu den etablierten Klassikern des naturwissenschaftlichen Sachunterrichts. Magnetspiele, Kunststücke und Zaubertricks mit Magneten machen den Kindern Spaß und faszinieren sie. Naturwissenschaftliches Lernen bedeutet, aus der Perspektive der Naturwissenschaften Phänomene der lebenden und nicht lebenden Natur zu erschließen. Dabei geht es darum, grundlegende Konzepte des naturwissenschaftlichen Denkens sowie naturwissenschaftliche Methoden kennen und mit Blick auf Naturverständnis anwenden zu lernen (vgl. Giest 2009 a). Der Metaebene, also dem Reflektieren darüber, was wir von einer Sache wissen, woher wir dies wissen und was wir tun können, um etwas über die Sache herauszufinden, kommt in einem kompetenzorientierten naturwissenschaftlichen Sachunterricht eine herausragende Bedeutung zu. Naturwissenschaftliche Arbeitsformen können immer nur an konkreten Sachinhalten geübt werden, die Prozessebene ist also an die Inhaltsebene gebunden, beide sind zwei Seiten derselben Medaille (vgl. Giest 2009 b), und nicht immer können alle Arbeitsformen gleichzeitig geübt werden. Die Aufgabenvorschläge im Materialteil zeigen, was das Phänomen Magnetismus an Möglichkeiten hierfür bietet. Basiskonzepte Naturwissenschaftliche Basiskonzepte sind eine Möglichkeit, alle beobachtbaren Phänomene so zu kategorisieren, dass die allen Naturphänomenen zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten ein sich wiederholendes Muster bilden und so das Verstehen naturwissenschaftlicher Inhalte verbessern. Für die Grundschule bieten drei Basiskonzepte eine sinnvolle Arbeitsgrundlage (vgl. Demuth u. a. 2007): 1. Auf der Welt geht nichts verloren (Konzept der Erhaltung von Materie und Energie), z. B. sind die Elementarmagnete in einem entmagnetisierten Eisenstück nicht verschwunden, sondern nur in Unordnung geraten. 2. Mit Energie kann man etwas tun (Konzept der Energie), z. B. ein Magnetfeld erzeugen. 3. Dinge beeinflussen sich gegenseitig (Konzept der Wechselwirkung), z. B. Magnetfelder und ferromagnetische Stoffe. Naturwissenschaftliche Arbeitsformen Sieben naturwissenschaftliche Arbeitsformen können unterschieden werden (vgl. Duit/Gropengießer/Stäudel 2007): 1. Beobachten und Messen 2. Vergleichen und Ordnen 3. Erkunden und Experimentieren 4. Vermuten und Prüfen 5. Diskutieren und Interpretieren 6. Modellieren und Mathematisieren 7. Recherchieren und Kommunizieren Ihr Einsatz folgt nicht einem festen Schema, sondern hilft bei der Beantwortung der jeweils besonderen Fragen an das Naturphänomen, z. B. Magnetismus. Arbeitsform Beobachten, Messen Eine Beobachtung findet nie zufällig statt, im Gegensatz zur Entdeckung. Beobachtbar ist nur, was in Vorüberlegungen und durch Kriterien erfasst wurde. Was macht einen Magneten zum Magneten? Um diese Frage zu beantworten, können zunächst alle Dinge, die als Magnet bezeichnet werden, auf ihre Gemeinsamkeiten untersucht werden. Dabei sind Magnete im physikalischen Sinne von metaphorischen Magneten zu unterscheiden auch die sprachliche Perspektive verdient Beachtung (vgl. Kahlert 2002). Zum Messen wird eine Basiseinheit benötigt, die dann in einem definierten Verfahren gezählt wird. Damit lassen sich Beobachtungen quantifizieren und somit besser vergleichen. Mit einer selbst gewählten Einheit (z. B. Büroklammer, Nagel) lässt sich etwas über die Kraft eines Magneten aussagen, wenn das Messverfahren immer gleich ist (z. B. Büroklammern vom Tisch anheben: Anzahl der am Magneten hängenden Klammern als Maß für die Stärke des Magneten). Arbeitsform Vergleichen, Ordnen und Diskutieren, Interpretieren Dinge kann man vergleichen, wenn man sie durch bestimmte Kriterien zueinander in Beziehung setzt. Diese Kriterien können auch Grundlage des Ordnens sein. Beobachtungen und Vergleiche sind noch keine Erkenntnis, diese entsteht erst durch eine Deutung des Gesehenen. Oft sind mehrere Interpretationen möglich, deshalb ist die Diskussion über die beste sehr wichtig. Sind Dinge, die auf den ersten Blick nicht so aussehen, doch Magnete? Diese Frage kann bei Bau und Untersuchung eines Elektromagneten erörtert werden Sachunterricht

2 Arbeitsform Modellieren, Mathematisieren Ein Modell ist keine genaue Abbildung des Originals, sondern es macht in analoger Form bestimmte Eigenschaften des Originals deutlich. Dies geschieht immer zu einem bestimmten Zweck und ist immer eine Reduktion der komplexen Wirklichkeit. Lassen sich Zusammenhänge proportional beschreiben (z. B. je größer x, desto schwächer y) beginnt das Mathematisieren. Ferromagnetismus entsteht durch bestimmte Elektronen in der Atomhülle. Sie rotieren um sich selbst mit einem so genannten Spin. Durch diese Drehung entsteht ein magnetisches Moment, die Teilchen werden zu Mini-Magneten, die sich beim Kontakt mit einem starken Magneten alle gleich ausrichten. Dieses Elementarmagneten-Modell erklärt u. a. (vgl. Hees 2008): XXDie Magnetisierung ferromagnetischer Stoffe. XXDas Zustandekommen der Polarisierung. XXDas charakteristische Verhalten beim Zerbrechen von Magneten. XXDie Remanenz, d. h. das Phänomen, dass die Magnetisierung ferromagnetischer Stoffe andauert, auch wenn die Magnetquelle entfernt wurde. XXDen Verlust des Magnetismus bei starker Erschütterung oder Erhitzen oberhalb der sog. Curietemperatur (Eisen 770 C) durch zu viel Wärmebewegung der Teilchen. Das Modell der Elementarmagneten erlaubt Vorhersagen, z. B. das magnetisch kodierte Daten durch Kontakt mit starken Magneten zerstört werden, da diese eine Gleichrichtung aller magnetischen Domänen bewirken. Arbeitsform Erkunden, Experimentieren Eine Modellvorstellung macht Vorhersagen möglich, die zunächst hypothetischen Charakter haben. Das Experiment dient dazu, die Hypothese zu verifizieren oder zu falsifizieren. Wichtig ist, dass die Versuchsanordnung so gewählt wird, dass genau die Faktoren variiert werden, die zur Klärung der Vermutung beitragen, und dass das Experiment bei Wiederholung gleiche Ergebnisse bringt. Eine Hypothese ist z. B., dass ein großer Magnet, direkt zwischen Nord- und Südpol geteilt, nur noch aus Nord- bzw. Südpol besteht. Auch das Erkunden des unterschiedlichen Verhaltens von einer magnetisierten und nicht magnetisierten Nadel im Erdmagnetfeld führt nur theoriegeleitet zu Erkenntnis und zählt daher zum Experimentieren. Wird das Sachwissen über Magnetismus durch unterschiedliche naturwissenschaftliche Methoden erschlossen, sind Sach- und Methodenkompetenz sinnvoll miteinander verbunden. So ist es möglich, dass in eigenregulierten, selbst bestimmten Lernprozessen bedeutungshaltiges und flexibel nutzbares Wissen entsteht (vgl. Giest 2009 a). So kommt es zum Aufbau von naturwissenschaftlichem Wissen und Können, welches Kinder in die Lage versetzt, Aussagensysteme über Naturvorgänge zu entwickeln, mit denen diese gedeutet und erklärt werden können (vgl. Giest 2009 a). Zu den einzelnen Arbeitsblättern Die Arbeitsblätter sind für die Jahrgangsstufen 3 und 4 konzipiert. Sie berücksichtigen unterschiedliche Leistungsniveaus (im Folgenden N1, N2, N3) und ermöglichen eine Differenzierung. N1: Aufgaben, die durch einfaches Beobachten oder Argumentieren gelöst werden können. N2: Diese Aufgaben erfordern komplexere Schlussfolgerungen. N3: Hier geht es darum, Gedanken und Argumente aus unterschiedlichen Wissensdomänen zur Problemlösung heranzuziehen und selbstständig Informationen einzuholen. Die Dialoge der Tiere sollen motivieren, zum Nachdenken anregen und durch den Bezug zu Nordpol und Südpol den Gedanken der Polarität von Magneten und Erdmagnetfeld festigen helfen. M1 Wie man einen Magneten erkennt Einstieg für alle Leistungsniveaus: Hier wird das Beobachten und Ordnen von Eigenschaften geübt. Der Begriff Magnet wird sprachlich analysiert und es wird zur Spekulation über die Bedeutung der Tiere im Zusammenhang mit dem Thema aufgefordert. Aufgabe a) und b) N1, c) N2, d) N3 M2 Hier fließt Strom! alle Leistungsniveaus: Es muss mit den Erkenntnissen aus M1 argumentiert werden, ob eine Konstruktion, die Eigenschaften wie ein Magnet hat, tatsächlich ein Magnet ist. M3 Magnete sind echt stark oder? alle Leistungsniveaus: Ziel ist die selbstständige Entwicklung und Anwendung eines Messverfahrens. M4 Der Riesenmagnet alle Leistungsniveaus: Eine erste Modellvorstellung der Struktur von Magneten wird entwickelt. M5 Nordpol und Südpol alle Leistungsniveaus: Die Modellvorstellung von Magnet-Strukturen wird weiter entwickelt. M6 Du kannst Magnetismus erklären mit einem Modell Leistungsniveaus N2 und N3: Das Elementarmagnetenmodell wird zur Erklärung des Phänomens Magnetismus angewendet. M7 und M8 Magnetismus überall alle Leistungsniveaus: Ein nicht magnetisches Stück Eisen wird magnetisiert und ein Kompass gebaut. Aufgabe b) N2, Aufgabe c) N3 M9 Vorsicht Magnete! Leistungsniveau N2 und N3: Das Magnetenmodell wird zur Analyse eines Problems genutzt. M10/M11 Die Lösungen: Die Lösungsblätter dienen der Selbstkontrolle und helfen, Denkfehler zu vermeiden. Literatur uuduit, R./Gropengießer, H./Stäudel, L. (Hrsg.): Naturwissenschaftliches Arbeiten. Seelze-Velber uugiest, H.: Zur Didaktik des Sachunterrichts. Potsdam (2009 a) uugiest, H.: Bildungsstandards und Kompetenzen im Sachunterricht. In: Grundschulunterricht Sachunterricht 56 (2009 b) 4, 4 7 uuhees, B.: Das Elementarmagnetenmodell im Physikunterricht am Gymnasium. Duisburg 2008 uukahlert, J.: Der Sachunterricht und seine Didaktik. Bad Heilbrunn 2005 Autorin Sonja Alberts, Universität Potsdam, Profilbereich Bildungswissenschaften, Karl-Liebknecht-Straße 24 25, Potsdam Sachunterricht 35

3 M1 Wie man einen Magneten erkennt Hier siehst du viele unterschiedliche Magnete, z. B. Stabmagnet, Hufeisenmagnet, so genannte Kühlschrankmagnete, Tafelmagnete, Magnete aus Schrankschlössern und Spielen, natürlicher Magnetstein,... Das sind alles Magnete! Echt? Und woher weißt du das? Ich bin ein Besuchermagnet im Zoo! Finde heraus: a) Woran erkennt man einen Magneten? b) Was haben alle Magnete gemeinsam? c) Was haben der Eisbär im Zoo und ein Magnet gemeinsam, was nicht? d) Warum sind wohl Pinguin und Eisbär auf dem Blatt abgebildet? TIPP: Informiere dich, wo diese Tiere leben. Wenn du M4 und M7 gelöst hast, weißt du ganz sicher, warum! 36 Sachunterricht

4 M2 Hier fließt Strom! Baue diese Konstruktion nach. Du brauchst: XXeine Flach- oder Blockbatterie (mindestens 4,5 Volt) XXeinen großen Eisennagel XXKupferdraht XXzwei Krokodilklemmen oder zwei kupferne Büroklammern XXmagnetische Gegenstände a) Beobachte: Was passiert mit Büroklammer, Nagel, Kompass und anderen Gegenständen, wenn sie in die Nähe der Konstruktion kommen? b) Überlege: Ist das auch ein Magnet? Ja! Nein! c) Wie kannst du beweisen, wer Recht hat? d) Was passiert mit Kompass, Büroklammer, Nadel, wenn kein Strom fließt? Sachunterricht 37

5 M3 Magnete sind echt stark oder? Manchmal sind große Magnete schwach und kleine Magnete stark, oder zwei gleichgroße Magnete sind unterschiedlich stark. Überlege und probiere aus: a) Wie kann man die Stärke von Magneten vergleichen? b) Wie kann man die Stärke eines Magneten messen? M4 Der Riesenmagnet Nimm mehrere kleine Stabmagnete, z. B. aus einem Magnetspiel. Versuche, ohne Kleber oder Klebefilm möglichst viele kleine Magnete zu einem großen, langen Magneten zusammenzubauen. a) Welche Möglichkeiten gibt es? b) Ist es egal, welche Seiten der Magnete zusammenkommen? c) Hilf dem Eisbären und vervollständige den Merksatz. Jeder Magnet hat einen und einen pol. Pole ziehen sich an, gleiche Pole Sachunterricht

6 M5 Nordpol und Südpol Ich will einen Magneten nur mit Südpol! Ich mag nur den Nordpol! a) Überlege: Kann man einen Magneten so verändern, dass er nur einen Pol hat? Was passiert, wenn man einen Stabmagneten in der Mitte zwischen Nordpol und Südpol teilt? Ihr könnt es ausprobieren, indem ihr einen großen Stabmagneten mit einer Metallsäge durchsägt. Denke z. B. an den langen Stabmagnet, den du aus kleinen Magneten zusammengesetzt hast. NORDPOL SÜDPOL b) Wenn du den in zwei gleiche Teile teilst, erhältst du Magnete, die je einen Nordpol und einen Südpol haben. N S N S c) Und wenn du diesen weiter zerteilst, erhältst du 4 Magnete, dann 8, dann 16, dann 32, dann, dann, dann dann 512, dann, dann 2048 Magnete usw., bis es irgendwann auch mit der besten Magnet-Zerteil-Maschine nicht mehr kleiner geht. Aus jedem geteilten Magneten werden Magnete, von denen jeder einen Nordpol und einen Südpol hat. Die allerkleinsten Magnete heißen Elementarmagnete Sachunterricht 39

7 M6 Du kannst Magnetismus erklären mit einem Modell a) Vervollständige den Satz: Ein Magnet besteht aus vielen winzig kleinen, die alle in der gleichen Richtung liegen und so Nordpol und Südpol des Magneten entstehen lassen. Hier eine Modellzeichnung: Nordpol Südpol Ein Magnet kann seine Magnetkraft verlieren, z. B. durch große Hitze oder wenn der Magnet auf den Boden fällt. b) Was könnte dann mit den Elementarmagneten passiert sein? Zeichne ein Modell, das deine Idee deutlich macht! c) Denk nach: Wie könnte ein Modell von einem nicht magnetischen Stückchen Eisen aussehen? Das Modell soll erklären, warum das Eisen nicht magnetisch ist. Zeichne dein Modell. d) Was muss passieren, damit das nicht magnetische Stückchen Eisen magnetisch wird? Überlege, was du tun kannst, damit das Stückchen Eisen (z. B. ein Nagel, eine Büroklammer) magnetisch wird. Warum glaubst du, dass deine Idee funktioniert? 40 Sachunterricht

8 M7 Magnetismus überall (1) Materialien, die von Magneten angezogen werden, nennt man magnetisch. Dazu gehören Eisen, Nickel und Kobalt. Solche Materialien, z. B. Stücke von Eisendraht, Nägel oder Stopfnadeln, können selbst zu Magneten werden! Wie denn? Kompass selbstgebaut Du brauchst: XXzwei Stopfnadeln oder Stücke von Eisendraht XXeinen Magneten XXzwei kleine Schüsseln mit Wasser XXzwei Korkscheiben oder Stückchen vom Milchkarton Uns so wird es gemacht: XXLass eine Korkscheibe in der ersten Wasserschüssel schwimmen und lege die erste Nadel vorsichtig auf die Korkscheibe. XXWiederhole den Versuch mit der zweiten Nadel: Streiche 20 bis 30 Mal mit dem Magneten über die Stopfnadel (immer in eine Richtung) und lege sie auf die Korkscheibe in der zweiten Schüssel. Überlege: Was ist bei der magnetisierten Nadel anders? Um den Unterschied besser zu sehen, kannst du einen Magneten in die Nähe der Nadeln halten, ohne sie zu berühren. XXLege einen richtigen Kompass daneben und vergleiche die Lage deiner Nadeln mit der der Kompassnadel Sachunterricht 41

9 M8 Magnetismus überall (2) Frei bewegliche Magnete richten sich am Magnetfeld der Erde aus. Auf der Korkscheibe schwimmend wird die magnetisierte Stopfnadel so zum Kompass. a) Finde heraus, wo Norden liegt. In welcher Richtung liegt der Nordpol? b) Zeichne ein Modell der Elementarmagnete in der magnetisierten und der nicht magnetisierten Nadel. magnetisierte Nadel nicht magnetisierte Nadel c) Suche nach Informationen zum Magnetfeld der Erde. Ist die Erde ein Magnet? 42 Sachunterricht

10 M9 Vorsicht, Magnete! Wenn die Elementarmagnete nach bestimmten Mustern angeordnet sind, kann man damit Nachrichten speichern und sie mit einem Lesegerät für magnetisch gespeicherte Informationen sichtbar machen. Solche magnetisch gespeicherten Daten befinden sich z. B. auf EC-Karten, mit denen man am Geldautomaten Geld abheben kann. Und warum nicht? Niemals einen Magneten an eine Magnetstreifen-Karte halten! a) Überlege: Was kann passieren, wenn Elementarmagneten, die Daten speichern, mit einem anderen Magneten in Kontakt kommen? b) Benutze das Modell von den Elementarmegneten aus M6 und zeichne deine Idee als Modell. c) Wo könnten magnetische Speicherkarten mit anderen Magneten in Kontakt kommen? Was könnte man dagegen tun? Sachunterricht 43

11 M10 Die Lösungen (1) a) Er zieht Dinge aus Metall an, und zwar Dinge aus Eisen, Nickel und Kobalt. Eisen, Nickel und Kobalt sind magnetische Stoffe. b) Sie ziehen sich an oder stoßen sich ab und ziehen Dinge aus Eisen, Nickel oder Kobalt an. c) Beide ziehen an (aber der Eisbär Besucher und der Magnet Dinge aus Eisen, Nickel oder Kobalt). d) Der Eisbär lebt am Nordpol, der Pinguin am Südpol. Nordpol und Südpol haben auch etwas mit Magnetismus zu tun. M1 a) Wenn die Gegenstände (z. B. Nadel, Kompass, Büroklammer) in die Nähe des mit Draht umwickelten Nagels kommen und der Stromkreis geschlossen ist, werden diese Gegenstände angezogen. b) Vermutung: Alles, was sich wie ein Magnet verhält, ist ein Magnet. c) Die Konstruktion hat Eigenschaften wie ein Magnet, also handelt es sich um einen Magneten. d) Dann werden sie nicht angezogen. Strom ist also Voraussetzung dafür, dass der Elektromagnet funktioniert. M2 a) Man vergleicht, wie viele (gleiche) Gegenstände sie anziehen. b) Man zählt diese Gegenstände. M3 M4 a) Es lassen sich nur Süd- und Nordpol aneinandersetzen. b) Nein, gleiche Pole stoßen sich ab. c) Jeder Magnet hat einen Nordpol und einen Südpol. Ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab. M5 a) Man könnte z. B. versuchen, einen Pol zu entfernen. b) zwei c) 32, 64, 128, 256, 512, 1024 d) Aus jedem geteilten Magneten werden zwei Magnete, von denen jeder einen Nordpol und einen Südpol hat Sachunterricht

12 M11 Die Lösungen (2) a) Ein Magnet besteht aus vielen winzig kleinen Elementarmagneten, die alle in der gleichen Richtung liegen und so Nordpol und Südpol des Magneten entstehen lassen. b) c) M6 d) Die Elementarmagneten müssen wie in der Modellzeichnung von a) angeordnet sein. Man muss die ungeordneten Elementarmagnete ordnen. Das könnte z. B. durch einen anderen Magneten geschehen. M7/M8 a) Die Kompassnadel zeigt immer nach Norden. Du kannst also einen Kompass benutzen, um herauszufinden, wo Norden ist. b) Die magnetisierte Nadel richtet sich so aus wie eine Kompassnadel und wird von einem Magneten angezogen. magnetisierte Nadel nicht magnetisierte Nadel c) Im Inneren der Erde bewegen sich Ströme von flüssigem Eisen, in denen die Elementarmagnete wie in einem Magneten ausgerichtet sind. Deshalb ist die Erde tatsächlich ein riesiger Magnet. M9 a) Die Anordnung der Elementarmagnete wird verändert, dadurch können Informationen verloren gehen. b) c) Sie könnten z. B. Magnetverschlüsse von Taschen oder Schränken berühren, dadurch können Informationen verloren gehen. Die Speicherkarten sollten deshalb geschützt werden, z. B. durch eine dicke Hülle aus Plastik oder Leder Sachunterricht 45