Knoten & Maschenregel

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1 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc Knten & Maschenregel KNOTEN & MASCHENREGEL... 1 ÜBERBLICK... 3 DIDAKTISCHER HINTERGRUND... 3 Lernziele... 3 EXPERIMENT... 4 Vraussagen... 4 Geräteausstattung... 4 Arbeitsauftrag... 4 SCHÜLERANTWORTBLATT KNOTEN & MASCHENREGEL... 5 SCHALTUNGS-BEISPIELE... 6 Reihenschaltung... 7 Parallelschaltung... 8 Schaltungen... 9 Bild 01 franz kranzinger DataStudi

2 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc franz kranzinger DataStudi

3 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc Überblick Zeitbedarf: 2 Unterrichtsstunden (ca 90 Minuten) Klassenstufe: Schwierigkeitsgrad: 4 Bild 02 Verschiedene Schaltungen Reihen- & Parallelschaltungen werden vn den Schülerinnen und Schülern aufgebaut und an diesen Schaltungen die Knten- und Maschenregel nachgeprüft. Diese Experimente sind natürlich auch mit jedem Vlt- und Amperemeter durchführbar. Da nur die Anzeige eines Messwertes wichtig ist, dient der Xplrer-GLX als Vielfachmessgerät mit schönem grßem Display. Berechnen kann man bei der Datastudi-Sftware die Leistung aus Strmstärke und Spannung bzw. den Widerstand direkt aus Strmstärke und Spannung Didaktischer Hintergrund siehe E-Lehre 7-8.ppt.pdf siehe E-Lehre 9-10 Verstärker als Altlast.pdf siehe Knten Maschen Widerstand Leitwert Fermi.pdf Lernziele Die Schülerinnen und Schüler vertiefen ihr Verständnis bzgl. der Ptenzial-Differenz- und Strmstärke-Messung! vertiefen ihr Verständnis bzgl. der Knten- und Maschenregel. wenden die Galileische Methde in diesen Experimenten an und lernen die naturwissenschaftliche Arbeitsweise ( Hypthesen, Mdellvrstellungen führen zu Vrhersagen die in Experimenten falsifiziert der verifiziert werden usw. ) lernen den Einsatz eines Cmputer-Mess-Erfassungs UND Auswertungs-Systems. franz kranzinger DataStudi

4 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc Experiment Vraussagen Die Teams beantwrten das Schüler-Antwrt-Blatt als Hausaufgabe. Im Sinne der s genannten Galileischen Methde (Experimente sind immer theriegeleitet) im Sinne der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise ( auf der Basis vn Hypthesen, Mdellvrstellungen und schn vrhandenen Therien werden Vrhersagen frmuliert; im Experiment werden diese Vrhersagen falsifiziert der verifiziert ) - ist es wesentlich, dass die verbale Beschreibung und die Vrhersagen frmuliert wurden, bevr die Messung durchgeführt wird. Geräteausstattung Xplrer-GLX U-I-Sensr Experimentieranleitung Schüler-Antwrtblatt Arbeitsauftrag [01] Sie planen mit Ihrem Team eine Schaltung auf, in der eine Parallel- und Reihenschaltung vrkmmt. Z.B. siehe biges Schaltbild! [02] Sie machen Vrhersagen bzgl. aller interessanter Ptenzialpunkt innerhalb der Maschen, die Sie untersuchen wllen! [03] Sie machen Vrhersagen bzgl. aller Strmstärke-Werte bei den interessanten Kntenpunkten in dieser Schaltung! [04] Sie bauen diese Schaltung auf! [05] Sie führen die Messung durch! [06] Sie verifizieren der falsifizieren Ihre Vrhersagen! franz kranzinger DataStudi

5 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc Schülerantwrtblatt Knten & Maschenregel 3 V 6 V 2 U-Sensr 1 3 I-Sensr Xplrer GLX Lampensllspannung? [A] Definitinen Begriffe [A.01] [A.02] [A.03] [A.04] Was versteht man unter der physikalischen Größe: Spannung wie wird sie gemessen? Wrauf muss man achten? Was versteht man unter der physikalischen Größe: Strmstärke wie wird sie gemessen? Wrauf muss man achten? Was versteht man unter der Kntenregel? Welcher Erhaltungssatz steckt hinter der Kntenregel? Was versteht man unter der Maschenregel? Welcher Erhaltungssatz steckt hinter der Maschenregel? [B] Vrhersagen (im Sinne der Galileischen Methde) [C.01] [C.02] Welche Ptenzialwerte können Sie an in den Maschen, die Sie untersuchen wllen, vrhersagen? Welche Strmstärken können Sie an den Knten, die Sie untersuchen wllen, vrhersagen? [C] Messung [C.01] [C.02] Führen Sie die Spannungs- und Strmmessungen aus! Analysieren Sie Ihre Ergebnisse Fehlerabschätzung Dkumentatin. [D] Flgerungen Analyse [D.01] [D.02] Welchen Alltagsbezug hat diese Thematik? Im Eingangsbild (Bild 01) sehen Sie ein Bild vn einem Hauseingang in Palerm (Sizilien). Was sieht man auf diesem Bild welchen physikalischen Hintergrund können Sie hier frmulieren? Finden Sie Analgien zwischen Wasserströmen und elektrischen Strömen! franz kranzinger DataStudi

6 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc Schaltungs-Beispiele ϕ=6v Schaltung 01 Schaltung 02 9V 4,5V Schaltung 03 Schaltung 04 3 V 6 V L1 L4 L3 L5 L8 L6 L2 L7 Schaltung 05 Schaltung 06 franz kranzinger DataStudi

7 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc Reihenschaltung Versuchsmaterial Netzgerät 0-14V/0,5A U-I-Sensr des Xplrer-GLX - Vltmeter bis 10V und Amperemeter bis 1A Widerstände 10 Ω; 20 Ω; 40 Ω je 2 W in Steckergehäuse Widerstand 200Ω/2W regelbar Lampe 3,8V/0,07A mit Fassung passend zum Steckbrett Kabel Steckbrett Kurzschlussstecker passend zum Steckbrett. Arbeitsauftrag A Das Team baut aus dem vrliegenden Material auf dem Steckbrett eine Reihenschaltung aus drei Widerständen 10 Ω, 20 Ω und 40 Ω auf. Die Strmstärke wird an verschiedenen Stellen des unverzweigten Strmkreises untersuchen. Die Teams recherchieren, was man unter der s genannten Maschenregel in der E-Lehre versteht und diskutieren den physikalischen Hintergrund der Maschenregel. Auf dem Hintergrund der Maschenregel werden Vrhersagen bzgl. des Ptenzials an markanten Punkten in dem vrliegenden unverzweigten Strmkreis gemacht. Das Nullptenzial kann man im Prinzip an jeder Stelle im Strmkreis festlegen. In diesem Experiment sll das Nullptenzial am Minuspl des Netzgeräts festgelegt werden. Welchen kleinen Vrteil hat diese Festlegung? Diese Vrhersagen werden im Experiment überprüft. Arbeitsauftrag B Das Team berechnet den Ersatzwiderstand (Gesamtwiderstand) der bigen Reihenschaltung. Der Regelwiderstand wird auf den Wert des Ersatzwiderstandes eingestellt der ein passender Ersatzwiderstand wird gesucht UND in Reihe mit der bigen Anrdnung geschaltet. Welche Veränderung in der Strmstärke erwarten man dann? Diese Vrhersage wird im Experiment nachgeprüft. Arbeitsauftrag C Das Team sll mit der Lampe 3,8V/0,07A und dem Regelwiderstand 200 Ω eine Reihenschaltung auf. Dazu wird der Widerstandswert berechnet, den man am regelbaren Widerstand einstellen muss, sdass die Lampe 3,8V/0,07A gemäß den Sllwerten leuchtet, wenn an die Reihenschaltung eine Spannung vn 9 V angeschlssen wird? Dieser Widerstandswert wird berechnet und in die Schaltung in Reihe mit der Lampe eingebaut. Das Team berechnet die Teilspannungen, die es an dem Vrwiderstand und an der Lampe erwarten. Im Experiment wird überprüft, b sich die Vrhersage erfüllen. Lernzielkntrllen Was kann man über die Strmstärke in einer Reihenschaltung aussagen? Wie lautet die entsprechende Gleichung? Was gilt für die Teilspannungen an den Bauteilen der Reihenschaltung? Welche allgemeine Frmel beschreibt den Ersatzwiderstand bei einer Reihenschaltung? Wie kann man den Messbereich des Xplrer-GLX-Vltmeters vn 10 Vlt s erweitern, dass man damit eine Spannung bis 100 kv messen kann? Kann man mit dieser Messbereichserweiterung die Spannung einer Influenzmaschine bestimmen? franz kranzinger DataStudi

8 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc Parallelschaltung Versuchsmaterial Netzgerät 0-10 V/ 1 A U-I-Sensr des Xplrer-GLX - Vltmeter bis 10V und Amperemeter bis 1A Widerstände 500 Ω; 270 Ω; 180 Ω, 100Ω, 10Ω - je 2 W in Steckergehäuse Messwiderstand 1Ω - 0,5Ω mit Kühlgehäuse! Steckbrett Kabel Kurzschlussstecker passend zum Steckbrett. U Arbeitsauftrag A In Schulbüchern findet man u.a. flgende Frmulierung: 1. Unter dem Ohmschen Gesetz versteht man die direkte Prprtinalität zwischen der Strmstärke und der angelegten Spannung. in einem anderen Buch steht 2. Das Ohmsche Gesetz lautet R = U/I Zeige, dass diese Frmulierungen nicht richtig sind. Was hat der Physiklehrer Gerg Simn Ohm nun tatsächlich entdeckt? Bei welchen Leitern gilt die Aussage U ~ I der R = knstant? Durch welche Daten werden alle anderen Bauteile beschrieben? Wie sehen im Prinzip alle Kennlinien vn Energiesenken (Technische Widerstände, Lampen, Kaltleiter, Heißleiter, VDE-Widerstände) aus? Wie sehen im Prinzip die Kennlinien vn Energiequellen (Batterie, Slarzelle, Peltier-Element, Brennstffzelle) aus? Arbeitsauftrag B Wie lautet die Kntenregel? Wie lautet die Maschenregel? Welche Vrhersagen kann man mit diesen beiden Regeln im vrliegenden verzweigten Strmkreis machen? Werden die Vrhersagen im Experiment verifiziert? Arbeitsauftrag C Wie könnte man den Messbereich des U-I-Sensrs vn 1A auf 5A erweitern? Wie könnte man mit dem Vltmeteranschluss, der beim Xplrer-GLX direkt angeschlssen werden kann, die Strmstärke bis 10 A messen? franz kranzinger DataStudi

9 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc Schaltungen Versuchsmaterial Netzgerät 10V/0,5A Ptentimeter 200Ω/2W Widerstand 500 Ω LDR 03 NTC 1 kω U-I-Sensr Xplrer-GLX Datastudi-Sftware Steckbrett Glühlampe 3,8 V/0,1A mit SteckFassung. Arbeitsauftrag A 10 V 10 V (a.1) Ptentimeter (a.2) Ptentimeter mit Vrwiderstand Welche Spannungen kann man mit dem Vltmeter messen? Welche Strmstärke kann man mit dem Amperemeter messen? Welchen Einfluss haben hierbei die Innenwiderstände der Messgeräte? Arbeitsauftrag B 10 V 10 V (b.1) (b.2) Welche Spannungen kann man mit dem Vltmeter messen? Welche Strmstärke kann man mit dem Amperemeter messen? Welchen Einfluss haben hierbei die Innenwiderstände der Messgeräte? franz kranzinger DataStudi

10 FK030 Knten-Maschenregel.dcFK030 Knten-Maschenregel.dc Arbeitsauftrag C (c.1) U=10V (c.2) U=10V Wie verhält sich die Schaltung bei unterschiedlicher Beleuchtung der LDR? Welche Spannungswerte ergeben sich bei Variatin der Lichtstärke? Welche Strmstärke kann man hierbei mit dem Amperemeter messen? Welchen Einfluss haben hierbei die Innenwiderstände der Messgeräte? Arbeitsauftrag D (D) Wie verhält sich die Schaltung bei unterschiedlicher Temperatur des NTC-Widerstandes? Welche Spannungswerte ergeben sich bei Variatin der Temperatur? Welche Strmstärke kann man hierbei mit dem Amperemeter messen? Welchen Einfluss haben hierbei die Innenwiderstände der Messgeräte? Arbeitsauftrag E Sie sllen eine Lampe (Sllwerte: 3,8V/0,07A) an eine Spannung vn 10 V anschließen. Welche Möglichkeiten sind hier möglich. Zeichnen Sie eine Schaltskizze. Berechnen Sie den Vrwiderstand. Verifizieren Sie Ihre Vrhersage im Experiment! Arbeitsauftrag F Sie sllen den Innenwiderstand des Vltmeters und des Amperemeters bei dem U-I-Sensr des Xplrer-GLX bestimmen. franz kranzinger DataStudi

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