Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation Materialien für den Unterricht

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1 NEU Vision-Ing /11 Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation Materialien für den Unterricht Detaillierte Darstellung von Zielstellung, Vorgehensweise sowie Lösungen und Ergebnissen, aber auch des Umgangs mit besonderen Herausforderungen. Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Informationen 2. Zusammenfassung 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung 3.2. Beschreibung der Projektarbeit 3.3. Aufgabenverteilung / Kommunikation 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, andere Unterlagen 6. Quellen und Recherchen 7. Datum und Unterschrift Seite 1 von 21

2 1. Allgemeine Informationen Thema: Kennenlernen der Größen Strom, Spannung und Widerstand. Reihen-und Parallelschaltung Bearbeitet von Jahrgangsstufe: 5 und 6 Schulart: Gymnasium Bearbeitet im Fach: Physik Themengebiet: Strom, Spannung, Widerstand; Benötigte Vorkenntnisse: Keine Erforderliche technische Ausstattung: Strom- und Spannungsmessgerät, Spannungsquelle; verschiedene Lämpchen; Kabel. Wurden Experimente durchgeführt? 1) Einfacher Stromkreis mit verschiedenen Batterien und verschiedenen Lämpchen 2) Messung der Stromstärke vor und nach dem Lämpchen im einfachen Stromkreis 3) Kennlinie eines Lämpchens: Messung der Stromstärke im einfachen Stromkreis bei verschiedenen Spannungen und Berechnung des jeweiligen Widerstands 4) Messung der Stromstärke bei einer Reihenschaltung von einem, zwei und drei Birnchen 5) Messung der Teilspannungen bei einer Reihenschaltung von einem, zwei und drei Birnchen 6) Messung der Teilspannungen bei einer Parallelschaltung von zwei Lämpchen. 7) Messung der Gesamtstromstärke und der Teilstromstärken bei einer Parallelschaltung von zwei Lämpchen 8) Messung der Teilspannungen bei einer Parallelschaltung von einem Lämpchen zu zwei Lämpchen in Reihe Seite 2 von 21

3 Wurde ein Modell / Objekt gebaut? Die obigen Versuche werden mithilfe von zwei Schaltbrettern durchgeführt werden. Um eine ungefähre Größenvorstellung zu haben, wurde mit Legobausteinen ein Modell von zwei Schaltungen erstellt. Blau: Spannungsquelle Rot: Kabel Gelb: Birnchen Schwarz: Anschlüsse für die Messgeräte Blau: Spannungsquelle Weiß: Kabel Rot: Birnchen Gelb: Taster, um die Lämpchen zu überbrücken Seite 3 von 21

4 Die fertig gebauten Schaltbretter sehen so aus. Seite 4 von 21

5 Hier soll die Vision-Ing21-Projektarbeit kurz und knapp zusammengefasst werden. 2. Zusammenfassung Das Albrecht-Ernst-Gymnasium hat in den letzten Jahren oft sehr erfolgreich am Vision-Ing Wettbewerb teilgenommen. Da einige der im letzten Jahr teilnehmenden Schüler Abitur gemacht haben und die übrigen Schüler in diesem Jahr Abitur machen, musste eine neue Schülergruppe zusammengestellt werden. Dazu stellten die bisherigen Teilnehmer den Schülerwettbewerb Vision-Ing in den Klassen 5 und 6 vor. Die interessierten Schüler trafen sich dann immer einmal pro Woche nachmittags. Die Teilnahme am Vision-Ing Wettbewerb war freiwillig. Das Partnerunternehmen war wie im letzten Jahr die Firma N-Ergie, die auch beispielsweise bei den P-Seminaren mit der Schule zusammenarbeitet. Da die Schüler noch keine Erfahrung mit dem Fach Physik haben, wurde das Themengebiet von Herrn Klotz, dem betreuenden Lehrer und Herrn Schwarz, dem Ansprechpartner der Firma N-Ergie vorgeschlagen. Die genauen Inhalte ergaben sich dann während der ersten gemeinsamen Nachmittage. Die Schüler haben sich während des Projekts intensiv mit den Größen Spannung, Stromstärke und Widerstand auseinandergesetzt und können jetzt sicher einfache Schaltungen aufbauen und Messungen vornehmen. Auch können sie die Messergebnisse erklären und andere Messergebnisse voraussagen. Die beiden Schaltbretter wurden gebaut und funktionieren einwandfrei. Die dazu erstellten Übungsblätter können im Unterricht eingesetzt werden. Hier soll die Projektarbeit dokumentiert werden. Die Fragestellungen sollen bei der Verfassung des Berichts weiterhelfen. Seite 5 von 21

6 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung Das Ziel des Projekts war der Bau weniger Schaltkreise, mit denen möglichst viele verschiedenartige Versuche durchführbar sind. Die Schaltkreise sollten so gebaut werden, dass die Versuche später im Unterricht von Schülern durchgeführt werden können. Des Weiteren sollten die Schüler die Versuche mithilfe eines einfachen Modells erklären können. Mit den beiden gebauten Schaltkreisen können alle beschriebenen Versuche durchgeführt werden. Bis auf die Kennlinie eines Glühbirnchens können alle Versuchsergebnisse beispielsweise mit dem Lastwagenmodell (siehe hinten) erklärt werden. In Klasse 7 werden die Größen Stromstärke, Spannung und Widerstand eingeführt. In Klasse 8 beschäftigt man sich dann mit der Reihenschaltung und der Parallelschaltung. Also können die beiden Schaltkreise und die dazu erstellten Übungsblätter optimal im Unterricht eingesetzt werden Beschreibung der Projektarbeit Beim ersten Treffen stellte der betreuende Lehrer Herr Klotz und Herr Schwarz, der Ansprechpartner der Firma N-Ergie den Schülern das Themengebiet vor. Hierzu wurden verschiedene Stromkreise aufgebaut und Schaltskizzen an die Tafel gezeichnet. Seite 6 von 21

7 Da die Schüler erst ab der 7. Klasse Physikunterricht haben, mussten sie sich zuerst die notwendigen Grundkenntnisse der Größen Stromstärke, Spannung und Widerstand erarbeiten. Dies geschah im Computerraum mittels Internetrecherche. Dabei setzten sich zwei Modelle durch: Das Bienenmodell: Die Bienen sammeln auf einer Wiese in einem Eimer den Honig und fliegen damit zurück zum Bienestock, leeren den Eimer und fliegen wieder zur Wiese. Je ertragsreicher die Wiese, umso voller ist der Honigeimer und umso größer ist die Spannung. Die Bienen entsprechen den Elektronen, je mehr Bienen fliegen, umso größer ist die Stromstärke. Der Bienenstock entspricht dem Lämpchen bzw. dem Widerstand. Das Lastwagenmodell: Im Lagerhaus werden Lastwägen mit Energiepaketen beladen, je mehr Energiepakete auf dem Lastwagen sind, umso größer ist die Spannung. Die Lastwägen entsprechen den Elektronen, je mehr Lastwägen fahren, umso größer ist die Stromstärke. Die Energiepakete werden beim Kunden abgeliefert, die Kunden entsprechen also den Lämpchen bzw. den Widerständen. Internetrecherche im Computerraum Laura und Anika stellen das Bienenmodell vor. Seite 7 von 21

8 Beim 3. Treffen wurden an eine Batterie verschiedene Birnchen angeschlossen, die dann unterschiedlich hell geleuchtet haben. Erklärung: Bei manchen Kunden geht das Abladen der Energiepakete schneller, es können also mehr Lastwagen fahren, insgesamt werden also in der gleichen Zeit mehr Energiepakete abgeladen. Beim nächsten Versuch wurde das gleiche Birnchen an verschiedene Batterien angeschlossen. Das Birnchen leuchtet wieder unterschiedlich hell. Erklärung: Bei der größeren Spannungsquelle werden mehr Energiepakete aufgeladen. Die Schüler haben soeben ihren ersten einfachen Stromkreis aufgebaut. Versuch: Verschiedene Birnchen leuchten unterschiedlich hell. Seite 8 von 21

9 Beim 4. Treffen wurde im einfachen Stromkreis die Stromstärke vor und nach dem Birnchen gemessen. Ergebnis: Die Stromstärke bleibt gleich, es gibt keinen Stromverbrauch. Erklärung: Vor und nach dem Lämpchen fahren gleich viele Lastwägen, beim Lämpchen werden nur die Energiepakete abgeladen. Die Stromstärke ist vor und nach dem Lämpchen gleich groß. Beim 5. Treffen wurde die Kennlinie eines Glühbirnchens bestimmt. Dazu wurde bei verschiedenen Spannungen die Stromstärke gemessen und damit der Widerstand berechnet. Spannung U 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V Stromstärke I 0,115 A 0,195 A 0,256 A 0,311 A 0,456 A 0,400 A Widerstand R=U/I 8,70 Ω 10,26 Ω 11,72 Ω 12,86 Ω 14,04 Ω 15,00 Ω Ergebnis: Je größer die Spannung, umso größer der Widerstand des Lämpchens. (Erklärung: Es dauert länger, falls mehr Energiepakete abgeladen werden müssen.) Messen der Stromstärke bei verschiedenen Spannungen und Berechnung des Widerstands Seite 9 von 21

10 Laura erhöht die Spannung. Anna-Lena berechnet den Widerstand. Anika notiert die Ergebnisse. Die beiden Gruppen und die jeweilige Versuchsanordnung. Seite 10 von 21

11 Beim 6. Treffen wurde die Stromstärke in einer Reihenschaltung von einem, zwei und drei Birnchen gemessen. Ergebnis: Je mehr Lämpchen, desto kleiner die Stromstärke. Erklärung: Müssen die Lastwägen mehrere Kunden beliefern, so brauchen sie länger und die Stromstärke sinkt. Ein Lämpchen bei der Spannung 5 V: Stromstärke: 0,22 A Das Lämpchen leuchtet hell. Zwei Lämpchen in Reihe bei der Spannung 5V: Stromstärke: 0,16 A Die Lämpchen leuchten weniger hell. Drei Lämpchen in Reihe bei der Spannung 5V: Stromstärke: 0,13 A Die Lämpchen leuchten noch schwächer. Seite 11 von 21

12 Außerdem wurden noch die Teilspannungen in einer Reihenschaltung von einem, zwei und drei Birnchen gemessen. Ergebnis: Die Gesamtspannung verteilt sich auf die Spannungen der einzelnen Lämpchen. Erklärung: Bei jedem Kunden wird ein Teil der Energiepakete abgeladen. Ein Lämpchen: Die Spannung am Lämpchen beträgt 4V. Das Lämpchen leuchtet hell. Zwei Lämpchen in Reihe: Die Spannung beträgt an jedem Lämpchen 2V. Die Lämpchen leuchtet weniger hell. Drei Lämpchen in Reihe: Die Spannung beträgt an jedem Lämpchen 1,3V. Die Lämpchen leuchten noch schwächer. Seite 12 von 21

13 Beim 7. Treffen wurden die Teilstromstärken und die Gesamtstromstärke bei einer Parallelschaltung von zwei Lämpchen gemessen. Ergebnis: Die Gesamtstromstärke teilt sich auf in die beiden Teilstromstärken. Erklärung: Bei der Verzweigung fährt von zwei Lastwägen der eine nach oben und der andere nach unten. Das linke Messgerät misst die Gesamtstromstärke: 0,4 A Das rechtes Messgerät misst eine Teilstromstärke: 0,2 A Außerdem wurden noch die Teilspannungen bei einer Parallelschaltung von zwei Lämpchen gemessen. Ergebnis: Die beiden Teilspannungen sind genauso groß wie die Gesamtspannung. Erklärung: Jeder Lastwagen lädt alle seine Energiepakete beim Kunden ab. Beide Lämpchen leuchten noch hell. Teilspannungen und Gesamtspannung sind gleich groß. Seite 13 von 21

14 Beim 8. Treffen wurde ein Birnchen zu zwei Birnchen parallel geschaltet und die Teilspannungen gemessen. Ergebnis: Bei dem einzelnen Lämpchen ist die Spannung doppelt so groß. Erklärung: Die Energiepakete müssen bei dem einzelnen Birnchen nicht auf zwei Kunden verteilt werden. Spannung beim einzelnen Lämpchen der Parallelschaltung etwa 1,5V. Spannung bei den zwei dazu parallel geschalteten Lämpchen etwa je 0,7V. Seite 14 von 21

15 In den folgenden Nachmittagen wurden die Übungsblätter erstellt. Die Schaltskizzen haben die Schüler mit geogebra erstellt. Seite 15 von 21

16 In der Werkstatt der Firma N-Ergie in Nürnberg wurden die vorgefertigten Teile noch von den Schülern zusammengeschraubt und die fertigen Schaltungen getestet. Außerdem wurde gemeinsam Mittag gegessen und die Firma besichtigt. Herr Blöck, derwerkstattleiter, begrüßt die Schüler und erklärt den Tagesablauf Eines der 4 Schaltbretter, noch ohne Leitungen Nach einer kurzen Einführung wurde gearbeitet. Seite 16 von 21

17 Jasmin, Anna-Lena, Laura, Tim-Pius und Anika befestigen die Leitungen Marc beim Schrauben. Sabine hat es fast geschafft. Seite 17 von 21

18 Die Ösen werden flach gedrückt. Auch Anna-Lena zeigt ihr handwerkliches Können. Das fertige Schaltbrett für die Versuche beim einfachen Stromkkreis. Das fertige Schaltbrett für die Versuche Bei der. Die Firma N-Ergie wurde vorgestellt. Danach wurde in der Kantine gegessen. Seite 18 von 21

19 Firmenbesichtigung: Die Schülergruppe und der betreuende Lehrer, Herr Klotz Abschlussfoto: Ganz links steht der Auszubildende, der die Schülergruppe beim Bau der Schaltkreise unterstützt hat und den Betriebsbesichtigung durchgeführt hat. Seite 19 von 21

20 3.3. Aufgabenverteilung/Kommunikation Bei der Internetrecherche am Anfang des Projekts haben die Schüler alleine oder in Zweiergruppen gearbeitet. Die Ergebnisse wurden danach der gesamten Gruppe vorgestellt. Bei den Versuchen gab es meist 2 Gruppen, die den gleichen Versuch parallel durchgeführt haben. Die Arbeitsblätter wurden alleine oder in Zweiergruppen erstellt. Die Schülergruppe hat sich regelmäßig einmal pro Woche getroffen. Zusätzlich waren zwei Treffen mit Herrn Schwarz an der Schule in Oettingen. 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug Herr Schwarz von der Firma N-Ergie hat vor allem am Anfang bei der Zusammenstellung der Versuche geholfen. Durch den wöchentlichen Austausch von s wurde Herr Schwarz über den aktuellen Stand informiert. Auch hat Herr Schwarz die notwendigen Materialien zum Bau der Schaltkreise besorgt und den Werkstattbesuch organisiert. Beim Werkstattbesuch wurde die Schülergruppe ständig von einem Auszubildenden betreut. 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, Arbeitsblätter, andere Unterlagen Siehe Anlage: Arbeitsblätter mit Musterlösung. 6. Quellen und Recherchen Lastwagenmodell: Bienenmodell: Seite 20 von 21

21 7. Datum und Unterschrift Datum Unterschrift(en): Für die sachliche Richtigkeit: Unterschrift des Lehrers Seite 21 von 21