Demonstrationsexperimente WS 04/05. Thema: Die Temperaturabhängigkeit des Widerstands Kerstin Morber 04. Februar 2005

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1 Demonstrationsexperimente WS 04/05 Thema: Die Temperaturabhängigkeit des Widerstands Kerstin Morber 04. Februar Versuchsbeschreibung Es soll untersucht werden, ob der mit steigender Stromstärke anwachsende Widerstand eines Eisendrahtes durch die vom elektrischen Strom bewirkte Erwärmung verursacht wird. Zu diesem Zweck wird zunächst der Stromfluss durch den Eisendraht bei steigenden Spannungswerten gemessen und notiert. Anschließend wird der Eisendraht in ein Wasserbad getaucht und damit auf annähernd konstanter Temperatur gehalten. Nun wird erneut die Stromstärke im Stromkreis bei steigenden Spannungswerten gemessen, notiert und aus den Quotienten von Spannung und Strom jeweils der Widerstand berechnet. Der Versuch zeigt exemplarisch für einen Eisendraht ( induktives Vorgehen), dass U = R = const. das Ohmsche Gesetz: I für alle Metalle nur gilt, solange ihre Temperatur konstant bleibt Materialliste Strommessgerät ( ~10A) Spannungsmessgerät ( ~ 10V) DC Netzwürfel = Stelltrafo mit Gleichrichter ( 20 V; 12 A) 5 Messkabel ca. 1m Eisendraht ( Ò 0,2), in der Mitte aufgewendelt 1 runde pneumatische Wanne aus Glas 2 Stativstangen, l = 40cm 2 Isolierklemmen 2 Kreuzmuffen 2 Stativfüße für die Stativstangen 1.2. Aufbau Schaltbild: KOPIE DES SCHALTBILDES WIRD NOCH EINGEKLEBT 1

2 Der Versuchsaufbau erfolgt ähnlich Abb.1. Zwischen den beiden Verteilerstützen befindet sich ein Stück Eisendraht, das über einem Bleistift zu einer Wendel gewickelt wurde. Das Becherglas wird soweit mit Wasser gefüllt, dass der Draht vollständig eintaucht. ( bei Vorführung lediglich Eisendraht anders angebracht als hier gezeigt!) KOPIE DES VERSUCHSAUFBAUS 1.3. Durchführung Bei der ersten Messreihe nimmt man die U-I-Kennlinie des Drahtes noch ohne Wasserkühlung auf. Dazu erhöht man die Spannung schrittweise von 0 auf etwa 7 Volt und liest die zugehörigen Stromstärken ab. Schon bei 7 Volt ist an der U-I-Kennlinie zu erkennen, dass sich kein linearer Zusammenhang mehr zwischen Spannung und Strom ergibt. Man kann die Spannung auch noch weiter erhöhen auf ca. 10 Volt, allerdings ist der Eisendraht dann sehr stark erhitzt oder könnte durchschmoren. Der Abkühlvorgang vor Beginn der 2. Messung dauert dementsprechend länger. Die gemessenen Werte des Stromdurchgangs im Eisendraht werden in einer Tabelle notiert und in einer weiteren Zeile gleich der Quotient U/I gebildet. Bei der zweiten Messreihe taucht man den Draht nun vollständig in das Wasser im Becherglas ein. Auch hier wird die Spannung schrittweise von 0-7 V erhöht und die zugehörigen Stromstärken und der Quotient U/I in eine Tabelle eingetragen. Bei den Messungen empfiehlt es sich gelegentlich zu Rühren, um die Temperaturverteilung in der Wanne auszugleichen und so die Kühlfunktion des Wassers optimal zu nutzen 1.4. Beachtenswertes Das Wasser der Glaswanne reicht nicht aus, um den Draht auf konstanter Temperatur zu halten. Um die Temperatur aber so gering wie möglich zu halten, empfiehlt es sich, keinen zu kleinen oder engen Wasserbehälter zu nehmen und auf ausreichend kaltes Leitungswasser zu achten. 2

3 Da der Draht gerade für Schüler aus den hinteren Reihen schlecht sichtbar ist, kann man ihn durch angeklebte Fähnchen sichtbar machen und für eine weiße Fläche hinter dem Wasserbehälter sorgen, dort kann sich der Draht farblich besser abheben. Ebenfalls vorstellbar ist, den Versuchsaufbau mittels eines Overhead-Projektors den Aufbau an eine Wand zu projizieren. 2. Lernvoraussetzungen Die Schüler kennen die Begriffe Spannung, Strom und Widerstand Die Schüler kennen Messgeräte zur Bestimmung von Spannung und Strom Die Schüler kennen die drei Kriterien der direkten Proportionalität Die Schüler kennen das Ohmsche Gesetz Die Schüler wissen von der Erwärmung eines Drahtes bei Stromdurchgang 3. Lernziele 3.1. Grobziele Die Schüler sollen erkennen, dass physikalische Gesetze nur innerhalb gewisser Grenzen gültig sind Die Schüler sollen die Abhängigkeit des Widerstands im Eisendraht von der Temperatur und die daraus für die Stromstärke resultierenden Folgen quantitativ beschreiben können Feinziele Die Schüler sollen die U-I-Kennlinie eines Eisendrahts, der a) nicht temperiert, b) temperiert ist, kennen und interpretieren lernen. Die Schüler sollen die mögliche Ursache nennen können, die den Widerstand des Drahtes beeinflusst Die Schüler sollen einsehen, dass mit Hilfe eines Wasserbeckens die Temperatur eines stromdurchflossenen Eisendrahtes annähernd konstant gehalten werden kann 4. Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema Die zugrunde liegende Unterrichtseinheit handelt von den Grundlagen der Elektrizitätslehre und Modellvorstellungen. Es wird Bezug genommen auf das Ohmsche Gesetz und sein Gültigkeitsbereich eingeschränkt. 3

4 5. Experimentelle Alternativen Um die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur zu zeigen, kann man auch gänzlich auf das Wasserglas verzichten und stattdessen den Draht mit einem Bunsenbrenner heizen. In diesem Experiment ist der Eisendraht mit einer Glühlampe in Reihe geschaltet, die vor dem Heizen mäßig hell leuchtet. Erwärmt man den Eisendraht mit dem Bunsenbrenner, so nimmt die Helligkeit der Lampe immer mehr ab, bis sie schließlich nicht mehr leuchtet. Wird der Bunsenbrenner entfernt, so fängt die Lampe allmählich wieder an zu leuchten. Die Beobachtungen stehen im Zusammenhang mit dem erniedrigten Leitwert des Eisendrahtes bei Erwärmung, so dass schließlich die noch durchgelassene Stromstärke nicht mehr ausreicht, um die Glühlampe zum Leuchten zu bringen. Zwar würde sich der Draht auch ohne Bunsenbrenner erwärmen, jedoch ist der Vorgang mit Brenner schneller und für die Schüler einsichtiger. 6. Notwenige Modifikation beim Einsatz als Schülerexperiment Das Experiment kann komplett von Schülern durchgeführt werden. Da nur mit Spannungen von bis zu 10V gearbeitet werden muss, besteht hier keine Gefahr. Man kann den Schülern Netzgeräte an die Hand geben, die auf solche Spannungen begrenzt sind. 7. Unterrichtsverfahren Problemorientierter Unterricht; z.b. Normalverfahren nach Mothes 7.1. Sozialform Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperimenten 7.2. Lehr- und Lernformen - unmittelbare Lehrform: darbietend, bei der Demonstration, erarbeitend, bei der Ursachenforschung 7.3. Einstieg und Motivation Welches Material wird in Stromkabeln verwendet? Warum nimmt man keine Eisendrähte als Stromkabel? 4

5 7.4. Herauszuarbeitende Problemfragen und Hypothesen Warum wird die U-I-Kennlinie mit wachsender Spannung flacher? Widerstand im Draht wird größer mit steigender Spannung Warum wird der Widerstand im Draht größer? Der Draht erwärmt sich aufgrund stärkeren Stromflusses Der Widerstand ist eine temperaturabhängige Materialeigenschaft Die Problemfragen und Hypothesen sind immer vom gewählten Einstieg abhängig! Da mein Einstieg darauf abzielt, zu erklären, warum nicht Eisendrähte als Stromkabel verwendet werden sondern Kupferdrähte, muss die zu erarbeitende Problemfrage lauten: Wie verhält sich ein Eisendraht bei Stromdurchfluss? 8. Sicherung der Lernziele: siehe Hefteintrag 9. Lernzielkontrolle Hausaufgabe: Zeichne eine U-I-Kennlinie für a) einen ohmschen Widerstand der Größe 2,0 b) einen nicht-ohmschen Widerstand der Größe 2,0 ( qualitativ) und nenne eine mögliche Ursache für den unterschiedlichen Verlauf der Kennlinien! 5

6 Wie verhält sich Eisendraht bei Stromfluss? Versuchsaufbau: SCHALTBILD WIRD NOCH EINGEZEICHNET! Stromkreis mit Eisendraht als Widerstand; Messung 1: Wir variieren die Spannung und messen jeweils die Stromstärke I U[V] I[A] U/I =R [ç] U-I-Kennlinie 1 I [A] Beobachtung: Für kleine Spannungen ist die Kurve eine Gerade; mit wachsender Spannung krümmt sie sich der Widerstand wächst mit der Spannung U [V] mögliche Ursachen: Erwärmung des Drahtes durch Stromfluss Messung 2: Analog Messung 1, nur dass wir den Eisendraht diesmal in ein Wasserbecken tauchen und kühlen U [V] I [A] U/I =R zugehörige U-I-Kennlinie 2 in obigem Diagramm Beobachtung: Die Kennlinie ist annähernd eine Gerade Wird der Eisendraht gekühlt, so bleibt sein Widerstand beinahe konstant Merke: Der Widerstand ist eine temperaturabhängige Größe Leiter, deren Widerstand bei konstanter Temperatur gleich bleibt, heißen ohmsche Leiter ; für sie gilt das Gesetz von Ohm: R= I U = konstant Für den von uns untersuchten Eisendraht, sowie für alle Metalle gilt das Ohmsche Gesetz, jedoch nur solange ihre Temperatur konstant bleibt. 6

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