Allgemein bildendes Gymnasium

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1 Bildungsplan 2004 Allgemein bildendes Gymnasium Umsetzungsbeispiel für Physik Auszug aus der Handreichung PH 40 sowie Inhaltsverzeichnis des gesamten Heftes Heft PH 40 ist erschienen in der Reihe Materialien Gymnasium (Blaue Reihe) des Landesinstituts für Schulentwicklung März 2006 LANDESINSTITUT FÜR SCHULENTWICKLUNG

2 Inhaltsverzeichnis LERNEN AN STATIONEN IM PHYSIKUNTERRICHT VORBEMERKUNGEN DER DIDAKTISCHE ORT VON LERNZIRKELN ZUSAMMENSTELLUNG DER STATIONEN AUSWAHL DER MATERIALIEN VORBEREITUNG DER SCHÜLERINNEN AUF DIE ARBEIT AN STATIONEN ORGANISATORISCHE HINWEISE ZUR DURCHFÜHRUNG DES LERNZIRKELS...8 Beispiel eines Laufzettels NACHBEREITUNG DES LERNZIRKELS IM UNTERRICHT ABSCHLUSSBEMERKUNGEN LERNZIRKEL IM ÜBERBLICK LERNZIRKEL 1. Lernzirkel Akustik Klasse Lernzirkel Optik Klasse 7/ Klasse Lernzirkel Entropie Klasse 9/ Lernzirkel Elektromagnetische Induktion Klasse LITERATUR Die Begleit-CD enthält die Arbeitsblätter als Kopiervorlagen ohne Seitenzahl sowohl als PDF-Druckdatei als auch als DOC zur Adaption an den eigenen Unterricht bzw. zur ggf. notwendigen Materialanpassung.

3 Klassenstufe 7/8 Ziele und Hinweise Ziele Bezug zu den Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler sollen u.a. die Wirkung einer stromdurchflossenen Spule als Elektromagnet erkennen und physikalisch beschreiben können. (1) die Anwendungen von Elektromagneten in verschiedenen elektrischen Geräten des Alltags erkennen. (10) die Funktion verschiedener Alltagsgräte physikalisch beschreiben können. (1) * Die Zahlen beziehen sich auf die Nummerierung der Kompetenzen in den Bildungsstandards der klasse 8. Hinweis Dieser Lernzirkel ist als Anwendungszirkel konzipiert. Im Unterricht der Klasse 7 wurde nach dem Curriculum unserer Schule im Rahmen von Strukturen und Analogien (9) das Konzept Strom-Antrieb-Widerstand und dabei auch die elektrische Stromstärke behandelt. Mit diesem Lernzirkel sollen Schülerinnen und Schüler die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms erleben, indem sie sich handlungsorientiert mit den Anwendungen auseinandersetzen. Der Lernzirkel wurde von mir am Ende des Schuljahres der Klasse 7 eingesetzt. Durch die längere selbsttätige Arbeitsphase blieb die Motivation auch in dieser oft schwierigen Unterrichtszeit noch recht hoch. 41

4 Klassenstufe 7/8 Unterrichtsverlauf 1. Einstiegsversuch Ein einfacher Demonstrationsversuch zeigt: Es gibt offensichtlich einen Zusammenhang zwischen den Phänomenen Elektrizität und Magnetismus. Je nach Richtung des elektrischen Stroms wird der Stabmagnet auf dem Wagen abgestoßen oder angezogen. 2. Zwei Schülerversuche Versuch 1: Schülerinnen und Schüler untersuchen handlungsorientiert in Zweiergruppen mit einem Taschenkompass und einer 4,5 V Flachbatterie die Umgebung eines stromdurchflossenen geraden Leiters (Versuch von Oersted, siehe z.b Dorn / Bader S I S. 214 oder Lehrbuch Der Karlsruher Physikkurs Bd.2 S.58) Versuch 2: Schülerinnen und Schüler untersuchen mit den Materialien aus Versuch 1 die Umgebung einer stromdurchflossenen Spule (z.b. Stecksystem der Fa. Leybold) und dokumentieren Ihre Ergebnisse Der Versuch nach Oersted mit Flachbatterie links und Taschenkompass rechts 3. Demonstrationsversuch Die Strukturen der magnetischen Felder von stromdurchflossenem Draht und Spule, werden mit Eisenfeilspänen sichtbar gemacht. Der Fachbegriff Elektromagnet wird eingeführt. 4. Durchführung des Lernzirkels Arbeit an den Stationen Dokumentation Vorstellen der Ergebnisse an den Stationen durch einzelne Gruppen 42

5 Aushang Übersicht zum Lernzirkel Allgemeine Hinweise Lies erst den Arbeitsauftrag genau durch, bevor du mit der Arbeit beginnst. Du arbeitest selbständig in festen Zweiergruppen (nur in Ausnahmefällen Dreiergruppen) an verschiedenen Stationen. Jede Station ist zweimal aufgebaut. Zum schriftlichen Bearbeiten gehst du an deinen Platz, um die Station für andere freizumachen. Du kannst mit deiner Gruppe die Stationen frei auswählen und musst nicht alle Stationen bearbeiten. Es gibt aber Pflichtstationen. Arbeitszeit pro Station: ca. 1 Unterrichtsstunde. Für diesen Lernzirkel sind 4-5 Unterrichtsstunden vorgesehen. Zusatzaufgaben sind zu bearbeiten, wenn du noch Zeit hast! Nach dem Lernzirkel musst du eine Station deinen Mitschülern vorstellen. Eine Woche danach sammelt der Lehrer alle Arbeitsmappen ein. Stationen Station 1 Sicherungsautomat 5x Station 2 Elektrischer Türgong 2x Station 3 Modell: Elektromotor 2x Station 4 elektrische Klingel 2x Station 5 Autohupe 2x Station 6 Ampèremeter 2x Station 7 Relais 5x Folgende Stationen müssen 1 und 7 bearbeitet werden: 2 oder 3 4 oder 5 Wahlstation 6 Diese Hinweise für Schüler zum Ablauf des Lernzirkels werden an zentraler Stelle des Unterrichtsraumes zusammen mit einer Schülernamensliste als Laufzettel ausgehängt. 43

6 Station 1: Aufgabenblatt Sicherungsautomat Material: Lämpchen 3,5 V/0,2 A und Fassung; Flachbatterie 4,5 V; Bimetallstreifen; 2 Isoliertischfüße, Kabel, Streichhölzer. Aufgabe 1: Aufgabe 2: Aufgabe 3: Informiere dich wie ein Bimetallschalter funktioniert: Lehrbuch Dorn/Bader SI Seite 93 oder Physik für Gymnasien Cornelsen Verlag Bd. 1 Seite 119 Baue einen Bimetallschalter in einen Stromkreis so ein, dass er bei Erwärmung den Stromkreis unterbricht. Zeichne ein Schaltbild des Stromkreises und beschreibe wie ein Bimetallschalter funktioniert. Lies den folgenden Text genau durch und beantworte die Fragen im Protokoll. Für Stromkreise im Haushalt werden heute häufig Sicherungsautomaten verwendet. Im Vergleich zu Schmelzsicherungen haben sie den Vorteil, dass sie nach einem Einsatz nicht ausgewechselt werden müssen. Durch die Sicherung wird der elektrische Stromkreis unterbrochen. Um ihn wieder zu schließen, betätigt man einfach einen kleinen Hebel. Beim Sicherungsautomaten werden sowohl die thermische wie auch die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms ausgenutzt. Die Skizze zeigt wie ein Sicherungsautomat im Prinzip funktioniert. Bei plötzlichen, großen Strömen (z.b. bei einem Kurzschluss) zieht der Elektromagnet den Anker an und unterbricht so sofort den Stromkreis. Wenn die elektrische Stromstärke dagegen allmählich größer wird ( z.b. bei Überlastung durch immer mehr eingeschaltete Geräte ), wird der Bimetallstreifen erwärmt. Er verbiegt sich schließlich so stark, dass der Stromkreis unterbrochen wird. (evtl. Hausaufgabe) a) Zeichne den Verlauf des Stromkreises im Sicherungsautomaten mit Farbstift nach! b) Wie arbeitet der Bimetallstreifen? c) Durch welchen Mechanismus spricht der Automat bei Kurzschluss an? d) An welcher Stelle wird der Stromkreis unterbrochen? 44

7 Station 2: Aufgabenblatt Elektrischer Türgong Material: Türgong auf Holzunterlage, Batterie 9V. Aufgabe 1: Schließe den elektrischen Türgong an die Batterie an und betätige den Taster. Entferne die weiße Abdeckung und beobachte die Bewegungen im Innern. Metallfeder mit Weicheisenkern Spule Klangplatte Klangplatte Klingelknopf Erkläre und beschreibe im Protokoll genau was passiert, wenn der Klingeltaster gedrückt, bzw. losgelassen wird. (Siehe auch Lehrbuch Dorn/Bader SI S.218 und Spektrum Physik 8, Schroedel Verlag) Was passiert, wenn sich der Taster beim Drücken verklemmt? Zusatzaufgabe: Informiere dich, wie ein elektrischer Türöffner funktioniert. Lies dazu z.b. im Lehrbuch Spektrum Physik 8 Seite 118 bzw. im Lehrbuch Der Karlsruher Physikkurs Aulis Verlag Bd. 1 S. 60 nach. Erläutere die Funktionsweise im Protokoll. 45

8 Station 3: Aufgabenblatt Elektromotor Material: - Zwei Spulen mit jeweils 1000 (oder 500 ) Wicklungen - Batterie 9 V - ein kleiner Stabmagnet, der auf einer Spitze gelagert werden kann - mehrere Kabel. Aufgabe 1: Betätige dich als Erfinder: Es ist Sommer und sehr heiß und du möchtest einen Lüfter betreiben. Leider ist der dafür notwendige Elektromotor defekt. Versuche zunächst mit dem vorhandenen Material einen einfachen Modellmotor zu bauen, so dass das Lüfterrad in Rotation versetzt werden kann!! Falls dich dein Erfindergeist nach einiger Zeit im Stich lässt und die Temperaturen immer unerträglicher werden, kann dir dein Lehrer Hilfestellung geben. Aufgabe 2: Wenn du fertig bist schaust du dir ein aufgebautes Modell eines Elektromotors an! Versetze den Motor mit der Batterie in Rotation. Wie erreicht man beim verbesserten Modell zum richtigen Zeitpunkt die richtige Polung? Schreibe genau auf, wie du beim Bau des einfachen Motors vorgegangen bist und begründe dein Vorgehen! Welche Nachteile hat der einfache Motor? Welche Vorteile hat die verbesserte Version? Station 4: Aufgabenblatt Die elektrische Klingel Material: Batterie 9 V, Kabel, elektrische Klingel Aufgabe 1: Aufgabe 2: Finde heraus wie eine elektrische Klingel funktioniert. Lies dazu im Lehrbuch Der Karlsruher Physikkurs Aulis Verlag Bd.2 S.60 bzw. Lehrbuch Spektrum Physik 8 Schroedel Verlag S. 118 nach. Verbinde die Klingel mit der Batterie. Beobachte das Innenleben! Skizziere den Aufbau einer elektrischen Klingel und zeichne den Stromverlauf ein. Beschreibe die Funktionsweise der Klingel. Warum spricht man hier oft vom Selbstunterbrecherprinzip? Zusatzaufgabe: Eine Autohupe funktioniert nach dem gleichen Prinzip der Selbstunterbrechung. Erkläre ihre Funktion im Protokoll. (Siehe Lehrbuch Physik für Gymnasien Bd. Cornelsen Verlag S. 123) 46

9 Station 5: Aufgabenblatt Autohupe Material: Schülernetzgerät aus Praktikum, Autohupe, Schalter, Kabel. Aufgabe 1: Finde heraus wie eine Autohupe funktioniert. Lies dazu im Lehrbuch Physik für Gymnasien Bd. 1 Cornelsen Verlag S. 123 Aufgabe 2: Schließe eine Autohupe an ca. 12 V an. Regle dazu bei geschlossenem Schalter zunächst die Spannung langsam hoch bis der Hupton ertönt. Skizziere den Aufbau einer Autohupe. Zeichne den Verlauf des Stromkreises ein. Beschreibe wie eine Hupe funktioniert! Was versteht man unter dem Selbstunterbrecherprinzip? Zusatzaufgabe: Eine elektrische Klingel funktioniert ebenfalls nach dem Prinzip der Selbstunterbrechung. Betätige eine Klingel und beobachte den Klöppel. Beschreibe die Funktion im Protokoll. 47

10 Station 6: Aufgabenblatt Modell eines Stromstärkemessgerätes ( Ampèremeter ) Material: Drehspule, Hufeisenmagnet mit Plattenhalter, Dynamot als Antrieb des elektrischen Stroms, Stativmaterial, Kabel, Lampe 6V/5A, Innenleben eines ausrangierten Zeigermessinstruments. Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms wird beim Bau eines Drehspulmessgeräte (Gerät zur Messung der elektrischen Stromstärke) ausgenutzt. Die folgende Skizze zeigt das Funktionsprinzip. Aufgabe 1: Versuche zu verstehen wie ein solches Stromstärkemessgerät funktioniert. Hilfe: Lehrbuch Der Karlsruher Physikkurs Bd. 2 Seite 61 Der Aufbau eines echten Zeiger-Ampèremeters ist etwas anders, aber das Funktionsprinzip ist gleich ( Lehrbuch Dorn/Bader-Physik SI Seite 220) Aufgabe 2: Baue das Modell eines Drehspulmessgerätes auf. Schreibe auf, wie ein Ampèremeter arbeitet. Erläutere den Namen dieses Messgerätes: Drehspulmessgerät Welche wichtige Funktion hat die Rückstellfeder? Wie würde ein Messgerät ohne Rückstellfeder reagieren? Zusatzaufgabe: Schau dir das Innenleben eines ausrangierten Zeiger-Amperemeters an! 48

11 Das Relais Material: Steckbrett, Batterie 4,5 V, Batterie 9 V, Spule 1200 Windungen mit Joch, Schalter, 2 Steckhalter, Blattfeder aus Eisen, Kontaktstreifen aus Kupfer Manchmal möchte man einen starken Strom mit einem schwachen Strom steuern. Mit einem Relais ist dies möglich. In der Skizze ist dargestellt, wie ein Relais im Prinzip funktioniert. Aufgabe 1: Aufgabe 2: Versuche mithilfe der Skizze die Funktionsweise eines Relais zu verstehen. Baue mit dem Stecksystem ein Relais auf mit dem du über einen Steuerstromkreis den Stromkreis eines Lämpchens schließen kannst. Hilfe: Anleitungen zum Arbeiten mit dem Stecksystem der Firma Leybold (Elektrik S. 44). Schreibe auf, wie ein Relais funktioniert. Zeichne das Schaltbild deines Versuchsaufbaus. Warum heißt ein Relais auch elektromagnetischer Schalter? Ein Relais wird im Anlassermechanismus eines Autos verwendet. Erläutere diesen Sachverhalt. (Lies dazu im Lehrbuch Der Karlsruher Physikkurs Aulis Verlag Bd.2 Seite 61 nach.) Station 7: Aufgabenblatt Zusatzaufgabe: Entwirf die Schaltung einer Diebstahlsicherung in die ein Ausschaltrelaisrelais eingebaut ist! 49

12 Materialliste Zu Station 2: Türgong auf Holzunterlage montiert, Baumarkt ca. 10 Zu Station 3: Siehe F. Herrmann Der Karlsruher Physikkurs Aulis Verlag Bd. 2 Seite 62 und Falk/Herrmann: Neue Physik Das Energiebuch, erhältlich als CD unter unikarlsruhe.de/kpk/ material.html Zu Station 5: Autohupe 12 V / 335 Hz - Autozubehör Bosch, ca. 15 Zu Station 7: Für diese Station werden Bauelemente des Stecksystems der Fa. Leybold verwendet 50