Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld / Lorentzkraft

Transkript

1 Das Demonstrationsexperiment - Übungen im Vortragen Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld / Lorentzkraft Martin Lobenhofer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung benötigtes Material Versuchsaufbau Versuchsdurchführung mögliche Aufbau- und Bedienfehler Lernvoraussetzungen der Schüler/-innen 5 3 Lernziele dieses Versuchs Grobziele Feinziele Übergeordnetes Unterrichtsthema bzw. übergeordnete Unterrichtseinheit 6 5 Experimentelle Alternative 6 6 Schülerversuch 6 7 Unterrichtsmethoden Unterrichtsverfahren Sozialform Lehr- bzw. Lernform Motivations- bzw Einstiegssituation Sicherung der Lernziele 7 9 Lernzielkontrollen Prä- und Misskonzepte 12

3 1 Versuchsbeschreibung 1.1 benötigtes Material 1 Stelltrafo PHYWE regelbar 1 H-Fuß 2 Stativstangen (1 x 75cm und 1 x 20cm ) 2 Isolierstützen (evtl. 1 Verteilerstütze) 3 Muffen (1 Doppelmuffe und 2 Kreuzmuffen) 1 Leiterschaukel (gerader Leiter, frei schwingend oder Experimentierkabel) 3 Experimentierkabel 1 Hufeisenmagnet 1 Amperemeter (Bereich: 0 bis +10A) 1.2 Versuchsaufbau Man befestigt die lange Stativstange im H-Fuß. An dieser Stativstange bringt man mittels einer Doppelmuffe senkrecht zu dieser die kurze Stativstange an. Auf beiden Hälften der kurzen Stativstange befestigt man mit Hilfe zweier Kreuzmuffen die beiden Isolierstützen senkrecht zu dieser Stativstange und parallel zur Unterfläche. An den Isolierstützen wird nun die Leiterschaukel angebracht, welche sich selbst im inneren Magnetfeld des auf dem Tisch stehenden Hufeisenmagneten befindet. Anschließend verbindet man die Isolierstützen mit Hilfe der Experimentierkabel mit dem Gleichstrom-Ausgang der Spannungsquelle, wobei ein Amperemeter in Reihe geschaltet wird, um den Schülern während des Versuchs zu verdeutlichen, dass ein Strom fließt. Abbildung 1: Versuchsaufbau

4 1.3 Versuchsdurchführung Bei einem Stromfluss durch die Leiterschaukel, welche an sich nicht ferromagnetisch ist, zeigt diese im Magnetfeld eine Auslenkung. Zunächst will man dieses Phänomen in Abhängigkeit von der Stromstärke untersuchen. So wird bei konstantem Magnetfeld mit zunehmender Stromstärke diese Auslenkung größer. Ändert man dagegen die Stromrichtung, findet die Auslenkung der Leiterschaukel in entgegengesetzer Richtung statt. Des Weiteren muss man noch die Abhängigkeit dieses Effektes von der Richtung und der Stärke des Magnetfeldes in dem sich die Leiterschaukel befindet beobachten. Eine Möglichkeit wäre, bei konstantem Strom, den Hufeisenmagnet der Leiterschaukel anzunähern (Zwar hat man außerhalb des Hufeisenmagneten kein homogenes Magnetfeld - siehe folgende Abbildung - aber man erreicht durch schrittweises Heranführen der Leiterschaukel Richtung Inneres des Hufeisenmagneten den gleichen Effekt wie bei einer Erhöhung der Magnetfeldstärke). Abbildung 2: Feldlinienverlauf eines Hufeisenmagneten von wring/physik/magnetfelder/starkerhufeisenmagnet.jpg Je weiter man die Leiterschaukel in Richtung des Inneren des Hufeisenmagneten bringt, desto größer wird die Auslenkung. Da dieses Verfahren für die meisten Schüler sehr schwer verständlich ist, kann man stattdessen auch Eisenjoche an die Polschuhe des Hufeisenmagneten anbringen, um eine Erhöhung der Magnetfeldstärke und somit eine größere Auslenkung der Leiterschaukel zu erreichen. Dreht man nun den Hufeisenmagneten und somit die Richtung des Magnetfeldes um, so bewegt sich die Leiterschaukel in die entgegengesetzte Richtung. Aus den Kombinationen von technischer Stromrichtung und Magnetfeldrichtung und den dabei erfolgten Bewegungsrichtungen der Leiterschaukel lässt sich die UVW-Regel herleiten. Zum Schluss zeigt man noch, dass mit zunehmender Länge des sich im Magnetfeld befindlichen Leiterstücks (durch Schlaufenbildung des Experimentierkabels bzw. durch Nebeneinanderstellen zweier Hufeisenmagnete, damit sich ein größerer Teil der Leiterschaukel im homogenen Magnetfeld befindet) die Auslenkung zunimmt. 1.4 mögliche Aufbau- und Bedienfehler Genaue Justierung der Leiterschaukel parallel zur Tischfläche, damit Strom-, Magnetfeldund Kraftrichtung aufeinander senkrecht stehen Der Stromfluss sollte nicht zu lange und zu groß sein, da sonst die Möglichkeit eines Versengens der Leiterschaukel besteht.

5 2 Lernvoraussetzungen der Schüler/-innen 1. Die Schüler sollen wissen, was man unter dem Begriff der Technischen Stromrichtung versteht 2. Die Schüler sollen wissen, dass von einem stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt, dessen Feldlinien konzentrische Kreise in Ebenen senkrecht zum Leiter sind 3. Die Schüler sollen den Feldlinienverlauf des Magnetfeldes eines Hufeisenmagneten kennen 4. Die Schüler sollen Feldrichtungen beschreiben und symbolisch darstellen können 5. Die Schüler sollen Kraftpfeile addieren können 3 Lernziele dieses Versuchs 3.1 Grobziele Die Schüler sollen das Experiment Leiterschaukel kennen und wissen, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft - die Lorentzkraft - wirkt, deren Richtung sich nach der UVW-Regel bestimmen lässt. 3.2 Feinziele 1. Die Schüler sollen erkennen, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft wirkt. 2. Die Schüler sollen wissen, dass das durch den Stromfluss gebildete Magnetfeld des Leiterstückes durch Überlagerung mit dem Magnetfeld des Hufeisenmagneten eine Anziehung bzw. eine Abstoßung vom Hufeisenmagneten bewirkt. 3. Die Schüler sollen wissen, dass sich die Richtung der Auslenkung und somit der Kraft umkehrt, wenn die Stromrichtung geändert wird. 4. Die Schüler sollen wissen, dass sich die Größe der Auslenkung ändert, wenn die Stromstärke verändert wird. 5. Die Schüler sollen wissen, dass sich die Richtung der Auslenkung und somit der Kraft umkehrt, wenn die Magnefeldrichtung umgekehrt wird. 6. Die Schüler sollen wissen, dass sich die Größe der Auslenkung ändert, wenn die Magnetfeldstärke verändert wird. 7. Die Schüler sollen wissen, dass sich die Größe der Auslenkung ändert, wenn die Länge des Leiterstücks, die sich im Magnetfeld befindet, verändert wird. 8. Die Schüler sollen wissen, dass die auslenkende Kraft Lorentzkraft genannt wird. 9. Die Schüler sollen erkennen, dass technische Stromrichtung, Magnetfeldrichtung und Kraftrichtung aufeinander senkrecht stehen und ein Rechtssystem bilden. 10. Die Schüler sollen die UVW-Regel kennen.

6 11. Die Schüler sollen die UVW-Regel anwenden können, um Aussagen über die Bewegungsrichtung von stromdurchflossenen Leitern im Magnetfeld treffen zu können. 4 Übergeordnetes Unterrichtsthema bzw. übergeordnete Unterrichtseinheit Das Thema Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld/ Lorenzkraft ist im G8 in der 9. Klasse im Fach Physik in den Themenschwerpunkt Elektrische Maschinen einzuordnen. Das Verständnis der Lorentzkraft ist Grundlage für das Verständnis der Funktionsweise von verschiedenen Geräten im Alltag, wie z.b. Dynamo, Elektromotor. 5 Experimentelle Alternative Senkrecht auf zwei stromdurchflossenen parallelen Schienen liegt ein Kupfer bzw. Alurohr. Zwischen den Schienen befinden sich die Schenkel eines Hufeisenmagneten um ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen (bzw. Scheibenmagnete um ein annähernd homogenes Magnetfeld zu erzeugen). Mittels eines zwischengeschalteten Schalters, kann man den Stromkreis öffnen bzw. schließen. Bei geschlossenem Stromkreis beginnt der Stab auf den stromdurchflossenen Schienen zu rollen. Auch in diesem Experiment kann man wieder die Strom- bzw. Magnetfeldrichtung und somit die Kraftrichtung ändern und damit die UVW-Regel herleiten. Abbildung 3: Alternativversuch von online material/e lehre 1/induktion/rollstab.htm 6 Schülerversuch Falls genügend Bausätze vorhanden sind, kann man den in der experimentellen Alternative genannten Versuch auch als Schülerversuch durchführen, da trotz des hohen Stromflusses durch die Leiterschaukel (aufgrund des niedrigen Widerstandes der Leiterschaukel) der Versuch für die Schüler aufgrund der niedrigen, angelegten Spannung (mit 4,5 V oder 9 V möglich) ungefährlich ist. Alternativ können auch Schüler nach vorne geholt werden, um den Versuch vorzuführen und die Ergebnisse an der Tafel festzuhalten.

7 7 Unterrichtsmethoden 7.1 Unterrichtsverfahren Normalverfahren 7.2 Sozialform Unterrichtsgespräch bei Demonstrationsexperiment Frontalunterricht evtl. Schülerdemo evtl. Gruppenunterricht bei Schülerversuch 7.3 Lehr- bzw. Lernform darbietend fragend/erarbeitend aufnehmend/nachvollziehend 7.4 Motivations- bzw Einstiegssituation Zur Motivation wird der obige aufgebaute Versuch Leiterschaukel verwendet. Durch Einschalten des Stromes wird die Leiterschaukel ausgelenkt und damit soll das Interesse der Schüler geweckt werden, diesem Phänomen auf den Grund zu gehen. (Denkbar wäre auch eine Motivation über das Prinzip Bewegung aus elektrischem Strom mittels el. Eisenbahn, Bohrmaschine etc., allerdings hätte man hier die Schwierigkeit des Übergangs vom Motivationsbeispiel zum Leiterschaukel-Experiment.) 8 Sicherung der Lernziele Die Sicherung der Lernziele folgt anhand des folgenden Arbeitsblattes (Anstatt dieses Lückentextes wäre auch denkbar, dass das nachfolgende Arbeitsblatt ohne Lückentext sondern nur mit leeren Zeilen ausgeteilt und durch Diktieren ausgefüllt wird oder als Hefteintrag aufgeschrieben wird, wobei die Versuchsskizzen als Ausdrucke ausgeteilt werden):

8 Musterlösung Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Auf einen geraden, stromdurchflossenen Leiter wirkt im homogenen Magnetfeld eine Kraft, die senkrecht zum Leiter und senkrecht zum Magnetfeld gerichtet ist. Diese Kraft wird Lorentzkraft genannt. Die Richtung dieser Kraft hängt von der technischen Stromrichtung und von der Richtung der Magnetfeldlinien ab. Abbildung 4: Versuchsskizze von Abbildung 5: Auswertung der Versuchsanordnung Die Auslenkung kann verändert werden, indem man... die Stromstärke oder das Magnetfeld oder die Länge des Leiterstücks im Magnetfeld variiert.

9 Die Richtung der Lorentzkraft lässt sich mit Hilfe der UVW-Regel (oder Drei-Finger-Regel) der rechten Hand bestimmen: Ursache für die Kraftwirkung ist der Strom: Der Daumen zeigt in die technische Stromrichtung (+ nach -) Vermittlung ist das Magnetfeld: Der Zeigefinger der rechten Hand zeigt in Magnetfeldrichtung (N nach S). Wirkung ist die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter. Der Mittelfinger der rechten Hand gibt die Kraftrichtung an. Abbildung 6: UVW-Regel von ph09 g8/ simulationen/02elektromotor/elektromotor l.htm

10 Schülerversion Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Auf einen geraden, stromdurchflossenen Leiter wirkt im homogenen Magnetfeld..., die senkrecht zum... und senkrecht zum... gerichtet ist. Diese Kraft wird... genannt. Die Richtung dieser Kraft hängt von der und von der Richtung der... ab. Die Auslenkung kann verändert werden, indem man oder... oder...im Magnetfeld variiert.

11 Die Richtung der Lorentzkraft lässt sich mit Hilfe der... (oder Drei- Finger-Regel) der rechten Hand bestimmen:... für die Kraftwirkung ist der Strom: Der... zeigt in die technische Stromrichtung (+ nach -)... ist das Magnetfeld: Der... der rechten Hand zeigt in Magnetfeldrichtung (N nach S).... ist die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter. Der... der rechten Hand gibt die Kraftrichtung an.

12 9 Lernzielkontrollen Nach der Durchnahme der Feinziele könnte u.a. mittels folgender Fragen kontrolliert werden, ob die Schüler die einzelnen Feinziele verstanden haben (Auch in der Abfrage sollten diese Fragen enthalten sein): Schüler den Aufbau zum Leiterschleifenversuch beschreiben lassen und fragen was passiert, wenn der Stromkreis geschlossen wird(fz 1) Warum wird der Metallstab angezogen bzw. abgestoßen? (FZ 2) Wie kann man die Stärke des Ausschlags verändern? (FZ 3 bis FZ 7) Wie nennt man die wirkende Kraft? (FZ 8) Wie hängen die vorhandenen Größen miteinander zusammen? (FZ 9) Durch welche Regel wird dieser Zusammenhang beschrieben? (FZ 10) Mögliche Transferaufgabe: Anwendung der UVW-Regel auf das Beispiel Gleichstrom-Elektromotor. (FZ 11) Abbildung 7: 10 Prä- und Misskonzepte Zwischen Ladungstransport und Magnetfeldern gibt es keine Wechselwirkung Strom stößt Magnetfeld ab Missverständnis der Schüler beim Elektronenmodell bzgl. Strom und Spannung