Vorstellungen zu Energieströmen als Grundlage in der Elektrizitätslehre Ein pädagogisch begründetes Unterrichtskonzept

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Maya Stieber
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1 Vorstellungen zu Energieströmen als Grundlage in der Elektrizitätslehre Ein pädagogisch begründetes Unterrichtskonzept Dr. Heinz Muckenfuß, Pädagogische Hochschule Weingarten Folie 1

2 Überblick Genese und Hintergrund Zur pädagogischen Problematik der Elektrizitätslehre Zum methodischen Aufbau des Unterrichtsganges Zentrale Probleme und Lösungsvorschläge zu ausgewählten Unterrichtsinhalten Diskussion Folie 2

3 Wie und warum die Arbeit an der Elektrizitätslehre begann Nichts kapiert!? Das macht doch nichts, das braucht doch keiner! Folie 3

4 Beitrag der Unterrichtsfächer zum Weltverständnis Bildungsrelevanz der Unterrichtsfächer Geschichte Englisch Religion Gem.Kunde Biologie Chemie Erdkunde Physik Deutsch Musik Kunst Mathematik Sport 0 Weltverständnis Alltag Folie 4

5 Problematik der Elektrizitätslehre Die Elektrizitätslehre ist das Teilgebiet des Physikunterrichts, das am meisten zu seiner Unbeliebtheit beiträgt. Für die praktische Bewältigung des Alltags sind spezielle Kenntnisse aus der Elektrik entbehrlich. Gegenstand der Elektrizitätslehre sind Begriffe, Gesetze und Modelle, zu denen es so gut wie keine vorwissenschaftlichen, von der Sinneserfahrung und Alltagssprache her erschließbaren Erfahrungen gibt. Die konkreten Gegenstände des Unterrichts sind Produkte der Theorie, die mit ihnen erarbeitet werden soll. Alltagsvorstellungen zur Elektrik sind von einer inkonsistenten Sprache geprägt. Folie 5

6 Beispiel: Strombegriff Folie 6

7 Beispiel: Strombegriff (weitere Zitate)... Bislang wurden nur kleinere Windenergieanlagen gefördert, die in der Regel bis zu 250 Kilowatt Strom erzeugen... (Pressemitteilung des BMFT).... Mit Zinssubventionen für die Umstellung auf Stromheizung werben Fachverbände und Stromerzeuger dafür, Strom in Nachtstromspeicheröfen und Durchlauferhitzern zu verheizen... (ap). Das neue Umspannwerk sorgt dafür, dass immer ausreichend Strom in die Steckdosen der Haushalte und Betriebe... fließt. Der Leiter der Abteilung Hochspannung betonte, dass der Strombedarf von 9200 Kilowatt im Jahr 1980 auf derzeit Kilowatt gestiegen sei. (Schwäbische Zeitung). Strom steht immer für Sie bereit sauber, vielseitig und genau in der Menge, die Sie benötigen... (Werbung der IZE). Folie 7

8 Beispiel: Stromrechnung Folie 8

9 Beispiel: Unterscheidung von Strom(-stärke) und Spannung Fachjargon: Starkstrom hat 400 V, Schwachstrom höchstens 24 V Duden, Deutsches Universalwörterbuch, Stichwort Spannung : el. Spannung: Stärke des elektrischen Stroms Es wäre angesichts dieser sprachlichen Strukturen geradezu verwunderlich, wenn unsere Schüler Stromstärke und Spannung nicht verwechseln würden. Folie 9

10 Konsequenzen für den Unterrichtsaufbau Wozu sollen Schülerinnen und Schüler Kenntnisse aus der Elektrizitätslehre erwerben, auch wenn sie nie mehr in ihrem Leben eine elektrische Stromstärke oder eine Spannung messen werden? Folie 10

11 Kontextualisierung der Elektrik Folie 11

12 Traditioneller Unterrichtsaufbau Typische Themenfolge der traditionellen Elektrizitätslehre Strom I Spannung U Widerstand R Ohmsches Gesetz und Widerstandsdefinition Reihen- und Parallelschaltung Wechselstrom Induktion (Selbstinduktion) Generator und Motor Transformator Elektrische Leistung und Energie Energieversorgungssystem (Hausinstallation/Kraftwerke/Verbundnetze) I Neuer Aufbau der Elektrizitätslehre Elektrizität verändert die Welt (Erleichterungen und Innovationen durch el. Energieübertragungübertragung) II III IV V Die Leistung der elektrischen Sklaven (elektrische Geräte im Vergleich zu physilogischen Tätigkeiten) Was strömt in elektrischen Anlagen? (Elektrische Ladung als Bestandteil der Materie) Kreisläufe übertragen Energie (Der Ladungsstrom als Treibriemen für den Energietransport) Zusammenhang zwischen Ladungsstrom [I] und Energiestrom [P] (P ~ I, (Parallelschaltung) VI Unterschiedliche Energieströme bei gleichem Ladungsstrom (Quellenspannung P ~ U bei I = const., Def.: U=P/I) VII Vergleich der Energieströme durch verschiedene Verbraucher (Verbraucherspannung, Reihenschaltung, Widerstandsvorstellung) VIII Energieumsatz einzelner Geräte und sozialer Einheiten (Haushalt, Schule etc.; wirtschaftliche und ökologische Gesichtspunkte) IX Verbundsysteme (Wechselstrom als Grundlage großtechnischer Energieübertragung; Generatoren, Transformatoren, Hochspannungsnetz) Folie 12

13 Physiologische Erfahrungen zu Energieumsätzen Folie 13

14 Haushaltsgeräte früher und heute Folie 14

15 Haushaltsgeräte früher und heute Folie 15

16 Haushaltsgeräte früher und heute 25. September 2008 Dr. Heinz Muckenfuß, Folie 16

17 Haushaltsgeräte früher und heute Folie 17

18 Haushaltsgeräte früher und heute Folie 18

19 Energiequellen früher Folie 19

20 Energieübertragung früher und heute Folie 20

21 Energieübertragung früher und heute Folie 21

22 Kreisläufe übertragen Energie Folie 22

23 Kreisläufe übertragen Energie Folie 23

24 Kreisläufe übertragen Energie Folie 24

25 Zweite industrielle Revolution Folie 25

26 Erste Erfahrungen mit dem DynaMot Folie 26

27 Erste Erfahrungen mit dem DynaMot Folie 27

28 Erste Erfahrungen mit dem DynaMot Folie 28

29 Erste Erfahrungen mit dem DynaMot Folie 29

30 Wie kann man Elektronen antreiben? Folie 30

31 Schema der Energieübertragung Erzeugerseite Übertragungsweg Verbraucherseite Strahlungsenergie(Licht) Strahlungsenergie(Licht) thermische E. (Wärme) mech. Energie chem. Energie Energiewandler I (Quelle) elektrischer Energiestrom Energiewandler II (Verbraucher) thermische E. (Wärme) mech. Energie chem. Energie Folie 31

32 Schema der Energieübertragung Folie 32

33 Übertragungskette Folie 33

34 Übertragungskette (langer Transportweg) Folie 34

35 Messung verschiedener Ströme Folie 35

36 Strommessung: Nutzbare Wirkungen Folie 36

37 Strommessung: Nutzbare Wirkungen Folie 37

38 Messung des Ladungsstroms Folie 38

39 Ladungsstrom und Energiestrom Folie 39

40 Ladungsstrom und Energiestrom Folie 40

41 Ladungsstrom und Energiestrom Folie 41

42 Ladungsstrom und Energiestrom Folie 42

43 Ladungsstrom und Energiestrom Folie 43

44 Ladungsstrom und Energiestrom Folie 44

45 Ladungsstrom und Energiestrom Folie 45

46 Ladungsstrom und Energiestrom Folie 46

47 Vorstellungen zum Spannungsbegriff Folie 47

48 Vorstellungen zum Spannungsbegriff Folie 48

49 Vorstellungen zum Spannungsbegriff Folie 49

50 Spannung und Widerstandsvorstellung Folie 50

51 Vorstellungen zum Spannungsbegriff Folie 51

52 Spannungsdefinition Folie 52

53 Spannungsdefinition 25. September 2008 Dr. Heinz Muckenfuß, Folie 53

54 Zur Deutung des Spannungsbegriffs in verschiedenen Anwendungsfeldern Ebene fachlicher Anwendungsbereich Gleichungen (Operationen) Einheitengleichungen IV Potentialdifferenzen in E-Feldern 2 U 12 = 1 E ds 1 V = 1 (V/m) 1 m für homogene Felder: U = E s III Bewegung elektrischer Ladungen in E-Feldern (für E = F Q 2 U 12 = 1 Q ds F U = F s Q bzw. F s = W): U = W Q 1 V = 1 N As 1 m = 1 J As II Stromkreise mit kontinuierlicher Ladungsträgerbewegung (Multiplikation mit t/t): U = F I v U = P I 1 V = 1 N m s A = 1 W A I Ströme durch ohmsche Leiter (Substitution: P = I² R): U = I R 1 V = 1 A 1 Ω Folie 54

55 Vom Elektrogerät zum Versorgungsnetz Folie 55

56 Vom Elektrogerät zum Versorgungsnetz 25. September 2008 Dr. Heinz Muckenfuß, Folie 56

57 Vom Elektrogerät zum Versorgungsnetz 25. September 2008 Dr. Heinz Muckenfuß, Folie 57

58 Publikationen Folie 58

59 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Folie 59

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