Es werde Licht! Untersuchen einer Fahrradbeleuchtung und deren Instandsetzung. Es werde Licht! LERNJOB 2 LS 1.1 LERNJOB 4 LERNJOB 3

Transkript

1 Es werde Licht! Strom- und Spannungsmessung LERNJOB 5 LERNJOB 1 Was gehört zu einer Fahrradbeleuchtung? Messtechnische Überprüfung von elektrischen Bauteilen Warum funktioniert die Fahrrad beleuchtung nicht? Selbsttest: Strom- und Spannungsmessung Der elektrische Strom Der elektrische Widerstand Warum leuchten Glühlampen? LERNJOB 4 Es werde Licht! LERNJOB 3 Schaltungssymbole für elektrische Schaltpläne Schaltplan der Fahrradbeleuchtung Selbsttest: Der einfache Stromkreis Die elektrische Spannung Die Obstbatterie Spannungserzeugung mit einem Dynamo 4

2 Welche der hier dargestellten Bauteile können zu einer elektrischen Fahrradbeleuchtung Benennen und beschreiben Sie die Funktion der dargestellten Bauteile an einem Fahrrad und Sie sehen hier das von Thomas skizzierte Fahrrad: Ergänzen Sie die Zeichnung indem Sie die nötigen Leitungen einzeichnen, damit das Vorder- Markieren Sie in der Zeichnung die Stellen, wo der Fehler liegen könnte. Erarbeiten Sie mit Hilfe Ihres Fachkundebuches Symbole, die notwendig sind, Hier sehen Sie die Skizze, die Thomas von seinem Fahrrad gezeichnet hat. Sie ist inzwischen Übertragen Sie die Skizze der Beleuchtungsanlage in einen normgerechten Stromlaufplan LERNJOB 1 rbeitsblatt 1: Was gehört alles zu einer Fahrradbeleuchtung? gehören? entscheiden Sie, welche für eine elektrische Beleuchtung notwendig sind. 1 Speichenreflektor, reflektiert einfallendes Licht, für die elektrische Beleuchtung nicht notwendig 2 Rücklicht, Gehäuse für die Glühlampe, für die elektrische Beleuchtung notwendig 3 Verbindungskabel, zum Schließen des elektrischen Stromkreises, für die elektrische Beleuchtung notwendig 4 Frontlicht, Gehäuse für die Glühlampe, für die elektrische Beleuchtung notwendig 5 Reflektor, reflektiert einfallendes Licht, für die elektrische Beleuchtung nicht notwendig 6 Speichendynamo, erzeugt elektrische Spannung für die Fahrradbeleuchtung, für die elektrische Beleuchtung notwendig 7 Felgendynamo, erzeugt elektrische Spannung für die Fahrradbeleuchtung, für die elektrische Beleuchtung notwendig 8 Reflektor, reflektiert einfallendes Licht, für die elektrische Beleuchtung nicht notwendig 9 Glühlampe, erzeugt Licht, für die elektrische Beleuchtung notwendig 9 LERNJOB 1 rbeitsblatt 2: Warum funktioniert die Fahrradbeleuchtung nicht? Mit Hilfe der rbeitsblätter 1 und 2 kann bearbeitet werden. Das rbeitsblatt 1 dient dazu, einen ersten Überblick über die am Fahrrad verwendeten elektrischen Betriebsmittel zu geben. Dabei wurde absichtlich stark auf die visuelle Erkennbarkeit der Bauteile Wert gelegt, um dem Erfahrungsbereich der Schüler gerecht zu werden. Da davon auszugehen ist, dass nahezu alle Schüler ein Fahrrad besitzen, wird es ihnen nicht schwerfallen, in das rbeitsblatt 2 die Leitungswege einzuzeichnen und erste Vermutungen über mögliche Fehlerstellen anzustellen. 3 Da Thomas keine Erfahrung mit technischen Skizzen hat, ist seine Zeichnung auch nicht vollständig. und Rücklicht der Fahrradbeleuchtung mit Spannung durch den Dynamo versorgt werden kann. Thomas stellt bei der Überprüfung seiner Fahrradbeleuchtung fest, dass Vorder- und Rücklicht nicht funktioniert. Begründen Sie Ihre nnahmen. Fehlerhypothese: Da beide Glühlampen nicht funktionieren, kann der Fehler in dem Bereich der gemeinsamen Zuleitung des Vorder- und Rücklichts, oder an einem defekten Dynamo, liegen. Es ist aber auch denkbar, dass beide Glühlampen defekt sind. 10 rbeitsblatt 1: Schaltungssymbole für elektrische Schaltpläne um elektrische Schaltpläne zeichnen zu können. Bauteil Schaltsymbol Glühlampe Elektrische Leitungen Da für alle elektrischen Schaltpläne genormte Symbole verwendet werden, kann das rbeitsblatt 3 dazu herangezogen werden, die wichtigsten Schaltungssymbole von elektrischen Bauteilen selbstständig zu erarbeiten. lle abgebildeten Bauteile sollten den SchülernInnen vom Fahrrad her bekannt sein. Dynamo G ~ Schalter S1 1 2 terie 4 Leuchtdiode (LED) LED1 11 rbeitsblatt 2: Schaltplan der Fahrradbeleuchtung vervollständigt und die Verkabelung der Beleuchtungsanlage ist erkennbar: Mit rbeitsblatt 4 können die erarbeiteten, normgerechten Symbole direkt angewendet werden. Bessere Schüler können auch direkt mit rbeitsblatt 4 beginnen und mit Hilfe dieser ufgabe gleichzeitig die Schaltsymbole erarbeiten. S1 Gen 1 G ~ Rücklicht Frontlicht 12 5

3 Zeichnen Sie den elektrischen Stromkreis für die abgebildete 3V Wie müsste der elektrische Stromkreis geändert werden, wenn statt Erforschen Sie die Spannungserzeugung durch chemische Reak- 3V Q1 Q1 LED1 E1 Experimentieren Sie mit unterschiedlichen Materialien für die Elektroden (z. B. Bleistift minen, Markieren Sie in Ihrer Tabelle, bei welcher Elektrodenkombination Sie die kleinste und die Versuchen Sie das gleiche Experiment mit anderen Früchten (Äpfel, Kartoffeln, Bananen, usw.) Erkunden Sie, wie der Dynamo an Thomas Fahrrad Spannung erzeugen kann. Finden Sie heraus, welche Bauteile im Dynamo für die Spannungserzeugung verantwortlich Sie wollen Ihre Vermutung mit Hilfe eines selbstentwickelten Versuches beweisen. Ihnen stehen S1 5 Selbsttest: Der einfache Stromkreis Taschenlampe: LERNJOB 3 Ein Freund zeigt Ihnen folgende Werbung, die den ustausch der Glühlampe gegen eine LED zeigt. einer Glühlampe eine LED zum Einsatz kommt? rbeitsblatt 1: Die elektrische Spannung Erarbeiten Sie mit Hilfe Ihres Fachkundebuches und dem Internet ein Handout unter der Überschrift Die elektrische Spannung. Dabei können Sie wie folgt vorgehen: Klären Sie zunächst, was elektrische Spannung ist. Finden Sie heraus, welche rten von Spannungserzeugung es gibt und erklären Sie kurz deren Wirkungsweise. Zeigen Sie auf, welche Spannungsarten wir unterscheiden. rbeiten Sie mit Skizzen. Beschreiben Sie, ab wann Spannung für den menschlichen Körper gefährlich ist. Tipp: Neben Ihrem Fachkundebuch bietet das Internet eine Fülle an Informationen. Leider kann man sich in der Informationsflut verlieren. Deshalb ist es wichtig, möglichst genau zu suchen. Vergleichen Sie die beiden Suchergebnisse: 13 Im Selbsttest 1 können die Schüler die gelernten Schaltsymbole und die Erkenntnisse über den einfachen Stromkreis an einem konkreten Beispiel anwenden. Darüber hinaus sollen die Schüler die Schaltung erweitern. Das Handout, welches die Schüler mit dem rbeitsblatt 5 erstellen sollen, kann parallel zur Bearbeitung der rbeitsblätter 6 und 7 erfolgen. Dabei ist gruppenteilige rbeit möglich oder rbeitsblatt 7 wird als Zusatzarbeit für die schnelleren Schüler verwendet. 6 Bei der ersten Suche (Bild links) findet die Suchmaschine ungefähr 1060 Seiten. Bei der zweiten Suche sind es nur noch ungefähr 65! Warum ist das so? Bei der ersten Suche werden alle Seiten gefunden, in denen folgende Begriffe vorkommen: rten und der und Spannungserzeugung. Bei der zweiten Suche werden nur Seiten angezeigt, in denen der genaue Wortzusammenhang rten der Spannungserzeugung vorkommt. Dies erreichen Sie, indem Sie Ihre Suchbegriffe in nführungszeichen setzen. Probieren Sie es selbst einmal aus. 14 Vgl. Sie hierzu Fachkundebuch, S. XXX rbeitsblatt 2: Die Obstbatterie tion mit Hilfe eines Versuchs, wie seinerzeit lessandro Volta. Für den Versuch benötigen Sie eine Zitrone und unterschiedliche Metallteile als Elektroden z. B. Zink und Kupfer, die Sie in die Zitrone stecken (s. Bild). LERNJOB 3 Büroklammern, Nägel, Zirkelnadel, usw.) und messen Sie die jeweilige Spannung mit einem Spannungsmesser. Tragen Sie Ihre Ergebnisse in die Tabelle ein: Elektrode 1 Elektrode 1 Spannung in V Hinweis: Wenn es im Unterricht möglich ist Internetrecherchen durchzuführen, bietet sich rbeitsblatt 5 an, um mit den Schülern Internet-Suchstrategien zu üben. Da es den Schülern frei gestellt wird, welche Elektrodenpaare sie verwenden, ist die Lösung individuell. Es müssten sich je nach Elektrodenpaarung Spannungswerte zwischen 0,5 und 2 V einstellen. 7 größte Spannung gemessen haben. und vergleichen Sie auch hier die Spannungswerte. Welches Obst ist wohl die beste Ökobatterie? Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse sorgfältig. Hinweis: ufgrund der chemischen Reaktion im Ost mit den Metallelektroden darf das Obst auf keinen Fall mehr gegessen werden. 15 LERNJOB 3 rbeitsblatt 3: Spannungserzeugung mit einem Dynamo sind. Die Zeichnung eines Dynamos kann Ihnen dabei behilflich sein. zur Versuchsdurchführung folgende Materialien zur Verfügung: Kupferdraht, Hufeisenmagnet, Spannungsmesser. Hinweise: rbeiten Sie in Kleingruppen! Planen Sie Ihre Vorgehensweise! Skizzieren Sie den Versuchsaufbau! Notieren Sie sich die Beobachtungen! Stellen Sie Ihr Ergebnis in der Klasse vor! 16 Bei rbeitsblatt 7 sollen die Schüler durch individuelle Versuche darauf kommen, eine Leiterschleife oder aufgewickelte Spule mittels Hufeisenmagneten zu bewegen. Die dadurch induzierte Spannung lässt sich mit einem digitalen Multimeter leicht nachweisen. Geben Sie ggf. den Schülerinnen und Schüler den Tipp, den Messbereich im mv-bereich einzustellen. Das Ziel sollte an dieser Stelle nicht sein, das Induktionsgesetz herzuleiten. Stellen die Schülerinnen und Schüler Zusammenhänge zwischen induzierter Spannung und Bewegungsgeschwindigkeit oder nzahl der Windungen fest, kann dies im Unterricht weiter thematisiert werden. 6

4 Zeichnen Sie einen einfachen Stromkreis und tragen Sie mit rot die technische Stromrichtung Erklären Sie mit Hilfe des abgebildeten Modells, was im geschlossenen Stromkreis passiert. Bauen Sie eine Messschaltung auf. Zwischen die Drahtenden können Sie unterschiedliche Mate- Notieren Sie sich das Ergebnis und machen Sie eine begründete ussage über die Größe des Zeichnen Sie eine Messschaltung, mit der es möglich ist, den elektrischen Widerstand HT_3691_Lehrerband_LS_1_1.indd :32 Bearbeiten Sie das Infomaterial und suchen Sie in Ihrem Fachkundebuch nach weiteren HT_3691_Lehrerband_LS_1_1.indd :32 12 V U E1 V E1 E2 I E1 I E2 I E3 HT_3691_Lehrerband_LS_1_1.indd :32 V U E3 V E3 E4 V 8 9 rbeitsblatt 1: Der elektrische Strom ein! LERNJOB 4 1 La1 3V LERNJOB 4 siehe Fachkundebuch, S.XXX 17 rbeitsblatt 2: Der elektrische Widerstand rialien (s. unten) legen und den Stromkreis schließen. Beobachten Sie, ob und wie hell die Glühlampe bei den einzelnen Gegenständen leuchtet. Mit diesem rbeitsblatt 8 wird der einfache Stromkreis mit dem Modell einer Heizungsanlage verglichen. Durch solche Vergleiche wird es den Schülern erleichtert, die Zusammenhänge im Stromkreis zu verstehen. Dieser einfache Versuch kann auch im normalen Klassenraum erfolgen. Es sind keine Messgeräte notwendig, um eine qualitative ussage treffen zu können. elektrischen Widerstands der einzelnen Gegenstände Draht Bleistiftmine lufolie Salzwasser Lampe leuchtet hell Lampe leuchtet Lampe leuchtet hell Lampe leuchtet schwach schwach Radiergummi Büroklammer Brotdose Geldmünze Lampe leuchtet nicht Lampe leuchtet hell Lampe leuchtet nicht Lampe leuchtet hell zu bestimmen. Die Messung erfolgt direkt mit einem Ohmmeter. 18 rbeitsblatt 3: Warum leuchten Glühlampen Thomas fragt Sie: Warum leuchtet die Glühlampe? Infomaterial: Elektrowärme Wärmeschwingung und Temperatur Durchfließt ein Strom einen elektrischen Widerstand, so wird ein Teil der elektrischen Energie der Ladungsträgerströmung in die Energieform Wärme umgewandelt. Die Ladungsträger, die einen Leiter durchfließen, müssen sich zwischen den tomen des Werkstoffes hindurchbewegen. Sie treten in eine Wechselwirkung mit den tomhüllen. Man kann sich diese Wechselwirkung als Zusammenstoßen der Teilchen untereinander und als zeitweiliges gegenseitiges nziehen und bstoßen vorstellen. Die tome nehmen aus der Ladungsträgerströmung Energie auf und führen stärkere Wärmeschwingungen aus. LERNJOB 4 Statt mit terie und Glühlampe, könnte auch mit einem Ohmmeter die Leitfähigkeit der Materialien ermittelt werden. Statt des Rollenspiels, in dem Sie Thomas erklären, warum eine Glühlampe nicht leuchtet, ist hier auch ein Kurzvortrag vor der Klasse möglich. Es sei hier daran erinnert, dass alle tome Wärmeschwingungen aufweisen. Sie schwingen mit einer bestimmten Weite um ihre Ruhelage als wären die tomkügelchen durch Federn mit ihren Nachbarn verbunden. Wärmeschwingung der tome und Moleküle (Modellvorstellung) Das Maß für die Intensität (Stärke) der Wärmeschwingungen ist die Temperatur. 11 Beim absoluten Nullpunkt, der bei 0 K oder 273,16 C liegt, würde jede Wärmeschwingung aufhören. Das heißt, je höher die Temperatur ist, desto stärker werden die Wärmeschwingungen. Will man einen Körper erwärmen, so muss man seine tome zu stärkeren Wärmeschwingungen anregen. Dafür ist eine Energiezufuhr erforderlich. Informationen, um Thomas die Frage beantworten zu können. Die Lösung finden Sie im Informationsmaterial Wärmeschwingung und Temperatur und auf 19 S. xx im Fachkundebuch. LERNJOB 5 rbeitsblatt 1: Strom- und Spannungsmessung Zeichnen Sie in die abgebildeten Schaltungen die Messgeräte für Strom- und Spannungsmessung ein. U E1 V I G E1 E2 V U E2 12 V I G In das rbeitsblatt 11 können die Schüler Volt- und mperemeter einzeichnen. Es sollte darauf geachtet werden, dass die gemessenen Größen mit Strom- bzw. Spannungspfeilen an den Messgeräten dazugeschrieben werden. 12 V E1 E2 E3 V U G I E3 I G I E2 U E2 U E4 20 7

5 I G Sonne bewölkt Regen Starkregen/Gewitter 12 S2 LERNJOB 5 rbeitsblatt 2: Messtechnische Überprüfung von Bauteilen Folgende Bauteile wollen Sie am Fahrrad von Thomas mit Hilfe von Messinstrumenten überprüfen: Zeichnen Sie jeweils eine Messschaltung in Form eines normgerechten Stromlaufplanes, mit dem Sie einen Dynamo, eine Glühlampe und eine elektrische Leitung auf Funktion überprüfen können. Informationen hierzu finden Sie in Ihrem Fachkundebuch. Dynamo Glühlampe elektrische Leitung 21 LERNJOB 5 Selbsttest: Strom- und Spannungsmessung Zeichnen Sie die Messgeräte für folgende Messungen von Strom und Spannung ein: Das rbeitsblatt 12 dient dazu, den Bezug zum Fahrrad wieder herzustellen. Mit Hilfe einfacher Messschaltungen sollen die Schüler die abgebildeten Bauteile einer Fahrradbeleuchtung überprüfen. Dabei kann für die Glühlampe und die Verbindungsleitung ein Ohmmeter benutzt werden. Selbsttest zum richtigen nschließen von Volt- und mperemeter. 1. Gesamtstrom I G 2. Gesamtspannung U G 3. Spannung U E3 an E3 4. Strom I E5 durch E5 5. Spannung U E2 an E2 6. Strom I E2 durch E2 7. Strom I E3 durch E3 8. Spannung U E6 an E6 E1 C I E2 E3 U G V U E2 V E2 12 V E5 E4 22 I E3 V U E3 I E5 E6 V U E6 Ich habe die Ich habe die Ich habe die Ich habe die nforderung nforderung nforderung nforderung vollständig mit leichten lückenhaft und unvollständig erfüllt Mängel erfüllt mit leichten mit größeren Mängel erfüllt Mängel erfüllt Beschreibung Ich kann die Formelzeichen und Einheiten der elektrischen Grundgrößen (Strom, Spannung, Widerstand) benennen. Ich kann die Entstehung von Spannung erklären. Ich kann unterschiedliche rten der Spannungserzeugung beschreiben. m Ende der Lernsituation 1 sollte den Schülern die Möglichkeit gegeben werden, mit Hilfe einer Checkliste die erworbenen Kompetenzen zu evaluieren. Diese Checkliste kann zusammen mit dem Portfolio des Schülers als Grundlage für ein Coachinggespräch verwendet werden. Ich kann erklären, warum sich die Elektronen im geschlossenen Stromkreis bewegen. Ich kann erklären, wann in einem elektrischen Leiter der Strom fließen kann. Ich kann erklären, warum eine Glühlampe leuchtet. Ich kann einen einfachen Stromkreis nach Norm zeichnen und aufbauen. Ich kann bei einem Messgerät die richtigen Messbereiche einstellen. Ich kann die Werte (Strom, Spannung, Widerstand) bei einem Messgerät ablesen. Ich kann die elektrische Spannung in einem Stromkreis messen. Ich kann den elektrischen Strom in einem Stromkreis messen. Ich kann den elektrischen Widerstand eines Verbrauchers messen. 23 8

6 LERNJOB 1 rbeitsblatt 1: Was gehört zu einer Fahrradbeleuchtung? Welche der hier dargestellten Bauteile können zu einer elektrischen Fahrradbeleuchtung gehören? Benennen und beschreiben Sie die Funktion der dargestellten Bauteile eines Fahrrads und entscheiden Sie, welche für eine elektrische Beleuchtung notwendig sind. 9 1 Speichenreflektor, reflektiert einfallendes Licht, für die elektrische Beleuchtung nicht notwendig 2 Rücklicht, Gehäuse für die Glühlampe, für die elektrische Beleuchtung notwendig 3 Verbindungskabel, zum Schließen des elektrischen Stromkreises, für die elektrische Beleuchtung notwendig 4 Frontlicht, Gehäuse für die Glühlampe, für die elektrische Beleuchtung notwendig 5 Reflektor, reflektiert einfallendes Licht, für die elektrische Beleuchtung nicht notwendig 6 Speichendynamo, erzeugt elektrische Spannung für die Fahrradbeleuchtung, für die elektrische Beleuchtung notwendig 7 Felgendynamo, erzeugt elektrische Spannung für die Fahrradbeleuchtung, für die elektrische Beleuchtung notwendig 8 Reflektor, reflektiert einfallendes Licht, für die elektrische Beleuchtung nicht notwendig 9 Glühlampe, erzeugt Licht, für die elektrische Beleuchtung notwendig 9

7 LERNJOB 1 rbeitsblatt 2: Warum funktioniert die Fahrradbeleuchtung nicht? Sie sehen hier die von Thomas skizzierte Beleuchtungsanlage seines Fahrrads: Da Thomas keine Erfahrung mit technischen Skizzen hat, ist seine Zeichnung nicht vollständig. Ergänzen bzw. korrigieren Sie die Zeichnung, indem Sie die nötigen Leitungen einzeichnen, damit das Vorder- und Rücklicht der Fahrradbeleuchtung mit Spannung durch den Dynamo versorgt werden können. Thomas stellt bei der Überprüfung seiner Fahrradbeleuchtung fest, dass Vorder- und Rücklicht nicht funktionieren. Markieren Sie in der Zeichnung die Stellen, wo der Fehler liegen könnte. Begründen Sie Ihre nnahmen. Da beide Glühlampen nicht funktionieren, kann der Fehler in dem Bereich der gemeinsamen Zuleitung des Vorder- und Rücklichts, oder an einem defekten Dynamo liegen. Es ist aber auch denkbar, dass beide Glühlampen defekt sind. 10

8 rbeitsblatt 3: Schaltungssymbole für elektrische Schaltpläne Erarbeiten Sie mit Hilfe Ihres Lehrbuchs Symbole, die notwendig sind, um elektrische Schaltpläne zeichnen zu können. Bauteil Glühlampe Schaltsymbol Elektrische Leitungen Dynamo Schalter terie Leuchtdiode (LED) S1 G ~ 1 2 LED1 11

9 rbeitsblatt 4: Schaltplan der Fahrradbeleuchtung Hier sehen Sie die Skizze, die Thomas von seinem Fahrrad gezeichnet hat. Sie ist inzwischen vervollständigt und die Verkabelung der Beleuchtungsanlage ist erkennbar: Übertragen Sie die Skizze der Beleuchtungsanlage in einen normgerechten Stromlaufplan. Gen 1 G ~ S1 2 1 Rücklicht Frontlicht 12

10 Selbsttest 1: Der einfache Stromkreis Zeichnen Sie den elektrischen Stromkreis für die abgebildete Taschenlampe: 3V Q1 E1 Ein Freund zeigt Ihnen folgende Werbung, die den ustausch der Glühlampe gegen eine LED zeigt. Wie müsste der elektrische Stromkreis geändert werden, wenn statt einer Glühlampe eine LED zum Einsatz kommt? Q1 3V LED1 13