Entwurf zum Unterrichtsbesuch Im Fachmodul Physik und im Modul LLG. Thema der Unterrichtseinheit: Arbeit, Energie und Leistung

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1 Dr. rer. nat. Frank Morherr Lehrer im Vorbereitungsdienst am Studienseminar III für Gymnasien in Oberursel Entwurf zum Unterrichtsbesuch Im Fachmodul Physik und im Modul LLG Thema der Unterrichtseinheit: Arbeit, Energie und Leistung Thema der Unterrichtsstunde: Wirkungsgrad, Perpetuum Mobile und Anwendung auf ein Wasserkraftwerk Fach: Physik Klasse: 11.2 (E2), 19 Schüler-7 Mädchen und 12 Jungen Schule: Burggymnasium Friedberg Raum: CH 2 Datum: Zeit: 9:45-11:15 (UB 10:30-11:15) Ausbilder für Fachdidaktik Physik: Herr Sach Ausbilder für MLLG: Herr Dr. Gerhard Mentor für Physik: Herr Peter

2 Analyse der Lerngruppe Die Lerngruppe habe ich dieses Halbjahr von Frau Walter übernommen. Ich unterrichte sie in einer Doppelstunde pro Woche, Donnerstag die dritte und vierte Stunde. Dies ist meine 10. Stunde in dieser Lerngruppe. Insgesamt sind die SuS motiviert und zeigen großes Interesse, Disziplinprobleme gibt es wenig. Dies zeigt sich auch in der Beteiligung am Unterricht. In Unterrichtsgesprächen arbeitet ein Großteil der Klasse engagiert mit. Ich versuche, die unterschiedlichen Phasen des Unterrichts mittels Experimente und Diagrammen, sowie Filmen abwechslungsreich zu gestalten. Die leistungsstärksten SuS der Klasse sind Anastasia G. und René R.. Auch Aryan C., Sascha J., Rico S., Cornelius L., Johannes W., Daniel G. und Lukas K. beteiligen sich gut. Etwas mehr auffordern muss man Maike P., Mert B., Sebastian R., Max M., Cheyenne S. Sehr wenige bis gar keine Beiträge kommen von Christiane M., Sina Ö., Katrin R. und Sebastian S. Kurzer Überblick zum Lernstand Im ersten Halbjahr hat Frau Walter Weg/Zeit- Diagramme und Geschwindigkeit/Zeit-Diagramme von gleichförmigen Bewegungen und gleichmäßig beschleunigten Bewegungen, sowie die Newtonsche Axiome gemacht. Stehen geblieben war Sie beim waagerechten Wurf. Diesen habe ich noch beendet und Sie haben eine Aufgabe dazu gerechnet. Im Anschluss habe ich noch den schrägen Wurf gemacht und den Realitätsbezug mit Parabelflügen hergestellt. Die darauf folgende Unterrichtseinheit hieß Arbeit und Energie. In dieser wurden die Formeln der kinetischen Energie, der potenziellen Energie und der Spannenergie hergeleitet. Der Energieerhaltungssatz wurde im Schülerexperiment am Fadenpendel entwickelt. Die Formeln und das Verständnis der Energieumwandlung wurde mittels verschiedener Aufgaben eingeübt. Außerdem haben wir einen Film über James Prescott Joule geschaut. In der folgenden Unterrichtseinheit haben wir den Begriff der Leistung kontextorientiert mit Autos und Ihrer PS-Zahl eingeführt. Die Leistungen von Mensch und Maschine wurden Verglichen, außerdem haben wir bei Leifi im Internet uns Leistungen verschiedener Objekte angeschaut. Dabei haben wir zusätzlich behandelt, wie man die Gesamtstrahlungsleistung der Sonne bestimmt, und diese berechnet. Im Folgenden wurden dann noch die Begriffe mittlere Leistung und momentane Leistung eingeführt. Die Begriffe und Formeln zur Leistung wurden in diversen Aufgaben geübt. In der letzten Unterrichtsstunde bekamen die Schüler als Hausaufgabe, sich per Internetrecherche über die Begriffe Wirkungsgrad und Perpetuum Mobile zu informieren. Kurzer Überblick zum Stundenverlauf und Stundenziel Am Anfang der dritten Stunde werde ich auf die Wiederholungsfragen eingehen, die die Schüler letzte Stunde bekommen haben, um Ihren Kompetenzerwerb für die Klausur zu testen, da dies die letzte Doppelstunde vor der Klausur ist.. Außerdem ist noch eine Aufgabe mit Spannenergie offen, die noch besprochen werden muss. Das Lesen des Textes Physikalisches Kauderwelsch leitet zum Wirkungsgrad über, über den die Schüler im Internet recherchieren sollten. In dem Text erden die Schüler mit vielen verschiedenen Einheiten konfrontiert und bekommen das Gefühl, dass Sie mit Verständnisschwierigkeiten nicht alleine da stehen. Außerdem wird ein Kontextbezug des bis jetzt behandelten Themas Energie durch die Übertragung auf Heizgeräte hergestellt. Weiter wird hier teilweise deutlich, wie mit dem Unwissen der Bevölkerung Werbung gemacht wird, indem hier Heizgeräte mit höheren neueren Nummern, also vermeintlich höherer Leistung verkauft werden, die aber im Endeffekt nur aus der anderen Einheit, die benutzt wurde, resultiert. Nachdem dieser Begriff geklärt ist, schauen wir uns im Internet noch die Wirkungsgrade verschiedener Maschinen an. An dem Video eines Bungee-Sprungs werde ich die Schüler noch mal die einzelnen auftretenden Bewegungsformen aus dem letzten Halbjahr beschreiben lassen, sowie die Energieumwandlungen. In der vierten Stunde werde ich an die zweite Hausaufgabe zur Internetrecherche: Was ist ein Perpetuum Mobile? anknüpfen. Die Schüler sollen formulieren, was sie rausgefunden haben und dies wird noch mal in geeigneter Weise formuliert. In diesem Zusammenhang kann man auch noch mal klären, wieso

3 man beim Bungee-Sprung nicht höher kommen kann, als man abgesprungen ist. Dadurch, dass der Bungee-Sprung an einer Staumauer stattfindet, bekommt man den Übergang zu einem Wasserkraftwerk. Nachdem ich durch eine kleine Präsentation den Kontextbezug zum Speicherkraftwerk am Edersee und dem Pumpspeicherkraftwerk Waldeck II hergestellt habe, werden wir am Pumpspeicherkraftwerk zur Anwendung des Stoffs noch einige Aufgaben rechnen und den Sinn und Zweck eines solchen Kraftwerks klären. Hierzu werde ich auch noch einen Text austeilen. Zurück beim Staumauer-Speicherkraftwerk kann man jetzt die Frage stellen, mit welcher Geschwindigkeit das Wasser eigentlich am Fuß der Mauer ausströmt. Das ist erst mal nicht offensichtlich, da hier ja nichts fällt. Mittels eines Röhrensystems an der Ausströmöffnung, durch welches das Wasser wieder nach oben gelangt, kann man sich aber sofort überlegen, dass man die kinetische Energie des ausströmenden Wassers trotzdem durch Gleichsetzen mit Epot=mgh bekommt, wobei h die Höhe des Wasserspiegels ist. Wäre dem nämlich nicht so, dann könnten wir leicht ein Perpetuum Mobile konstruieren, welches aber nach dem Stundenanfang nicht existiert. Kontextorientierung im Physikunterricht Kontextorientierter Unterricht soll den Physikunterricht verbessern und dazu beitragen, dass Schüler die von Technik und Naturwissenschaften geprägte heutige Welt besser verstehen können. Die Einbettung des Unterrichts in "sinnstiftende" Kontexte steht dabei im Mittelpunkt. Es gilt, physikalische Prinzipien, Begriffe und Arbeitsweisen im Rahmen von Kontexten zu vermitteln, in denen der betreffende physikalische Inhalt für die Schülerinnen und Schüler interessant und wichtig ist. Diese Kontexte können Sport, Naturphänomene oder gesellschaftliche Aspekte sein. Beim Lernen von Physik spielen zwei Kontexte eine wichtige Rolle: Ein fachlicher Inhalt kann immer nur in einem für Schülerinnen und Schüler relevanten Kontext gelernt werden. Deshalb sollte der Kontext so gewählt werden, dass er für die Lernenden sinnstiftend ist. Solche Kontexte können Themen aus dem Alltag der Schülerinnen und Schüler sein, also Alltags- und Naturphänomene oder technische Anwendungen, aber auch Aspekte der Bedeutung der Physik für Technik und Gesellschaft. Lernen findet immer im Kontext einer bestimmten Lernumgebung statt. Diese Lernumgebung muss so gestaltet werden, dass das Lernen nachhaltig unterstützt wird. Beiden Arten von Kontexten muss gleichgewichtig Aufmerksamkeit gewidmet werden. Die Einbettung des fachlichen Inhalts in sinnstiftende Anwendungssituationen und die Lernumgebung müssen aufeinander abgestimmt sein. Nach Muckenfuß (1995) sind hier zwei Punkte wichtig Die Einbettung in sinnstiftende Kontexte weckt das Interesse der Schülerinnen und Schüler für das Erlernen des fachlichen Inhalts, es motiviert sie also, den Inhalt zu lernen. Sie erkennen durch die Sinnstiftung, warum es für sie wichtig ist, darüber genauer informiert sein. Folglich wird durch die Sinnstiftung das Lernen verbessert. Denn die Schülerinnen und Schüler erleben, warum eine Beschäftigung mit bestimmten physikalischen Inhalten für sie sinnvoll ist. Wird fachliches Wissen weitgehend dekontextualisiert erworben, so treten in der Regel Probleme bei einer flexiblen Anwendung dieses Wissens auf. Das bedeutet, dass ein solcher Unterricht nicht zur naturwissenschaftlichen Grundbildung beiträgt und die in den aktuellen Bildungsstandards geforderten Kompetenzen nicht angemessen aufgebaut werden können. Die Devise Vom Alltag ausgehend, den Alltag verstehen wird z.b. zumindest in der Sekundarstufe I von den meisten Lehrkräften nachdrücklich vertreten. Das spiegelt sich auch in den Schulbüchern wider, in denen vielfältigen Anwendungsbezügen Raum gegeben wird. Müller (2006) geht davon aus, dass eine solche Orientierung wichtig ist, zumal der Physikunterricht, wie er schreibt, in der Regel den Schülerinnen und Schülern nur eine synthetische Wirklichkeit zeigt. Im Physikunterricht sehe man, so argumentiert er, Dinge, die es sonst nirgendwo gibt (wie Kraftmesser, Demonstrationsspule u. dgl.), man verwende Wörter, die man sonst nirgendwo benötigt (wie Reuterlampe, Wellrad u. dgl.) und tue Dinge, die man sonst nirgendwo tut. Schließlich lerne man Gesetze, die (anscheinend) dem gesunden Menschenverstand und den eigenen Vorstellungen eklatant widersprechen. Auf dieser Basis argumentiert Müller, dass Kontextorientierung eine wichtige Funktion hat, der Entfremdung durch den traditionellen Physikunterricht zu begegnen. Er weist allerdings darauf

4 hin, dass in der Praxis häufig authentische Kontexte nur vorgegaukelt werden, um die Lernsituation vermeintlich interessanter zu machen. Er spricht von vorgeblichen Kontexten. Hierbei ist zu sagen, dass der Weg zur Konstruktion von der Wirklichkeit zur Modellebene geschieht, nicht von der vorgegebenen Aufgabenstellung zum Kontext. Im Unterricht dient der Kontext in der Regel sowohl als Einstieg als auch als wichtiger Bezugspunkt während der Erarbeitung des Fachlichen. Soll sich ein breit anwendbares fachliches Wissen bilden, müssen weitere, möglichst vielfältige Anwendungen dieses Wissens hinzukommen. Untersuchungen zur Frage, ob ein an Kontexten orientierter Zugang zum naturwissenschaftlichen Wissen effizienter ist, kommen zum Schluss: Kontextbasierter Unterricht erreicht zumindest das gleiche fachliche Niveau wie fachlich orientierter Unterricht fördert aber die Entwicklung von Interesse und Motivation stärker und führt darüber hinaus zu positiveren Einstellungen zur Naturwissenschaft (Bennett, Hogarth, & Lubben, 2003). In anderen Worten, kontext-basierter Unterricht führt zumindest zum gleichen kognitiven Ergebnis wie herkömmlicher Unterricht, fördert aber wichtige über das Kognitive hinausgehende Ziele des Unterrichts. Was das Thema Energie und Leistung angeht, gibt es hier verschiedene Zugänge zu einem kontextorientierten Unterricht. Der Kontext Mensch als Energiewandler kann zum Beispiel Nahrung als Energiequelle behandeln. Hier lassen sich untersuchen (Weiter-)Entwicklung eines Wasserkochers (hierbei auch die Frage, wie koche ich energiesparend Wasser) Vergleich mechanische und elektrische Energieumwandlung Vergleich mit Brennwerten von Nährstoffen, Grund- und Leistungsumsätzen beim Menschen (wie oft muss ich die Treppe rauf und runter rennen, um den Müsliriegel wieder abzutrainieren Energiecheck in der Familie: Der Sport bietet auch vielerlei Anknüpfungspunkte, zum Beispiel in der Leichtathletik. Behandlung des Weitsprungs oder des Speerwerfens als schiefen Wurf und Diskussion der dabei auftretenden Energieumwandlungen sowie Bewegungsformen. Behandlung von s-t und v-t-diagrammen bei Läufen in der Leichtathletik, auch und gerade mit Videoanalyse-Programmen. Da in der Oberstufe viele Schüler den Führerschein machen, ist es hier auch angebracht, in diesem Rahmen Crashtests zu behandeln, sowohl was die Art der auftretenden Bewegungsformen, als auch die Notwendigkeit der Knautschzone zur Energieumwandlung angeht. Des Weiteren kann man durch eine Betrachtung der auftretenden Kräfte den Sinn und Zweck der Sicherheitseinrichtungen wie Gurt und Airbag klären. In den Begriff der Leistungsmessung kann man mit einem Fahrrad einsteigen. Man kann die Frage stellen, wozu die Leistungsmessung wichtig ist, welche Sensoren eingebaut werden müssen, wie ein Gerät die Leistung messen kann, auch wenn es nur am Lenker montiert ist. Hier kann man dann betrachten, wie man durch ausrollen eines Fahrradfahrers und die durch den Widerstand abnehmende Geschwindigkeit die Leistung des Radfahrers beim Fahren bestimmen kann. Ebenfalls im Rahmen kontextorientierter kann man einen Bungee-Sprung betrachten und mit den Schülern sowohl die Art der dabei auftretenden Bewegungsformen, als auch die auftretenden Energien und Energieumwandlungen diskutieren. Dies werde ich in der dritten Stunde auch tun. Ein Bungee-Sprung hat für die Schüler eine kontextorientierte Bedeutung, da sie es entweder schon selber gemacht haben, oder auf vielen Volksfesten die Gelegenheit zum erleben mit einem Kran besteht. Das der Bungee-Sprung im Video von einer Staumauer herab stattfindet, ein Erlebnis, welches die Schüler selbst bei einem Besuch in der Schweiz erfahren können, ist ein guter Übergang zu einem Wasserkraftwerk. Allerdings möchte ich hier erst nachher das Staumauerkraftwerk betrachten. Zunächst ist es sinnvoll, das Pumpspeicherwerk zu betrachten, da die Verhältnisse hier einfacher liegen. Der Ortsbezug ist auch gegeben mit de Speicherkraftwerk am Edersee und den Pumpspeicherwerken Waldeck I und Waldeck II, die ich auch betrachten werde. Am Pumpspeicherwerk lässt sich sowohl die Energieumwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie betrachten, als auch Berechnungen zur Leistung und zum Wirkungsgrad. Außerdem können die Schüler erfahren, dass trotz des mit dem Perpetuum Mobile im Hinterkopf existierenden Energieverlusts, der ein Pumpspeicherwerk zunächst unsinnig erscheinen lässt, ein praktischer Nutzen aufgrund der Speicherbarkeit der Energie auch ein wirtschaftlicher Nutzen besteht, aufgrund der Verfügbarkeit der Energie zu Spitzenzeiten und der Nutzung von günstigem Nachtstrom

5 zum Hochpumpen des Wassers. Nun kann man wieder zum Speicherkraftwerk übergehen, nachdem man mittels des Perpetuum Mobiles geklärt hat, was man für Epot einsetzen muss. Gerade jetzt im Zeitalter des Atomausstiegs, des Energiewandels und der erneuerbaren Energien bekommt die Wasserkraft wieder eine zunehmende Bedeutung. Literaturverzeichnis [1] Hessisches Kultusministerium (Hrsg.) (2010): Lehrplan Physik. Gymnasialer Bildungsgang der Jahrgangsstufen 6G bis 9G und gymnasialer Oberstufe, Wiesbaden. [2] Dorn Bader: Physik 11 Ausgabe A Hessen, Schroedel; 2002 [4] Physik Oberstufe Gesamtband, Cornelsen; 2007 [5] Lehrbuch Physik Gymnasiale Oberstufe, Duden Paetec; 2011, [6] Fokus Physik Oberstufe Einführungsphase, Cornelsen; 2009 [7] Duit, R.: Der Physikunterricht nach den TIMSS und PISA Schocks, Didaktik der Physik Frühjahrstagung Kassel, 2006, S [8] Mikelskis-Seifert, S und Raabe, T.: Physik Didaktik Handbuch für die Sekundarstufe I und II, Cornelsen, 2006 [9] Gerd Brenner u.a., Fundgrube. Methoden, Cornelsen Scriptor, Berlin 2005 [10] Wolfgang Mattes, Methoden für den Unterricht. 75 kompakte Übersichten für Lehrende und Lernende, Schönigh, Paderborn 2002 [11] Hilbert Meyer: Unterrichtsmethodik I+II (Theorie + Praxisband), Cornelsen Scriptor, Berlin 2005 [12] Dennis Nawrath: Kontextorientierung - Rekonstruktion einer fachdidaktischen Konzeption für den Physikunterricht, Dissertation [13] Unterricht Physik Nr. 98,: kontextorientiert unterrichten [14] Müller, Rainer: Physik in Alltagskontexten lehren, TU Brauschweig [15] Muckenfuß, H.: Themen und Kontexte als Strukturelemente des naturwissenschaftlichen Unterrichts, PhyDid 2004 [16] Piko Briefe Physik

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12 Verschiedene Versuche eines Perpetuum Mobile

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14 Begründung der Austrittsgeschwindigkeit des Wassers am unteren Ende der Staumauer mittels des Perpetuum Mobiles

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