Demonstrationsexperimente WS 04/05. Thema: Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, Gesetz von Ohm. Kerstin Morber 04.

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1 Demonstrationsexperimente WS 04/05 Thema: Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, Gesetz von Ohm Kerstin Morber 04. Februar Versuchsbeschreibung Es soll untersucht werden, ob der mit steigender Stromstärke anwachsende Widerstand eines Eisendrahtes durch die vom elektrischen Strom bewirkte Erwärmung verursacht wird. Zu diesem Zweck wird ein Eisendraht in einem Wasserbad auf einer annähernd konstanten Temperatur gehalten und dabei die Stromsstärke bei unterschiedlichen Spannungen gemessen. Der Versuch zeigt am Beispiel eines Eisendrahtes, dass U = R = const. das Ohmsche Gesetz: I für alle Metalle nur gilt, solange ihre Temperatur konstant bleibt Materialliste Strommessgerät ( ~10A) Spannungsmessgerät ( ~ 10V) AC-Netzgerät 5 Messkabel ca. 1m Eisendraht, in der Mitte aufgewendelt 1 Wasserbecken 2 mittelgroße und 1 kleine Stativstangen 2 Isolierklemmen 2 Stativfüße für die mittelgroßen Stangen 1.2. Aufbau Schaltbild: KOPIE DES SCHALTBILDES WIRD NOCH EINGEKLEBT 1

2 Der Versuchsaufbau erfolgt ähnlich Abb.1. Zwischen den beiden Verteilerstützen befindet sich ein Stück Eisendraht, das über einem Bleistift zu einer Wendel gewickelt wurde. Das Becherglas wird soweit mit Wasser gefüllt, dass der Draht vollständig eintaucht. ( bei Vorführung lediglich Eisendraht anders angebracht als hier gezeigt!) KOPIE DES VERSUCHSAUFBAUS 1.3. Durchführung Bei der ersten Messreihe nimmt man die U-I-Kennlinie des Drahtes noch ohne Wasserkühlung auf. Dazu erhöht man die Spannung schrittweise von 0 auf etwa 7 Volt und liest die zugehörigen Stromstärken ab. Die Werte werden in eine Tabelle notiert und in einer weiteren Zeile gleich der Quotient U/I gebildet. Bei der zweiten Messreihe taucht man den Draht nun vollständig in das Wasser im Becherglas ein. Auch hier wird die Spannung schrittweise von 0-7 V erhöht und die zugehörigen Stromstärken und der Quotient U/I in eine Tabelle eingetragen Beachtenswertes Das Wasser im Becherglas reicht nicht aus, um den Draht auf konstanter Temperatur zu halten. Um die Temperatur aber so gering wie möglich zu halten, empfiehlt es sich, kein zu enges oder kleines Becherglas zu nehmen und auf ausreichend kaltes Wasser zu achten. Da der Draht gerade für Schüler aus den hinteren Reihen schlecht sichtbar ist, kann man ihn durch angeklebte Fähnchen sichtbar machen und für eine weiße Fläche hinter dem Wasserbehälter sorgen, dort kann sich der Draht farblich besser abheben. 2. Lernvoraussetzungen Die Schüler kennen die Begriffe Spannung, Strom und Widerstand Die Schüler kennen Messgeräte zur Bestimmung von Spannung und Strom Die Schüler kennen den Begriff der Linearität oder die direkte Proportionalität Die Schüler wissen von der Erwärmung eines Drahtes bei Stromdurchgang Die Schüler kennen den Zusammenhang von Stromstärke und Spannung 2

3 3. Lernziele 3.1. Grobziele Die Schüler sollen damit vertraut werden, dass physikalische Gesetze nur innerhalb gewisser Grenzen gültig sind Die Schüler sollen die Abhängigkeit der Stromstärke von der angelegten Spannung qualitativ und quantitativ beschreiben können Die Schüler sollen ihre Modellvorstellung des Stroms als fließende Ladung mit dem Begriff des Widerstandes erweitern 3.2. Feinziele Die Schüler sollen die Werte einer Tabelle in ein Diagramm eintragen können Die Schüler sollen dieses Diagramm interpretieren können Die Schüler sollen nach möglichen Ursachen suchen, die den Leitwert des Drahtes beeinflussen Die Schüler sollen die Erwärmung des Drahtes aufgrund des Stromdurchgangs wahrnehmen Die Schüler sollen die (annähernde) Linearität zwischen Strom und Spannung bei der 2. Messreihe erkennen Die Schüler sollen das Ohmsche Gesetzt und seine Grenzen erfahren und es anwenden können 4. Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema Die zugrunde liegende Unterrichtseinheit handelt von den Grundlagen der Elektrizitätslehre und ihrer Modellvorstellungen. Mit dem hier beschriebenen Versuch werden der elektrische Widerstand und das Ohmsche Gesetz eingeführt. 5. Experimentelle Alternativen Um die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur zu zeigen, kann man auch gänzlich auf das Wasserglas verzichten und stattdessen den Draht mit einem Bunsenbrenner heizen. In diesem Experiment ist der Eisendraht mit einer Glühlampe in Reihe geschaltet, die vor dem Heizen mäßig hell leuchtet. Erwärmt man den Eisendraht mit dem Bunsenbrenner, so nimmt die Helligkeit der Lampe immer mehr ab, bis sie schließlich nicht mehr leuchtet. Wird der Bunsenbrenner entfernt, so fängt die Lampe allmählich wieder an zu leuchten. Die Beobachtungen stehen im Zusammenhang mit dem erniedrigten Leitwert des Eisendrahtes bei Erwärmung, so dass schließlich die noch durchgelassene Stromstärke nicht mehr ausreicht, um die Glühlampe zum Leuchten zu bringen. Zwar würde sich der Draht auch ohne Bunsenbrenner erwärmen, jedoch ist der Vorgang mit Brenner schneller und für die Schüler einsichtiger. 3

4 6. Notwenige Modifikation beim Einsatz als Schülerexperiment Das Experiment kann komplett von Schülern durchgeführt werden. Da nur mit Spannungen von bis zu 10V gearbeitet wird, besteht hier keine Gefahr. Allerdings sollte man darauf achten, dass die Schüler die Spannung nicht zu hoch drehen, um ein Durchschmoren des Drahtes zu verhindern. Als Alternative könnte man die Schüler auch den Zusammenhang von U und I bei unterschiedlichen Drähten untersuchen lassen und so den Begriff Widerstand als Eigenschaft des untersuchten Materials einführen. 7. Unterrichtsverfahren Synthetische Gedankenführung: Verständnis komplexer Sachverhalte durch Kombination bekannter Elemente 7.1. Sozialform Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperimenten 7.2. Lehr- und Lernformen Erarbeitend, den Schüler einbindend 7.3. Einstieg und Motivation Welches Material wird in Stromkabeln verwendet? Warum nimmt man keine Eisendrähte als Stromkabel? (Wenn in Stunde vorher verschiedene Drähte/Leiter untersucht und ihr Widerstand bestimmt wurden) Frage, ob R immer den gleichen Wert annimmt oder wovon R abhängen könnte 7.4. Herauszuarbeitende Problemfragen und Hypothesen Warum wird die U-I-Kennlinie mit wachsender Spannung flacher? Widerstand im Draht wird größer mit steigender Spannung Warum wird der Widerstand im Draht größer? Der Draht erwärmt sich aufgrund stärkeren Stromflusses Der Widerstand ist eine temperaturabhängige Materialeigenschaft 4

5 8.Sicherung der Lernziele: ( Hefteintrag) Versuchsaufbau: Das Gesetz von Ohm (Überschrift am Anfang noch offen lassen) SCHALTBILD WIRD NOCH EINGEZEICHNET! Stromkreis mit Eisendraht als Widerstand; Messung 1: Wir variieren die Spannung und messen jeweils die Stromstärke I U[V] I[A] U/I =R U-I-Kennlinie 1 I [A] Beobachtung: U [V] Anfangs steigt die Kurve linear an, mit wachsender Spannung wird sie flacher der Widerstand wächst mit der Spannung mögliche Ursachen: Erwärmung des Drahtes durch Stromfluss Messung 2: Analog Messung 1, nur dass wir den Eisendraht diesmal in ein Wasserbecken tauchen und kühlen U [V] I [A] U/I =R zugehörige U-I-Kennlinie 2 in obigem Diagramm Beobachtung: Die Kennlinie ist annähernd eine Gerade Wird der Eisendraht gekühlt, so bleibt sein Widerstand beinahe konstant Merke: Der Widerstand ist eine temperaturabhängige Größe Leiter, deren Widerstand bei konstanter Temperatur gleich bleibt, heißen ohmsche Leiter ; für sie gilt das Gesetz von Ohm: R= I U = konstant Für den von uns untersuchten Eisendraht, sowie für alle Metalle gilt das Ohmsche Gesetz, solange ihre Temperatur konstant bleibt. 5

6 9. Lernzielkontrolle Hausaufgabe: Zeichne eine U-I-Kennlinie für a) einen ohmschen Widerstand der Größe 2,0 ç b) einen nicht-ohmschen Widerstand der Größe 2,0 ç ( qualitativ) und erkläre den unterschiedlichen Verlauf der Kennlinien! 6