Berufliche Schulen Technisches Gymnasium

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1 Berufliche Schulen Technisches Gymnasium Umsetzung der Lehrpläne im Profil Umwelttechnik Profilfach Umwelttechnik Eingangsklasse LPE 1: Sonnenenergie elektrisch wandeln und speichern Landesinstitut für Schulentwicklung Qualitätsentwicklung und Evaluation Schulentwicklung und empirische Bildungsforschung Bildungspläne Stuttgart 2017 H-17.02a

2 Redaktionelle Bearbeitung Redaktion: Manfred Scholz, LS Stuttgart Christiane Spies, LS Stuttgart Autor: Otto Bubbers, Gottlieb-Daimler-Schule 2, Sindelfingen Beratung: Thomas Geisler, Carl-Engler-Schule Karlsruhe Erscheinungsjahr: 1. Auflage 2014 Stand: 2., überarbeitete Auflage Februar 2017 Impressum Herausgeber: (LS) Heilbronner Straße 172, Stuttgart Telefon: Telefax: Druck und Vertrieb: (LS) Heilbronner Straße 172, Stuttgart Telefon: Urheberrecht: Inhalte dieses Heftes dürfen für unterrichtliche Zwecke in den Schulen und Hochschulen des Landes Baden-Württemberg vervielfältigt werden. Jede darüber hinausgehende fotomechanische oder anderweitig technisch mögliche Reproduktion ist nur mit Genehmigung des Herausgebers möglich. Soweit die vorliegende Publikation Nachdrucke enthält, wurden dafür nach bestem Wissen und Gewissen Lizenzen eingeholt. Die Urhe berrechte der Copyrightinhaber werden ausdrücklich anerkannt. Sollten dennoch in einzelnen Fällen Urheberrechte nicht berücksichtigt worden sein, wenden Sie sich bitte an den Herausgeber. Bei weiteren Vervielfältigungen müssen die Rechte der Urheber beachtet bzw. deren Genehmigung eingeholt werden., Stuttgart 2017

3 Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort Stoffverteilung... 2 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan LPE Energie elektrisch speichern Vorüberlegungen Kurzbeschreibung der Unterrichtseinheit Aufgabe: Mignon-Akku Aufgabe: Handy-Akku Aufgabe: Akku-Schrauber Aufgabe: Vergleich Glühlampe mit Energiesparlampe Labor: Strom- und Spannungsmessung Labor: Eigenschaften von Strom- und Spannungsmessern Hausaufgabe: Messungen der benötigten Leistungen alltäglicher Verbraucher Aufgabe: Energieinhalt eines Akkus Aufgabe: Standby-Schaltungen Aufgabe: Faustformel Standby-Schaltungen Aufgabe: Vergleich von Netzteil, Akku und Batterie Kennlinien und Ohmsches Gesetz Vorüberlegungen Kurzbeschreibung der Unterrichtseinheit Laborbericht: Lineare und nicht lineare Kennlinien Aufgabe: Kennlinien Aufgabe zum Leitungswiderstand: Elektrozuleitung Küchenherd Aufgabe zum Leitungswiderstand einer Hochspannungsleitung Woher weiß der Strom, wie groß er zu werden hat? Wodurch wird die Spannung an einem Verbraucher bestimmt? Parallel- und Reihenschaltung Vorüberlegungen...19

4 5.2 Kurzbeschreibung der Unterrichtseinheit Labor: Parallelschaltung von drei Solarzellen (drei Spannungsquellen) Labor: Parallelschaltung von drei Verbrauchern Gesetze der Parallelschaltung Labor: Reihenschaltung von drei Solarzellen (drei Spannungsquellen) Labor: Reihenschaltung von drei Verbrauchern Gesetze der Reihenschaltung Grafische Ermittlung der Größen in einer Reihenschaltung Aufgabe zur Parallelschaltung: Hochspannungsleitung Stromkreisdenken Parallelschaltung Aufgabe zur Reihenschaltung: Verluste durch Verlängerungskabel Ersatzschaltbild Leitungswiderstand Potenziometer als veränderbarer Widerstand Potenziometer als Spannungsteiler Aufgabe: Elektrische Tankanzeige mit Potenziometer Aufgabe: Stromkreisdenken Reihenschaltung Aufgabe: Reihenschaltung mit Halogenlampe Innenwiderstand (optional) Vorüberlegungen Kurzbeschreibung der Unterrichtseinheit Spannungsquelle mit Innenwiderstand Ersatzschaltbild Auswirkungen des Innenwiderstands Berechnung der Klemmenspannung bei bekanntem Innenwiderstand Ermittlung des Innenwiderstands Aufgabe: Innenwiderstand von elektrischen Geräten Aufgabe: Bestimmung des Innenwiderstands einer Batterie Aufgabe: Rollerbatterie Gemischte Schaltungen...42

5 7.1 Vorüberlegungen Kurzbeschreibung der Unterrichtseinheit Berechnung gemischter Schaltungen Aufgabe: Gemischte Schaltung 1 mit Laborübung Aufgabe: Gemischte Schaltung 2 mit Laborübung Aufgabe: Lampenschaltung Aufgabe: Gesamtwiderstand aus Einzelwiderständen Aufgabe: Weihnachtsbaumbeleuchtung mit 400 parallel geschalteten Lampen Stromkreisdenken Aufgabe: Autoakku mit Innenwiderstand Dioden, LEDs und energiesparende Beleuchtung Kurzbeschreibung der Unterrichtseinheit Laborbericht: Kennlinien Diode und LEDs Laboranhang: Typische LED-Schaltung Laborbericht: Gleichrichter-Schaltungen Grafische Ermittlung des Vorwiderstands einer LED Aufgabe: LED-Kennlinie und Arbeitsgerade Aufgabe: E-Bike-Bremslicht Aufgabe: Vergleich Glühlampe Energiesparlampe LED-Beleuchtung Aufgabe: Verpolungsschutz Aufgabe: Solarleuchte Aufgabe: Fön mit zwei Leistungsstufen Aufgabe: Beleuchtungs-LEDs Aufgabe: Zweiweggleichrichter (Brückengleichrichter) Aufgabe: Fahrrad-LED-Scheinwerfer Solarzellen Vorüberlegungen Kurzbeschreibung der Unterrichtseinheit Labor: Kurzschlussstrom und Leerlauf-Spannung von Solarzellen...65

6 9.4 Labor: I(U)-Kennlinien von Solarzellen Vergleich der Kennlinien bei 200 W/m² und 100 W/m² Bestrahlungsstärke Abschätzung des Wirkungsgrads Vergleich der Kennlinien bei Reihen- und Parallelschaltung Datenblatt-Beispiel eines Solarmoduls mit Aufgaben Der PN-Übergang von Dioden und Solarzellen Ersatzschaltbild von Solarzellen Laborübung: Teil-Verschattung von Solarmodulen Anhang: ausgewählte Lösungen...77

7 1 Vorwort Theorie und Praxis sind untrennbar miteinander verbunden. Daher soll diese Lehrplaneinheit durchgängig von einer Lehrkraft unterrichtet werden. Durch den hohen Laboranteil sollten nach Möglichkeit Doppelstunden verwendet werden, um die Summe der Rüstzeiten klein zu halten. Im Labor kann die Theorie jederzeit durch kleine Schülerversuche im wahrsten Sinne des Wortes begriffen werden. Die Klassenteilung bietet darüber hinaus die Möglichkeit der individuellen Förderung, die gerade in der Eingangsklasse einen hohen Stellenwert einnehmen muss, um den unterschiedlichen Vorkenntnissen der Schüler gerecht zu werden. Nach Möglichkeit wird Computertechnik von der gleichen Lehrkraft unterrichtet wie die Lehrplaneinheiten 1 und 2. Dadurch wird eine enge Verzahnung zwischen Profilfach und Computertechnik möglich. Problemstellungen aus dem Profilfach können grafisch aufbereitet, dargestellt und PC-gestützt untersucht werden. Der folgende beispielhafte Ablauf einer Unterrichts-Doppelstunde in Klassenteilung verdeutlicht das methodische Potential, das in einer Verzahnung von lehrerzentrierten Unterrichtsteilen mit Schülerversuchen, Gruppenarbeit und Übungsphasen liegt: Motivationsversuch/Hinleitung, Problemstellung, Versuchsreihe (ca. 20 min) in Einzel- oder Partnerarbeit, Auswertung: Finden der Gesetzmäßigkeit in Gruppenarbeit, Zusammenfassung im Plenum, Übungsaufgabe 1: Lehrerdemonstration oder Partnerarbeit, Übungsaufgabe 2: Berechnung oder Vorhersage eines Versuchsergebnisses, Versuchsdurchführung zur Bestätigung der Vorhersage, Zusammenfassung, Übungsaufgaben als Hausaufgabe. In den folgenden Kapiteln werden einzelne Unterrichtseinheiten vorgestellt. Die Ausführungen sind in weiten Teilen dem Unterrichtsskript des Autors entnommen, das auf seiner Homepage elektronisch zur Verfügung steht und für Unterrichtszwecke frei verwendet werden darf. Aufeinander aufbauende Übungsaufgaben sollen helfen, die fachliche Tiefe zu konkretisieren, in der diese Themen unterrichtet werden. Der Themenbereich Innenwiderstand entfällt im überarbeiteten Lehrplan Da einige Kollegen das Thema jedoch weiterhin als Anwendung der Reihenschaltung unterrichten, wurde das Kapitel 6 als optional gekennzeichnet. 1