Download. Elektrische Spannung. Schülerversuche Physik Gymnasium. Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus

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1 Download Dietrich Hinkeldey Elektrische Spannung Schülerversuche Physik Gymnasium Downloadauszug aus dem Originaltitel: Gymnasium Dietrich Hinkeldey Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus Komplette Unterrichtseinheiten mit zahlreichen Versuchen 5 10

2 Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werkes ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im eigenen Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen schulweiten Einsatz und Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte (einschließlich, aber nicht beschränkt auf Kollegen), für die Veröffentlichung im Internet oder in (Schul-)Intranets oder einen weiteren kommerziellen Gebrauch. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages. Verstöße gegen diese Lizenzbedingungen werden strafrechtlich verfolgt.

3 Inhaltsverzeichnis Zusatzmaterial 2 Vorwort Editierbare Anleitungen / Vorlagen: Gefährdungsbeurteilung, Protokoll-Vorlage, Multimeter, Excel-Baukästen, Aufgaben zum Weiterdenken 3 6. Spannung (Kl. 8) 3 Didaktisch-methodische Hinweise Editierbare Gefährdungsbeurteilungen 3 Themeneinstieg Excel-Baukästen 4 Versuche Hilfen 4, 6 Highlight-Versuche Lösungen der Versuche Editierbarer Test (mit Lösungen) Aufgaben zum Weiterdenken (mit Lösungen) Inhaltsverzeichnis 1

4 Vorwort Ein neues Arbeitsbuch zu den Themen Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus sind da nicht schon genug auf dem Markt? Das vorliegende Buch bietet Ihnen die Möglichkeit, all diese Themengebiete mit Schülerversuchen in Partner- oder Kleingruppenarbeit zu erarbeiten. Nur an den Stellen, bei denen es sicherheitstechnisch nicht möglich ist, wurde auf Lehrer-Demonstrationsversuche zurückgegriffen. Denn in der heutigen Zeit lassen sich jede Menge Animationen zu physikalischen Versuchen im Internet finden, die man den Jugendlichen präsentieren könnte. Das sieht alles perfekt aus und ist leicht zu handhaben. Aber es bleibt eine second-life-erfahrung. Die Schüler begreifen die Zusammenhänge nicht unmittelbar. Sie werden dabei nicht selbst tätig und erfahren die Naturgesetze nicht durch selbst durchgeführte Versuche. Schülerversuche erfordern gewiss etwas mehr Zeit als eine gleichartige Lehrerdemonstration. Aber der Erkenntnisgewinn ist umso nachhaltiger. Das vorliegende Buch mit Zusatzmaterial bietet daher Ihnen als Lehrkraft und Ihren Schülerinnen und Schülern 1 in neun Ka piteln: den Physikstoff bis zum Mittleren Bildungsabschluss; einen Überblick zu Beginn eines jeden Kapitels zu Zeitbedarf, Klassenstufe, Ziel, besonderem Material, Sozialformen, Präsentationsformen und Stolpersteine, ggf. Informationen ; einen motivierenden Einstieg und erste Fragen zu dem jeweiligen Themenkomplex, die am Ende des Kapitels beantwortet werden können; Anleitungen zu Schülerversuchen; Lehrer-Demonstrationsversuche erscheinen nur, wenn sie aus Sicherheitsgründen notwendig sind; zu jedem Kapitel mindestens einen Highlight-Versuch ; jedes Kapitel endet mit dem Rückblick, der auf die ersten Fragen verweist; jeweils ein Test, mit dem Sie den Lernfortschritt Ihrer Schüler überprüfen können; Aufgaben zum Weiterdenken für die schnellen und guten Schüler. Die Versuche enthalten: eine allgemeine Einordung des Versuchs zu Beginn mit einem Verweis auf die Bildungsstandards der KMK (vgl. Anhang im Zusatzmaterial) und dem jeweiligen Kontextbezug (mit Bild); den klassischen Aufbau eines Versuchsprotokolls (Material, Anleitungen, Beobachtungen usw.); elektrische Leitungen bzw. das genaue Stativmaterial werden normalerweise nicht extra aufgeführt; immer wieder Excel-Baukästen für die Schaltskizzen (im Zusatzmaterial); immer wieder Verweise auf Hilfestellungen (im Zusatzmaterial) zur Stärkung des selbstständigen Arbeitens; Im Zusatzmaterial finden Sie zu jedem Kapitel: editierbare Anleitungen und Vorlagen, u. a. Blanko-Protokoll für alle Versuche; Gefährdungsbeurteilungen, soweit nötig, in editierbarer Form; Excel-Baukästen für die Schaltskizzen, in editierbarer Form; alle Hilfen zum Ausdrucken; den Test in editierbarer Form (Aufgabenversion und Lösungen); Aufgaben zum Weiterdenken zur Differenzierung (mit Lösungen), ebenfalls mit Bezug zu den Bildungsstandards. Dietrich Hinkeldey 1 Aufgrund der besseren Lesbarkeit ist in diesem Buch mit Schüler auch immer Schülerin gemeint, ebenso verhält es sich mit Lehrer und Lehrerin. Vorwort 2

5 6. Spannung Didaktisch-methodische Hinweise 8 10 Stunden 8 Umgang mit Multimeter lernen; in unterschiedlichen Situationen Spannungen messen; Spannungsbegriff durch die Beschreibung Antrieb für Elektronen verstehen; (Einheit 1 V wird aus dem Alltag als gegeben voraus gesetzt); Spannungsbegriff mithilfe des Modells des Wasserkreislaufs (Pumpe, Wasserdruck) vertiefen 1 Gerätesatz Dynamot; Spritzen (10 ml) mit verschiedenen Kanülen; 1 geöffnete Flachbatterie; 1 geöffnete 9 V-Batterie; Einweghandschuhe; 1 Rillentrog; Natriumhydroxid (NaOH); 1 Zitrone; 1 alte aufgesägte Monozelle; 1 Volta-Element; 3 V-Minipanel; Computer mit Excel; Zusatzmaterial (u. a. Excel-Baukasten, Hilfen, Lösungen und Test) Experimentiergruppen mit 3 (max. 4) Schülern; Recherche in Partnerarbeit; ggf. Projektarbeit Gruppenpräsentation der Projektarbeit; Erstellen einer Lernkartei Spannung ist definiert als Arbeit pro Ladung. Da der physikalische Begriff der Arbeit (Energie) oft noch nicht behandelt wurde, wird die Einheit Volt hier auch nicht davon abgeleitet und stattdessen als Antrieb der Elektronen definiert. Die Einheit Volt und gängige Spannungsgrößen (z. B. die Spannung einer Batterie und des Stromnetzes) kennen die Schülern aus ihrem Alltag. Sicherheitshinweise: Hochspannungsversuche dürfen nur vom Lehrer durchgeführt werden! Die Schüler dürfen nur bis 25 V experimentieren, danach setzt eine Gefährdung ein! Themeneinstieg Demo: Die Glühlampe einer Taschenlampe und eine 60 W-Glühlampe werden, beginnend mit der 60 W-Glühlampe, jeweils einmal an eine 1,5 V-Monozelle und anschließend an Netzspannung angeschlossen. Den Abschluss bildet die Glühlampe der Taschenlampe an Netzspannung. Sicherheitshinweis: Für den letzten Teilversuch (Taschenlampe an Netzspannung) muss eine Schutzscheibe verwendet werden! Material: 1,5 V-Monozelle; 1 Transformator (230 V ~); 1 Personenschutzschalter; 1 Glühlampe einer Taschenlampe; 60 W-Glühlampe; Schutzscheibe Forscherfragen: 1. Warum leuchtet die 60 W-Glühlampe nicht, wenn sie an eine Batterie (1,5 V) angeschlossen wird? Die Batterie treibt die Elektronen nicht stark genug an, um die 60 W-Glühlampe zum Leuchten zu bringen. 2. Warum zerplatzt die Glühlampe der Taschenlampe bei Netzspannung? Die Elektronen, die durch die Netzspannung angetrieben werden, sind so stark angerieben, dass der Glühfaden der Glühlampe sofort durchbrennt. 3. Wie bringen Batterien, Generatoren und Akkus die Elektronen dazu, sich durch den Draht zu bewegen? Diese Geräte erzeugen an ihren Polen einen Ladungsunterschied. Dieser treibt die Elektronen an. 4. Wie kann man messen, wie stark die Elektronen angetrieben werden? Man misst dies mit einem Spannungsmessgerät in der Einheit Volt. Man misst immer parallel zwischen zwei Punkten des Stromkreises. 6. Spannung 3

6 Versuch 6.1 Der Antrieb macht s Bildungsstandards: F1, F4; E1, E7; K2, K7 Kontextbezug: Material: Anleitung: Verschiedene Elektrogeräte benötigen verschiedene Batterien / Anschlüsse. 1 Dynamot-Generator; verschiedene Glühlampen (2,5 V/ 0,1 A; 4 V/ 0,1 A; 6 V/ 0,1 A; 220 V / 25 W) mit Fassung; 1 Stromstärkemessgerät; 1 Spritze mit 2 unter schiedlichen Kanülen; 1 Stoppuhr a) Mit dem Dynamot-Generator (eine Art Dynamo) könnt ihr durch Kurbeln elektrischen Strom selbst erzeugen. Betreibt nacheinander die drei Glühlampen mit dem Generator und messt die Stromstärke. Kurbelt nur so stark, dass das Stromstärkemessgerät bei jeder Lampe genau 0,1 A anzeigt. b) Der elektrische Stromfluss kann mit dem Wasserstromfluss verglichen werden. Zieht mit der Spritze genau 10 ml Wasser auf. Spritzt das Wasser nun, ohne Kanüle, in genau 2 Sekunden in den Ausguss. Wiederholt den Versuch mit den zwei verschiedenen Kanülen. Beschreibt, ob und wie schwierig es ist, das Wasser in der geforderten Zeit herauszupressen und wie schnell es jeweils herausspritzt. c) Vergleicht die Versuche a) und b). Beschreibt die Gemeinsamkeiten. Beobachtung: a) Notiert und erklärt eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage. b) Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage. c) Legt für den Vergleich diese Tabelle in der Protokoll-Vorlage an: Versuch mit Generator 6.1 a 6.1 b Versuch mit Spritzen Information: Die Stärke mit der die Elektronen angetrieben werden, nennt man elektrische Spannung (Formelzeichen: U ). Man misst sie in der Einheit Volt 1 V. (Sie ist benannt nach Alessandro Volta, Erfinder der Batterie am Ende des 18. Jhts.) Große Spannungen werden in kv und MV (Kilovolt und Megavolt) angegeben, kleine Spannungen in mv und µv (Millivolt und Mikrovolt). Aufgaben: 1) Recherchiert, welche Spannung die folgenden Geräte / Phänomene benötigen, damit sie funktionieren und ordnet sie der Größe nach: Autobatterie, Bandgenerator, Digitaluhr, Fahrradbeleuchtung, Flachbatterie, Gewitterblitz, ICE, LKW-Batterie, menschliche Nervenzelle, Monozelle, Solarzelle, Steckdose, Straßenbahn, Überlandleitung, Zündspule im Auto. 2) Rechnet die gegebenen Spannungswerte in die angegebenen Einheiten um. Gegebene Spannung 250 mv V 0,03 mv 20,4 kv 3055 µv mv 2,2 MV Umrechnung V kv µv V mv kv V + 6. Spannung 4

7 Versuch 6.2 Messung von Spannungen Bildungsstandards: F1; E7; K5 Kontextbezug: Material: Anleitung: Batterietester 3 verschiedene Glühlampen; 1 Spannungsmessgerät oder Multimeter; 1 Transformator als Spannungsquelle; Anleitung Bedienung eines Multimeters ; Computer und Excel-Datei Schaltplan6 (Zusatzmaterial) a) Baut mit zwei Glühlampen eine Reihenschaltung auf und stellt am Transformator die Spannung so ein, dass beide Glühlampen leuchten. Messt sechs verschiedene Spannungen, erstellt zu jeder Messung mithilfe der Excel-Datei die Schaltskizze und notiert die gemessenen Werte und andere Auffälligkeiten. Wichtig: Spannung misst man immer zwischen zwei Punkten parallel zum elektrischen Gerät. Stellt das Multimeter immer erst auf den größten Messbereich ein und schaltet erst dann auf einen kleineren. b) Baut mit drei Glühlampen eine Parallelschaltung auf. Messt wieder die Spannung, zuerst an einer, dann an mehreren Glühlampen. Fertigt (mithilfe der Excel-Datei) für jede Messung eine Schaltskizze an und notiert neben dem Spannungsmesser den gemessenen Wert sowie andere Auffälligkeiten. Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage, erstellt eure Schaltskizzen mit der Excel-Datei und legt für beide Teilaufgaben folgende Tabelle für die Messwerte an: U 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U a 6.2 b Versuch 6.3 Wenn eine Batterie nicht ausreicht Bildungsstandards: F3; E7, E8; K5 Kontextbezug: Material: Anleitung: Richtung der Batterien (z. B. in der Taschenlampe), wenn es mehr als eine Batterie ist. 6 V-Glühlampe; mehrere Monozellen (AA); mehrere Halterungen für die Monozellen; 1 Multimeter; 1 geöffnete Flachbatterie; 1 geöffnete 9 V-Batterie; 1 Paar Einweghandschuhe; Computer und Excel-Datei Schaltplan6 (Zusatzmaterial) a) Mit einer Monozelle leuchtet die Lampe nicht. Testet, wie viele Monozellen ihr benötigt, damit die Glühlampe leuchtet. Erstellt die Schaltskizze eurer erfolgreichen Schaltung mithilfe der Excel-Datei. b) Überlegt und testet, wie man mehrere Monozellen noch zusammenschalten kann. Erstellt für jede Schaltung eine Schaltskizze mithilfe der Excel-Datei und messt die Spannung. c) Untersucht die beiden geöffneten Batterien und erklärt, warum sie 4,5 V bzw. 9 V Spannung liefern. Sicherheitshinweis: Nutzt die Einweghandschuhe! Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage und erstellt eure Schaltskizzen mit der Excel-Datei. 6.3 a 6.3 b Zusammenfassung: Formuliert ein allgemeingültiges Gesetz über die Reihenschaltung und die Parallelschaltung von Monozellen. Erklärt darin auch, wie sie sich verhalten, wenn sie gegeneinander geschaltet werden. 6. Spannung 5

8 Versuch 6.4: Demo / Projekt: Wassermodell des Stromkreises ( ) Bildungsstandards: F3; E5, E7; K2, K4 Kontextbezug: Material: Anleitung: anschauliche Erklärungen von Phänomenen in Reihen- und Parallelschaltung 1 Zylindergefäß mit verschieden hohen Ausläufen; ggf. Kaliumpermanganat (KMnO 4 ) a) Der Versuch wird wie im Bild nachgebaut. Die Steigrohre werden auf den T-Stücken befestigt. Das Modell wird mit Wasser befüllt, in Betrieb genommen und beobachtet. Anschließend werden die Beobachtungen und Geräte mit denen des elektrischen Stromkreises verglichen. 6.4 Hinweis: Einige Körnchen Kaliumpermanganat im Wasser gelöst, machen die Wasserstände besser sichtbar. Pumpe b) Das Wassermodell wird mit einem einfachen Stromkreis verglichen, der aus einer Batterie und einer Lampe besteht. c) Das Zylindergefäß mit den verschieden hohen Ausläufen wird im Ausguss befüllt. Beobachtet die auslaufenden Wasserstrahlen. Vergleicht diesen Versuch mit einer Schaltung, bei der mehrere Batterien in Reihe geschalten sind. Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage und übernehmt für den Vergleich diese Tabelle: Glühlampe Stromfluss Einfacher Stromkreis Wasserpumpe Wassermodell Wasserhöhe in den Steigrohren 6. Spannung 6

9 Versuch 6.5 Galvanische Elemente Bildungsstandards: F1, F3, F4; E1, E7; K1, K5 Kontextbezug: Batterien und Akkus Achtung: Besondere Vorsicht im Umgang mit dem Elektrolyten Natriumhydroxid (NaOH)! Material: Anleitung: 1 Rillentrog; 4 Elektroden (Cu, Zn, Pb, C; Maße: 76 x 40 mm); 5 g Natriumhydroxid (NaOH); 400 ml destilliertes Wasser; 1 Spannungsmessgerät; 1 Zitrone; 1 Silbergabel; 1 Messer; 2 Krokodilklemmen; 1 alte aufgesägte Monozelle; 1 Paar Einweghandschuhe; Papierhandtücher a) Übertragt die Tabelle für die Messreihe (s. Beobachtung) in die Protokoll-Vorlage. Stellt die Lösung für den Elektrolyten her, indem ihr 5 g NaOH in 400 ml destilliertem Wasser löst. Stellt dann zwei Elektroden im Rillentrog einander gegenüber und befüllt den Trog mit dem Elektrolyten. Schließt die Elektroden mit zwei Krokodilklemmen an das Spannungsmessgerät an. Erstellt die Messreihe, indem ihr die Elektroden im Rillentrog entsprechend einsetzt. Beschreibt, wie man von den letzten drei Spannungswerten auf die ersten drei schließen kann. b) Steckt nun die Silbergabel und das Messer in die Zitrone und messt die Spannung zwischen den beiden Besteckteilen. c) Zieht die Einweghandschuhe an und betrachtet die aufgesägte Monozelle. Vergleicht die Batterie mit dem Volta-Element (Versuchsteil a)). Beobachtung: a) Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage. Nutzt diese Tabelle für eure Messreihe: Galvanisches Element Cu und Zn Pb und Zn Cu und Pb C und Cu C und Pb C und Zn Spannung U gemessen b) Notiert eure Beobachtungen in der Protokoll-Vorlage. c) Nutzt alternativ dieses Bild: + Information: Dieses chemische Element (Zink- und Kupferblech verbunden mit verdünnter Schwefelsäure) ist das Volta- Element, das Alessandro Volte als Spannungseinheit diente. Er entwickelte eine Reihe von verschiedenen chemischen Elementen mit anderen Säuren und Metallen und stellt eine Reihe auf, geordnet nach der erzeugten Spannung. positiver Pol Messingkappe Kohlestab Zinkgehäuse chemische Paste negativer Pol 6.5 a 6. Spannung 7

10 Aufgaben: 1) Ordnet die folgenden Namen den unten abgebildeten Batterien zu und gebt an, welche Spannung sie jeweils abgeben: AA-Mignonbatterie, AAA-Microbatterie, Blockbatterie, CR2-Fotobatterie, Knopfzelle, Monozelle. 2) Das Bild unten zeigt verschiedene Akkus, also wiederaufladbare Batterien. Auf den vier Akkus in der Mitte sind folgende Werte aufgedruckt: 600 mah; 1300 mah; 2000 mah; mah. Beschreibt, was diese An gaben bedeuten. 6.5 b Rückblick: Beantwortet die Forscherfragen vom Beginn der Einheit. Erstellung einer Lernkartei Schreibt das Wichtige von dieser Unterrichtseinheit auf verschiedene Karten einer Lernkartei zusammen. Verwendet dazu Kärtchen im Format DIN A7 (halbe Postkarte). Auf die Vorderseite schreibt ihr eine Frage, auf die Rückseite die richtige Antwort dazu. Wenn jeder seine Karten mit den wichtigen Fragen geschrieben hat, tauscht diese untereinander aus und prüft, ob ihr die Fragen der anderen auch beantworten könnt. 6. Spannung 8

11 Dieser Download ist ein Auszug aus dem Originaltitel Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus Immer besser unterrichten Über diesen Link gelangen Sie direkt zum Produkt: Weitere Downloads, E-Books und Print-Titel des umfangreichen Auer-Verlagsprogramms finden Sie unter Auer Verlag, Augsburg AAP Lehrerfachverlage GmbH Alle Rechte vorbehalten. Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werks ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen weiteren kommerziellen Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte oder für die Veröffentlichung im Internet oder in Intranets. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlags. Sind Internetadressen in diesem Werk angegeben, wurden diese vom Verlag sorgfältig gepru ft. Da wir auf die externen Seiten weder inhaltliche noch gestalterische Einflussmöglichkeiten haben, können wir nicht garantieren, dass die Inhalte zu einem späteren Zeitpunkt noch dieselben sind wie zum Zeitpunkt der Drucklegung. Der Persen Verlag u bernimmt deshalb keine Gewähr fu r die Aktualität und den Inhalt dieser Internetseiten oder solcher, die mit ihnen verlinkt sind, und schließt jegliche Haftung aus. Covergestaltung: Kirstin Lenhart, Mu nchen Umschlagfoto: fotolia pixel Illustratoren: Stefanie Aufmuth, Corina Beurenmeister, Carmen Hochmann, Steffen Jähde, Hendrik Kranenberg, Björn Okesson, Stefan Lohr, Christoph Schmidt, Bettina Weyland, Hanni Wohofsky Satz: Typographie & Computer, Krefeld Bestellnr.: 07818DA6