4.1 Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik... 14

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Hinweise zur Arbeit mit diesem Material Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht der Klassen Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik Lernbereich 2: Energieversorgung Energieversorgung gestern, heute und morgen Elektromagnetische Induktion Energie der Atomkerne Lernbereich 3: Bewegungsgesetze Größen und Gesetze der Kinematik Newtonsche Gesetze Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuchs Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs Aufgaben des Arbeitshefts mit Lösungen

2 1 Hinweise zur Arbeit mit diesem Material Die folgenden Empfehlungen und Materialien für den Physikunterricht der Klasse 9 sollen dem Lehrer Anregungen für seinen Unterricht geben und ihm eine rationelle Unterrichtsvorbereitung und -durchführung ermöglichen. Die Empfehlungen und Materialien sind abgestimmt mit dem Lehrbuch Level Physik, Klasse 9, SN G, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag ISBN Arbeitsheft Level Physik, Klasse 9, SN G, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag ISBN Als Nachschlagewerke für die gesamte Sekundarstufe I sind zu empfehlen: Basiswissen Schule Physik. Verlage DUDEN PAETEC Schulbuchverlag. ISBN Formelsammlung bis Klasse 10. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag. ISBN (Festeinband mit CD-ROM) oder ISBN (Broschur) Formelsammlung bis zum Abitur Formeln, Tabellen, Daten (einschließlich CD-ROM) ISBN Formeln und Tabellen für die Sekundarstufe I und II ISBN (Print) oder ISBN (einschließlich CD-ROM) Darüber hinaus sind folgende Lehrermaterialien für die Sekundarstufe I zu empfehlen: Kopiervorlagen Schüleraktiver Physikunterricht mit Arbeitsblättern für die Sekundarstufe I ISBN (Print) oder ISBN (CD-ROM) Kopiervorlagen Experimentieranleitungen Sekundarstufe I ISBN (Print) ISBN (CD-ROM) Über das gesamte Angebot des DUDEN PAETEC Schulbuchverlages können Sie sich im Internet unter folgender Adresse informieren: Nachschlagewerke für die Schüler sind zu finden unter Das vorliegende Material enthält: eine Übersicht über den Physikunterricht in der Mittelschule, einen Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan, konkrete Unterrichtsmaterialien (Tafelbilder, Kopiervorlagen, Arbeitsblätter, Experimente, Projekte), Hinweise zu den Experimenten des Lehrbuchs, die ausführlichen Lösungen aller Aufgaben des Lehrbuchs, die Lösungen aller Aufgaben des Arbeitsheftes. Das gesamte Material ist so gestaltet, dass es der Lehrer entsprechend seiner Erfahrungen und den spezifischen Bedingungen ergänzen, präzisieren oder umordnen kann. Die vorliegende Form ermöglicht auch schnelle und kostengünstige Ergänzungen und Präzisierungen. Für Anregungen, Vorschläge für konkrete Unterrichtsmaterialien, Kritiken und Hinweise ist der DUDEN PAETEC Schulbuchverlag immer dankbar.

3 Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht der Klassen Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht der Klassen 6 10 Gymnasium Klasse 6 (2 Std.) Klasse 7 (2 Std.) Klasse 8 (2 Std.) Klasse 9 (2 Std.) Klasse 10 (2 Std.) Licht und seine Eigenschaften (17 Std.) Ausbreitung des Lichts Reflexion des Lichts Brechung des Lichts Bildentstehung an Sammellinsen und optische Geräte Kräfte (22 Std.) Mechanische Kräfte Magnetische Kräfte Elektrostatische Kräfte Mechanik der Flüssigkeiten und Gase (12 Std.) Der Druck Schweredruck in Flüssigkeiten Auftrieb Luftdruck Grundlagen der Elektronik (9 Std.) Eigenschaften von Halbleiterdiode, Solarzelle, Transistor Leitungsmechanismen in Halbleitern Mechanische Schwingungen und Wellen (10 Std.) Beschreiben mechanischer Schwingungen Beschreiben mechanischer Wellen Schallwellen Körper, Dichte der Stoffe, Bewegungen (14 Std.) Körper und Stoff Volumen, Masse und Dichte Bewegungen und ihre Beschreibung Stromstärke und Spannung in Stromkreisen (18 Std.) Die elektrische Stromstärke Die elektrische Spannung Thermische Energie (15 Std.) Thermische Energie und Wärme Übertragung von Energie Wärmekraftmaschinen Energieversorgung (18 Std.) Energiebereitstellung in Kraftwerken Elektromagnetische Induktion Kernenergie Kosmos, Erde und Mensch (18 Std.) Sonnensystem, Sterne, Sternsysteme Orientierung am Himmel Weltbilder Erkenntnismethoden in der Astronomie Temperatur und Zustand von Körpern (14 Std.) Temperatur und Temperaturmessung Volumen- und Längenänderung von Körpern Aggregatzustände und ihre Änderungen Elektrische Stromkreise (5 Std.) Elektrischer Strom und seine Wirkungen Elektrische Stromkreise Energiewandler (10 Std.) Energie, Energieformen und Energieumwandlungen Mechanische Energie und mechanische Leistung Eigenschaften elektrischer Bauelemente (15 Std.) Der elektrische Widerstand Widerstandsgesetz Kennlinie von Bauelementen Elektrische Energie und Leistung Selbstständiges Experimentieren (8 Std.) Bewegungsgesetze (16 Std.) Kinematische Bewegungsgesetze Newtonsche Gesetze Physikalisches Praktikum (7 Std.) Licht als Strahl und Welle (9 Std.) Brechungsgesetz, Dispersion und Farbzerlegung Beugung und Interferenz Hertzsche Wellen (7 Std.) Eigenschaften und elektromagnetisches Spektrum Physikalisches Praktikum (6 Std.) Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Sehen und Fotografieren Wärmedämmung Farben Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Kraftwandler früher und heute Elektrische Schaltungen Vom Fliegen Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Vom Ballonfahren Kühlschrank und Wärmepumpe Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Natürliche Radioaktivität Energie von Wind und Sonne Bewegungen auf gekrümmten Bahnen Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Fernrohre Kommunikation mit elektronischen Medien Fernsehbildtechnik Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht

4 4 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium 3 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium Es werden folgende Abkürzungen verwendet: LB Lehrbuch Level Physik 9 SN G. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag 2006, ISBN AH Arbeitsheft Level Physik 9 SN G. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag 2006, ISBN SEA Kombipaket S I Experimentieranleitungen mit CD-ROM. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag, ISBN AB I Kombipaket Kopiervorlagen Physik (Arbeitsblätter) mit CD-ROM. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag, ISBN SE Schülerexperiment DE Demonstrationsexperiment Wh Wiederholung aus anderen Lernbereichen oder anderen Fächern Std.- zahl Inhalte Methodische Hinweise Hinweise auf Lehr- und Lernmittel 9 Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik LB S AH S Einblick gewinnen in Bedeutung und Leistungsfähigkeit der Elektronik Überblick über die Vielfalt elektronischer Bauelemente Exkursion zu Unternehmen oder Einrichtungen: Unterstützung von Projektierung, Fertigung, Marketing mit elektronischen Systemen; Elektronik in Geräten des täglichen Bedarfs; Vorstellen verschiedener diskreter und integrierter elektronischer Bauelemente, Informationen zur Chipfertigung, Tendenz zur Miniaturisierung, Vergleiche zu historischen Bauelementen Sammlung verschiedener Bauelemente, Wafer, Chips, Mikroskop 4 Anwenden der Kenntnisse und Fertigkeiten beim Experimentieren Eigenschaften und Einsatzzwecke von Thermistor, Halbleiterdiode, Solarzelle, LED, Transistor Untersuchen von charakteristischen Eigenschaften bei Halbleiterdiode, Solarzelle, Transistor I(U)-Kennlinien von Halbleiterdioden, I C (U BE )-Kennlinie eines Transistors selbstständige Informationsgewinnung mithilfe von LB, Nachschlagewerken und elektronischen Medien, Vorstellung der Ergebnisse Untersuchungen in einfachen SE SE Aufnehmen von Kennlinien in getrennt gemeinschaftlicher Arbeit (leistungsdifferenziert), rechnergestütztes Erfassen und Auswerten, Zeichnen von Diagrammen unter Berücksichtigung der Messunsicherheiten, Interpretieren dieser Diagramme und der Diagramme anderer Bauelemente Ableiten von Schlussfolgerungen für die Nutzung der Bauelemente (Vergleich mit Recherche) Geräte für Präsentation Geräte für SE SEA E29, E30 GTR

5 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium 5 2 Kennen der prinzipiellen Leitungsmechanismen in Halbleitern Halbleiterstoffe Silicium, Germanium reine und dotierte Halbleiter, Paarbildung und Rekombination, n- und p- Leitung 1 Übertragen und Anwenden der Kenntnisse auf einfache Schaltungen Gleichrichterschaltungen elektronischer Schalter elektronischer Verstärker 18 Lernbereich 2: Energieversorgung 5 Übertragen des Energiebegriffs auf Möglichkeiten der Energie bereitstellung Energieversorgung als Problem der Menschheit Übertragung, Umwandlung, Erhaltung und Entwertung von Energie Erarbeiten im Unterrichtsgespräch unter Nutzung von Videoclips Erhöhung der Leitfähigkeit bei Energiezufuhr (Temperatur, Belichtung) Hinweise auf pn-übergang und Bezug zu Sperr- und Durchlassverhalten Entwickeln bzw. Interpretieren einfacher Schaltungen aus Kennlinieninterpretation und charakteristischen Eigenschaften DE Aufbau und Wirkungsweise von Einweg- und Brückenschaltung, Nutzung eines Oszillografen, Erklären der Wirkungsweise DE oder Zusammenbau und Erprobung eines Bausatzes für Dämmerungsschalter oder Lichtschranke Hinweis auf Verstärker für Mikrofone und in Audiogeräten, Messverstärker Folien von Kennlinien Berichten über Probleme der Energieversorgung: Holzraubbau, Energiekrisen und ihre Folgen, ungleichmäßiger Energiebedarf in der Welt u. Ä. Freihandexperimente zur Wh des Energiebegriffs Energieträger, Energiearten und Energieumwandlungen, z. B. Spielzeuge mit elektrischem Antrieb sowie Feder- und Schwungradantrieb, Heben eines Körpers mit Muskelkraft und elektrisch angetriebenem Spielzeugkran, Akkubohrschrauber, Kerze anzünden, Raumbeleuchtung einschalten, Erwärmen von Wasser mit Gasbrenner und elektrischer Heizplatte Energieträger, die für die Energieversorgung besonders geeignet sind Nutbarkeit verschiedener Energiearten und Energieträger Elektroenergie als besonders gut nutzbare Energieart (edle Energie) Video, Applikationsmaterial AB Elektrische Leitungsvorgänge in Halbleitern AB Die Halbleiterdiode Folien von Kennlinien Geräte für DE Geräte für DE, Beschaffung von Bausätzen, SEA E31 LB S AH S LB S AH S. 6 7 Geräte für Freihandexperimente AB Energie, Energieformen, Energieträger

6 6 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium 1 2 Bereitstellung elektrischer Energie durch Kraftwerke Kraftwerksarten Kraftwerksprozess in Wärmekraftwerken Anwenden der elektromagnetischen Induktion auf die Bereitstellung und den Transport elektrischer Energie Generator als Voraussetzung für die Industrialisierung Begriff elektromagnetische Induktion Induktionsgesetz Parameter, von denen der Betrag der Induktionsspannung abhängt Schlussfolgern zur Notwendigkeit der Energieveredelung durch Umwandlung Wh Energieerhaltungssatz, Entwertung von Energie bei der Energienutzung, Wirkungsgrad von Anlagen Veredelung von Energie in Kraftwerken: Primär-, Sekundär-, Nutzenergie Abwärme Kraftwerke mit fossilen Energieträgern (Wärmekraftwerke), Kraftwerke mit regenerativen Energieträgern, Energieressourcen in verschiedenen Ländern Energieumwandlungen und -übertragungen in den Anlagenteilen, Wirkungsgrad, Wärme-Kraft-Kopplung in regionalen Kraftwerken Vortragen über Abhängigkeit der Menschen von der Bereitstellung elektrischer Energie, Berichte von Havarien Bereitstellung von elektrischer Energie durch Reibungselektrizität, galvanische Elektrizität (Batterien), Generator (hohe Leistung möglich) Analyse der Funktion und des Aufbaus eines Generators Wh magnetisches Feld, Erkennen der relativen Bewegung von Feldmagnet und stromerzeugender Spule DE Nachweis der induzierten Spannung, Entdeckung der elektromagnetischen Induktion, MICHAEL FARADAY (SV) SE/DE Induktionsspannung entsteht durch Änderung der Stärke des Magnetfeldes, das die Induktionsspule durchsetzt: mittels Relativbewegung, mittels Änderung der Erregerstromstärke des Feldmagneten DE Induktionsspannung entsteht durch Änderung der vom Feld durchsetzten (wirksamen) Spulenfläche DE Abhängigkeit von Windungsanzahl, Änderung der Stärke des Magnetfeldes in gleicher Zeit, Änderung des Magnetfelds in kürzerer Zeit, Erfassen in Je-desto-Aussagen AB Der Wirkungsgrad Schulpublikationen von Energieversorgungsunternehmen LB S AH S Literatur, Zeitungsmeldungen, Videoclips Geräte für Demostrationen Bilder historischer Generatoren, Fahrraddynamo, Aufbaumodell Geräte für DE SEA E20 Geräte für DE SEA E21, E22, Geräte für DE AB Elektromagnetische Induktion (1) und (2)

7 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium Wechselstromgenerator Transformator Einblick gewinnen in die Nutzung der Energie der Atomkerne Erscheinungen der Radioaktivität Nachweis der Radioaktivität durch Wirkung auf Fotomaterial und in der Nebelkammer Arten radioaktiver Strahlen Anwenden der Erkenntnisse zur Begründung des Aufbaus und Erklären der Wirkungsweise, Entstehung von Wechselspannung Fahrraddynamo, Bauformen von Kraftwerksgeneratoren, Beiträge WERNER VON SIEMENS zur Entwicklung des Generators Vorteile des Energieträgers elektrischer Strom hinsichtlich der Fernübertragung von Energie, Transformator als Bestandteil von Übertragungsanlagen Untersuchen des Aufbaus eines Transformators, Anwenden der Erkenntnisse zur Induktion zur Begründung des Aufbaus und Erklären der Wirkungsweise DE Wirkungsweise eines Transformators Möglichkeit der Spannungsübersetzung, Notwendigkeit der Energieübertragung mittels Hochspannung Wh elektrische Leistung, Folgen einer Energieübertragung großer Leistung mit kleinen Spannungen Informieren über Energieverbundnetze und Energieverluste bei der Fernübertragung von elektrischer Energie Abschnitt ist geeignet für getrennt gemeinschaftliche Schülerarbeit; Abstimmung mit Wahlpflichtbereich 1 Einführen in die Probleme der Nutzung von Kernenergie: Argumente zu Für und Wider von Kernkraftwerken, Energieproblem, Havarien und Folgen, aktuelle Auseinandersetzungen aufgreifen Historisches zur Entdeckung der Radioaktivität, Anteil MARIE CURIES würdigen, Auswerten von Nebelkammeraufnahmen Unterscheiden nach ihrer Ablenkung im magnetischen Feld und ihrer Durchdringungsfähigkeit, Hinweis auf Ursache von Kernumwandlungen, Natur der verschiedenen Strahlungsarten Generator-Aufbaumodell demontierter Fahrraddynamo, Material zu Kraftwerksgeneratoren AB Der Generator Videoclip, Bilder einer Umspannanlage Realtrafo, Trafo-Aufbaumodell Geräte für DE LB S AH Übersichten über Nutzung von Kernenergie in verschiedenen Ländern, Berichte über Havarien (Harrisburg, Tschernobyl), Castortransporte Video, Nebelkammeraufnahmen AB Nachweis radioaktiver Strahlung

8 8 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium Atomkern 3 biologische Wirkung durch ionisierende Eigenschaft radioaktiver Strahlen Nachweismöglichkeiten Entdeckung der Kernspaltung Kernspaltung Sich positionieren zu den Vor- und Nachteilen verschiedener Kraftwerksarten 16 Lernbereich 3: Bewegungsgesetze Kennen des Begriffs Bewegung 1 Begriff Bewegung Bewegungsarten 3 Beherrschen der kinematischen Bewegungsgesetze Geschwindigkeit Wh Kern-Hülle-Modell und PSE (Ch 7/8), Bestandteile des Kerns (relative Atommasse, Ladung) Kernbindungskräfte, isotope Kerne, natürliche Radioaktivität unterschiedlich starke ionisierende Wirkung der Strahlenarten, Berichten über Auswirkungen von Überdosen radioaktiver Strahlung, Anwendungen Vorstellen von Zählrohren, Ionisationsdosimeter Würdigung von HAHN, STRASSMANN und MEITNER, gesellschaftliche Rahmenbedingungen Bedingungen für Kernspaltung, Kettenreaktion, Hinweis auf Kernwaffen und atomare Rüstung gesteuerte Kettenreaktion im Reaktor (Aufbau und Wirkungsweise, Energiefreisetzung), Einsatz im Kraftwerk Argumentieren zu fossilen Energieträgerreserven, Möglichkeiten und Risiken der Nutzung verschiedener Energieträger, Umweltbelastung, Perspektiven Demonstration verschiedener Bewegungsarten: Aufsuchen von Gemeinsamkeiten B Ortsveränderung, Relativität der Bewegung bewusst machen, Aufsuchen von Unterschieden B Bahnform, Bewegungsarten (Wh Kl. 6): geradlinige Bewegung, Kreisbewegung, Schwingung Beispiele wie Bewegung eines Turners, eines Autos beim Einparken B Modell Massepunkt DE Vergleich verschiedener Bewegungen, Schnelligkeit der Ortsveränderung, Geschwindigkeit als physikalische Größe (Wh Kl. 6) AB Aufbau von Atomen Zählrohre, Fotodosimeter, Ionisationsdosimeter AB Anwendung radoaktiver Strahlen Videosequenzen Folien AB Kernenergie Material von Energieversorgern, Abstimmung mit fächerverbindendem Thema LB S AH S Geräte für Demonstrationen Geräte für DE

9 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium v = s t geradlinig gleichförmige Bewegung s(t) = v t beschleunigte und verzögerte Bewegungen physikalische Größe Beschleunigung a = v t geradlinig gleichmäßig beschleunigte Bewegung v(t) = a t a s(t) = --- t 2 2 Übertragen der Bewegungsgesetze auf den freien Fall Würdigung von GALILEO GALILEI Unterscheiden von ungleichförmiger und gleichförmiger Bewegung (v = konst.), Interpretieren von s(t)-diagrammen, Verallgemeinerung der Definitionsgleichung Durchschnitts- und Augenblicksgeschwindigkeit Merkmale hinsichtlich Bahnform und Betrag der Geschwindigkeit SE/DE Untersuchen des Zusammenhangs zwischen Weg und Zeit (rechnergestützte Messwerterfassung), Auswertung mit mathematischen Methoden ohne und mit Rechner Anfahr- und Bremsvorgänge, Bewegungen auf geneigter Ebene Begriff Beschleunigung und Definition als physikalische Größe Größenvorstellungen von Beschleunigungen in Natur und Technik, Berechnungen Merkmale hinsichtlich Bahnform und Betrag der Beschleunigung (a = konst.), Herleiten von v(t) = a t DE Bestätigung von v ~ t, Beschleunigung als Anstieg der Geraden im v(t)-diagramm, Weg als Fläche unter dem Graphen im v(t)-diagramm a Herleiten von s(t) = --- t 2 2 DE Bestätigung von s ~ t 2 an geneigter Ebene, Berechnungen, Interpretieren von Diagrammen Vermutung entwickeln: freier Fall als Sonderfall der geradlinig gleichmäßig beschleunigten Bewegung DE Fallbewegungen verschiedener Körper im Vakuum und in Luft Schülervortrag zu GALILEI DE Bestimmen der Fallbeschleunigung g, Aufgaben lösen Folien, AB gleichförmige Bewegungen (2) Geräte für SE/DE GTR Geräte für Demonstrationen AB Gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegung Fallröhre, Fallschnüre AB Der freie Fall Geräte für DE

10 10 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium 5 2 Kennen der newtonschen Gesetze newtonsches Grundgesetz F = m a Wechselwirkungsgesetz Trägheitsgesetz Beurteilen von Gefahren im Straßenverkehr Bremsvorgänge Trägheitswirkungen Frage nach der Ursache von beschleunigten und verzögerten Bewegungen: Einwirken einer Kraft auf frei bewegliche Körper, Wh (Kl. 7) Kraft als physikalische Größe, Kraftwirkungen, Gewichtskraft, Ortsfaktor SE halb quantitative Untersuchung der Zusammenhänge zwischen a und F sowie a und m Mitteilen der Gleichung F = m a, Interpretieren und Vergleichen mit experimentellen Befunden, Aufgaben lösen, dabei 1 N = 1kg m/s 2 freier Fall als Folge der Schwerkraft Gewichtskraft F g = m g Fallbeschleunigung Ortsfaktor Schwerelosigkeit frei fallender Körper, Wechselwirkung von Körpern unter dem Einfluss der Schwerkraft und Unterlage/ Aufhängung von an der Bewegung gehinderter Körper, Bezug zu oben, Diskussion weiterer Wechselwirkungen, z. B. Experiment Magdeburger Halbkugeln, Raketenantrieb, Rückstoß bei Geschützen oder Handfeuerwaffen, DE segnersches Wasserrad Ansichten ARISTOTELES zur erzwungenen Bewegung eines Ochsenkarrens, GALILEIS Gedankenexperiment zur Trägheit, Reibung als verzögernde Kraft Kräftegleichgewicht zwischen Reibung und Antriebskraft für gleichförmige Bewegungen mit Reibung Herleitung des Trägheitsgesetzes als Sonderfall F = 0 DE Trägheitswirkungen Projekt Berechnen von Anhaltezeiten und -wegen unter Berücksichtigung der Reibung und der Reaktionszeit Computersimulationen experimentelle Bestimmung der Reaktionszeit Sinn von Sturzhelm und Sicherheitsgurt, Knautschzone Ladungssicherung SEA M11 Geräte für DE Geräte für DE LB S Lehrmaterial von Fahrschulen Geräte für SE Video, Demonstrationen mit Modellexperimenten AB Sicherheitsgurt und Airbag

11 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium 11 Einblick gewinnen in die Grenzen klassischer mechanischer Vorstellungen Hinweisen auf Erkenntnisse ALBERT EINSTEINS: Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit, Relativität der Masse, Relativität von Raum und Zeit, Gültigkeit der Annahmen der klassischen Mechanik, Würdigung ISAAC NEWTONS 7 Physikalisches Praktikum LB S Anwenden des Wissens beim Lösen von Aufgaben aus Mechanik und Elektrik Die im Lehrplan vorgegebenen Kompetenzen sollten mittels komplexer experimenteller Aufgaben erreicht werden. Problemlösen bei komplexen experimentellen Anforderungen Die im LB vorgeschlagenen Experimente sind sowohl Aufgabenstellungen mit vorgegebener Handlungsfolge als auch Aufgabenstellungen, bei denen die Planung von Experimentieranordnung, Handlungsfolge und/oder Auswertung von den Schülern nach den vorgegebenen Gerätevoraussetzungen selbstständig erfolgen kann. Es eignen sich besonders Aufgaben zur Bestimmung physikalischer Größen zur Ermittlung quantitativer Zusammenhänge zur Erklärung experimentell festgestellter Phänomene. Dabei sollen Messwerte sowohl mit herkömmlichen Methoden als auch computergestützt erfasst und verarbeitet werden. Beim Auswerten werden mathematische Methoden vertieft. außerdem: SEA P2, P3, P10, P11, P14, P18 für das Praktikum bearbeitet: SEA M12, M13, E21, E22, E24, E28, E31 Wahlpflichtbereiche Aus den drei Wahlpflichtbereichen können zwei ausgewählt werden. LB S Wahlpflichtbereich 1: Natürliche Radioaktivität Abstimmen mit Lernbereich 2 LB S Sich positionieren zur Radioaktivität in Natur und Technik 1 Entdeckung der Radioaktivität Erkunden der Umstände der Entdeckung der Radioaktivität durch HENRY BEQUEREL und MARIE CURIE, Hinweisen auf Zerfallsreihen Videosequenzen Aufbau und Wirkungsweise des Geiger- Müller-Zählrohrs Wirkungen radiaktiver Strahlung, die für Nachweismethoden relevant sind: Schwärzung von fotoempfindlichem Material, Filmdosimeter; Ionisierungsvermögen DE Entladen eines Wulfelektroskops Aufbau eines Geiger-Müller-Zählrohrs, problemhaftes Erarbeiten der Wirkungsweise, Totzeit AB Nachweis radoaktiver Strahlung Geräte für DE offenes Zählrohr

12 12 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium 2 Eigenschaften radioaktiver Strahlen Radioaktivität als Umweltfaktor 1 Anwendung radioaktiver Präparate in der medizin und Technik 4 Wahlpflichtbereich 2: Energie von Wind und Sonne Sich positionieren zur Nutzbarkeit der Energie von Wind und Sonne Historisches Aufbau und Wirkprinzip einer Windkraftanlage thermische Nutzung der Solarenergie Fotovoltaik Durchdringungsvermögen, Reichweite bei verschiedenen Strahlenarten und bei verschiedenen Materialien SE/DE Untersuchungen dazu unter Nutzung von Zählrohranordnungen, Schlussfolgern für persönlichen Strahlenschutz, Reaktorsicherheit Geräte für SE/DE natürliche Strahlenbelastung am Beispiel des Radonproblems im Erzgebirge, Belastungen durch Halden des Uranbergbaus, Recherche Literatur zum Problem, Internetrecherche Hinweisen auf verschiedene Einsatzzwecke in nuklearmedizinischer Diagnostik, Strahlentherapie, Werkstoffprüfung, Verschleißmessung vertiefte Beschäftigung mit einem ausgewählten Anwendungsbeispiel (getrennt gemeinschaftliche Arbeitsweise) AB Anwendung radioaktiver Strahlung Abstimmen mit Lernbereich 2 LB S Dieser Wahlpflichtbereich eignet sich für eine projektorientierte selbstständige Schülerarbeit. Berichten über Nutzung der Energie des Windes bei Segelschiffen und Windmühlen Medienrecherche Rotorarten, Kopplung mit Generator, Wh Vorteile der Elektroenergie, Einspeisung ins Verbundnetz, Vor- und Nachteile von Windkraftanlagen in Bezug auf Umwelt und Wirtschaftlichkeit, Grenzen der Nutzung Bildmaterial und Modelle Eigenschaften von Wärmestrahlen (Experimente) und ihre Anwendung in Sonnenkollektoren Erzeugung hoher Temperaturen: Treibhauseffekt, Hohlspiegel, Brennlinsen Anwendung von Sonnenkollektoren zur Warmwasserbereitstellung, Niedrigenergiehäuser, evtl. Bau eines einfachen Sonnenkollektormodells Geräte für Experimente Wirkungsweise einer Solarzelle (vereinfacht, mit Bezug zu Lernbereich 1), Spannung und Leistung verschiedener Solarzellen, Reihen- und Parallelschaltung verschiedene Solarzellen Material für SE

13 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 9 Gymnasium 13 4 Wahlpflichtbereich 3: Bewegung auf gekrümmten Bahnen 2 Anwenden von Gesetzen der Kinematik und Dynamik auf Bewegungen auf gekrümmten Bahnen gleichförmige Kreisbewegung Bahngeschwindigkeit 2 v = 2π r T Radialkraft F R = m v r Satellitenbahnen 8 Fächerverbindenes Thema: Energie und Umwelt SE Untersuchung der Abhängigkeit der Leistung von Bestrahlungsstärke und -winkel, Vor- und Nachteile in Bezug auf Umwelt und Wirtschaftlichkeit, Hinweis auf Solarkonstante, Wirkungsgrad heutiger Anlagen Präsentation der Arbeiten der Schülergruppen Präsentationstechnik LB S Betrachten von Beispielen für Bewegungen auf gekrümmten Bahnen, z. B. Turner am Reck, Hammerwerfen, Bewegung des Fahrradventils Bewegung von Himmelskörpern und Satelliten, Abgrenzung von Drehbewegung, Modell Massepunkt anwenden Geräte für Freihanddemonstrationen Kreisbewegung als Sonderfall von Bewegungen auf gekrümmter Bahn, mit der sich Bewegungen auf komplizierteren Bahnen näherungsweise berechnen lassen, konstanter Betrag der Geschwindigkeit auf der Bahn, jedoch sich stets ändernde Richtung Herleiten der Gleichung für die Bahngeschwindigkeit aus der Definitionsgleichung der Geschwindigkeit, Lösen von Berechnungsaufgaben Experimentiermotor, dicker Kupferdraht, Plastilin Analyse des Trägheitsgesetzes in Bezug auf die gleichförmige Kreisbewegung Erkennen, dass Kraft für ständige Richtungsänderung erforderlich ist, Bestätigung mit DE, Bewusstmachen an eigenen Erfahrungen, Begriff Radialkraft Mitteilen und Interpretieren der Gleichung Aufgaben lösen Geräte für DE geostationäre Satelliten, Simulationen, Anwendungen der Satellitentechnik Das Thema orientiert sich an den Perspektiven Raum und Zeit sowie Sprache und Denken und enthält Elemente aus den thematischen Bereichen Umwelt, Gesundheit, Technik und Medien. LB S

14 14 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung 4 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung 4.1 Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik Bei der Behandlung der Leitungsvorgänge in Halbleitern sind die Schwerpunkte die Klärung des Begriffs Halbleiter, die Eigenleitung und die Störstellenleitung, die Temperaturabhängigkeit des Widerstands von Halbleitern am Beispiel des Thermistors, die Halbleiterdiode, der Transistor, ausgewählte Anwendungen von Halbleiterbauelementen. Zur Klärung des Begriffs Halbleiter empfiehlt sich eine Gegenüberstellung von Leitern, Halbleitern und Nichtleitern. Während bei Leitern der spezifische elektrische Widerstand bei 0,1 0,01 Ω mm 2 /m liegt, beträgt er bei Nichtleitern ca Ω mm 2 /m oder weniger. Halbleiter liegen unter normalen Bedingungen dazwischen, z. B. hoch dotiertes Silicium bei 10 2 Ω mm 2 /m. Bei reinem Silicium ist die Leitfähigkeit aufgrund der Eigenleitung sehr gering. Es gehört mit etwa Ω mm 2 /m zu den Isolatoren. Schon geringe Verunreinigungen, die immer vorhanden sind, erhöhen die elektrische Leitfähigkeit von Silicium um Größenordnungen. Für die vereinfachte Darstellung von Silicium gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Im Lehrbuch ist eine Variante angegeben, die eine Projektion von Siliciumkristallen in eine Ebene darstellt. Die Skizze zeigt die räumliche Darstellung eines einzelnen Siliciumkristalls, bei dem die Elektronenpaare angedeutet sind. Eine andere Variante ist im TB dargestellt. Si Si Si Si Auf die geringe Eigenleitung von Silicium sollten die Schüler aufmerksam gemacht werden. Die entscheidenden Prozesse dabei sind die Paarbildung (Elektron, Loch) und die Rekombination. Diese Eigenleitung, die ihrem Wesen nach eine Elektronenleitung ist, bei der sich auch Löcher bewegen, tritt auch bei dotierten Halbleitern auf. Da sie aber um Größenordnungen geringer ist als bei dotierten Halbleitern, kann sie weitgehend vernachlässigt werden. Um den Schülern zumindest vage Vorstellungen über die tatsächlichen Verhältnisse zu vermitteln, kann man sie auf folgende Zahlen aufmerksam machen: In reinem Silicium kommt auf etwa (hundert Milliarden) Silciumatome ein frei bewegliches Elektron (Eigenleitung). Bei normaler Dotierung kommt auf etwa 10 6 Siliciumatome ein Fremdatom. Bei Siliciumatomen sind es demzufolge 10 5 frei bewegliche Ladungsträger, also einhunderttausend Mal so viel wie bei reinem Silicium. Si Tafelbild Halbleiter Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern liegt zwischen der von Leitern (z. B. Kupfer, Aluminium) und der von Nichtleitern (z. B. Gummi, Plastik). Aufbau von Silicium Einer der wichtigsten Halbleiterstoffe ist das Silicium. Si Si Si Silicium ist vierwertig. Si Si Si Si Si Si

15 Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik 15 Tafelbild / Kopiervorlage n-leitung und p-leitung Durch den Einbau von Fremdatomen (Dotieren) kann die elektrische Leitfähigkeit von Silicium in weiten Grenzen verändert werden. n-leiter p-leiter Störstelle Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Durch Einbau eines 5-wertigen Stoffes besteht ein Elektronenüberschuss. Durch Einbau eines 3-wertigen Stoffes besteht ein Elektronenmangel. Es sind Löcher vorhanden. vereinfachte Darstellung Phosphor-Ion Elektron Bor-Ion Loch (Defektelektron) Bei Anlegen einer Spannung bewegen sich die Elektronen gerichtet. Elektronenleitung (n-leitung) Bei Anlegen einer Spannung bewegen sich Elektronen von Loch zu Loch. Dadurch bewegen sich die Löcher gerichtet. Löcherleitung (p-leitung) Ursache für die n-leitung und p-leitung sind Störstellen. Man spricht deshalb auch von Störstellenleitung.

16 16 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Bei hoch dotiertem Silicium beträgt das Verhältnis von Siliciumatomen zu Fremdatomen etwa : 1, die Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger bei Siliciumatomen also Bei Metallen ist das Verhältnis Atome zu Elektronen etwa 1 : 1. U = Fotowiderstand Taschenlampe A Für die zeichnerische Darstellung des mit drei- oder fünfwertigen Elementen dotierten Siliciums bieten sich zwei Varianten an. Um die Störstellen (Elektronen, Löcher) deutlich zu machen, empfehlen sich Skizzen wie im TB. Da die Störstellenleitung die entscheidende Rolle spielt, ist die ebenfalls im TB enthaltene vereinfachte Darstellung sehr zu empfehlen. Anhand dieser Darstellung ist die p- und die n-leitung leicht überschaubar, sie ist auch gut nutzbar für die Erläuterung der Vorgänge im pn-übergang. Die Darstellung kann auch als Kopiervorlage genutzt werden. Die Beeinflussung des elektrischen Leitungsvorgangs in Halbleitern durch Wärme am Beispiel des Thermistors und durch Licht am Beispiel des Fotowiderstands kann vor oder nach der Behandlung der Störstellenleitung erfolgen. Im Vordergrund steht dabei nicht der Leitungsmechanismus, sondern der jeweilige Effekt, dass durch Wärme bzw. durch Licht die Zahl der Ladungsträger und damit der elektrische Widerstand des Bauelements verändert werden kann. Thermistoren oder Heißleiter (NTC-Widerstände, Abkürzung des englischen negativ temperature coefficient) bestehen aus gesinterten Metalloxiden oder oxidischen Mischkristallen, z. B. Fe 2 O 3 mit TiO 2 - Dotierung, MgO mit Al 2 O 3 oder NiO mit Li 2 O. Der Widerstandskoeffizient liegt meist zwischen 3 %/K und 6 %/K. Der Mechanismus der Widerstandsänderung besteht darin, dass sich bei Temperaturerhöhung infolge von thermischer Generation Ladungsträgerkonzentration und Ladungsträgerbeweglichkeit verändern. Bei Fotowiderständen verwendet man z. B. Cadmium- oder Bleisulfid und Cadmium- oder Bleiselenid auf einem Trägerblättchen. Genutzt wird der innere fotoelektrische Effekt, also die Freisetzung von Ladungsträgerpaaren (Elektronen, Defektelektronen) durch das eingestrahlte Licht. Die höchste Empfindlichkeit ist vom Material abhängig; sie kann im sichtbaren, aber auch im nicht sichtbaren Bereich (IR, UV) liegen. Im Unterricht empfiehlt sich ein phänomenologisches Herangehen, wobei man die Effekte durch Experimente verdeutlichen kann (s. Skizzen oben). U = Heißleiter Föhn Beide Experimente können mehrfach wiederholt werden (Lampenabstand verändern, Föhn an-, ausschalten), wodurch die Schüler selbst zu der Einsicht gelangen, dass eine Beleuchtungsstärke- bzw. Temperaturänderung zur Änderung der Stromstärke führt. Bei der Erklärung der Effekte geht es um zwei Aussagen, die auf unterschiedlicher Ebene liegen und die den Schülern bewusst werden sollten: a) Da sich bei konstanter Spannung die Stromstärke vergrößert und die Stromstärke ein Maß für die Anzahl der Ladungsträger ist, die sich durch einen Leiterquerschnitt bewegen, ergibt sich: Bei Temperaturerhöhung bzw. bei Beleuchtung stehen im Bauelement mehr Ladungsträger zur Verfügung. Die Energiezufuhr bewirkt eine Vergrößerung der Anzahl der Ladungsträger. b) Vergrößerung der Stromstärke bei konstanter Spannung bedeutet nach R = U/I eine Verkleinerung des elektrischen Widerstands. Mit Temperaturerhöhung bzw. Beleuchtung verkleinert sich der elektrische Widerstand des betreffenden Bauelements. Die wichtigsten Ergebnisse sind im TB zusammengefasst. In leistungsstärkeren Klassen kann man auch auf die Kennlinien eingehen. Bei Thermistoren liegt in der Regel eine nichtlineare Abhängigkeit vor. I-J- Kennlinie I A U = konstant J

17 Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik 17 Tafelbild Beeinflussung der Leitfähigkeit von Halbleitern Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch Energiezufuhr (Licht, Wärme) erhöht werden. Thermistor (Heißleiter) Fotowiderstand U J A U A Je höher die Temperatur, desto größer die Stromstärke und desto kleiner der Widerstand. Anwendungen Thermometer Je größer die Beleuchtungsstärke, desto größer die Stromstärke und desto kleiner der Widerstand. Anwendungen Lichtschranken, Dämmerungsschalter Bei Fotowiderständen ergibt sich meist ein linearer Zusammenhang, wenn man den Widerstand in Abhängigkeit von seiner Entfernung s von einer Lichtquelle bestimmt. Für einen Fotowiderstand FOK3 und einen Diaprojektor als Lichtquelle erhält man folgendes R-s-Diagramm: R in Ω R in Ω s in cm Beachtet man, dass zwischen Beleuchtungsstärke E und Abstand s die Beziehung E~1/s 2 besteht, dann erhält man auch beim Fotowiderstand einen nichtlinearen Zusammenhang in der Form, wie er im Diagramm rechts dargestellt ist. Als wichtige Bauelemente, die sowohl als diskrete Bauelemente ihre Bedeutung haben als auch in E in Lux integrierten Schaltkreisen eine wichtige Rolle spielen, werden die Halbleiterdiode und der Transistor herausgestellt. Beide Bauelemte können auf sehr unterschiedlichem Niveau behandelt werden, ebenso die verschiedenen Anwendungen. Entscheidend ist: Schüler sollen ein elemtares Verständnis für die Vorgänge in dotierten Halbleitern gewinnen. Es sollte deshalb die Störstellenleitung im Vordergrund stehen und die Eigenleitung bei Halbleiterdioden und Transistoren vernachlässigt werden. In den Tafelbildern/Kopiervorlagen sind didaktisch vereinfachte Varianten angegeben. DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: ISBN X

18 18 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Tafelbild / Kopiervorlage Die Halbleiterdiode Aufbau: p-leitender Bereich n-leitender Bereich Grenzschicht, die sich zwischen beiden Bereichen bildet p-leitend Grenzschicht n-leitend Löcher Elektronen Durchlassrichtung Sperrrichtung Kennlinie einer Silicium-Diode 80 I in ma ,4 0,8 1,2 U in V Anwendung: Gleichrichtung von Wechselströmen (Gleichrichter)

19 Lernbereich 1: Grundlagen der Elektronik 19 Arbeitsblatt Untersuchungen an einer Diode Aufgabe: Untersuche die Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung in Durchlassrichtung und in Sperrrichtung! Vorbereitung: a) Was versteht man bei einer Diode unter Durchlass- bzw. Sperrrichtung? b) Ergänze den Kopf der Messwertetabellen! Durchführung: a) Baue zunächst die Schaltung für die Untersuchung der Durchlassrichtung auf! Führe die Messung durch! Trage die Messergebnisse in die Messwertetabelle ein! b) Untersuche die Sperrrichtung! Verändere dazu die Schaltung entsprechend dem angegebenen Schaltplan! Durchlassrichtung Sperrrichtung R S Diode R S Diode U = V U = V A Auswertung: A U in V 0,2 0,4 0,6 0,7 Durchlassrichtung: Sperrrichtung: U in V Zeichne die Kennlinie der Diode!

20 20 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Tafelbild / Kopiervorlage Der npn-transistor Aufbau: Schaltzeichen: Kollektor C C n C Basis B p pn- Übergänge B B n E Emitter E E Schaltung, Stromkreise und Ströme beim Transistor A I C A I B U CE I B I C U BE Ströme beim Transistor Basisstromkreis Kollektorstromkreis Es fließt ein Strom, wenn der pn-übergang zwischen Emitter und Basis in Durchlassrichtung geschaltet ist (U BE > 0,7 V). Die Kollektorstromstärke I C ist wesentlich größer als die Basisstromstärke I B. Eine kleine Änderung von I B bewirkt eine große Änderung von I C.

21 Lernbereich 2: Energieversorgung 21 p f e h 4.2 Lernbereich 2: Energieversorgung In diesem Lernbereich geht es vor allem darum, dass die Schüler ihr Wissen im Kontext zu Fragen der Energieversorgung vernetzen. Die Schüler sollen zur Einsicht gelangen, dass man die natürliche Umwelt nur in enger Verbindung mit anderen Naturwissenschaften als komplexe Erscheinung erklären und verstehen kann. Ihnen wird bewusst, wie einzelne physikalisch-technische Erkenntnisse die Entwicklung von Wissenschaft und Technik befördern und damit die Lebenswelt der Menschen verändern. Der Lernbereich ist in enger Beziehung zum Wahlpflichtbereich Energie von Wind und Sonne zu sehen und eignet sich zur Realisierung eines fächerverbindenden Themas Energie und Umwelt Energieversorgung gestern, heute und morgen Das Stoffgebiet bietet vielfältige Möglichkeiten, die Schüler mit den Zusammenhängen zwischen Natur, Umwelt, Energie und Gesellschaft vertraut zu machen und sie zur Bewertung des Umgangs mit natürlichen Energieressourcen zu befähigen. Die Schüler sind in der Lage, Schlussfolgerungen für das eigene Handeln zu ziehen. Aufbauend auf den Kenntnissen zum Energiebegriff aus den Klassenstufen 7 und 8 geht es um eine Weiterentwicklung des Energiebegriffs, eine Beschreibung vielfältiger Energieumwandlungen am Beispiel komplexer Phänomene und technischer Anwendungen, das Erläutern von Energieentwertung an Beispielen, das Erkennen der fundamentalen Bedeutung des Energieerhaltungssatzes über die Grenzen des Physikunterrichts hinaus, die Bereitstellung elektrischer Energie durch Kraftwerke Primärenergie, Sekundärenergie, Nutzenergie erneuerbare und nicht erneuerbare Energien. Einbezogen werden sollten auch aktuelle Daten und Informationen, die man über das Internet abrufen kann. Auf einige dieser Quellen sei nachfolgend aufmerksam gemacht. Aktuelle Energiedaten werden jährlich vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit herausgegeben. Die Daten findet man unter Es können auch kostenlos Broschüren und Flyer bestellt werden. Unter findet man zahlreiche aktuelle Informationen zur Nutzung der Kernenergie und auch zu Kernkraftwerken. Beim Informationskreis Kernenergie werden auch kostenlos Broschüren in Klassensätzen bereitgestellt. Unter sind vielfältige Informationen zu Windkraftwerken zu finden. Unter bietet der Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke Informationen zur Nutzung der Wasserkraft. Unter der Internet-Adresse von Energieunternehmen, z. B. unter der Adresse findet man teilweise sehr detaillierte Informationen zu einzelnen Kraftwerken. Einbezogen werden sollten auch Informationsmaterialien der örtlichen Energieversorger, die in der Regel kostenlos zur Verfügung gestellt werden.

22 22 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Kopiervorlage Erneuerbare Energien Primärquellen Technische Nutzung Sekundär- bzw. Nutzenergie Sonne Sonnenstrahlung Sonnenkollektor Solarzellen/ Solarkraftwerk Wasserkraft Wasserkraftwerk elektrische Energie Wind Windkraftwerk Biomasse (Pflanzen, Tiere) Kraftwerke mit Biogas oder Biomasse Heizung mit Biomasse Erde Umweltwärme (Erdoberfläche, Grundwasser, Luft) Wärmepumpe thermische Energie / Wärme Erdwärme Geothermisches Kraftwerk Geothermisches Heizwerk Mond Gezeiten Gezeitenkraftwerk

23 Lernbereich 2: Energieversorgung 23 Kopiervorlage Erdwärmekraftwerk Es wird durch die Erdwärme erhitztes Wasser für die Gewinnung von Elektroenergie genutzt. Größte Anlage: Larderello (Italien) Gesamtleistung: 490 MW 180 Bohrlöcher speisen die Kraftwerke mit Dampf. Kraftwerk Pumpe Turbine, Generator kaltes Wasser heißes Wasser bzw. Dampf 3000 m bis 5000 m Tiefe GRANIT 150 C bis 300 C

24 24 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Kopiervorlage Gezeitenkraftwerk Ebbe und Flut werden für die Gewinnung von Elektroenergie genutzt. Größte Anlage: St. Malo (Frankreich) Leistung: 240 MW (24 Turbinen) Durch einen Damm ist eine 22 km 2 große Bucht abgeriegelt. bei Flut Damm abgeriegelte Bucht Meer Turbine Generator bei Ebbe Damm abgeriegelte Bucht Meer Turbine Generator

25 Lernbereich 2: Energieversorgung 25 Arbeitsblatt/Kopiervorlage Energie, Energieformen, Energieträger Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, mechanische Arbeit zu verrichten oder Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Energieform Beispiele Energieträger potenzielle Energie E pot angestautes Wasser gehobene Körper kinetische Energie E kin thermische Energie E therm fahrendes Auto strömendes Wasser strömende Luft heißer Ofen heißes Wasser Flamme einer Kerze chemische Energie E chem elektrische Energie E el Steinkohle, Braunkohle Erdgas, Propan Benzin, Dieselkraftstoff Heizöl Nahrungsmittel elektrischer Strom Kernenergie E kern Wasserstoff, Uran, Plutonium

26 26 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Arbeitsblatt/Kopiervorlage Energieumwandlung und -übertragung 1. Zeichne farbig den Weg des Wassers bei einem Pumpspeicherkraftwerk ein! Benenne die wichtigen Teile! Ergänze die Kette der Energieumwandlungen! potenzielle Energie des Wassers elektrische Energie (niedrige Spannung) 2. Die Heizung eines Wohnhauses erfolgt mit Heizöl. Beschreibe anhand der Skizze die Energieumwandlungen und -übertragungen! Heizkörper Rohrleitungen Ausgleichgefäß Heizkessel Pumpe

27 Lernbereich 2: Energieversorgung 27 b p f Elektromagnetische Induktion Bei der elektromagnetischen Induktion stehen folgende Schwerpunkte im Mittelpunkt des Unterrichts: Bedingungen für das Entstehen einer Induktionsspannung und Kenntnis des Induktionsgesetzes, Abhängigkeit der Induktionsspannung von verschiedenen Faktoren, Selbstinduktion, Ein- und Ausschaltvorgänge bei Spulen, Wechselstromgenerator und Transformator als technisch wichtige Anwendungen der elektromagnetischen Induktion, Transport elektrischer Energie Nachfolgend wird auf ausgewählte Schwerpunkte eingegangen. Beim Induktionsgesetz liegt der Schwerpunkt auf den Bedingungen, unter denen eine Spannung induziert wird. Für den Einstieg können unterschiedliche Möglichkeiten gewählt werden: 1. Möglichkeit: Es erfolgt ein historischer Einstieg, ausgehend von der OERSTED'schen Entdeckung der Ablenkung einer Magnetnadel durch einen stromdurchflossenen Leiter bis zur Umkehrung der Fragestellung durch FARADAY und der Entdeckung des Induktionsgesetzes durch ihn. Dabei kann eine Orientierung am Lehrbuchtext zur Entdeckung der elektromagnetischen Induktion erfolgen. 2. Möglichkeit: Es wird von einem Experiment mit einer Leiterschaukel im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten ausgegangen und die Frage untersucht, was geschieht, wenn man die Leiterschleife im Magnetfeld bewegt. 3. Möglichkeit: Es wird ein Überraschungsexperiment entsprechend der Skizze an den Anfang gestellt. Magnet Da das Messgerät eine Spannung anzeigt, wenn der Magnet bewegt wird, muss bei Bewegung des Magneten eine Spannung erzeugt werden, eine für viele Schüler zunächst sehr überraschender Effekt. 4. Möglichkeit: Es wird von einem technischen Beispiel, z. B. von einem Fahrraddynamo, ausgegangen, der Aufbau untersucht und die Frage in den Mittelpunkt gerückt, wie beim Fahrraddynamo eine Spannung entsteht. Durch vielfältige Experimente muss den Schülern verdeutlicht werden, dass nur dann eine Induktionsspannung entsteht, wenn sich das von einer Leiterschleife bzw. Spule umfasste Magnetfeld ändert. Tafelbild Die elektromagnetische Induktion N S V Relativbewegung Spule Magnet Änderung der Stärke des Magnetfeldes V In einer Spule wird eine Spannung induziert, solange sich das von ihr umfasste Magnetfeld ändert. Anwendungen: Fahrraddynamo, Wechselstromgenerator, Mikrofon

28 28 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Arbeitsblatt Die elektromagnetische Induktion 1. Ein Magnet wird in unterschiedlicher Weise bewegt. Begründe, ob in der Spule eine Spannung induziert wird oder nicht! a) b) c) V V V 2. Eine Spule wird in unterschiedlicher Weise bewegt. Begründe, ob in der Spule eine Spannung induziert wird oder nicht! a) b) c) 3. Zwei Spulen befinden sich auf einem gemeinsamen Eisenkern. Gib mindestens drei Möglichkeiten an, wie man in der rechten Spule eine Spannung induzieren kann! a) b) V c)

29 Lernbereich 2: Energieversorgung 29 Bei den Experimenten zur Erarbeitung des Induktinsgesetzes sollte beachtet werden, dass die Schüler möglichst alle für praktische Anwendungen wesentlichen Fälle erfassen. Dies lässt sich durch entsprechende Teilexperimente realisieren: Verschiedene Dauermagnete werden gegenüber Spulen bewegt. Die Art der Bewegung wird variiert, die Veränderungen mit Hilfe von Skizzen mit eingezeichneten Feldlinienbildern verdeutlicht, z. B. in folgender Weise: a) b) V V Dabei sind auch Bewegungen einzubeziehen, bei denen sich das Magnetfeld nicht ändert (z. B. Drehung eines kreisförmigen Stabmagneten um seine Längsachse). Ergebnis: Es wird nur dann eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Ergebnis: Für das Entstehen einer Induktionsspannung ist offensichtlich nicht die Bewegung, sondern die Änderung des von der Spule umfassten Magnetfeldes das Entscheidende. Erst auf einer solch breiten empirischen Basis sollte als Verallgemeinerung das Induktionsgesetz formuliert werden. Nachdem das Induktionsgesetz erarbeitet und ausreichend gefestigt wurde, ist die Frage zu stellen, wovon der Betrag der Induktionsspannung abhängig ist. Vor der experimentellen Untersuchung können Vermutungen formuliert werden. Zur experimentellen Untersuchung sowie zur Festigung sind im LB Aufgabenstellungen enthalten. Die wichtigsten Ergebnisse sind im TB zusammengefasst. Zur Einführung des lenzschen Gesetzes eignen sich Überraschungsexperimente, z. B. eines der folgenden: Ein geschlossener Aluminiumring wird beim Schließen des Schalters nach oben geschleudert (Induktionskanone). Eisenkern Ring Spule Bei einem geöffneten Ring aus Aluminium und gleicher Versuchsdurchführung passiert nichts. Ein Permanentmagnet wird gegenüber einem Aluminiumring bewegt. Der Ring kann geschlossen bzw. geöffnet sein. U Es werden Spulen gegenüber Dauermagneten bewegt. Ergebnis: Ob eine Spannung induziert wird oder nicht, hängt von der Relativbewegung zwischen Spule und Magnet ab. Permanentmagnet Aluminiumring Der Dauermagnet wird durch einen Elektromagneten ersetzt. Spule und Elektromagnet werden relativ zueinander bewegt. Ergebnis: Eine Spannung wird unabhängig davon induziert, ob ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet verwendet wird. Spule und Elektromagnet sind zueinander in Ruhe. Es wird die Stärke des Magnetfeldes des Elektromagneten verändert. Es wird die im LB abgebildete Wirbelstrombremse gezeigt, zunächst mit einer geschlitzten Scheibe, dann mit einer nicht geschlitzten Scheibe. Erklärungen sollten erst nach der Durchführung der vergleichenden Experimente gegeben werden. Bei den Experimenten liegt der Schwerpunkt beim genauen Beobachten und beim Vergleichen der jeweiligen Bedingungen.

30 30 Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Tafelbild/Kopiervorlage Der Betrag der Induktionsspannung Die Induktionsspannung ist umso größer, (1) U V 1 U > U 1 2 U V 2 je größer die Windungszahl der Induktionsspule ist, (2) je stärker sich das von der Induktionsspule umfasste Magnetfeld ändert, U1 U2 V U > U 1 2 V (3) U V 1 s U > U 1 2 U 1 2 V 10 s je schneller die Änderung des von der Induktionsspule umfassten Magnetfeldes erfolgt. (4) U1 U2 V U > U 1 2 V In Spulen mit Eisenkern ist die Induktionsspannung wesentlich größer als in Spulen ohne Eisenkern.