Schülerexperiment: Messen elektrischer Größen und Erstellen von Kennlinien

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1 Schülerexperiment: Messen elektrischer Größen und Erstellen von Kennlinien Stand: Jahrgangsstufen 7 Fach/Fächer Natur und Technik/ Schwerpunkt Physik Benötigtes Material Volt- und Amperemeter; regelbare Gleichspannungsquellen; Kabel; als elektrische Bauteile können beispielsweise ausgewählt werden: Widerstand, Glühlampe, LED, NTC-, PTC-Widerstand, Bleistiftmine, Metallldraht Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler verwenden unter Anleitung Stromstärke- und Spannungsmessgerät, protokollieren Messwerte selbständig in einer Tabelle und erstellen die Kennlinie für einen ohmschen und einen nichtohmschen Widerstand. Hinweise zum Unterricht Ziel: Im Hinblick auf die Entwicklung experimenteller Kompetenz steht für die Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 7 im Fokus, erstmals unter Anleitung systematisch zu experimentieren, dabei den sachgerechten und materialschonenden Umgang mit Experimentiergeräten und das Protokollieren an einfachen Experimenten zu lernen. Betrachtet man die obige Kompetenzerwartung zum Schülerexperiment Messen elektrischer Größen und Erstellen von Kennlinien, so steht bei diesem die Durchführung und das Protokollieren im Mittelpunkt, wohingegen die Interpretation der erzielten Messergebnisse nicht genannt wird und fakultativ im nachfolgenden Unterricht erfolgen kann. Bei diesem Schülerexperiment sollen die Schülerinnen und Schüler im Speziellen die richtige Handhabung von Messgeräten zur Messung elektrischer Größen erlernen. Es geht dabei darum, die Geräte gekonnt einzustellen und zu bedienen. Den sicheren Umgang mit dem Material zu schulen, ist für das erfolgreiche Experimentieren und somit für das Lernen zentral. Da dies im Unterricht nicht nebenher geht, sollte hierfür extra Zeit vorgesehen werden. Des Weiteren unternehmen sie erste Schritte, Kennlinien zu erstellen sowie zu klassifizieren. Dabei erkennen sie im Diagramm ein Mittel zur Versuchsauswertung. Hierbei genügt eine Unterscheidung zwischen einer Ursprungsgeraden und einer gekrümmten Kennlinie, d. h. zwischen den Kennlinien von Bauteilen mit bzw. ohne ohmscher Charakteristik. Eine Verknüpfung zwischen der Krümmung einer Seite 1 von 6

2 Kennlinie und dem Widerstandsverhalten des dazugehörigen Bauteils ist nicht vorgesehen. Insbesondere intendiert der Lehrplan keine formale Darstellung des ohmschen Gesetzes unter Verwendung mathematischer Sprechweisen für eine direkte Proportionalität oder eine Ermittlung des Widerstandswerts aus der Steigung der Kennlinie. Mögliches Versuchsmaterial: Volt- und Amperemeter; regelbare Elektrizitätsquelle (Netzgerät oder alternativ z. B. Akku oder Batterie mit einer Spannungsteilerschaltung als black box ); verschiedene elektrische Bauteile, wie Glühlampe, Widerstand, LED, NTC-, PTC-Widerstand, Bleistiftmine; Kabel Hinweis: Gegebenenfalls kann der Kauf einfacher Multimeter durch die Schüler in Erwägung gezogen werden, die dann auch außerhalb des Unterrichts zur Überprüfung von Schaltungen und Geräten eingesetzt werden können. Mögliche Organisationsform: Generell ist ein Experimentieren in Zweiergruppen günstig. Die folgenden Ausführungen gestatten neben dem Experimentieren in Kleingruppen aber auch eine Einteilung der Klasse in größere Gruppen zum Experimentieren. In letzterem Fall bietet sich ein arbeitsteiliges Vorgehen mit anschließender Präsentationsphase zu den ermittelten Kennlinien an. Eine jede Gruppe sollte mindestens ein Bauteil mit und eines ohne ohmsche Charakteristik untersuchen, so dass die erhaltenen Kennlinien gegenübergestellt, also Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Kennlinien thematisiert werden können. Mögliche Aufträge: siehe die folgenden Seiten Seite 2 von 6

3 ERSTELLEN VON KENNLINIEN ELEKTRISCHER BAUTEILE Bei diesem Versuch werden verschiedene elektrische Bauteile untersucht. Dazu wird ein Bauteil an eine Elektrizitätsquelle angeschlossen und bei immer größerer Spannung der Elektrizitätsquelle die jeweilige Stärke des Stroms gemessen, der durch das Bauteil fließt. Beobachtet man hierbei bei verschiedenen elektrischen Bauteilen das Gleiche? Oder unterscheiden sich die elektrischen Bauteile? Dies kannst du am besten entscheiden, wenn du für jedes untersuchte Bauteil eine Kennlinie (ein Diagramm) erstellst und die erhaltenen Kennlinien dann vergleichst. Mögliche Arbeitsanweisung: a) Erstelle zum folgenden Versuch ein Versuchsprotokoll. Gliedere es in die folgenden Teile und ergänze es im Laufe des Versuchs. 1. Ziel Gib knapp das Ziel des Versuchs in eigenen Worten wider. 2. Aufbau Beschreibe den experimentellen Aufbau, z. B. mithilfe des abgebildeten Schaltplans, den du auch beschriftest. I 3. Beschreibung der Durchführung Beschreibe kurz, wie du den Versuch durchführst, insbesondere welche Größen du misst. U 4. Messergebnisse siehe Teilaufgaben c) 5. Auswertung siehe Teilaufgabe d) und e) b) Baue die Schaltung entsprechend dem obigen Schaltplan auf. Achte besonders auf den richtigen Einbau der Messgeräte und den jeweils eingestellten Messbereich. Beachte, dass du erst nach der Kontrolle durch die Lehrkraft die Elektrizitätsquelle einschalten darfst. c) Führe für jedes der erhaltenen Bauteile eine Messreihe nach folgendem Schema durch: Verändere die Spannung an der Elektrizitätsquelle in gleichgroßen Schritten. Beginne bei 0 V. Die Schrittweite gibt dir deinelehrerin oder dein Lehrer für jedes Bauteil einzeln vor. Notiere jeweils Spannung und Stromstärke in einer Messwerttabelle nach folgendem Muster (hier Schrittweite 1 V): U / V I / A Hinweis 1: Solltest du in einem Bereich von U-Werten eine stärkere Veränderung der I-Werte als sonst bemerken, so miss in dieserm U-Bereich nochmal mit kleinerer Schrittweite für die Spannung U (eigene Tabelle sinnvoll). d) Trage die Messwerte für jedes untersuchte Bauteil in ein eigenes U-I-Diagramm ein, d. h. die Spannung nach rechts und die Stromstärke nach oben auftragen. Wähle die Achseneinteilungen so, dass die Achsen jeweils ca. 10 bis 15 cm lang sind. Hinweis 2: Sollte dir erst jetzt auffallen, dass sich in einem bestimmten Bereich von U-Werten die I-Werte sehr stark verändern, so folge jetzt dem obigen Hinweis 1 und miss nochmal (eigene Tabelle anlegen). Seite 3 von 6

4 e) Zeichne jetzt eine ausgleichende Kurve (Kennlinie) in jedes Diagramm ein; die Kurve soll Messungenauigkeiten ausgleichen, indem sie sinnvoll zwischen den Kreuzchen im Diagramm verläuft. Mögliches Versuchsprotokoll: 1. Ziel Der Zusammenhang zwischen der Spannung, die an einem Bauteil angelegt wird, und der Stärke des Stroms, der durch das Bauteil fließt, soll näher untersucht werden. Indem diese Untersuchung für mehrere elektrische Bauteile wiederholt wird, soll außerdem untersucht werden, in wie weit diese sich gleichen bzw. unterscheiden. 2. Aufbau Elektrizitätsquelle (regelbar) U Amperemeter I Voltmeter Elektrisches Bauteil Als Elektrizitätsquelle dient eine regelbare Gleichstromquelle. Die Messung erfolgt mit Digitalmultimetern. 3. Beschreibung der Durchführung Die angelegte Spannung wird von 0 V beginnend in Schritten von etwa 1 V bzw. 2 V gesteigert, zusammen mit der Stromstärke gemessen und die erhaltenen Wertepaare in die Messwerttabelle eingetragen. Es werden für verschiedene Bauteile jeweils ca. 10 Messwertpaare aufgenommen und in U-I-Diagramme dargestellt. 4. Messergebnisse Glühlampe (6V, 3W) U / V 0,0 0,2 0,4 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 I / A 0,00 0,10 0,14 0,14 0,18 0,26 0,32 0,37 0,42 0,46 NiCr-Draht ( 0,2mm, 1,4m lang) U / V 0,1 2,0 4,3 6,0 8,0 10,2 12,0 14,1 15,9 17,9 I / A 0,00 0,04 0,08 0,12 0,18 0,23 0,29 0,33 0,37 0,42 Seite 4 von 6

5 5. Auswertung 6. Ergebnis Die beiden Kennlinien unterscheiden sich in ihrer Form. Bei der Glühlampe ist die Kennlinie gekrümmt, während sie beim Draht eine Ursprungsgerade ist. Seite 5 von 6

6 Anmerkungen Ausgehend von den im Schülerexperiment erhaltenen unterschiedlichen Kennlinien kann im nachfolgenden Unterricht die Bezeichnung ohmscher Widerstand eingeführt werden. Mithilfe der bereits eingeführten Größenbeziehung R = U/I kann anhand der Messwerttabelle gemeinsam mit den Schülerinnen und Schülern festgestellt werden, dass es sich beim ohmschen Widerstand um ein Bauteil handelt, das stets den gleichen Widerstand besitzt. Nichtohmsche Widerstände zeigen demzufolge einen unterschiedlichen Widerstand; je nach dem welche Stärke der Strom besitzt, der durch sie fließt. Die folgende Abbildung zeigt eine Auswahl weiterer Kennlinien von Bauteilen, die ebenfalls bei diesem Schülerexperiment eingesetzt werden können. Seite 6 von 6