Elektrizitätslehre. Schülervorstellungen und Konsequenzen für den Physikunterricht

Transkript

1 Elektrizitätslehre Schülervorstellungen und Konsequenzen für den Physikunterricht V.-Prof. Dr. Martin Hopf Österr. Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik

2 Ablauf Schülervorstellungen in der Elektrizitätslehre Konsequenzen für den Unterricht

3 Schülervorstellungen Schülerinnen und Schüler kommen mit stabilen Vorstellungen in den Unterricht. Diese Vorstellungen sind oft nicht mit physikalischen Vorstellungen vereinbar.

4 Schülervorstellungen in der E-Lehre Arbeitsauftrag 1: (Einzelarbeit) Bearbeiten Sie die Fragen!

5 Arbeitsauftrag 2: (Partnerarbeit) Besprechen Sie Ihre Lösung mit Ihrem Arbeitspartner!

6 Richtig sind: 1.1 falsch, 1.2 falsch, 1.3 stimmt 2.1 C, 2.2 C, 2.3. C, 2.4. ABC 3.1a falsch, 3.1b stimmt, 3.1c falsch, 3.2 falsch I 1 = I 2 = I 3 = I 4 = 2A 6 I 1 = I 2 = I 3 = 0,4 A 7.1: 1 7.2: 1 8.1: 0V, 6V, 0V 8.2: 0V, 3V, 3V 9a: 3 9b: 2 9c: 3 10: 3 11: Parallelschaltung 12: 0V, 3V, 3V 6V, 0V, 0V

7 Arbeitsauftrag 3: (Gruppenarbeit) Überlegen Sie, was Schüler/innen ankreuzen würden! Versuchen Sie nachzuvollziehen, was dabei in Schüler/innen vorgeht.

8 Stromverbrauch Stimmt kreuzen an: 27 % 51 % 26 %

9 Unterscheidung von Strom und Spannung richtig: 78 % 46 % 36 % kreuzen bei 2.2 und 2.4 gleich an 32 % lösen die ganze Aufgabe

10 Stimmt 41 % 54 % 17 %

11 I = const 79 % 47 %

12 Lokale Argumentation I 1 = I 2 = I 3 = 0,4 A 19 % I 1 = I 2 = I 3 = 1,2 A 10 % I 1 = 0,6 A, I 2 = I 3 = 0,3 A 60 %

13 Sequentielle Argumentation 33 % richtig 12 % Strom bleibt unverändert

14 Spannung ist eine Eigenschaft des Stroms 1. Teil 43 % 2. Teil 29 % U = konst: 45 %

15 Probleme beim Widerstand 9a.1: 14 % 9a.1 und 9b.2: 22 % Richtig: 22 %

16 PAUSE

17 Konsequenzen für den Unterricht Lernende haben stabile Vorstellungen, die das Physiklernen behindern. Physikunterricht muss diese Schülervorstellungen berücksichtigen. Aus Schülersicht problematische Inhalte zu vermitteln ist schwer und bedarf besonderer Planung. Es gibt viele fachdidaktische Forschungsergebnisse dazu, aber keine Patentrezepte.

18 Partnerarbeit Welche Themen sind in Anbetracht der Schülervorstellungen aus Ihrer Erfahrung in der Elektrizitätslehre besonders schwierig? (Ziel: Diskussion im Plenum)

19 Der Einsatz des Wasserstromkreises ist nur bedingt empfehlenswert.

20 Lehrgänge Energiebasiert (Muckenfuß) Potential (Jung, Wiesner, Gleixner)

21 Energie steht im Mittelpunkt Fachbezogene Inhalte Elektrizität verändert die Welt und die Menschen. Energie- und Informationsübertragung als Zweck elektrischer Anlagen. Energiewandler; prototypische Darstellung des Übertragungssystems. Energiestrom als Größe mit der Einheit 1 Watt. Vergleich von Energieumsätzen in elektrischen Verbrauchern mit der physiologischen Leistung. (4h) Was kann sich in elektrischen Leitungen bewegen? Elektrostatik; Kräfte zwischen geladenen Körpern; Ladungsbeweglichkeit (Leitfähigkeit); Influenz (Erhaltungsvorstellung); einfaches Atommodell (Elektron und Atomrumpf). Prinzip versch. el. Quellen. (4h) Ladungsstrom und seine Messung Der Ladungsstrom als Treibriemen zwischen Energiequelle und Verbraucher. Vergleich mit anderen Systemen, bei denen zirkulierende Mittel Energieströme erzeugen (z. B. Luft- und Wasserkreisläufe, Riementransmissionen). Messung von Ladungsströmen in einfachen Stromkreisen. Zusammenhang Energiestrom und Ladungsstrom (qualitativ an verschiedenen Verbrauchern). (3h) Vervielfachung von Energieströmen Untersuchungen zum Zusammenhang von Ladungsstrom und Energiestrom (P ~ I; bei U = const.). Parallelschaltung von Verbrauchern als Möglichkeit Energieströme über den Ladungsstrom zu vervielfachen. Grenzen von Energiequellen (Innenwiderstand in anschaulicher Deutung; z. B. Batterien). (3h) Schlüsselexperimente Vergleich von Riementransmission und elektrischer Übertragung. Erfahrungen mit dem hgg1 bei hoher Belastung. Elektronische Messung von Energieströmen. (Heim-)Experimente mit Folien, Schallplatten und Glimmlampen. Elektroskopentladung (Leitfähigkeit). Influenzversuche. Serie zu el. Quellen. Betreiben verschiedener Lämpchen der 4V-Serie mit dem hgg (qual. Vergleich der Energieströme bei abgedunkeltem Raum). Ladungsstrommessung in diesen Schaltkreisen (mit Analoginstrumenten). Parallelschaltung mehrerer Lampen am hgg. Experimente mit Batterien (Grenzbelastbarkeit); Parallelschaltung von Batterien.

22 5 Einführung der Spannungsvorstellung. Abhängigkeit des Energiestroms von der Quelle (bei I = const.!). Energieströme in der Reihenschaltung. Aufbau des Verständnisses der Quellenspannung auf zwei Abstraktionsniveaus: Niveau 1: Spannungsangabe als Maß dafür, wie stark die Quelle die einzelnen Elektronen antreibt. Niveau 2: Spannung als das Verhältnis von Energiestrom durch Ladungsstrom: U = P/I. Verschiedene Energiequellen. (4h) Lämpchen verschiedener Nennspannung aber gleicher Nennstromstärke am hgg. Mehrere Lämpchen in Reihe am hgg (analog zur Parallelschaltung). Spannungsmessung (mit Digitalinstrumenten) an Quellen, z. B. Batterien in Reihe Spannungen im Stromkreis. Teilspannungen zwischen zwei beliebigen Stellen im Stromkreis als Maß dafür, wie stark die Elektronen zwischen den beiden Messpunkten angetrieben werden müssen (Niveau 1) bzw. wie groß der Energiestrom ist, der den Stromkreis zwischen den beiden Punkten verlässt (Niveau 2). Widerstandsvorstellung (Abhängigkeiten). (4h) Gesellschaftlich relevante Energieumsätze Messungen und Berechnungen für einzelne Geräte und soziale Einheiten (z. B. privater Haushalt, Schule, Ort, Stadt, Bundesgebiet) unter wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten. (4h) Transportsysteme für elektrische Energie Induktion, Selbstinduktion, Wechselstromnetz, Verbundsystem. Der Transformator als Schlüsselgerät zur Anpassung der Spannung an die erforderlichen Energieströme. (6-8h) Drähte aus verschiedenem Material und mit unterschiedlicher Dimensionierung am hgg. Modellversuche mit Wasserspritze (Nadeln mit unterschiedlichem Querschnitt; I = const.). Energiestrommessungen an Geräten (z.b. auch Stand-by-Verbrauch am TV). Induktions- und Selbstinduktionsversuche. Trafoversuche. (Evtl. Motoren und Generatoren).

23 Potential steht im Mittelpunkt 1. Stunde Unterscheidung von Elektrogeräten und Generatoren Begriffsbildung Elektrizität, Stromkreis, geschlossener Stromkreis Wirkungen im Stromkreis; Schaltsymbole; Leiter und Isolatoren 2. Stunde Anschlussbedingungen von Elektrogeräte und Generatoren Magnetische Wirkung der Elektrizität Intensität der Elektrizität, elektrische Stromstärke 3. Stunde Elektrischer Widerstand als Eigenschaft eines Elektrogerätes Die Fahrradkette Modellvorstellung zum elektrischen Stromkreis Pole einer Batterie, Richtung der fließenden Elektrizität 4. Stunde Helligkeit verschiedener Lämpchen als Hinführung zu einer genauen Messung der Stromstärke 5. Stunde Funktionsweise eines Drehspulmessinstruments Einzeichnen eines Stromstärkemessgerätes in eine Schaltskizze Messung / Einheit der Stromstärke; Handhabung eines Vielfachmessgerätes 6. Stunde Stromstärke in Reihen- und Parallelschaltungen I = constant in Reihenschaltung; Knotenregel für verzweigte Schaltungen (Haupt- und Parallelzweige)

24 7. Stunde Elektrisches Potenzial Vergleich: Wasserstromkreis- elektrischer Stromkreis Einführung des Höhenmodells Regeln I IV zum elektrischen Potenzial 8. Stunde Potenzialdifferenzen; elektrische Spannung Höhenmodell als Anschauungshilfe 9. Stunde Übungen zur elektrischen Spannung 10. Stunde / 11. Stunde Stationen zu Spannung & Stromstärke 12. Stunde Maschenregel 13. Stunde / 14. Stunde Übungen zu Spannung, Stromstärke, Widerstand 15. Stunde Hintereinanderschaltung von Batterien (Gegeneinanderschaltung von Batterien) 16. / 17. Stunde Wiederholungsaufgaben

25 Empirische Ergebnisse zum Potentialansatz (Späth 2009)

26 Stationenbetrieb zur Elektrizitätslehre

27 Diskussion

28 Material Unterrichtsgang zum Potentialansatz Online unter: Dort unter Material Unterrichtsgang zum Energieansatz Z.B. In Muckenfuß, Nordmeier (Hrsg.): Physik Interaktiv. Cornelsen.