"Elektrizitätslehre I"

Transkript

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2 Inhalt und Einsatz im Unterricht "Elektrizitätslehre I" Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema "Elektrizitätslehre" für die gesamte Sekundarstufe I, also für die Klassenstufen 5+6 und 7-9. Das DVD-Hauptmenü bietet deshalb die Auswahl zwischen zwei Untermenüs: "Klassen 5+6" und "Klassen 7-9" In diesen beiden Untermenüs der DVD finden Sie insgesamt 9 Filme: Klassen 5+6 Elektrische Ladung und Strom 6:30 min Schaltungen im Stromkreis 8:00 min Stromerzeugung 6:20 min Stromnutzung 5:00 min Strom und Sicherheit 4:50 min (+ Grafikmenü mit jeweils 12 Farbgrafiken) Klassen 7-9 Elektrischer Strom Grundlagen U gleich R mal I Messverfahren Verzweigte Stromkreise (+ Grafikmenü mit jeweils 10 Farbgrafiken) 6:10 min 8:30 min 6:50 min 10:00 min Die Filme für die Klassen 5+6 begleiten zwei junge "Hobby-Elektriker", Karolina und Mats, bei Experimenten mit Stromkreisen (Filme 1+2). Die Filme 3-5 zeigen an gut nachvollziehbaren Beispielen Interessantes und Wichtiges über die Nutzung und Erzeugung von Strom, ebenso zu sicherem Umgang mit Strom. Die Filme für die Klassen 7-9 behandeln darüber hinaus auch erweiterte Stromkreise, die u.a. an Schaltplänen nachvollzogen werden. Wichtig sind hierbei die Zusammenhänge der drei Bestimmungsgrößen des Stroms: Spannung, Widerstand und Stromstärke. Aufwändige und sehr anschauliche 3D-Computeranimationen greifen für beide Altersstufen die real gezeigten Beispiele wieder auf und erklären Hintergründe. Bei allen Darstellungen geht Verständlichkeit vor letzter physikalischer Exaktheit. Ergänzend zu den o.g. 9 Filmen finden Sie auf dieser DVD: - 22 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (im Grafik-Menü) - 17 ausdruckbare pdf-arbeitsblätter (im DVD-ROM-Bereich) Im GIDA-"Testcenter" (auf finden Sie auch zu dieser DVD "Elektrizitätslehre I" interaktive und selbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Tests können Sie online bearbeiten oder auch lokal auf Ihren Rechner downloaden, abspeichern und offline bearbeiten bzw. ausdrucken. 2

3 Begleitmaterial (pdf) auf dieser DVD Über den "Windows-Explorer" Ihres Windows-Betriebssystems können Sie die Dateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner "DVD-ROM". In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei start.html Wenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einem Menü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterial der DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken und DVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER etc.). Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sich automatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie den Adobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben). Die Arbeitsblätter liegen jeweils in Schülerfassung und in Lehrerfassung (mit eingetragenen Lösungen) vor. Sie ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglich der Kerninhalte der DVD und sind direkt am Rechner elektronisch ausfüllbar. Über die Druckfunktion des Adobe Reader können Sie aber auch einzelne oder alle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen. Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD: Herr Uwe Fischer, Oberstudienrat (Physik und Mathematik, Lehrbefähigung Sek.I + II) Inhaltsverzeichnis Seite DVD-Inhalt - Strukturdiagramm 4 Die Filme Klassen Elektrische Ladung und Strom 5 Schaltungen im Stromkreis 6 Stromerzeugung 8 Stromnutzung 9 Strom und Sicherheit 10 Klassen 7-9 Elektrischer Strom Grundlagen 11 U gleich R mal I 12 Messverfahren 14 Verzweigte Stromkreise 15 3

4 DVD-Inhalt - Strukturdiagramm Hauptmenü Filme Elektrische Ladung und Strom Menü Klassen 5+6 Schaltungen im Stromkreis Stromerzeugung Stromnutzung Strom und Sicherheit Menü Grafiken 5+6 Grafiken 12 Grafiken Filme Elektrischer Strom Grundlagen Menü Klassen 7-9 U gleich R mal I Messverfahren Verzweigte Stromkreise Menü Grafiken 7-9 Grafiken 10 Grafiken 4

5 Elektrische Ladung und Strom (5+6) Laufzeit: 6:30 min, Die Elektronen als kleinste, negativ geladene Teilchen und das Phänomen der "ruhenden" Ladungen kennenlernen; - Strom als Elektronenfluss im Stromkreis (Glühlampe) kennenlernen; - den Aufbau und die Funktionsweise einer Batterie verstehen. Der Film führt über ein allseits bekanntes Phänomen in die Welt der Elektronen ein: Das Knistern und Schweben der Haare nach dem Ausziehen eines Synthetik-Pullovers. Die negativ geladenen Elektronen des Pullovers gehen in die Haare über, die sich dann aufgrund der gleichen negativen Ladung voneinander abstoßen. Dieser Überschuss an Elektronen wird auch "ruhende" Ladung genannt. "Fließende" Ladungen erkunden unsere zwei "Hobby-Elektriker" Karolina und Mats an einem Schaltungsaufbau mit Glühlampe. Dabei werden die beiden Pole einer Batterie und die Glühlampe durch Metallkabel miteinander verbunden. Hier lernen sie, dass Strom das Strömen elektrischer Ladungen bedeutet: Die negativ geladenen Elektronen strömen vom Minus- zum Pluspol der Batterie. Abbildung 1: Einfachster Stromkreis Sobald der Überschuss an Elektronen am Minuspol und der Elektronenmangel am Pluspol ausgeglichen sind, ist die Batterie "erschöpft" und es fließt kein Strom mehr. 5

6 Schaltungen im Stromkreis (5+6) Laufzeit: 8:00 min, Elektrische Leiter und Nicht-Leiter (Isolatoren) kennenlernen; - den Aufbau von Reihen-, Parallel- und Wechsel-Schaltungen anhand von Schaltplänen nachvollziehen. Der Film begleitet unsere beiden "Hobby-Elektriker" bei der Entdeckung verschiedener Schaltungen im Stromkreis. Dabei lernen sie zunächst einmal, welche Materialien Strom gut leiten, wie zum Beispiel Kupfer, und welche nicht. Abbildung 2: Parallel-Schaltung Auf einer Kunststoffgrundplatte montieren Karolina und Mats zunächst eine Reihen-Schaltung mit zwei Glühlampen und einem Schalter in einem Stromkreis. Dann arbeiten sie an einer Parallel-Schaltung mit zwei Glühlampen und einem Schalter in einem verzweigten Stromkreis. Diese verschiedenen Schaltungen werden an alltäglichen Beispielen verdeutlicht. Die UND-Schaltung ist unter anderem für den sicheren Umgang mit einer Elektromotor-Heckenschere wichtig: Man muss zwei Schalter gleichzeitig drücken, um den Motor zu starten. Abbildung 3: UND-Schaltung 6

7 Dann wird auch noch die Wechsel- Schaltung vorgestellt, die zum Beispiel bei zwei Lichtschaltern für eine Leuchte zum Einsatz kommt. Mithilfe einer anschaulichen Computeranimation kann man die Wechsel-Schaltung sehr gut nachvollziehen. Abbildung 4: Wechsel-Schaltung Zum Schluss des Films wird mithilfe einer 3D-Computeranimation noch eine Darstellungsweise eingeführt, mittels derer Schaltungen konstruiert und sehr gut nachvollzogen werden können: Der Schaltplan. Abbildung 5: Schaltplan So können elektrische Schaltungen übersichtlich dargestellt werden und man kann sich bei verschiedenen Schaltzuständen den jeweiligen Stromfluss einzeichnen. Am besten beginnt man dabei am Minuspol der Stromquelle und zeichnet den Weg des Stroms bis zum Pluspol der Stromquelle ein. Der Film endet mit dem Vorschlag, den Kindern im Unterricht die Möglichkeit zu geben, "Detektivarbeit" zu leisten und auch "verzwickte" Schaltungen zu durchschauen. 7

8 Stromerzeugung (5+6) Laufzeit: 6:20 min, Das Prinzip der Stromerzeugung per Generator kennenlernen (Dampfturbinen-Generator verglichen mit Fahrraddynamo); - verschiedene Kraftwerkstypen zur Stromerzeugung kennenlernen; - den Transportweg des Stroms vom Kraftwerk bis in die Steckdosen zuhause nachvollziehen können. Der Film erklärt zunächst das Prinzip der Stromerzeugung am Beispiel des Fahrraddynamos: Es wird gezeigt, wie Drehung (des Dynamorädchens) in Strom für die Fahrradleuchten umgesetzt wird. Dann schildert eine einfach und anschaulich gestaltete 3D-Animation das Prinzip der Stromerzeugung durch Induktion (wie es im Dynamo/Generator abläuft): Ein Magnetfeld wird um eine Drahtspule bewegt, im Draht Abbildung 6: Stromerzeugung durch Induktion fließt dadurch ein Strom. Abbildung 7: Kohlekraftwerk Dann wird das Prinzip des drehenden Dynamorädchens übertragen auf die großen Generatoren, die wir zum Beispiel in Kohlekraftwerken finden. Wasser-, Solar- und Windkraftanlagen werden auch vorgestellt. Die Batterie und der wiederaufladbare Akku(mulator) werden als zwei Möglichkeiten genannt, elektrische Energie bzw. Strom zu speichern und ihn so auch unterwegs nutzen zu können. 8

9 Stromnutzung (5+6) Laufzeit: 5:00 min, Unterschiedliche Nutzungsmöglichkeiten von Strom kennenlernen. In diesem Film werden vielfältige Nutzungsmöglichkeiten für Strom gezeigt. Zum Beispiel kann Strom "Wärme" erzeugen, wie im Backofen oder im Toaster. Vor allem am Toaster kann man gut sehen, wie der Strom die Heizdrähte zum Glühen bringt. Das Phänomen taucht auch bei der Glühlampe auf, deren Draht allerdings nicht nur orange, sondern gleißend hell wird und dadurch als Lichtquelle dient. Abbildung 8: Strom im Alltag Strom kann in Elektromotoren auch in "Bewegung" gewandelt werden. Es folgen einige Beispiele, wo diese Art der Motoren zum Einsatz kommt. Neben "Wärme", "Licht" und "Bewegung" kann sich durch Strom auch die "Magnetkraft" zunutze gemacht werden. Auf dem Schrottplatz beispielsweise Abbildung 9: Elektromagnet im Einsatz kommt ein Elektromagnet zum Einsatz, der schwere Metallteile anziehen kann. In Lautsprechern erzeugt die durch einen Elektromagneten in Schwingung gebrachte Membran den Klang. Zuletzt thematisiert der Film die "Signale", die mithilfe des Stroms übertragen werden können, wie zum Beispiel bei Telefongesprächen, beim Arbeiten am Computer oder beim Fernsehen. Und auch Radiowellen werden mit Strom erzeugt. Der Film endet mit der Aufforderung, weitere Nutzungsmöglichkeiten von Strom zu entdecken bzw. zu nennen. 9

10 Strom und Sicherheit (5+6) Laufzeit: 4:50 min, Verschiedene Gefahren im Umgang mit Strom kennenlernen. Der Film zeigt, welche Gefahren man im Umgang mit Strom und den verschiedenen Stromquellen beachten muss. Schwachstrom aus einer Batterie z.b. ist harmlos und kann niemanden verletzen. Hier sind vielmehr die in den Batterien enthaltenen giftigen Chemikalien gefährlich. Deshalb müssen diese ordnungsgemäß in speziellen Sammelbehältern entsorgt werden. Bei Glühlampen und Leuchten entsteht durch Strom neben dem Licht meist auch eine ganze Menge Wärme. Damit die Abbildung 10: Entsorgung von Batterien Leuchten also nicht zu heiß werden und beschädigt werden, muss auf die für jede Leuchte vorgesehene maximale Wattzahl geachtet werden. Diese ist an der Innenseite des Lampenschirms und auf jeder Glühlampe zu finden. Die Kinder lernen in diesem Film, wo man besonders aufpassen muss, nämlich bei Stromkabeln und Steckdosen. Durch Stromkabel fließt oft sehr starker Strom. Damit man beim Anfassen der Kabel keinen Stromschlag bekommt, sind die Kabel mit einer Kunststoffhülle ummantelt. Zum Schutz vor einem Stromschlag an der Steckdose gibt es spezielle Sicherheits- Abbildung 11: Beschädigtes Kabel Sperr-Einsätze. Besonders vorsichtig sollte man auch beim Hantieren mit Elektrogeräten im Badezimmer sein, denn Wasser leitet den Strom! Zum Schluss des Films werden noch die Gefahren bei einem Gewitter vermittelt: Viele Häuser haben zum Glück einen Blitzableiter, der im Falle eines Blitzeinschlags den Strom in die Erde leitet. Und auch die Insassen eines Autos sind geschützt, denn die Metallkarosserie bildet einen schützenden Käfig gegen Blitzschlag. Im Freien sollte man sich allerdings bei Gewittern niemals aufhalten. 10

11 Elektrischer Strom Grundlagen (7-9) Laufzeit: 6:10 min, Die vier Wirkungsweisen des Stroms (thermisch, magnetisch, chemisch, leuchtend) kennenlernen; - die drei Bestimmungsgrößen des Stroms Spannung (U), Widerstand (R) und Stromstärke (I) wiederholend und vertiefend kennenlernen. Der Film erläutert die vier verschiedenen Wirkungen des Stroms: Die thermische, magnetische, chemische und die Lichtwirkung. Reale Bilder zeigen, wo diese Wirkungen zu finden sind, wie zum Beispiel beim Kochfeld im Herd oder bei Leuchtstoff-Röhren. Danach geht es um die Klärung der grundlegenden Fragen: "Was macht die Wirkung von Strom überhaupt aus? Welche Größen bestimmen die Stromwirkung?" Abbildung 12: Wirkungsweisen von Strom Der Reihe nach werden dann die Bestimmungsgrößen des Stroms "Spannung", "Stromstärke" und "Widerstand" erläutert und mit Hilfe von 3D- Computeranimationen verbildlicht. Die Wirkungszusammenhänge dieser drei Bestimmungsgrößen werden im folgenden Film erläutert. 11

12 U gleich R mal I (7-9) Laufzeit: 8:30 min, Die Wirkungszusammenhänge der drei Bestimmungsgrößen des Stroms Spannung (U), Widerstand (R) und Stromstärke (I) verstehen; - einen erweiterten Stromkreis mit Netzgerät und Amperemeter nachvollziehen. In diesem Film werden mithilfe von aufwendigen 3D-Computeranimationen die Wirkungszusammenhänge von "Spannung", "Widerstand" und "Stromstärke" erklärt. In unserem virtuellen Physik-Labor sind zwei Schaltungen mit jeweils einer Batterie aufgebaut, die eine mit einer, die andere mit zwei Glühlampen. Im Vergleich wird nun deutlich, dass die zwei Glühlampen in Reihenschaltung schwächer leuchten als die eine Glühlampe. Zwei Lampen in Reihe in einem Stromkreis benötigen also eine größere Stromspannung. Verschiedene Erweiterungen des Schaltungsaufbaus zeigen anschließend, wie sich die Größen "Spannung" und "Stromstärke" bedingen. In einem "elektronischen Display- Koordinatensystem" werden dann die Werte der Messreihe angezeigt. Die Gerade, die sich daraus ergibt, nennen wir "U-I-Kennlinie". Sie zeigt den proportionalen Zusammenhang beider Größen an. Als Proportionalitätskonstante ergibt sich der Widerstand. 12 Abbildung 13: Zwei Lampen "teilen" sich die Spannung Abbildung 14: U-I-Kennlinie

13 Für diese Zusammenhänge gibt es ein Gesetz: Das Ohmsche Gesetz. Abbildung 15: Das Ohmsche Gesetz Abbildung 16: Formelumwandlungen Mit dem sogenannten Ohmschen Dreieck kann man immer schnell die passende Formel für die Größe, die man errechnen möchte, herleiten. Dazu muss man nur die gesuchte Größe verdecken und schon sieht man die Formel, nach der diese errechnet wird. Abbildung 17: Ohmsches Dreieck 13

14 Messverfahren (7-9) Laufzeit: 6:50 min, Das Heizdraht-Stromstärkemessgerät als einfaches Beispiel für ein Messgerät kennenlernen; - die prinzipielle Vorgehensweise bei der Messung von Bestimmungsgrößen des Stroms kennenlernen. Der Film stellt verschiedene Messverfahren vor, mit deren Hilfe sich Stromstärke, Spannung und Widerstand messen lassen. Ausführlich dargestellt wird die Messung der Stromstärke am Beispiel eines Heizdraht- Stromstärkemessgeräts. Abbildung 18: Heizdraht-Stromstärkemessgerät Aufwendige 3D-Computeranimationen ermöglichen die Simulation von Messungen an verschiedenen Punkten des Stromkreises. Wichtig bei allen Messungen ist: Messgeräte sollen / dürfen ihre Messgröße nicht beeinflussen. 14 Abbildung 19: Messungs-Simulation

15 Verzweigte Stromkreise (7-9) Laufzeit: 10:00 min, Verschiedene Methoden zur Messung und Errechnung von Spannung, Widerstand und Stromstärke in verzweigten Stromkreisen kennenlernen; - verschiedene Formeln anwenden und nachvollziehen. Der Film beschäftigt sich mit "verzweigten Stromkreisen" und der Messung der drei Bestimmungsgrößen des Stroms. In unserem virtuellen Physik-Labor baut sich mithilfe einer 3D-Computeranimation ein Stromkreis auf, der aus einer Hauptleitung und zwei Zweigleitungen besteht. Abbildung 20: Haupt- und Zweigleitungen Abbildung 21: (Elektrische) Leistung, Formel Im Laufe des Films werden nun die schon bekannte Formel U = R I und deren Umformungen angewendet, um die drei Bestimmungsgrößen des Stroms in verzweigten Stromkreisen zu errechnen. Natürlich interessiert uns auch, wie die Begriffe Leistung und Energie (Arbeit) im Zusammenhang mit Strom zu verstehen sind. 15

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