Didaktische FWU-DVD. Elektrizitätslehre Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Elektrizitätslehre Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Hauptmenü führt zurück zum Hauptmenü. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler kennen einfache elektrische Stromkreise; kennen die physikalische und technische Stromrichtung; kennen das Verhalten von Spule und Kondensator im Gleichstromkreis; kennen das Prinzip der Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung; kennen sinusförmige Wechselspannung; kennen Effektivwert und Amplitude; kennen das Verhalten von Strom und Spannung am Transformator; kennen ungedämpfte elektromagnetische und mechanische Schwingungen; kennen qualitativ den Einfluss der Dämpfung und wissen, dass im Falle des elektrischen Schwingkreises der elektrische Widerstand die Rolle der Dämpfung hat; kennen angeregte Schwingungen und das Resonanzverhalten; kennen das Prinzip der Rückkopplung; erkennen die Unterschiede zwischen Gleichstrom und Wechselstrom; erkennen, dass sich die Bauteile Spule und Kondensator in Gleichund Wechselstromkreisen unterschiedlich verhalten; erkennen die Vorteile von Wechselstrom für Energieversorgungsnetze; erkennen die Bedeutung des Einund Ausschaltverhaltens von Spule und Kondensator für den Bau von Schwingkreisen. 2

3 Zum Inhalt Gleichstrom (Film 9 min) Der Protagonist Oskar hat eine Digitalkamera und versucht bei schlechtem Licht Bilder von seinem herumflitzenden Hamster zu machen. Das Blitzlicht, das diese Bilder ermöglicht, führt zu der Frage stellung, wie ein kleiner Akku einer Kamera ein so helles Licht erzeugen kann. Darauf folgt die Betrachtung eines Gleichstromkreises, zunächst mit dem Analogon eines Wasserkreislaufes. Das Verhalten des ohmschen Widerstandes auf die Stromstärke wird untersucht, anschließend erfolgt ein kurzer Überblick über verschiedene Gleichspannungsquellen, darunter die Akkus, wie sie in Oskars Kamera verwendet werden, aber auch Blitze. Nun wird der Kondensator als Bauelement eingeführt. Seine Funktionsweise wird anhand des einfachen luftgefüllten Plattenkondensators veranschaulicht. Die Speicherung elektrischer Energie im Kondensatorfeld wird gezeigt und als Ausgangspunkt für Oskars Blitzlicht verwendet. So wird klar, dass das schnelle Entladen des Kondensators den Blitz treibt. Das letzte Bauelement, das im Gleichstromkreis eingesetzt wird, ist 3

4 die Spule. Ihre Verwendung als Elektromagnet wird gezeigt und die magnetische Energie des Spulenfeldes erarbeitet. Anschließend werden einfache Induktionsvorgänge betrachtet, die durch das Bewegen eines Stabmagneten im Spuleninneren hervorgerufen werden und leicht nachvollziehbar sind. Der Film schließt mit einer ersten Betrachtung der Selbstinduktion der Spule beim Ausschalten. Menü Gleichstrom (Grafiken) Widerstand im Gleichstromkreis (Grafik) Diese Grafik zeigt einen Widerstand in einem Gleichstromkreis mit einer Batterie als Spannungsquelle. Zusätzlich wird ein Blick in den Widerstand geworfen. So kann das Verhalten der Elektronen, die im Widerstand gebremst werden, erarbeitet werden. Kondensator im Gleichstromkreis (3 Grafiken) In drei Grafiken kann der Lade- und Entladevorgang eines Kondensators in einem Gleichstromkreis erarbeitet werden. Spule im Gleichstromkreis (2 Grafiken) In zwei Grafiken kann das Verhalten einer Spule in einem Gleichstromkreis erarbeitet werden. 4

5 Wechselstrom (Film 11 min) Der Akku an Oskars Kamera muss aufgeladen werden. Dazu wird das Netzteil in die Steckdose gesteckt. Dort fließt aber Wechselstrom. Die Frage nach den Unterschieden zwischen Gleichstrom und Wechselstrom führt zur Betrachtung der Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung. Der Generator wird sehr kleinschrittig und gut nachvollziehbar eingeführt und der sinusförmige Verlauf von Strom und Spannung zeitgleich entwickelt. Die Begriffe Sinuskurve, Periode und Amplitude werden eingeführt. Anschließend wird die Notwendigkeit der Betrachtung eines Effektivwertes thematisiert und die Effektivwerte von Stromstärke und Spannung beschrieben. Nun erfolgt eine Betrachtung der Transformierbarkeit von Wechselspannung mit der Anwendung in unserem Energieversorgungsnetz und auch im Netzgerät. Die detailliertere Betrachtung der Einund Ausschaltvorgänge an Spule und Kondensator führen zu deren Verhalten im Wechselstromkreis. Der Film schließt mit einer Beschreibung der verschiedenen Bauelemente von Oskars Kameranetzteil ab und fasst so die Inhalte des Kapitels praxisbezogen zusammen. 5

6 Menü Wechselstrom (Grafiken) Kondensator im Wechselstromkreis (Grafik) Mit dieser Grafik kann das Verhalten eines Kondensators in einem Wechselstromkreis erarbeitet werden. Spule im Wechselstromkreis (Grafik) Mit dieser Grafik kann das Verhalten einer Spule in einem Wechselstromkreis erarbeitet werden. Induktive Kopplung (3 Grafiken) In drei Grafiken wird die induktive Kopplung dargestellt. In Grafik eins und zwei hat die Primärspule weniger Windungen als die Sekundärspule; in der dritten Grafik hat die Primärspule mehr Windungen. Entsprechend wird die dazugehörige Spannung dargestellt. Transformation (Grafik) Mit dieser Grafik kann der Vorgang der Transformation erarbeitet werden. 6

7 Schwingkreis (Film 10 min) Die Entladung eines Kondensators über eine Spule führt zur Betrachtung von elektromagnetischen Schwingungen. Zunächst werden auf der Basis der bereits bekannten Ein- und Ausschaltvorgänge die Energieumwandlungen im idealen Schwingkreis erarbeitet. Der Vergleich mit einer Schaukel führt den Begriff der Schwingung ein. Die analogen Energieformen werden betrachtet und der Graph als zeitlicher Verlauf der Schwingung entsteht. Die Schwingungsdauer wird eingeführt und die Thomson-Gleichung wird genannt. An ihr erkennt man, dass es die Kenngrößen von Spule und Kondensator sind, die die Frequenz und damit die Schwingungsdauer bestimmen. Eine Betrachtung der Dämpfung Reibung im mechanischen, ohmscher Widerstand im elektrischen Fall führt hin zu erzwungenen Schwingungen, dem Begriff der Resonanz und zuletzt zur Rückkopplung. So wird gezeigt, wie man trotz existierender Dämpfung eine Schwingung aufrechterhalten kann, deren Amplitude konstant bleibt. Während der gesamten Betrachtung ist der Protagonist Oskar mit der Schaukel als mechanisches Analogon präsent und erlaubt so eine anschauliche Einführung in dieses abstrakte Thema. Am Ende des Filmes wird kurz auf elektrische Dipole und elektromagnetische Wellen hingewiesen. Anhand der Datenübertragung im WLAN-Netz werden die Begriffe Sender und Empfänger eingeführt. Menü Schwingkreis (Grafiken) Idealer Schwingkreis (2 Grafiken) In zwei Grafiken werden Spannung und Stromstärke in einem idealen Schwingkreis dargestellt. Freie Schwingungen (2 Grafiken) Mit zwei Grafiken kann das Entstehen von freien Schwingungen erarbeitet werden. Elektromagnetische Wellen (Grafik) In dieser Übersichtsgrafik wird verdeutlicht, dass die elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Dinge verschiedene Wellenlängen besitzen. 7

8 Didaktische Hinweise Elektrizitätslehre taucht in den Lehrplänen aller Schularten an verschiedensten Stellen auf. Einfache Gleichstromkreise erlauben schon früh das Experimentieren, daher werden sie schon gegen Ende der Unterstufe bzw. zu Beginn der Sekundarstufe I behandelt. In späteren Schuljahren folgt die Betrachtung der Wechselspannung, zunächst in Verbindung mit dem Prinzip der Induktion und der Untersuchung unseres Energieversorgungsnetzes, und zuletzt werden in der Sekundarstufe II Schwingkreise und daraus resultierend elektromagnetische Schwingungen und Wellen betrachtet. Jedes Mal baut der neue Stoff auch auf dem Vorangegangenen auf, der dann oft schon eine Weile zurückliegt. Diese Produktion kann sowohl dazu dienen, den aktuellen Stoff zu erarbeiten, als auch als Wiederholungssequenz bereits Gelerntes schnell wieder präsent zu machen. Dabei stehen hier nicht die Schaltkreise im Vordergrund, sondern das Verhalten der grundlegenden Bauteile: ohmscher Widerstand, Spule und Kondensator in Gleichstrom- und Wechselstromkreisen. Alle Teile der Produktion können auch zur Ergebnissicherung und Zusammenfassung eingesetzt werden. Arbeitsblätter festigen und ergänzen die Lerninhalte. Sie ermöglichen teilweise eine vertiefende, quantitative Behandlung des Themas. Die Produktion eignet sich für die Vermittlung folgender Lehrplaninhalte: Einfache elektrische Stromkreise Physikalische und technische Stromrichtung Spule, Kondensator, Gleichstromund Wechselstromkreis Effektivwert Strom und Spannung am Transformator Schwingungen und Schwingkreise Resonanzverhalten Rückkopplung Induktion und Selbstinduktion Lorentzkraft 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Grafiken Infotext Filmtexte Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Sequenzen und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Gleichstrom 2) Der Generator 3) Transformator 4) Schwingkreis 5) Die Thomson-Gleichung 6) Die Codierung von Widerständen mit vier Farbringen Widerstand im Gleichstromkreis Kondensator im Gleichstromkreis Spule im Gleichstromkreis Kondensator im Wechselstromkreis Spule im Wechselstromkreis Transformation Induktive Kopplung Idealer Schwingkreis Freie Schwingungen Elektromagnetische Wellen Schaltzeichen und Symbole Filmtexte als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Elektrizitätslehre Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis Gleichstrom Gleichstrom Wechselstrom Wechselstrom 9 min Grafiken 11 min Grafiken Untermenü Gleichstromkreis mit Widerstand Kondensator im Gleichstromkreis Spule im Gleichstromkreis Gleichstrom Grafik 3 Grafiken 2 Grafiken Schwingkreis Schwingkreis Arbeitsmaterial 10 min Grafiken Wechselstrom Kondensator im Wechselstromkreis Grafik Spule im Wechselstromkreis Grafik Arbeitsmaterial Transformation Induktive Kopplung Grafik 3 Grafiken Didaktische Hinweise 6 Arbeitsblätter 1 Infotext 17 Grafiken Filmtexte Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Idealer Schwingkreis Freie Schwingungen Elektromagnetische Wellen Schwingkreis 2 Grafiken 2 Grafiken Grafik 10

11 Produktionsangaben Elektrizitätslehre: Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2015 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design TV Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015 Coverbild Weglowinthedark. Grafiken Weglowinthedark. Kamera und Fotos Carsten Dammann Barne Peters Sounddesign Sven Lütgen Tonstudio Marko Peter Bachmann Sprecher Pascal Finkenauer Fachberatung Dr. Sylvia Becker Redaktion Dr. Maike Schuchmann Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zu den Filmen Gleichstrom Wechselstrom Schwingkreis Produktion Weglowinthedark. im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2015 Buch, Regie und Gestaltung Antonia Kühn Dominic Bünning Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2015 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Elektrizitätslehre: Gleichstrom, Wechselstrom, Schwingkreis Strom ist ein unverzichtbarer Bestandteil unseres modernen Lebens. Doch Strom ist nicht gleich Strom und auch die Einsatzbereiche von Elektrizität sind sehr verschieden. Die Produktion erarbeitet mithilfe anschaulicher Animationen die Begriffe Gleich- und Wechselstrom sowie deren Unterschiede und Anwendungen. Ergänzt wird dies durch einem Exkurs über den elektrischen Schwingkreis. Im Arbeitsmaterial stehen Arbeits blätter, zahlreiche Grafiken und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2015 Laufzeit: 30 min Filme: 3 Grafiken: 17 Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil: Arbeitsblätter: Adressaten: Unterrichtsmaterialien 6 (mit Lösungen) Allgemeinbildende Schule (Klasse 7-13) Schlagwörter: Amplitude, Antenne, Batterie, Blitz, Dämpfung, Effektivwert, Elektrizität, Elektrodynamik, elektromagnetische Schwingungen, Elektron, Energie, Energieumwandlung, Energieversorgung, Frequenz, Generator, Gleichrichter, Gleichstrom, Halbleiter, Induktion, Induktivität, Kapazität, Kondensator, Ladung, Leiter, Leistung, Lorentzkraft, Magnet, Magnetfeld, Netzgerät, Periode, Resonanz, Rückkopplung, Schwingkreis, Schaltkreis, Schaltung, Schwingung, Selbstinduktion, Spannung, Spitzenwert, Spule, Stromkreis, Stromquelle, Stromrichtung, Technik, Transformation, Transformator, Wärme, Wechselstrom, Widerstand, WLAN Systematik: Physik Elektrizitätslehre Elektrodynamik Technische Anwendungen FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de