Didaktische FWU-DVD. Wärmelehre Einführung in die Wärmelehre

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Wärmelehre Einführung in die Wärmelehre

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. zurück führt zum jeweils übergeordneten Menü. Über Info ein / Info aus können Zusatzinformationen ein-/ausgeblendet werden. Mit den Buttons > und < können Sie zwischen Bildern/en vor-/zurückblättern. 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 die Charakterisierung der physikalischen Größe Temperatur; kennen die Temperaturskalen nach Celsius, Fahrenheit und Kelvin; können die Funktionsweise von Flüssigkeitsthermometern und Bimetallthermometern erklären; beschreiben verschiedene Formen der Übertragung von Wärme; können ein Experiment zur Ausdehnung von Flüssigkeiten und Gasen bei Temperaturerhöhung theoriegeleitet planen; finden Beispiele für die verschiedenen Arten der Wärmeübertragung; können das Wirkprinzip verschiedener Alltagsgeräte erklären (z. B. Schnellkochtopf); können unterschiedliche Aggregatzustände und die Übergänge zwischen ihnen mit Hilfe des Teilchenmodells erläutern; können sich auf Grund der erworbenen Kenntnisse über Wärmestrahlung das Prinzip der Thermografie erschließen; diskutieren Arbeitsergebnisse und Sachverhalte (z. B. alltagsbezogene Beispiele) unter physikalischen Gesichtspunkten. 2

3 Zum Inhalt Einführung in die Wärmelehre Film (18 min) Das Wärmempfinden ist ein zentraler Sinn des Menschen. Temperatur und Wärme spielen an vielen Stellen eine wichtige Rolle: beim Kochen, bei der Wahl der Kleidung, im Energiebedarf beim Wohnen und unzähligen anderen Situationen. Das Verstehen der Zusammenhänge in der Wärmelehre begann mit der Möglichkeit der objektiven und zuverlässigen Temperaturmessung. Hierauf wird eingegangen. Der Film gibt eine anschauliche alltagsbezogene Einführung in die grundlegenden Begriffe der Wärmelehre, vor allem zum Begriff der Temperatur, ihrer Messung und ihrer mikroskopischen Deutung im Teilchenmodell. Anschließend werden wesentliche Eigenschaften wie die Volumenveränderung von Körpern bei Temperaturveränderung und die Wärmeausbreitung behandelt. 3

4 Menü Temperatur und Thermometer (Sequenzen / ) Temperatur (Filmsequenz 3:10 min) Das Wärme- oder Temperaturempfinden von Menschen kann individuell sehr unterschiedlich sein. Eine Beschreibung und Untersuchung von Phänomenen der Wärmelehre setzt eine genaue Temperaturmessung voraus. Um 1700 wurden die ersten Thermometer entwickelt. Dabei verwendete man unterschiedliche Skalen. Die bekanntesten und heute noch genutzten sind die Celsius-Skala, die Fahrenheit-Skala und die Kelvin- Skala. Was misst ein Thermometer? Temperatur im Teilchenmodell (Filmsequenz 1:30 min) Mit Hilfe des Teilchenmodells wird die Größe Temperatur mikroskopisch beschrieben. Dies ist zugleich die Grundlage für Verständnis und Erklärung der in den weiteren Sequenzen beschriebenen Phänomene. 4

5 Temperaturskalen () Historisch wurden verschiedene Temperaturskalen z. B. Celsius, Fahrenheit und Kelvin entwickelt. Dabei ging man von unterschiedlichen Fixpunkten aus. Wichtiges Kriterium ist deren möglichst genaue Reproduzierbarkeit. Diese ist bei der Celsius-Skala gegeben und aus prinzipiellen Gründen (absoluter Nullpunkt) bei der in der Physik verwendeten Kelvin-Skala. Diese mit Info-Button zeigt die drei heute noch gebräuchlichen Temperaturskalen mit ihren Fixpunkten. Menü Ausdehnung bei Temperaturänderung (Sequenz / ) Ausdehnung bei Temperaturänderung (Filmsequenz 3:30 min) In der Regel dehnen sich Stoffe bei einer Temperaturerhöhung aus. Dies hängt von dem Stoff selber und vor allem auch von seinem Aggregatzustand ab. Es ist besonders wichtig zu betonen, dass die Effekte bei Gasen sehr viel deutlicher sind und vor allem bei einem idealen Gas auch nicht vom Gas abhängen. Bei Flüssigkeiten und Festkörpern ist die Ausdehnung um Größenordnungen geringer und hängt zudem vom jeweiligen Stoff ab. 5

6 Das Bimetallthermometer () In dieser wird ein Prinzipbild des Bimetallthermometers gezeigt. Über den Info-Button erscheint ein erklärender Text. Menü Wärmeübertragung (Sequenzen / en) Wärmeleitung. Wärmekonvektion, Wärmestrahlung (Filmsequenz 6:40 min) Wärme breitet sich mit unterschiedlichen Mechanismen aus. Meistens treten dabei die drei Formen der Wärmeausbreitung Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung kombiniert auf. Besonders eingängig sind Wärmeleitung und -konvektion, die mithilfe des Teilchenmodells erklärt werden können. Strahlung hingegen benötigt kein Medium. Es ist wichtig, deutlich zu machen, dass jeder Körper Energie in Form von Wärmestrahlung abgibt. Einige grundlegende Charakteristika von Reflektion und Absorption der Wärmestrahlung, die beispielsweise wichtig für die Interpretation von Thermografiebildern sind, werden erwähnt. Wärmeleitfähigkeit (Filmsequenz 2:40 min) Unterschiedliche Stoffe leiten die Wärme unterschiedlich gut. Einige Stoffe eignen sich als Isolatoren, wie zum Beispiel Styropor, andere, vor allem Metalle leiten Wärme sehr gut weiter. Am Beispiel der Thermoskanne wird deutlich, wie alle drei Wärmeausbreitungsmechanismen vermindert werden können. 6

7 Wärmeübertragung () In dieser wird an einem Alltagsbeispiel aufgezeigt, wie die verschiedenen Arten der Wärmeübertragung gemeinsam auftreten. Über den Info-Button ein erklärender Text. Gute und schlechte Wärmeleiter () In dieser werden verschiedene Gegenstände gezeigt, die als gute oder schlechte Wärmeleiter eingeordnet werden sollen. Teilchenmodell und Aggregatzustände Die Darstellung von Stoffen als Teilchen erlaubt eine vereinfachte Erklärung der Aggregatzustände und der Übergänge zwischen ihnen. Die Beschriftung dieser zu den Aggregatzuständen in der Teilchendarstellung kann beliebig einoder ausgeblendet werden, so dass die Benennung der einzelnen Zustände und Übergänge durch die Schülerinnen und Schüler im Unterricht (gegebenenfalls auch am interaktiven Whiteboard) erfolgen kann. Interaktion Wärmeübertragung Ziel dieser Interaktion ist es, in einer Wohnung die Orte der Wärmeübertragung aufzufinden und jeweils die Art der Wärmeübertragung zu bestimmen. 7

8 Verwendung im Unterricht Das Thema Einführung in der Wärmelehre ist in den Lehrplänen in der Sekundarstufe I vorgesehen. Dabei wird in der Regel auf ein phänomenologisch geprägtes Vorgehen geachtet, das die Grundlagen für breite Anwendungsgebiete legt. In Anlehnung an die KMK- Bildungsstandards für das Fach Physik spielt hier das Basiskonzept Struktur der Materie eine zentrale Rolle, indem zahlreiche Erklärungen auf dem Teilchenmodell beruhen. Ein zentraler Punkt ist die Ausdifferenzierung der Begriffe Temperatur als intensive Größe einerseits und der Wärme und thermischen Energie als extensive Größen andererseits. Die Temperatur kann charakterisiert werden als ein Maß für die mittlere Geschwindigkeit der ungeordneten Bewegung der Teilchen, aus denen die Materie besteht, die thermische Energie als die Summe der kinetischen und potentiellen Energien aller Teilchen. Auf der Grundlage dieser Charakterisierungen entwickeln sich die makroskopisch beobachtbaren Phänomene der Ausdehnung von physikalischen Körpern bei Temperaturänderung, der Diffusion sowie der Wärmeausbreitung durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Folgende Themenschwerpunkte werden behandelt: Funktionsweise von Thermometern Entwicklung verschiedener Temperaturskalen (Celsius, Fahrenheit, Kelvin) Ausdehnung von Körpern bei Temperaturerhöhung Wärme Wärmeleitung Übertragung von Wärme durch Konvektion Übertragung von Wärme durch Strahlung Thermografie Die Produktion bietet eine Vielzahl an unterschiedlichen Medien (Film, Sequenzen, en), die in verschiedenen Unterrichtseinheiten eingesetzt werden können. Es ist hilfreich, sich zunächst die Programmstruktur zur Hand zu nehmen, die einen Überblick über die vorhandenen Medien gibt. Ergänzend werden zahlreiche Arbeitsblätter angeboten sowie eine Interaktion, die eine motivierende, spielerische Erarbeitung und Vertiefung der Lerninhalte fördern. Der Text Verwendung im Unterricht gibt Hinweise zum Unterrichtseinsatz sowie detaillierte Beschreibungen der vorhandenen Materialien. 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial stehen Ihnen im ROM-Teil Hinweise zur Verwendung im Unterricht, eine Interaktion, Arbeitsblätter (mit Lösungen) und 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 ausgedruckt werden. Die PDF-Dateien zum Ausfüllen können direkt am Computer ausgefüllt, abgespeichert und ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Verwendung im Unterricht Arbeitsblätter (mit Lösungen und als PDFs zum Ausfüllen) Interaktion en Filmkommentar Begleitheft Programmstruktur Weitere Medien Links Materialien Hinweise zum Einsatz der DVD im Unterricht 1) Temperaturen messen 2) Ausdehnung bei Temperaturänderungen 3) Die Aggregatzustände im Teilchenmodell 4) Wärmeübertragung 5) Diffusion 6) Wortgitter Temperatur und Wärme Wärmeübertragung Teilchenmodell und Aggregatzustände Temperaturskalen Bimetallthermometer Wärmeübertragung Filmkommentar als PDF-Dokument ausführliches Begleitheft Didaktische FWU-DVD Web-DVD (Online-Fassung der Produktion) Info zu ergänzenden Medien kommentierte Linksammlung zum Thema 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Einführung in die Wärmelehre Temperatur und Thermometer Einführung in die Wärmelehre Ausdehnung bei Temperaturänderung Wärmeübertragung Film 18 min Sequenzen Sequenz Sequenzen en Untermenüs Temperatur Was misst ein Thermometer? Temperatur im Teilchenmodell Temperaturskalen Temperatur und Thermometer 3:10 min 1:30 min Teilchenmodell und Aggregatzustände Ausdehnung bei Temperaturänderung Ausdehnung bei Temperaturänderung Das Bimetallthermometer 3:30 min Arbeitsmaterial Verwendung im Unterricht Arbeitsblätter (mit Lösungen) Interaktion en Filmkommentar Begleitheft Programmstruktur Weitere Medien Links Wärmeleitung, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung Wärmeleiter Wärmeübertragung Gute und schlechte Wärmeleiter Wärmeübertragung 6:40 min 2:40 min 10

11 Produktionsangaben Einführung in die Wärmelehre Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2012 Konzept Dr. Maike Schuchmann DVD-Authoring und Design msm-studios GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2012 Online-Authoring agentur wei.media / multimedia & werbung Bildnachweis Cover: fotolia.com Dmitry Igoshin en Anika Krings Arbeitsmaterial Prof. Dr. Gesche Pospiech Tobias Bauer Begleitheft Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Einführung in die Wärmelehre Produktion Technische Universität Dresden Medienzentrum und Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Fachrichtung Physik Schnittblume.tv im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2012 Drehbuch Dieter Berger Regie und Kamera Michael Schubert Schnitt Gabriele Schubert Graphik Ingrid Zimmermann Fachberatung Prof. Dr. Gesche Pospiech Sprecher Andreas Karg Redaktion Dr. Maike Schuchmann Vielen Dank für die Unterstützung: Thomas Liebscher Tischlerei und Küchenstudio Liebscher, Halsbrücke Gerd Hahn Restaurant am Weberplatz, Dresden Eva-Maria Meiner Gästehaus Am Weberplatz, Dresden Göran Tronicke TU Dresden, Professur Didaktik der Physik Oliver Just TU Dresden, Institut für Energietechnik Gerald Goepfert TU Dresden, Medienzentrum Uwe Thonig TU Dresden, Medienzentrum Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2012 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 Wärmelehre Einführung in die Wärmelehre Wärme ist nicht nur eine wichtige Grundlage für das Leben, sie bietet auch zahlreiche Möglichkeiten der Energienutzung und spielt eine große Rolle für die Erhaltung unseres Lebensstandards. Die FWU-Produktion erklärt anschaulich den Unterschied zwischen Wärme und Temperatur und führt in die Grundlagen der Wärmelehre ein. Die Eigenschaften und das Empfinden von Wärme werden dabei ebenso erläutert wie ihre Weiterleitung. Zusätzlich stehen im ROM-Teil Arbeitsblätter, eine anschauliche Interaktion, didaktische Hinweise und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2012 Laufzeit: 18 min Film: 1 Sequenzen: 5 en: 5 Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil: Arbeitsblätter: Unterrichtsmaterialien 6 (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen) Interaktion: 1 Adressaten: Allgemeinbildende Schule (Klasse 6-10) Schlagwörter: Anomalie, Bimetall, Brown, Celsius, Diffusion, Energie, Fahrenheit, Flüssigkeitsthermometer, Kelvin, Konvektion, Schnellkochtopf, Strahlung, Teilchen modell, Temperatur, Temperaturerhöhung, Thermografie, Wärme, Wärmeleitung, Wärmeübertragung, Wasser Systematik: Physik Wärmelehre Temperatur, Wärmemenge Wärmelehre Aggregatszustände 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 Systemvoraussetzungen bei Nutzung am PC: DVD-Laufwerk und DVD- Player-Software, empfohlen für Windows ME/2000/XP/ Vista/Windows Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de