Dauermagnete. magnetismus. Elektrizität und. Physik im Kontext. Dietrich Hinkeldey. Physik im Kontext. Downloadauszug aus dem Originaltitel:

Transkript

1 Dietrich Hinkeldey Physik im Kontext Sekundarstufe ufe I Dietrich Hinkeldey e Physik im Kontext Downloadauszug aus dem Originaltitel: Magnetismus, Elektrizität und magnetismus

2 Physik im Kontext Dieser Download ist ein Auszug aus dem Originaltitel Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus Über diesen Link gelangen Sie zur entsprechenden Produktseite im Web.

3 Inhaltsverzeichnis 2 Vorwort CD-Zusatz 3 (Kl. 5 7) 3 Didaktisch-methodische Hinweise Editierbare Gefährdungsbeurteilung 4 Themeneinstieg Hilfen 5 Versuche Lösungen der Versuche 14 Highlight-Versuch Editierbarer Test (mit Lösungen) Aufgaben zum Weiterdenken (mit Lösungen) Inhaltsverzeichnis 1

4 Vorwort Ein neues Arbeitsbuch zu den Themen Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus sind da nicht schon genug auf dem Markt? Das vorliegende Buch bietet Ihnen die Möglichkeit, all diese Themengebiete mit Schülerversuchen in Partner- oder Kleingruppenarbeit zu erarbeiten. Nur an den Stellen, bei denen es sicherheitstechnisch nicht möglich ist, wurde auf Lehrer-Demonstrationsversuche zurückgegriffen. Denn in der heutigen Zeit lassen sich jede Menge Animationen zu physikalischen Versuchen im Internet finden, die man den Jugendlichen präsentieren könnte. Das sieht alles perfekt aus und ist leicht zu handhaben. Aber es bleibt eine second-life-erfahrung. Die Schüler begreifen die Zusammenhänge nicht unmittelbar. Sie werden dabei nicht selbst tätig und erfahren die Naturgesetze nicht durch selbst durchgeführte Versuche. Schülerversuche erfordern gewiss etwas mehr Zeit als eine gleichartige Lehrerdemonstration. rdem Aber der Erkenntnisgewinn ist umso nachhaltiger. Das vorliegende Buch bietet daher Ihnen als Lehrkraft und Ihren Schülerinnen nen und Schülern 1 in neun Ka piteln: den Physikstoff bis zum Mittleren Bildungsabschluss; einen Überblick zu Beginn eines jeden Kapitels zu Zeitbedarf, Klassenstufe, Ziel, besonderes Material, Sozialformen, Präsentationsformen rmen und Stolpersteine, ggf. Informationen ; einen motivierenden Einstieg und erste Fragen zu dem jeweiligen Themenkomplex, mplex, die am Ende des Kapitels beantwortet werden können; nen; Anleitungen zu Schülerversuchen; Lehrer-Demonstrationsversuche ersuche erscheinen nur, wenn die aus Sicherheitsgründen heitsgründen notwendig ist; zu jedem Kapitel mindestens einen Highlight-Versuch ; jedes Kapitel endet mit dem Rückblick, der auf die ersten Fragen verweist; jeweils ein Test, mit dem Sie den Lernfortschritt tt Ihrer Schüler überprüfen können; Aufgaben zum Weiterdenken für die schnellen und guten Schüler. Die Versuche enthalten: eine allgemeine Einordung des Versuchs zu Beginn mit einem Verweis auf die Bildungsstandards der KMK (vgl. Anhang auf CD) und dem jeweiligen Kontextbezug (mit Bild); den klassischen Aufbau u eines Versuchsprotokolls (Material, Anleitungen, Beobachtungen usw.); sofern nötig, werden elektrische Leitungen bzw. das genaue Stativmaterial nicht extra aufgeführt; immer mer wieder Verweise auf Hilfestellungen (auf der CD) zur Stärkung des selbstständigen Arbeitens; genug Raum, um Versuchsskizzen anzufertigen und Beobachtungen einzutragen; Erkenntnisse, ntnisse, die je nach Klassenstufe und Schwierigkeitsgrad als Lückentext, Multiple Choice oder offene e Felder gestaltet sind. Auf der beigefügten CD finden Sie zu jedem Kapitel: Gefährdungsbeurteilungen, soweit nötig, in editierbarer Form; alle Hilfen zum Ausdrucken; alle Lösungen zu den Versuchen zum Ausdrucken; den Test in editierbarer Form (Aufgabenversion und Lösungen) Aufgaben zum Weiterdenken zur Differenzierung (mit Lösungen), ebenfalls mit Bezug zu den Bildungsstandards. Dietrich Hinkeldey 1 Aufgrund der besseren Lesbarkeit ist in diesem Buch mit Schüler auch immer Schülerin gemeint, ebenso verhält es sich mit Lehrer und Lehrerin. Vorwort 2

5 Didaktisch-methodische Hinweise 8 Stunden 5 7 erstes systematisches Experimentieren aufgrund gezielter Fragestellungen sowie Schulung der Beobachtung und Dokumentation der Versuchsergebnisse (meist) mit Lückentexten Experimentiergruppen mit 3 (max. 4) Schülern; die Versuche eignen sich auch für eine Stationenarbeit. motivierendes Magnetspielzeug, eine Vakuumglocke mit Pumpe, ein Levitron (schwebender Magnetkreisel), Karten der Arktis und der Antarktis gemeinsame Erstellung eines Lernplakats; Auftrag: Erstellt in der Experimentiergruppe ein Lernplakat, auf dem das Wichtigste über n dargestellt ist. Vergleicht dann die verschiedenen Plakate untereinander. Mögliche Fehlvorstellungen lungen der Schüler: Viele Schüler denken, dass Magnete e alle Metalle anziehen. Die Magnetpole werden häufig mit den Polen einer Batterie e verwechselt oder sogar gleichgesetzt. Zudem verwirrt die Vielfalt der Polbezeichnungen. en. Daher wird hier nur zwischen geografischen und geomagnetischen gn Polen unterschieden, eden, diese jedoch als magnetische Pole dargestellt. Das Feldlinienbild wird als Realität wahrgenommen, nicht als abstraktes Modell. Information: Nach Lukrez (röm. Dichter, 1. Jh. v. Chr.) hat der Magnetstein seinen Namen nach der Landschaft Magnesia (Griechenland) bekommen, wo ihn die Griechen zuerst gefunden haben sollen. Nach Plinius (röm. Historiker, 1.Jh. n. Chr.) hat ihn ein Hirte namens Magnes entdeckt, als er auf dem Ida bei Troja mit den eisernen Nägeln seiner Schuhsohlen und mit der eisernen Spitze seines Hirtenstabes daran hängen blieb. Es gibt mehrere Definitionen für die Pole der Erde: geografisch, magnetisch, geomagnetisch. Durch die geografischen Pole verläuft die Rotationsachse der Erde. Bei den magnetischen Polen nhaben die Feldlinien einen 90 -Winkel zur Erdoberfläche. Die geomagnetischen Pole spannen die magnetische Achse, die sich ergibt, wenn man sich vorstellt, die Erde habe in ihrem Inneren einen Stabmagneten. Aufgrund der Forschungsgeschichte befindet sich beim geografischen Nordpol der (geo-)magnetische Südpol. Der (geo-)magnetische Nordpol ist daher beim geografischen Südpol. 3

6 Themeneinstieg Verschiedene Anwendungen: Magnetspielzeug, Kühlschrank-/Pinnwandmagnete, Kompass, Magnetsteine (Erz), usw. Youtube-Filme: geeignete Suchbegriffe e Levitron, iron seperator und mechanische che Mülltrennung Erste Fragen: 1. Was ist das für eine geheimnisvolle Wirkung? Es ist eine e Kraftwirkung. 2. Auf welche Gegenstände wirken Magnete? Magnete wirken auf Gegenstände aus Eisen, Kobalt, Nickel und auf fandere Magnete. 3. Gibt es unterschiedliche Magnete? Man unterscheidet sie nach ihrer Form. 4. Wo sind die Kräfte am stärksten? An den Polen des Magneten. 5. Wie weit wirken diese Kräfte? Die magnetische Kraft wirkt unendlich weit, wird aber schwächer, je größer der Abstand wird. 6. Kann man die Kräfte abschirmen? Ja, man kann sie mit Eisen-, Kobalt- oder Nickelplatten abschirmen. 7. Was passiert, wenn man einen Magneten halbiert? Man erhält zwei vollständige Magnete. 8. Wie orientiert sich ein Kompass? Der Kompass richtet sich nach dem Magnetfeld der Erde aus. 9. Wie kann man Magneten herstellen? Man überstreicht ein Eisenstück mit einem Magneten, immer mit dem gleichen Pol, immer in die gleiche Richtung. 4

7 Versuch 1.1: Kraftwirkung eines Magneten Bezug Bildungsstandards: F1; E7; K4, K5 Kontextbezug: Büroklammern, die in den engen Abstand zwischen Wand und Schreibtisch gefallen sind, können mit einem Magneten wieder hochgeholt werden. Material: ein Stabmagnet, eine Schachtel mit kleinen Nägeln Anleitung: Haltet den Stabmagnet in die Nagelschachtel und hebt ihn wieder heraus. Zeichnet das Versuchsergebnis hier ein. Zusammenfassung: Beschreibt, wo die magnetische Kraft am größten ist. Versuch 1.2: (Un-)Magnetische Stoffe Bezug Bildungsstandards: F1; E7, E9; K4, K5 Kontextbezug: Bei der Mülltrennung werden mithilfe von Magneten beispielsweise eisenhaltige Metallgegenstände (Blechbüchsen usw.) aussortiert. Material: ein Stabmagnet, verschiedene Stoffe Anleitung: Haltet den Stabmagnet an verschiedene Stoffe und prüft, bei welchen ihr eine Kraftwirkung nachweisen könnt. Diese Stoffe sind magnetisch: Diese Stoffe sind nicht magnetisch: Zusammenfassung: Nur bei bestimmten Stoffen ist die Wirkung einer magnetischen Kraft beobachtbar. Das sind: usw. Man nennt sie ferromagnetische Stoffe. 5

8 Versuch 1.3: Wechselseitige Kräfte Bezug Bildungsstandards: F1; E7; K4, K5 Kontextbezug: Bei manchen Holzeisenbahnen werden die Waggons mit Magneten gekoppelt. Manchmal muss man einen Wagen umdrehen, bevor er angekoppelt werden kann. Material: ein Eisenstab, 2 Stabmagnete, 2 Plastikwagen (oder Holzrollen) Anleitung: a) Legt den Eisenstab auf einen Wagen und in einigem Abstand einen Stabmagneten auf den anderen Wagen. Nähert nun langsam den Wagen mit dem Magneten dem anderen Wagen. b) Dreht nun den Magneten um, sodass der andere Pol zum Eisen zeigt und wiederholt den Versuch. c) Ersetzt nun n den Eisenstab durch den zweiten Magneten und wiederholt die Versuche. a) b) c) Zusammenfassung: menf Kreuzt mithilfe der Versuche die richtigen Aussagen an: Ein Magnet zieht einen Eisenstab an. Der Eisenstab zieht den Magneten an. Eisenstab und Magnet ziehen sich gegenseitig an. Gleichnamige Pole ziehen sich gegenseitig an. Zwei Magneten können sich gegenseitig abstoßen. Die ungleichnamigen Magnetpole ziehen sich an. Jeder Pol eines Magneten zieht einen Eisenstab an. Ein Eisenstab hat zwei unterschiedliche Pole. Gleichnamige Pole stoßen sich gegenseitig ab. 6

9 Versuch 1.4: Bezeichnung der Pole Bezug Bildungsstandards: F1; E7; K2, K5 Kontextbezug: Eine Kompassnadel weist immer nach Norden. Material: ein Stabmagnet, Schnur, Stativmaterial, eine Kompassnadel / Magnetnadel mit Windrose Anleitung: a) Hängt den Stabmagnet frei drehbar mit einer Schnur auf und haltet ihn ruhig. Achtet darauf, dass ihr euch nicht in der Nähe von Eisen oder Stahl befindet. Beobachtet die Ausrichtung des Stabmagneten, wenn er zur Ruhe gekommen ist. b) Verwendet nun die Kompassnadel / Magnetnadel mit Windrose. Richtet die Windrose nach Norden aus. Geht anschließend im Raum umher und nähert euch verschiedenen Gegenständen aus Eisen, z. B. Tischbeide, Stuhlbeine, Schultafel, usw. a) Der rote Pol des Magneten zeigt immer nach, der grüne immer nach s. Hilfe 1.4 a b). s. Hilfe 1.4 b Zusammenfassung: a) Der Magnetpol, der zeigt, heißt des Magneten. Der Magnetpol, der zeigt, heißt des Magneten. Magnete sind häufig und angemalt. Dies ist eine Merkhilfe, um die Pole zu kennzeichnen. Der Nordpol ist. (Beide Worte haben ein.) Der ist grün. (Beide Worte haben ein.) Es gibt aber auch Magnete, die einheitlich gefärbt sind oder deren Pole andere Farben tragen oder gar nicht markiert sind. b) Es gibt verschiedene Formen von Magneten. Ordnet mit Zahlen die folgenden Begriffe den abgebildeten Magneten richtig zu: 1Topfmagnet, 2 Hufeisenmagnet, 3 Stabmagnet, 4 Scheibenmagnet, 5 Ringmagnet, 6 Magnetnadel. 7

10 Versuch 1.5: Einzelne Magnetpole Bezug Bildungsstandards: F1, F3; E3, E7; K4, K5 Kontextbezug: Ein Magnet fällt aus Versehen zu Boden und zerbricht. Material: 4 gleiche Stabmagnete; eine Magnetnadel auf Spitze; ein magnetisierter langer, dünner Eisennagel; eine Zange Anleitung: a) Legt die vier Stabmagnete aneinander und testet mit einer Magnetnadel, wo sich der magnetische Nordpol und der magnetische Südpol befinden. b) Teilt die Magnetstange in der Mitte und testet wieder, wo sich welche Magnetpole befinden. c) Teilt jede Magnetstange erneut, sodass ihr nun 4 einzelne Stücke habt und testet wieder, wo sich welche Magnetpole befinden. d) Führt mit dem magnetisierten langen, dünnen Nagel die Versuche a) c) durch, indem ihr ihn mit einer Zange teilt. a) Ergebnis: b) Ergebnis: c) Ergebnis: d) Gedankenexperiment: enexperimen Überlegt und beschreibt, was entsteht, wenn man die Nagelstücke weiter teilt t (teilen könnte). Zusammenfassung: Teilt man einen, dann entstehen Magnete mit magnetischem und Südpol. Setzt man die Teilung immer weiter fort, erhält man irgendwann. Ein Magnet besteht also aus Elementarmagneten. s. Hilfe 1.5 8

11 Versuch 1.6: Magnete selbst herstellen Bezug Bildungsstandards: F1, F3; E3, E7; K4, K5 Kontextbezug: Die Spitzen von Schraubendrehern werden magnetisiert, damit die Schrauben automatisch halten. Material: ein Stabmagnet; ein dünner, unmagnetisierter Nagel; eine Magnetnadel auf einer Spitze Anleitung: Streicht mit einem Pol des Stabmagneten immer wieder in der gleichen Richtung über den unmagnetisierten Nagel und untersucht die Nagelenden, ob und wenn ja, welcher magnetische Pol sich dort befindet. s. Hilfe 1.6 Gedankenexperiment: Überlegt und beschreibt, wie man einen magnetisierten Nagel wieder entmagnetisieren könnte. Zusammenfassung: ss ng: Eisen besteht t aus vielen,, kleinsten. Erst wenn n diese werden, wird auch der Nagel. Diese Wirkung kann durch wieder aufgehoben werden. 9

12 Versuch 1.7: Demo: Braucht die magnetische Kraft Luft, um wirken zu können? Bezug Bildungsstandards: F3; E1; K5 Kontextbezug: Erdmagnetfeld im Weltall, Vergleich mit Schwerkraft S Magnetische Achse N Material: ein Nagel, Faden, ein Stabmagnet, t, Stativmaterial, eine Vakuumglocke, eine Vakuumpumpe, evtl. eine elektrische Klingel Anleitung: Ein Nagel wird mit einem Faden so am Stativmaterial befestigt, dass er frei schwebt. Der Magnet wird so aufgestellt, dass der Nagel angezogen wird, den Magneten en aber nicht berührt. Evtl. wird noch eine elektrische Klingel dazu gelegt, die läutet. Die Vakuumglocke wird darübergestülpt und die Luft wird abge- saugt. zur Vakuumpumpe Zusammenfassung: Die Kraft benötigt nicht die als Medium. Wie die Schwerkraft, wirkt also auch das der Erde über die hinaus. s. Hilfe

13 Versuch 1.8: Muster der Magnetkraft Bezug Bildungsstandards: F1; E1, E3, E7; K5 Kontextbezug: Zugvögel orientieren sich bei ihrem Flug am Magnetfeld der Erde. Material: ein Stabmagnet, ein Hufeisenmagnet, festeres Papier oder Glasplatte, Eisenstaubpulver, ggf. eine Klarsichtklebefolie, ein Magnetmodell (Platte mit vielen kleinen Magnetnadeln) Anleitung: a) Legt einen Stabmagnet unter das Papier / die Glasplatte und streut t vorsichtig Eisenstaubpulver über dem Magneten auf das Blatt Papier / die Glasplatte. Fixiert iert das Muster, wenn möglich, mit der Klarsichtklebefolie. Wiederholt den Versuch mit dem Hufeisenmagneten. b) Legt einen Stabmagnet auf das Magnetmodell (Platte mit vielen kleinen n Magnet nadeln). Bei der Präsentation könnt ihr den Tageslichtprojektor r nutzen. a) s. Hilfe a b) Zusammenfassung: Die Kraft reicht unendlich weit. Je die Entfernung, desto wird sie. Die magnetische Kraft braucht kein, wie s. Hilfe 1.8 b etwa, um zu wirken. Im Raum um einen Magneten wirkt das. Man kann es mithilfe von darstellen, die vom zum verlaufen. Die Feldlinien schneiden sich. 11

14 Versuch 1.9: Kann man die magnetische Kraft abschirmen? Bezug Bildungsstandards: F1; E1, E3, E7; K5 Kontextbezug: Die Informationen auf Magnetkarten (z. B. EC-Karte) können durch Magnetfelder so verändert werden, dass sie z. T. nicht mehr ausgelesen werden können. Wie kann man solche Karten schützen? Material: ein Nagel, Faden, Stativmaterial, ein Stabmagnet, Platten aus verschiedenen Materialien (Pappe, Glas, Kunststoff, Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl, usw.) Anleitung: Befestigt den Nagel mit einem Faden am Stativmaterial. Stellt den Magneten so auf, dass der Nagel angezogen wird, er aber trotzdem den Magneten nicht berührt. Die Lücke muss ausreichend groß sein. Schiebt die Platten der verschiedenen Materialien zwischen Nagel und Magnet. Zusammenfassung: Kreuzt mithilfe des Versuchs die richtigen Aussagen an: Der Nagel wird weiterhin angezogen, auch wenn man ein Stück Aluminium dazwischen hält. Eine Kunststoffplatte schirmt die magnetische Kraft ab. Der Nagel pendelt / fällt zurück, wenn eine Eisenplatte dazwischen geschoben wird. Die magnetische Kraft wird durch eine Glasplatte abgeschirmt. Die Stahlplatte schirmt die magnetische Kraft ab. 12

15 Versuch 1.10: Wie sieht das Magnetfeld der Erde aus? Bezug Bildungsstandards: F3; E3, E7; K3, K5 Kontextbezug: Orientierung mit Karte und Kompass Material: ein Kompass, Karten der Arktis und Antarktis Anleitung: a) Betrachtet die Karten der Arktis und der Antarktis, die jeweils beide Pole (geografische und magnetische) zeigen. Gebt von beiden Magnetpolen die geografische Breite und Länge an. b) Stellt den Kompass auf und achtet dabei auf ausreichend Abstand zu eisenhaltigen Gegenständen. Bestimmt mithilfe der Karte und der Nordrichtung die Missweisung des Kompasses. a) b) Information: geographischer er Nordpol Die Erde ist ein riesiger er Magnet. Die Forscher wissen schon seit der Antike, dass s und wie sich magnetischer Südpol Magnetsplitter in diesem Magnetfeld ausrichten. Weil wir heute mehr Möglichkeiten und bessere Messgeräte, z. B. Kompassnadeln, haben, wissen wir, wie dieses Magnetfeld erzeugt wird und wie es verläuft. Deshalb gibt es verschiedene Definitionen zu den Polen der Erde: geografische und magnetische Pole. Peilt Magnetische Achse man mit dem Kompass den Nordpol an, zeigt dieser die Richtung des magnetischen Südpols an. Der Unterschied, der sich so ergibt, Rotationsachse wird in Grad angegeben eben und als Missweisung bezeichnet. Zudem weiß man heute, dass das Magnetfeld der Erde nicht konstant ist, sondern sich bis heute immer verändert. Deshalb wandern die Magnetpole und sind nicht identisch mit den geografischen Polen. Zusammenfassung: men Die Erde ist ein riesiger Magnet. Leider gibt es Durch den achse der Erde. Da sich Nord- bzw. Südpol verläuft die S N Poldefinitionen. Pole anziehen, befinden sich jedoch der pol im Norden und der magnetische. Ein Kompass zeigt immer in Richtung des. Weil sich das Magnetfeld der Erde verändert, im die Magnetpole. Sie befinden sie sich zwar der geografischen Pole, sind genau dort. 13

16 Versuch 1.11: Demo: Der schwebende Kreisel Bezug Bildungsstandards: F1, F3; E1, E3, E5; K5 Kontextbezug: Levitron, Magnetschwebebahn Material: ein Levitron; verschiedene Platten (Pappe, Kunststoff, Glas, Kupfer, Aluminium, Eisen); ein Trinkglas; eine Magnetnadel / ein Magnet Anleitung: a) Der Kreisel des Levitron wird auf der Grundplatte in schnelle Rotation versetzt und vorsichtig mit der Grundplatte angehoben, bis er sich von der Grundplatte löst. Dann wird die Grundplatte unter dem Kreisel weggenommen. b) Versuch a) wird wiederholt und man hält die verschiedenen Platten unter den rotierenden Kreisel. c) Versuch a) wird wiederholt und man führt ein Trinkglas von unten um den rotierenden Kreisel, sodass dieser im Glas rotiert. d) Die Grundplatte und der Kreisel werden mithilfe der Magnetnadel / des Magneten auf Magnetpole untersucht und mit dem Rotationsverhalten eines normalen Kreisels verglichen, um herauszufinden, wie das Levitron funktioniert. s. Hilfe 1.11a/ 11 b a) b) c) d) Zusammenfassung: Wie ein normaler Kreisel, wird auch rotiert in der Luft, weil Das Levitron besteht aus, die beide. Der Kreisel des Levitron. Deshalb fällt er zu Boden, wenn Rückblick: Schaut euch nun noch einmal die Ersten Fragen an und beantwortet sie.. 14

17 Impressum 2016 Auer Verlag AAP Lehrerfachverlage erlage GmbH Alle Rechte vorbehalten. Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werkes ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen weiteren kommerziellen Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte oder für die Veröffentlichung im Internet oder in Intranets. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages. Die AAP Lehrerfachverlage GmbH kann für die Inhalte externer Sites, die sie mittels eines Links oder sonstiger Hinweise erreichen, keine Verantwortung übernehmen. Ferner haftet die AAP Lehrerfachverlage GmbH nicht für direkte oder indirekte Schäden (inkl. entgangener Gewinne), die auf Informationen zurückgeführt werden können, die auf diesen externen Websites stehen. Autor: Dietrich Hinkeldey Illustrationen: Stefanie Aufmuth, Corina Beurenmeister, Julia Flasche, Stefanie Groß, Carmen Hochmann, Steffen Jähde, Hendrik Kranenberg, Björn Okesson, Stefan Lohr, Christoph Schmidt, Thorsten Trantow, Bettina Weller, Bettina Weyland, Hanni Wohofsky