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

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

2 Elektromagnetismus Stromstärke 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. 7/8) 3 Didaktisch-methodische Hinweise Editierbare Gefährdungsbeurteilungen 3 Themeneinstieg Hilfen 4 Versuche Lösungen der Versuche 13 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 10 Stunden 7/ 8 einfache Stromkreise nach Anleitung aufbauen sowie eigene Schaltungen entwerfen und umsetzten; Stromstärke in einfachen und verzweigten Strom kreisen messen und mit der Einheit Ampere rechnen; die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms in Anwendungssituationen erkennen und analysieren Relais, eine Ding-Ding-Klingel, transparente Schläuche, T-Schlauchverbinder, Glasröhrchen mit Verengung, 2 Zylindergefäße mit unterem Ein-/Auslauf, Durchflussmesser (z. B. bei Conrad elecronic), eine Holzplatte für ein Wassermodell ell des Stromkreises Experimentiergruppen mit 3 (max. 4) Schülern; Großgruppenversuche; penversu die Versuche eignen sich auch für eine Stationenarbeit. Gruppenpräsentation von eigenen Schaltungen n und Versuchen; Erstellung einer Lernkartei; Auftrag: Fasst das Wichtige dieses Themas auf verschiedenen Karten in einer Lernkartei zusammen. Verwendet dazu Kärtchen im Format A7 (halbe Postkarte). Auf die Vorderseite schreibt ihr eine Frage, auf die Rückseite die richtige Antwort dazu. Wenn jeder seine Karten geschrieben hat, tauscht diese untereinander nande aus und d beantwortet die Fragen der anderen. Beispiel: In welcher Einheit misst t man die elektrische Stromstärke? Ampere Hinweis zu den Versuchen: Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters erfordert eine große Stromstärke. rke. Das heißt man sollte geeignete Transformatoren o. a. Stromquellen zur Verfügung stellen, denn sonst sind die Feldlinienbilder zu u schwach ausgeprägt. Ggf. die Symbole (=, ~) für Gleich- und Wechselstrom erklären. ren. Mögliche Fehlvorstellung der Schüler: Stromstärke wird verbraucht. Das Wassermodell des Stromkreislaufes hat sich bewährt, wenn man nachweisen will, dass die Gesamtstromstärke immer gleich groß bleibt. Themeneinstieg Demo: Die folgende Schaltung wird aufgebaut und der U-Kern am Tisch fixiert. Die Schüler werden aufgefordert, das Joch des Elektromagneten m von oben zu entfernen; dies sollte nicht gelingen. Man kann den Aufbau zusätzlich durch eine blackbox abdecken, sodass nur noch das Joch zu sehen ist. + Filmsequenz aus Verstehen Sie Spaß? : Eine Frau setzt ihre Koffer am Straßenrand ab und bittet einen Taxifahrer diese für sie einzuladen. Der Chauffeur lädt die kleineren Koffer ein, scheitert aber beim großen Koffer. Dieser ist offensichtlich zu schwer für ihn. Er bringt den Koffer keinen Zentimeter hoch. Was war da los? Erklärung: Im Boden unter dem Koffer, der eine Eisenplatte enthielt, war ein Elektromagnet versteckt, der immer dann eingeschaltet wurde, wenn der Taxifahrer den Koffer einladen wollte. 3

6 Möglicher Einleitungssatz: Wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, kann man eine magnetische Wirkung nachweisen. Mit elektrischem Strom kann man also einen Magneten herstellen, einen Elektromagneten. Da sich eine Magnetnadel je nach Polung des Leiters rechts oder links dreht, langsam oder schnell, weiß man, dass elektrischer Strom eine Richtung und eine messbare Stärke hat. Erste Fragen: 1. Wie sieht das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters aus? Die Feldlinien bilden konzentrische Kreise um den Leiterquerschnitt. Die Richtung der Feldlinien hängt von der Richtung des Stromflusses ab und wird mit der rechten-hand-regel ermittelt. 2. Von welchen Größen hängt die Stärke eines Magneten ab? Je größer die Stromstärke ist und je mehr Windungen die Spule hat, umso stärker ist der Elektromagnet. 3. Wie kann man einen Elektromagneten verstärken? Er kann durch einen Eisenkern verstärkt werden. 4. Wie kann man den Elektromagnetismus nutzen? Mögliche Anwendungen: ngen: Stromstärkemessgerät in Form von Drehspulmessinstrumenten; Elektromagnete usw. 5. Wie kann man Stromstärke messen? Das Stromstärkemessgerät wird in Reihe in den Stromkreis eingebaut. 6. In welcher Einheit gibt man die Stromstärke an? Stromstärke wird in nampere angegeben. Versuch 3.1: Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Bezug Bildungsstandards: F1; E1, E5; K5 Kontextbezug: Ablenkung des Kompasses in der Nähe von Hochspannungsleitungen, das Aufspüren von Stromleitungen hinter der Zimmerwand Material: eine Pappscheibe mit Schlitz und Loch für die Leitung auf den beiden gegenüberliegenden Seiten, ein Transformator (0 3 V Gleichspannung), eine Leitung, Eisenpulver, Stativmaterial Montiert die Pappscheibe waagerecht am Stativ und führt die Leitung von oben nach unten durch die Pappscheibe. Schließt sie nun als Kurzschluss am Transformator an. Streut dann etwas Eisenpulver um den Leiter auf die Pappscheibe. Dreht den Transformator langsam auf (nicht zu weit!) und klopft dabei leicht an die Pappscheibe. Zeichnet das Muster, das ihr um den Leiter erkennt. Ergebnis:

7 Versuch 3.2: Das Magnetfeld einer Spule Bezug Bildungsstandards: F1; E1, E5; K1, K5 Kontextbezug: Elektromagnete, z. B. Transportkran auf dem Schrottplatz Material: eine Pappscheibe für Spulenmodell (mit Schlitzen und Löchern), 2 Pappscheiben (an Spule angepasst), eine Spule 600 Windungen, ein kurzer Eisenkern, ein Transformator (0 5 V Gleichspannung), eine lange Leitung, Eisenpulver, Stativmaterial a) Montiert die Pappscheibe für das Spulenmodell waagrecht am Stativ und führt die Leitung, gewickelt immer wieder von oben nach unten, durch die Pappscheibe; es entsteht eine Spule. Schließt sie als Kurzschluss am Transformator an (max. 3 V Gleichspannung). Streut dann etwas Eisenpulver auf die Pappscheibe. Dreht den Transformator langsam auf (nicht zu weit!) und klopft dabei leicht an die Pappscheibe. Zeichnet et das Muster, das ihr um die Spule erkennt. b) Schiebt von rechts und links die beiden angepassten Pappscheiben in die Spule, sodass eine ebene Fläche um die Spule entsteht. Wiederholt Versuch a). c) Vergleicht die Feldlinienmuster der Versuche e a) und b). Wiederholt dann Versuch b) mit einem em kurzen Eisenkern in der Spule und vergleicht erneut. a) Ergebnis: 3.2 a + b) Ergebnis: c) b 3.2 c 5

8 Versuch 3.3: Wie funktioniert eine Ding-Dong-Klingel? Bezug Bildungsstandards: F3; E1, E7; K2, K4 Kontextbezug: Funktionsweise einer Hausklingel Metallplatten Material: eine Ding-Dong-Klingel, ein Transformator (0 10 V Wechselspannung), ein Tastschalter a) Entfernt die Abdeckung der Klingel und schließt sie über den Tastschalter an den Transformator an. Betätigt die Klingel und beobachtet, wie sie arbeitet. b) Beschreibt anhand der beiden Skizzen, warum man mit diesen Klingeln nicht Sturmklingeln kann. Metallplatte Dong Feder Eisenkern Spule Klingeltaster, offen Metallplatte Ding Klingeltaster, gedrückt a) b) 3.3 6

9 Versuch 3.4: Wie arbeitet ein Relais? Bezug Bildungsstandards: F3; E1, E7; K2, K4 Kontextbezug: Relais (z. B. bei Türklingeln) Material: ein Relais (Original), eine Batterie 4,5 V, ein Schalter, ein Transformator, 2 Glühlampen mit Fassung a) Vergleicht die Schaltskizze mit dem Originalbauteil. Beschriftet die Skizze mit den folgenden Begriffen: Gehäuse, Elektromagnet, Anker, vom Anker bewegter Kontakt, feststehende Kontakte, Steuerstromkreis, Arbeitsstromkreis. b) Baut eine Relaisschaltung auf, die zwei Glühlampen abwechselnd aufleuchten lässt. Fertigt die Schaltskizze dazu an. a) Schaltskizze: Originalbauteil: b) Schaltskizze: 1 3 2? Gerät, z.b. Türklingel 3.4 a 3.4 b 7

10 Versuch 3.5: Die selbstgebaute Klingel Bezug Bildungsstandards: F3; E1, E7; K2, K4 Kontextbezug: elektromagnetische Türklingel Material: eine Spannungsquelle (0 6 V Gleichspannung), ein Wagnerscher Hammer mit Glocke, eine Spule 600 Wdg. mit Eisenkern, 2 Tonnenfüße, 2 Isolierstützen, Stativmaterial a) Der Wagnersche Hammer wird so an einer Isolierstütze befestigt, dass er von der Spule mit Eisenkern angezogen werden kann und mit seinem Klöppel die Glocke trifft, die am Stativ befestigt wird. Der elektrische Kontakt am Wagnerschen Hammer wird von oben durch eine Isolierstütze hergestellt, die auch am Stativ befestigt ist. Der Stromkreis besteht aus dem Wagnerschen Hammer, dem Kontakt und der Spule. Schließt den Stromkreis. Skizze: + Glocke Spule mit Eisenkern b) Erklärt, warum der Hammer immer wieder an die Glocke schlägt. a) b) 3.5 a 3.5 b 8

11 Versuch 3.6: Magnetwirkung und Stromstärke Bezug Bildungsstandards: F1; E1, E6, E7; K4, K5 Kontextbezug: Messung der Stromstärke A Material: ein Transformator (0 5 V Gleichspannung), 2 Spulen, U-Kern, ein kleiner Stabmagnet mit Bohrung, ein Holzstab mit Bohrung, eine Stricknadel (oder Bleistift), Stativmaterial a) Baut den Versuch entsprechend der Skizze auf. Befestigt den Holzstab mit der Stricknadel am Magneten. Lagert die Stricknadel so am Stativmaterial, dass sich der Holzstab mit N S dem Magneten frei drehen kann. b) Dreht nun den Transformator langsam auf (bis 5 V) und beobachtet den Magneten. Vertauscht dann die Anschlüsse am Transformator und wiederholt den Versuch. + ssung: Versuch 3.7: Drehspulmessinstrument Bezug Bildungsstandards: F1; E1, E6, E7; K4, K5 Kontextbezug: Messung der Stromstärke Drehspulmessinstrument Analoges Multi-Messgerät und digitales Multi-Messgerät 9

12 Information: Die elektrische Stromstärke (Formelzeichen I ) kann man mithilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes messen, z. B. mit einem Drehspulmessinstrument. Unter der Stromstärke versteht man, wie viele freie Elektronen in einem Leiter pro Zeiteinheit an einer Stelle den Stromkreis durchfließen. Wenn auf zwei gerade Leiter eine bestimmte Kraft wirkt (die genaue Größe ist für uns nicht wichtig) sagt man, es fließt ein elektrischer Strom von 1 Ampere (1 A). Wäre ein Elektron so groß wie ein Stecknadelkopf, dann fließen bei 1 A so viele Elektronen wie du Stecknadelköpfe in einen Würfel von m auf m auf m (= m 3 = 8 km 3 ) hineinbekommst. Wie bei jeder Einheit kann man Vorsilben zur Vergrößerung und zur Verkleinerung verwenden: 1 A (Mikroampere) ist der millionste Teil von einem Ampere (0, A). 1 ma (Milliampere) ist der tausendste Teil von einem Ampere (0,001 A). 1 ka (Kiloampere) ist das Tausendfache von einem Ampere (1000 A). Material: ein Stativ, eine Halterung, 2 Muffen, ein U-Magnet, eine e Alu-Drehspule, 2 Isolierstützen, ein Transformator (0 2 V Gleichspannung) nung) a) Befestigt am Stativ oben und unten die Isolierstützen und dazwischen den U-Magneten. Montiert die Spule drehbar im U-Magnet, sodass die Öffnung der Spule nach vorne ausgerichtet ist und schließt sie an den Transformator an. Dreht den Transformator langsam auf und beobachtet die Spule. b) Vertauscht die Polung am Transformator r und wiederholt den Versuch. c) Ordnet die folgenden Stromstärken den verschiedenen Geräten / dem Naturereignis richtig zu: 280 ma; 6,0 A; 16 A, 100 A; 200 A; 300 ka; 1 A. a)/b) c) Gerät / Ereignis Stromstärke Armbanduhr Glühlampe 60W Staubsauger E-Lokomotive Blitz Anlasser beim Auto Waschmaschine

13 Versuch 3.8: Wie misst man die Stromstärke? Bezug Bildungsstandards: F1; E8; K5 Kontextbezug: Korrekter Anschluss bzw. Einbau des Stromstärkemessgeräts Material: eine Batterie 6 V oder ein Transformator (6 V Gleichspannung), 3 Stromstärkemessgeräte / Multimeter, 2 Glühlampen (6 V/0,1 A) mit Fassung, ein Schalter a) Baut einen einfachen Stromkreis mit einem Schalter und einer Glühlampe auf und erstellt die Schaltskizze. Zeichnet dann das Messgerät ein, das die Stromstärke messen soll. b) Stellt nun beim Messgerät den größten Messbereich ein; bei einem Multimeter zusätzlich Stromstärke (Bereich Gleichspannung) auswählen. Baut das Messgerät erät in den Stromkreis ein. Ist der Ausschlag nur sehr klein, wählt den nächstkleineren Messbereich, so lange, bis ihr das Ergebnis gut und genau ablesen könnt. Bestimmt die Stromstärke im Stromkreis. c) Fügt eine zweite Glühlampe in Reihe in die bestehende Schaltung ein. Experimentiert mit drei Stromstärkemessgeräten, wo das Messgerät nun eingebaut werden muss. Fertigt die passende Schaltskizze dazu an und erklärt eure Beobachtung. A a) Schaltskizze: s. Hilfe 3.8 a b) Bedenkt: Wenn elektrischer Strom fließt, bewegen egen sich die freien Elektronen im Leiter alle in die gleiche Richtung. c) Schaltskizze: 3.8 b 3.8 c 11

14 Versuch 3.9: Stromstärke im verzweigten Stromkreis Bezug Bildungsstandards: F1; E4, E8; K5 Kontextbezug: Fehlersuche bei Zimmerschaltung Material: ein / e Batterie / Transformator (0 6 V Gleichspannung), 3 Stromstärkemessgeräte / Multimeter, 2 unterschiedliche Glühlampen (6 V / 0,1 A und 6 V / 0,4 A) mit Fassung, ein Schalter a) Baut mit der Stromquelle (Batterie oder Transformator), dem Schalter und den Glühlampen eine Parallelschaltung auf. Baut dann die Messgeräte so ein, dass ihr die Stromstärke in jedem Teilstromkreis, wie auch die Gesamtstromstärke messen könnt. Erstellt die Schaltskizze dazu. b) Schließt nun den Schalter und messt die Stromstärken an den drei Messgeräten. Verändert dann die Einstellung am Transformator mehrmals und messt jedes Mal die Stromstärken. Beschreibt und erklärt eure Beobachtungen. a) Schaltskizze: 3.9 b) Teilstromstärke rke I 1 Teilstromstärke I 2 Gesamtstromstärke I 12

15 Versuch 3.10: Projekt: Wassermodell des Stromkreises Bezug Bildungsstandards: F1, F5; E7; K5, K7 Kontextbezug: anschauliche Erklärungen von Phänomenen in Reihen- und Parallelschaltung Information: Da man die Vorgänge im elektrischen Stromkreis nicht direkt beobachten kann, werden anschauliche Vergleiche gesucht, z.b. die Vorgänge in einem geschlossenen Wasserkreislauf. Beispielsweise werden mit den beiden Glasröhrchen (mit Engstelle) die Glühlampen dargestellt, denn der Glühdraht ist sehr dünn und damit auch eine Engstelle. Material: ein Holzbrett als Montageunterlage, durchsichtige PVC-Schläuche, 2 T-Schlauchverbindungen, 2 Zylinder mit unterem Einlauf, eine Wasserpumpe, 2 Glasröhrchen mit Engstellen, Kabelschellen zum Befestigen der Schläuche, he, 4 Durchflussmesser, Extrablatt a) Zunächst wird mit dem Modell-Material die Parallelschaltung zweier Lampen nachgebaut. Anschließend werden die vier Durchflussmessgeräte eingebaut und die Anlage mit Wasser befüllt. Beide Pläne (Schaltplan und Modell) werden auf einem Extrablatt notiert. b) Das Modell wird mit den folgenden n Fragen genau beobachtet bachte und die Ergebnisse e notiert: Welche Bauteile aus dem elektrischen Stromkreis und dem Wasserstromkreis stro entsprechen einander? Wie gibt man im Wassermodell die Größe der Stromstärke an? Was kann man an den Durchflussmessern smes beobachten? en? Begründet die Beobachtungen. a) Schaltplan: Modell: 3.10 a/b b) Vergleich der Bauteile: Stromstärke : tärke : Die Durchflussmesser: Rückblick: Schaut euch nun noch einmal die Ersten Fragen an und beantwortet sie c 13

16 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