Stiftung Bildungspakt Bayern Elektrischer Strom fachlicher Hintergrund und Unterrichtsvorschläge Florian Ziegler und Andreas Hartinger Universität Augsburg 11. Oktober 2012 1
Überblick 1. Anschlussbedingungen im elektrischen Stromkreis Exkurs: Reihen- und Parallelschaltung; Schülervorstellungen 2. Wirkungen von Elektrizität 3. Wie fließt Strom? Exkurs: Analogien im SU 4. Elektromagnet, Elektromotor und Dynamo 2
5. Anschlussbedingungen Für einen einfachen Stromkreis genügen: - Batterie (Spannungsquelle) - Kabel (elektr. Leiter) - Lämpchen (elektr. Widerstand) Das Lämpchen zeigt, ob Strom fließt. 3
5. Anschlussbedingungen Funktioniert der Stromkreis, so kann er unterbrochen und mit verschiedenen Materialien wieder geschlossen werden. Diese werden so auf ihre elektrische Leitfähigkeit geprüft. 4
5. Anschlussbedingungen Es gibt: a. Leiter der 1. Klasse: Metalle und Graphit b. Leiter der 2. Klasse: Ionenleiter (z.b. Salzwasser) c. Isolatoren: Stoffe, durch die bei üblichen Spannungsverhältnissen kein Strom fließt (z.b. Kunststoffe, Porzellan oder Glas) 5
5. Anschlussbedingungen Reihenschaltung: Die zwei Lämpchen (Widerstände) in Reihe behindern den Strom doppelt so stark. Bei gleicher Spannung fließt daher nur halb so großer Strom (Stromstärke) wie bei einem Lämpchen. Die Lämpchen leuchten deshalb deutlich schwächer. Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff 6
5. Anschlussbedingungen Parallelschaltung: Durch beide Lämpchen kann jeweils der gleiche Strom wie im Falle des einfachen Stromkreises fließen. Beide (baugleichen) Lämpchen leuchten so hell wie ein einzelnes. Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff 7
5. Anschlussbedingungen Schülervorstellungen: a) b) c) d) Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff 8
Typische Unterrichtssituationen Phänomenbegegnung: Aktivierung von Vorwissen und Erarbeitung vorläufiger, subjektiv stimmiger Erklärungen selbstständiges Durchführen von weiterführenden Versuchen oder Forscheraufträgen Bewährung oder Veränderung der subjektiv stimmigen Erklärungen im sozialen Austausch 9
5. Anschlussbedingungen 1. Der Stromkreis: Anknüpfung: elektrische Geräte im Alltag Lämpchen zum Leuchten bringen (verschiedenes Angebot von Material oder Hilfekarte, KV 26+27) Vergleich der Versuchsaufbauten im Plenum Auch hilfreich: Fehlversuche (!) Versuch gegen Zweizuführungsvorstellung (KV 27unten) Erkenntnis: Strom fließt im Kreis 10
5. Anschlussbedingungen 11
5. Anschlussbedingungen 2. Forscheraufträge zum geschlossenen Stromkreis: Schüler forschen in Gruppen an unterschiedlich schweren Aufgaben (KV 29) Präsentation im Plenum, wie Lösungsweg gefunden wurde und warum Stromkreis funktioniert (Bezug zum geschlossenen Stromkreis) 12
5. Anschlussbedingungen 13
5. Anschlussbedingungen 3. Gute Leiter und Isolatoren Demonstrationsversuch: Stromkreise mit Kabel und Kunststoffseil Fokus auf das Material Falsche Erklärungen werden durch einfache Versuche widerlegt (möglichst nach Ideen der Schüler) falsches Kabel führt zur Frage: Welche Stoffe leiten den Strom (gut)? GA (KV 30 + eigene Ideen) Gemeinsamkeit der leitenden Gegenstände? 14
5. Anschlussbedingungen 3. Gute Leiter und Isolatoren ggf. Demonstrationsversuch zur Leitfähigkeit von Flüssigkeiten Transfer des Wissens über Leiter und Isolatoren auf Alltag (Gefahren und Schutz) 15
5. Anschlussbedingungen 4. Der Schalter Forscheraufträge in verschiedenen Schwierigkeitsgraden zu Stromkreisen mit Schalter (KV 32, Hilfekarte für schwere Aufgabenstellung KV 33) Gemeinsame Betrachtung der verschiedenen Lösungen (und Fehlversuche!) 16
5. Anschlussbedingungen Individuelle Förderung und Differenzierung: Forscheraufträge in versch. Schwierigkeitsgraden Schüler wählen selbst Hilfekarten (z.b. KV 31) für konkreten Versuchsaufbau Anregende Fragen zum Weiterforschen Vorschlag einer praktischen Prüfung (s. Anhang) 17
6. Wirkungen von Elektrizität Primäre Wirkung Sekundäre Wirkung Wärmewirkung Leuchtwirkung Magnetische Wirkung Bewegung Chemische Wirkung 18
6. Wirkungen von Elektrizität Wärmewirkung: Durch die Bewegung von Elektronen durch den Draht werden die am Platz bleibenden Atome in Schwingung versetzt. Diese Teilchenbewegung des Metalls ist als höhere Temperatur des Drahtes fühl- und messbar. Nutzung z.b. bei Tauchsieder, Wasserkocher, elektr. Herdplatten, Bügeleisen, elektr. Heizöfen 19
6. Wirkungen von Elektrizität Leuchtwirkung: Im dünnen Wolframfaden der Glühlampe werden die Atome so stark angeregt, dass der Faden nicht nur warm wird, sondern sogar zu glühen beginnt. 20
6. Wirkungen von Elektrizität Magnetische Wirkung: Fließende Elektrizität ist immer mit einer magnetischen Wirkung verknüpft. Das Magnetfeld, das um einen stromdurchflossenen Leiter entsteht, kann mit einer Kompassnadel nachgewiesen werden. Nutzung: Elektromagnet 21
6. Wirkungen von Elektrizität Bewegung: Wird die magnetische Wirkung geschickt ausgenutzt, kann durch wechselnde Stromrichtung und damit durch wechselnde Anziehungs- und Abstoßungs-kräfte eine Drehbewegung erzeugt werden. Nutzung: Elektromotor z.b. im Ventilator, Fön, Staubsauger 22
6. Wirkungen von Elektrizität 1. Stationenbetrieb Versuche zur Wärme-/Leuchtwirkung (KV 34-36) Versuche zur magnetischen Wirkung (KV 37-39) 2. Gemeinsame Reflexionsphase Versuche zueinander in Beziehung bringen Ergebnisse diskutieren, hinterfragen und ggf. richtig stellen 23
6. Wirkungen von Elektrizität Individuelle Förderung und Differenzierung: Quantitative und qualitative Differenzierung mit Hilfe von Forscherfragen (KV 40) Zusatzaufgaben zur Vertiefung ( So könnt ihr weiter forschen ) kurze Infotexte (KV 41) + Internetrecherche 24
7. Wie fließt Strom? Der Ausdruck Strom fließt legt bereits einen Bewegungsvorgang nahe. Elektrischer Strom kommt durch die Bewegung von Ladungsträgern zustande. Diese Ladungsträger sind im einfachen elektrischen Stromkreis Elektronen. Ein Vergleich von elektrisch leitenden und nicht leitenden Materialien im Elektronenmodell zeigt einen wesentlichen Unterschied: 25
7. Wie fließt Strom? Nur im Leiter können sich die äußeren Elektronen frei bewegen. Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff 26
7. Wie fließt Strom? Die Bewegung der Elektronen im Stromkabel ist nicht blitzschnell sondern verläuft eher im Schnecken-tempo. Mit Hilfe der Modellvorstellung kann das Phänomen geklärt werden: Warum geht das Licht sofort an, wenn ich den Schalter betätige, obwohl die Elektronen so langsam sind? 27
7. Wie fließt Strom? Im elektrischen Leiter sind bereits überall im Kabel freie Elektronen vorhanden. Wird der Stromkreis durch den Schalter geschlossen, bewegen sich die freien Elektronen an allen Stellen des Stromkreises gleichzeitig. Das Lämpchen kann also sofort leuchten. 28
7. Wie fließt Strom? Fahrradketten-Analogie: Die Kettenglieder haben wie die Elektronen im Stromkreis alle den gleichen Abstand, die gleiche Geschwindigkeit und bewegen sich alle in die gleiche Richtung. Wird die Kette gebremst oder gestoppt, wirkt sich dies auf alle Kettenglieder gleichermaßen aus. Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff 29
7. Wie fließt Strom? Wasserkreislauf-Analogie: 30
7. Wie fließt Strom? Wasserbahn-Analogie: Mit Druck (Spannung der Batterie) wird Wasser von einer Flasche (Batterie) durch den Schlauch (Leitungsdraht) bewegt. Exkurs: Analogien überspringen 31
Exkurs: Analogien im SU Durch den Einsatz von Analogien im Unterricht nimmt man einen Umweg in Kauf. Dieser fällt kleiner aus, je vertrauter die Schüler mit dem analogen Lernbereich sind. Während Modelle erklären, können Analogien nur veranschaulichen. Und da bekanntlich jeder Vergleich hinkt, muss auch auf die Grenzen der Analogie eingegangen werden. 32
Exkurs: Analogien im SU Es gibt auch gespielte Analogien. Werden z.b. die Grundlagen des elektrischen Stromkreises vorher erarbeitet, können die Schüler selbst überlegen, wie sie die Aufgaben der verschiedenen Bauteile in einer gespielten Analogie darstellen. Bsp.: Was machen die Elektronen, was darf nicht passieren? (bewegen sich im Gleichschritt, aber nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist; es entsteht kein Stau vor der Lampe ) Was macht das Lämpchen? (es leuchtet nur, wenn die Elektronen sich bewegen ) Wird der Schalter geöffnet, müssen alle gleichzeitig stehenbleiben 33
Exkurs: Analogien im SU Die Schüler verinnerlichen dabei sehr genau, welche Bedingungen gelten müssen, und behalten durch das Spiel den eigentlichen Sachverhalt besser im Gedächtnis. Auch bei der gespielten Analogie muss deutlich gemacht werden, dass es Unterschiede zwischen dem analogen und dem eigentlichen Lernbereich gibt. Bsp.: Was können wir Kinder, was Elektronen nicht können? Was können Elektronen, was wir Kinder nicht können? Das Reflektieren über die Analogie hilft auch hier, Fehlvorstellungen zu vermeiden. 34
7. Wie fließt Strom? 1. Kompass und Stromkreis Versuch Der Kompass im Stromkreis in Kleingruppen (KV 42) Schwerpunkt: Wie stark lenken die Kompassnadeln vor und nach dem Lämpchen aus? Forscheraufträge zur Richtung und Stärke des magnetischen Feldes (KV 43/44) 35
7. Wie fließt Strom? 36
7. Wie fließt Strom? 2. Modellvorstellung und Analogien Gespielte Analogie eines Stromkreises (KV 45) Vergleich mit echtem Stromkreis (KV 46) Veranschaulichung des Verhaltens von Elektronen durch Vergleich mit Versuch Wasserbahn (KV 47) Zusammenfassung und Kontrolle durch Infotext (KV 48) 37
7. Wie fließt Strom? 38
7. Wie fließt Strom? Individuelle Förderung und Differenzierung: Ziel der Arbeitsaufträge und Forscherkarten: eigene Denkwege herausfordern Anlässe für verstehensorientierte Gespräche bieten Hilfekarten für Schüler, die wenige Ideen haben Expertenreferate als Ergänzung 39
8. Anwendungen Elektromagnet: Ein einzelner stromdurchflossener Draht kann eine Kompassnadel ablenken. Dies entdeckte Christian Oerstedt bereits 1820. Die magnetische Wirkung wird verstärkt, wenn der Draht zu einer Spule gewickelt und im Inneren mit einem Eisenkern versehen wird. 40
8. Anwendungen Elektromagnet: Im Kleinen kann man so z.b. eine Büroklammer anziehen. Im Großen werden schwere Lasten auf diese Weise verladen. Weitere Anwendung: z.b. elektrische Klingel Bildquelle: www.himmelmann-magnete.de 41
8. Anwendungen 1. Herstellen eines Elektromagneten Anknüpfung an Vorwissen: Ablenkung der Kompassnadel unter stromdurchflossenem Leiter Wie kann eine Schraube mit Batterie und Kabel magnetisiert werden? Austausch der Ideen und Diskussion Überprüfung mittels Forscherauftrag (KV 49+50) Vorstellen der Ergebnisse im Plenum ggf. Demonstrationsversuch mit Trafo 42
8. Anwendungen 43
8. Anwendungen Elektromotor: Im Elektromotor wird die magnetische Wirkung stromdurchflossener Spulen ausgenutzt. Wechselt die Stromrichtung, so wechselt auch die Polung des Elektromagneten. 44
8. Anwendungen Elektromotor: 45
8. Anwendungen Elektromotor: 46
8. Anwendungen Elektromotor: 47
8. Anwendungen Dynamo: Ein Dynamo ist von seiner Funktionsweise her das Gegenstück zum Elektromotor. Durch die Bewegung eines Dauermagneten in einer Spule wird elektrischer Strom erzeugt. Das (Fahrrad-)Lämpchen leuchtet. 48
8. Anwendungen 2. Elektromotor und Dynamo Lehrkraft erklärt Funktionsweise eines Elektromotors (KV 51) selbstständiges Zusammenbauen eines Elektromotors (Bausatz) in Kleingruppen Wichtiger als genaue Funktionsweise: vielfältige Nutzungsmöglichkeiten des Elektromotors im Alltag Vorstellung des Dynamos als Gegenstück zum Motor (KV 52) 49
8. Anwendungen Individuelle Förderung und Differenzierung Interessierte Schüler können genaue Funktionsweise eines Elektromotors aus Abbildung entnehmen (KV 51) oder im Internet recherchieren. Unipolarmotor ist zwar schwierig zu verstehen, aber sehr motivierend (KV 53). 50
Literatur Basisliteratur: Ziegler, F., Grygier, P. & Hartinger, A. (Hrsg.) (2011): Individuelles Lernen im Sachunterricht Strom und Magnetismus. Berlin: Cornelsen. Weitere Literatur: Grygier, P., Günther, J. & Kircher, E. (2007). Über Naturwissenschaften lernen. Vermittlung von Wissenschaftsverständnis in der Grundschule. 2. Aufl. Hohen-gehren: Schneider Verlag. Boëtius, Henning (2006): Geschichte der Elektrizität. Einheim: Beltz & Gelberg 51