Lichterkette Experimentierset Lernanleitung zur Lichterkette Anhand der folgenden Experimentieraufgabe können Schülerinnen und Schüler weitgehend selbstständig Wichtiges zum physikalischen Hintergrund und zur Funktionsweise einer Lichterkette erarbeiten und eine eigene Lichterkette mit Glühlämpchen bauen. Dabei wird insbesondere die Frage erörtert, wieso eine Lichterkette trotz Reihenschaltung weiterleuchtet, auch wenn eine oder mehrere Birnen defekt sind. Die Aufgabe ist offen gestaltet und ermöglicht es frei zu arbeiten. Hilfsaufgaben und Tipps dienen der Erläuterung und Vertiefung von Sachverhalten. Sie sind durch Überschriften einzelnen Themen zugeordnet. Die Anleitung ist als Vorlage für den Einsatz in der Sekundarstufe I gedacht. Je nach vorangegangenem Unterricht und je nach Lerngruppe sind möglicherweise Anpassungen notwendig.
Lichterkette leuchtet, trotz Unterbrechung? Was wollen wir untersuchen? Natürlich kennt jeder von euch Lichterketten, ob am Weihnachtsbaum oder zur Dekoration. Vielleicht ist dir schon einmal aufgefallen, dass, obwohl eines der vielen Birnchen defekt ist, die anderen davor und dahinter weiterleuchten obwohl es sich offensichtlich um eine Reihenschaltung handelt. Wie ist das möglich? Um dieser Frage nachzugehen, kannst du mit dieser Bauanleitung selbst ein Modell einer Lichterkette erstellen und so die technischen Besonderheiten heraus finden. 1. Material- und Geräteliste 1.1 Materialliste 1 Korkplatte, ca. 20 cm x 10 cm, ca. 8 mm dick 15 Reißzwecke ohne Plastikkappe 1 9-V-Blockbatterie mit Batterieclip 1 Batteriehalter mit 2 Batterien der Größe AAA mit Anschlusskabeln 3 Glühbirne E10, 3,0 V 3 Fassung E10, mit Lötfahnen 3 Heißleiter R 25 = 100 Ω 2 Silber-Drahtstück, blank, ca. 30 cm 1.2 Geräteliste 2 Multimeter 1 Kombizange 1 Abisolierzange 4 Kabel mit Bananensteckern 4 Krokodilklemmen
2. Bauteile im Set Mache dich zunächst mit den im Experimentierset enthaltenen Bauteilen vertraut: Ordne den Fotos der Bauteile ihre Schaltzeichen und ihre Benennung zu. Verwende hierzu verschiedene Farben. Batterie, 9 V Heißleiter Glühbirne Batterie, 3 V Vorexperiment Bestimme mithilfe des Multimeters den Widerstand des Heißleiters im kalten bzw. erwärmten Zustand und notiere deine Messergebnisse in die Tabelle. Überlege vor der Messung 1. welche elektrischen Größen dafür zu messen sind und 2. wie man den Heißleiter erwärmen könnte (ohne ihn zu beschädigen!). So lernst du die Eigenschaften des neuen Bauteils besser kennen. Aufbauhilfe: Schaltplan: Messergebnisse:
3. Experiment I Die Korkplatte dient als Grundplatte für deinen Aufbau. Mithilfe der Reißzwecken kannst du darauf die verschiedenen Bauteile befestigen. Achte darauf, dass die Reißzwecken zwischen den Bauteilen eine leitende Verbindung herstellen. Erstelle nun mit den Glühbirnen ein einfaches Modell einer Lichterkette, indem du sie wie abgebildet aneinanderreihst. Aufgabe 1 Benenne die Schaltungsart der Glühbirnen, wähle die dazu passende Batterie aus und schließe sie an. Begründe deine Entscheidung mit der für diese Schaltung geltenden Regel. Aufgabe 2 Fertige eine Schaltskizze deines Modells einer Lichterkette an.
Aufgabe 3 Was passiert, wenn du eine der Glühbirnen aus der Fassung herausdrehst? Begründe deine Beobachtung unter Verwendung von Fachbegriffen. Info Die abgebildete Weihnachtsbaumbeleuchtung verwendet eine Reihenschaltung. Sie muss aber noch ein Geheimnis besitzen, einen technischen Trick, so dass die Birnen auch dann noch weiterleuchten, wenn eine oder mehrere von ihnen defekt sind. 4. Experiment II Wie du beim Benennen und Zuordnen der Bauteile festgestellt hast, liegen deinem Experimentierset sogenannte Heißleiter bei. Sie haben eine ganz besondere Eigenschaft und kommen nun zur Verwendung. Damit lüften wir das Geheimnis! Aufgabe 1 Schließe in deiner Reihenschaltung einen der Heißleiter parallel zur mittleren Glühbirne an. Beobachte, was mit dieser Glühbirne in dem Moment passiert, in dem du den Heißleiter parallel schaltest. Notiere deine Beobachtung und erkläre sie in einem Satz. Falls du Hilfe brauchst, lies Tipp 1 am Ende der Anleitung.
Aufgabe 2 Drehe die mittlere Glühbirne (die mit dem Heißleiter parallel geschaltet ist) aus ihrer Fassung und beobachte, was geschieht. Ziehe mit deinen Kenntnissen über den Stromkreis eine Schlussfolgerung aus der Beobachtung. Berühre den parallel geschalteten Heißleiter; was stellst du fest? Jetzt solltest du erklären können, wie man auf die Bezeichnung Heißleiter gekommen ist. Falls du Hilfe benötigst, schau unter 5. Hilfen am Ende der Anleitung nach.
Aufgabe 3 (Partnerarbeit) Der Heißleiter ist wie bei Aufgabe 2 parallel zu einer defekten (oder herausgedrehten) Glühbirne geschaltet. Führe mit einer Stoppuhr und den beiden Multimetern eine Messung zum zeitlichen Verhalten des Widerstands des Heißleiters durch: eine Messreihe zum Verlauf der Spannung an der defekten Glühbirne und eine zum Verlauf der Stromstärke im Stromkreis. Es soll vom Zeitpunkt des Anschließens an die Spannungsquelle (Zeitpunkt t = 0 s) gemessen werden, bis sich konstante Werte für U und I einstellen. (Achtung: Falls eine Messreihe wiederholt werden muss oder falls nur ein Multimeter zur Verfügung steht oder falls du alleine arbeitest, lass den Heißleiter zwischen den beiden Messreihen mindestens eine Minute lang abkühlen! Überlege: Warum ist das notwendig?) Zeit Spannung Stromstärke I Widerstand R Zeit Spannung Strom- Widerstand t in s U in V in ma in Ω t in s U in V stärke I in R in Ω ma 1 2 3 4 5 6 7 8
Miss außerdem die an einer der beiden übrigen, noch funktionierenden Glühbirnen anliegende Spannung U und die Stromstärke I im Stromkreis: a) direkt nach dem Anschließen an die Spannungsquelle und b) nach etwa 30 Sekunden, wenn die Glühwendel der Birne heiß geworden ist. a) U kalt = I kalt = b) U heiß = I heiß = Aufgabe 4 Trage deine Werte aus den Messreihen U(t) und I(t) in je ein Diagramm ein. Verwende folgende karierte Abschnitte. Beachte, welche Größe auf welcher Achse abgetragen wird.
Aufgabe 5 Wie lautet die Bestimmungsgleichung zur Berechnung des elektrischen Widerstands R in einem Stromkreis? Ermittle aus deinen Spannungs- und Stromstärkemesswerten der Tabelle bzw. aus den Diagrammen U(t) und I(t) den Widerstand R des Heißleiters im kalten (t 0 s) sowie im heißen Zustand (U und I konstant). Vergleiche die Werte mit den Widerstandswerten der funktionierenden Glühbirne direkt nach dem Einschalten (a) beziehungsweise nach 30 Sekunden (b). Heißleiter: R kalt = R heiß = Glühbirne: a)_r kalt = b)_r heiß = Aufgabe 6 Vergleiche die Widerstandswerte von Heißleiter und Glühbirne. Erkläre damit, warum die intakte Glühbirne leuchtet, obwohl ein Heißleiter parallel geschaltet ist. Aufgabe 7 Jetzt wollen wir annehmen, dass das Birnchen mit dem parallel geschalteten Heißleiter durchbrennt. Ausgangspunkt ist: Das mittlere Birnchen brennt durch. Erstelle ein detailliertes Ablaufdiagramm der weiteren Vorgänge im Stromkreis, aus dem hervorgeht, warum die beiden übrigen Birnchen nach einiger Zeit wieder zu leuchten beginnen.
Für die ganz Pfiffigen: Warum leuchten die beiden Birnchen nicht mehr ganz so hell wie vor dem Durchbrennen des mittleren Birnchens? Ein Glühbirnchen brennt durch ; der Stromkreis ist praktisch unterbrochen. Am Heißleiter liegt jetzt vergleichsweise viel Spannung an und es fließt ein Ladungsstrom. usw. Info Links siehst du ein Glühbirnchen aus einer Lichterkette. In der Mitte wurde der Glaskolben entfernt. G bezeichnet den Glühfaden, der für das Leuchten der Glühbirne sorgt und bei einem Defekt meist durchbrennt. H bezeichnet den Heißleiter, der zum Glühfaden parallelgeschaltet ist. Rechts ist zum Größenvergleich ein Streichholzkopf abgebildet.
5. Hilfen Tipp 1 Du hast beobachtet, dass die Glühbirne, zu der ein Heißleiter parallel geschaltet wurde, nun etwas schwächer leuchtet. Erinnere dich an die Gesetzmäßigkeiten für die Stromstärke in einer Reihen- und einer Parallelschaltung und beachte, dass es sich bei deinem Aufbau um eine Verknüpfung der beiden Schaltungen handelt. Tipp 2 Eine Glühbirne wird heiß, wenn sie leuchtet, also ein Strom durch den Glühfaden fließt. Auch ein Heißleiter erhitzt sich, wenn ein Strom durch ihn hindurchfließt. Der Name Heißleiter drückt bereits die Eigenschaft des Bauteils aus.