Seminar/Übung Fachdidaktik II Prüfung H06 Thema Nr.2 Johannes Spörl Datum: 30.05.2008 Energietransport mit Hilfe von Stromkreisen 1
Thema Nr.2 Energietransport mit Hilfe von Stromkreisen 1. Schülervorstellungen zum Stromkreis Beschreiben Sie zwei weit verbreitete Fehlvorstellungen von Schülern zum elektrischen Stromkreis. Zeigen Sie, wie man experimentell diesen Fehlvorstellungen begegnen und ein fachlich korrektes Konzept entwickeln kann. 2. Skizzieren Sie einen Analogieversuch, der den Aufbau der physikalischen Vorstellung, dass im elektrischen Stromkreis ein Energietransport von der Quelle zum Elektrogerät stattfindet, unterstützt! Erstellen Sie eine Tafelskizze zur Darstellung dieser Modellvorstellung! 3. Skizzieren Sie eine Unterrichtseinheit zum Thema Verlustarme Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken! Nennen Sie erforderliche Lernvoraussetzungen, formulieren Sie geeignete Lernziele und beschreiben Sie die eingesetzten Medien, insbesondere die geplanten Experimente! 2
1. Schülervorstellungen 1.1. Stromverbrauch Schüler sehen elektrischen Strom als eine Substanz an, die mengenartigen Charakter besitzt, die dann im Verbraucher verbraucht wird. Sie denken, der elektrische Strom sei in der Quelle gespeichert (z.b. in einer Batterie) und werde bei Bedarf an ein Gerät abgegeben und dort in Wärme oder Arbeit umgesetzt. Gründe für das Zustandekommen dieser Fehlvorstellung: Den Schülern ist zu einen aus dem Alltag die Notwendigkeit des geschlossenen Stromkreislaufes nicht bewusst. Um ein elektrisches Gerät zu betreiben muss nach ihren Erfahrungen nur ein Kabel in die Steckdose gesteckt werden, die Stromleitung führt nur zum Gerät und keine Leitung mehr weg. Zum anderen wird in der Alltagssprache oft auf fälschliche Weise vom Stromverbrauch gesprochen. Experimentelle Behebung der Fehlvorstellung: Nach dem Schülermodell des Stromverbrauches müsste die Stromstärke hinter einem Widerstand (z.b. einer Glühbirne) absinken, da der Strom verbraucht wird. Mit einem Strommesser kann die konstante Stromstärke vor und hinter einer Lampe im Unterricht gezeigt werden. Das Ergebnis des Experimentes führt zu einem Widerspruch mit dem Schülermodell und zeigt, dass der Strom, der in den Leitungen fließt, nicht verbraucht wird. Außerdem kann den Schülern der Aufbau einer Stromleitung gezeigt werden (Erde, Masse, Nullleiter, deren Farbkennungen). 1.2. Schnelle Elektronen Schüler glauben, Elektronen bewegen sich im Leiter mit Lichtgeschwindigkeit bzw. unendlich schnell. Gründe für das Zustandekommen dieser Fehlvorstellung: Die Schüler wissen aus dem alltäglichen Leben, ein elektrisches Gerät fängt sofort (oder nach sehr kurzer Zeit) zu arbeiten an, wenn es angeschaltet wird. Wird z.b. eine Glühlampe an den Stromkreis angeschlossen, leuchtet sie unmittelbar danach. So sie schon wissen, dass sich Elektronen bei Stromfluss im Leiter bewegen, schließen sie daraus, dass sich Elektronen mit sehr großer Geschwindigkeit im Leiter bewegen. Experimentelle Behebung der Fehlvorstellung: Nach der Schülervorstellung der sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegenden Elektronen, dürften diese in der Stromleitung nicht abgebremst werden, um diese Geschwindigkeit zu halten. Anhand einer Glühbirne, die den größten Widerstand eines Stromkreises darstellt und deren Draht deswegen nach Schließen des Stromkreises zum Leuchten gebracht wird, sowie der dabei entstehenden, fühlbaren Wärme, wird gezeigt, dass die Elektronen aufgehalten werden, indem sie durch Zusammenstöße mit den Gitteratomen das Gitter des Leiters zum Schwingen anregen, wodurch der Draht immer heißer wird und letztendlich glüht. In diesem Zusammenhang kann den Schülern der Unterschied zwischen der Geschwindigkeit eines Elektrones (die z.b. in Kupfer bei 100V angelegter Spannung etwa 0,43m/s beträgt) und der Geschwindigkeit des Stromes durch Impulsfortpflanzung (Driftgeschwindigkeit des Elektronengases von etwa 100.000m/s) beigebracht werden. Außerdem kann erwähnt werden, dass Elektronen auch dann Geschwindigkeit besitzen, wenn keine Spannung anliegt, die Nettodrift dabei aber null beträgt, da sich die Elektronen ungeordnet in alle Richtungen bewegen. 3
2. Analogieversuch Unter einer Analogie wird eine Entsprechung, eine Gleichheit von Verhältnissen verstanden. In der Schule können Analogien als Lernhilfen eingesetzt werden, mit denen ein neues Lerngebiet für den Schüler leichter verständlich wird, indem ein Umweg eingeschlagen wird. Im analogen Gebiet müssen dabei entsprechende Gegenstände, Abläufe und Gesetze wie im eigentlichen Lerngebiet vorliegen, damit die Inhalte des primären Bereiches dem Schüler hinreichend bekannt und vertraut werden. Eine Analogie kann auch eine Form der Elementarisierung, d.h. der erlaubten Vereinfachung, sein. Analogieversuch zum elektrischen Stromkreis: Das Modell des Wasserkreislaufes als Analogie für den Stromkreislauf bietet einen weitgehend zutreffenden Analogieversuch, um den Energietransport von der Quelle des Stromkreises zum Elektrogerät zu veranschaulichen. Eine Wasserpumpe wird über Schläuche mit einem Wasserrad verbunden. Durch die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz wird das Wasser in den Schläuchen angetrieben und der Wasserwiderstand versetzt das Wasserrad in Bewegung. Für die Schüler sollte der Vergleich des fließenden elektrischen Stromes in den Leitungen zum in den Wasserschläuchen fließenden Wasser und dessen Wasserstromstärke genau dargestellt werden. Dies geschieht, indem zu Beginn die entsprechenden Objekte des analogen und primären Lerngebietes miteinander in Beziehung gesetzt und verglichen werden (Wasserschlauch Leitungen; Pumpe Batterie; Wasserhahn Schalter; Wasserrad Glühbirne/Verbraucher). Die Entsprechungen werden anschließend auch bei den physikalischen Größen fortgeführt (Unterschied des Wasserdrucks Δp Spannung U; Wasserstromstärke J Elektrische Stromstärke I). Auch beim Experiment werden die Begriffe verglichen (Je größer die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz, desto größer die Wasserstromstärke Je größer die von der Batterie erzeugte elektrische Spannung, desto größer die elektrische Stromstärke; Das Wasserrad verbraucht kein Wasser, sondern entnimmt dem Kreislauf Energie und senkt somit die Druckdifferenz lokal Die Lampe verbraucht keinen Strom, sondern entnimmt dem Stromkreis Energie und sorgt für einen Spannungsabfall am Verbraucher). Anhand einer Tafelskizze wird die Analogie beider Stromkreise noch einmal gegenübergestellt: Tafelskizze [MAI]: a Batterie (+/-) / A Pumpe (Druck/Sog) b Leitung / B Wasserrohr c Glühbirne / C Wasserrad d Schalter / D Ventil 4
3. Unterrichtseinheit 3.1. Lernvoraussetzungen LV1: Kenntnis der physikalischen Definition von elektrischem Widerstand und elektrischer Leistung LV2: Prinzip (Aufbau, Funktion) des Transformators LV3: Die Spannungsübersetzung beim unbelasteten Transformator 3.2. Lernziele GZ: Die Schüler sollen erkennen, dass nur bei Hochspannung eine relativ verlustarme Energieübertragung über weite Strecken möglich ist FZ1: Die Schüler sollen Größenordnungen von Spannungs- und Widerstandswerten in Hochspannungs- und Überlandleitungen kennen lernen FZ2: Die Schüler sollen den Demonstrationsversuch zur verlustarmen Energieübertragung kennen lernen, sowie qualitativ und rechnerisch nachvollziehen können FZ3: Die Schüler sollen verstehen, dass die Leistungsverluste über weite Strecken von der Stromstärke abhängig sind FZ4: Die Schüler sollen die erweiterten technologischen Möglichkeiten, aber auch die Gefahren erkennen, die durch die Nutzung von Hochspannung und Wechselstrom über weite Strecken entstehen 3.3. Medien/Experimente M1: Film aus dem Jahr 2004: Mission X: Der Stromkrieg (ZDF) M2: Experiment zur Demonstration der wesentlich geringeren Leistungsverluste durch Hochspannung (notwendiges Material: zwei Transformatoren mit Übersetzungsverhältnissen 1:20 und 20:1; zwei Widerstände z.b. je 500 Ω ; eine Glühbirne 3,5V/0,20W; mehrere Verbindungsleitungen) M3: Internetseite des ZDF (www.zdf.de/zdfde/inhalt/1/0,1872,2151297,00.html?dr=1): Stromkrieg zwischen Thomas Alva Edison (1847-1931) und George Westinghouse (1846-1914) bzw. Nicola Tesla (1856-1943) mit interaktiven Versuchen zum Vergleich Gleichstrom/Wechselstrom 3.4. Unterrichtseinheit Beschreibung des Experimentes Mittels eines Demonstrationsversuches soll den Schülern die Notwendigkeit des Einsatzes von Hochspannung zur Spannungsübertragung über weite Strecken bewusst werden. Der Versuch wird zur Sicherheit (Hochspannung!) nur vom Lehrer durchgeführt. Zunächst soll eine Lampe mit den Betriebsdaten U = 3,5V und P = 0,20W über eine Fernleitung betrieben werden. Die Fernleitung wird simuliert durch zwei große Widerstände R (je ca. 500 Ω ), die in Reihe an eine Spannungsquelle mit 3,5V Gleichspannung angeschlossen werden. Die Schüler beobachten, dass die Lampe nicht leuchtet. Im zweiten Versuchsteil wird der analoge Aufbau verwendet, nur wird vor die Fernleitung ein Hochspannungstransformator (Übersetzungsverhältnis n P :n S 1:20) und hinter der Fernleitung ein Niederspannungstransformator (Übersetzungsverhältnis n P :n S 20:1) in die Schaltung eingebaut sowie eine Wechselspannung von 3,5V angelegt. 5
Versuchsaufbau [PHY]: Oben ohne, unten mit Transformatoren Schaltungen [GKL]: Links ohne Transformation: Lampe leuchtet nicht Rechts mit Transformation: Lampe leuchtet Im sollen nun die Beobachtungen erläutert werden. Da zu deren Verständnis ein formelmäßiges Betrachten der physikalischen Zusammenhänge wichtig ist, kann eine Beispielrechnung zu den Leistungsverlusten in der Fernleitung zusammen mit den Schülern durchgeführt werden. Es werden die Abhängigkeit der Leistungsverluste P V von der Stromstärke I (P V = U*I = R*I 2 ) und damit die Notwendigkeit für das Prinzip, den Strom über weite Strecken auf hohe Spannungen zu transformieren, verdeutlicht. Artikulationsschema nach Mothes Artikulationsstufe Motivation Problemfrage Unterrichtsverlauf (Lehrer-/ Schülerverhalten) L zeigt Film über den Stromkrieg S schauen Film, machen sich Gedanken L: Warum ist es notwendig 6 Lehr-/Lernform, Sozialform Frontalunterricht darbietend Lernziel, Medien M1
Meinungsbildung Versuchsplanung Hochspannung zur Spannungsübertragung über weite Strecken zu verwenden? S diskutieren über die Antwort S geben Hypothesen: - Leistungsverlust - Widerstände - Wärmefreisetzung - Anwendung von Transformatoren L: Kann der Sachverhalt überprüft werden? S: Nachstellen des Aufbaues in einem Versuch, Vergleich von Schaltung mit und ohne Transformatoren fragend, anreizend fragend, erörternd fragend, entwickelnd Versuchsdurchführung L baut den Versuch auf und führt in aus Sicherheitsgründen selbst durch S beobachten den Aufbau und halten Sicherheitsabstand Lehrerversuch darbietend M2 Gesetz L fragt, was beobachtet wurde S stellen fest, dass nur bei Verwendung eines Transformators die Lampe leuchtet L fragt S, wie sich Strom und Spannung beim Transformieren verhalten FZ1 S nennen Zusammenhänge 7
(Spannung steigt, Strom sinkt) L fragt nach möglichen Zusammenhängen zwischen Strom und Spannung FZ2 FZ3 S nennen Ohm`sches Gesetz (U=R*I)und Leistung (P V =U*I) L verweist auf Elemenierung der Spannung U S erkennen Zusammenhang (P V =R*I²) Rückkehr zur Erlebniswirklichkeit L fragt, ob jemand erklären kann, warum Hochspannungsleitung einen relativ kleinen Durchmesser haben fragend, erläuternd S erklärt, dass aufgrund der Hochspannung keine dickeren Kabel notwendig sind Ergänzung des Stoffes L geht auf Gefahren des el. Stromes bzw. der Hochspannung ein erläuternd FZ4 S suchen am Rechner die Internetseite auf und vertiefen den Stoff Gruppenarbeit ergänzend M3 4. Quellen [GKL] Geipel-Kreisel-Leopold PHSYIK 10, S.70 [MAI] www.numerik.mathematik.uni-mainz.de, 20.05.2008 [PHY] PHYWE Physik in Demonstrationsversuchen A/B, Elektrizität 2, Versuch E 7.4.8. 8