Das Demonstrationsexperiment WS 08/09 Spezifischer Widerstand Silvia Kaufmann 03.Dezember 2008 1
Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung 3 1.1 Benötigtes Material........................ 3 1.2 Versuchsaufbau.......................... 4 1.3 Versuchsdurchführung...................... 4 1.4 Mögliche Aufbau- und Bedienfehler............... 5 2 Lernvorraussetzungen 5 3 Lernziele 6 3.1 Grobziel.............................. 6 3.2 Feinziele.............................. 6 4 Übergeordnetes Unterrichtsthema 6 5 Experiment als Schülerversuch 6 6 Unterrichtsverfahren 7 6.1 Sozialform............................. 7 6.2 Lehrform............................. 7 6.3 Unterrichtsmethode....................... 7 6.4 Motivation/Stundeneinstieg................... 7 7 Lernzielsicherung 8 8 Hausaufgabe 10 9 Lernzielkontrolle 10 10 Prä- und Misskonzepte 10 2
1 Versuchsbeschreibung 1.1 Benötigtes Material 1 Amperemeter 1 Voltmeter 1 Stelltrafo 2 Isolierstützen 1 Dreifuß 2 Tischklemmen (alternativ:2 kleine Tonnenfüße) 1 Stativstange 1 Doppelmuffe ohne Spitze (alternativ:1 Universalklemme) 1 T-Muffe 5 Experimentierkabel(0,5m blau, 0,5m gelb, 1,0m grün, 2x1,0m rot) 1 Krokoklemme 1 Messlatte mit 2 Zeigern 1 Mikrometerschraube Eisendraht(d=0,2mm) Konstantandraht (d=0,2mm und d=0,4mm) Kupferdraht (d=0,2mm) 3
1.2 Versuchsaufbau 1 In die beiden Tischklemmen (alternativ: Tonnenfüße) wird jeweils eine Isolierstütze gesteckt und festgeschraubt. Oben an den Isolierstützen befinden sich Rändelschrauben, mit denen der Draht an den Stützen befestigt und zwischen ihnen gespannt wird. Zur Abmessung der Drahtlänge benötigt man eine Messlatte mit Zeigern. Diese wird in einer Doppelmuffe (alternativ: Universalklemme) geklemmt. Die Doppelmuffe wird mit Hilfe einer T-Muffe an der Stativstange befestigt, welche im Dreifuß steckt. Nun schließt man mit den Experimentierkablen das Voltmeter, das Amperemeter und den Stelltrafo an. Dabei ist darauf zu achten, dass das Voltmeter parallel geschaltet wird. 1.3 Versuchsdurchführung Ein Schüler liest die Stromsärke am Amperemeter ab, ein anderer trägt die Messergebnisse in die Tabelle an der Tafel ein. 1 PHYWE-Schriftenreihe, Physik in Demonstrationsversuchen, A/B, Elektrik, Industrie-Druck GmbH, Verlag, Göttingen 4
Tabelle: l in m d in m A in m 2 Material U in V I in A R in Ω Man spannt zwischen den Isolierstützen einen Konstantandraht mit d=0,2mm und l=0,60m ein, regelt die Spannung auf 1V und liest die Stromstärke ab. Nun lässt man die Länge konstant, verändert aber den Durchmesser des Drahtes, durch Einspannen eines Drahtes mit anderem Durchmesser und liest wiederum die Stromstärke ab. Im nächsten Versuchsteil lässt man den Durchmesser konstant. Dafür verkürzt man die effektive Drahtlänge durch Abgreifen mit der Krokoklemme und liest wiederum die Stromstärke ab. Im letzten Versuchteil verwendet man einen Konstantan-, Eisen- und einen Kupferdraht, wobei man den Durchmesser und die Länge konstant lässt, und wiederum die Stromstärke abliest. 1.4 Mögliche Aufbau- und Bedienfehler Es ist unbedingt darauf zu achten, das Voltmeter parallel zu schalten. Wählt man die Spannung zu hoch, brennt der Draht durch 2 Lernvorraussetzungen Einfache elektrische Schaltungen kennen Kenntnis des Ohmschen Gesetzes Definition des Widerstandes kennen (R = U I ) Kenntnis der direkten Proportionalität mit den drei Proportionalitätskriterien (Ursprungsgerade, Quotientengleichheit, n-facher x-wert gehört zu n- fachem y-wert) Kenntnis der indirekten Proportionalität Formel für den Flächeninhalt des Kreises kennen Multimeterschraube kennen und bedienen können 5
3 Lernziele 3.1 Grobziel Die Schüler sollen ein Experiment zur Herleitung des spezifischen Widerstandes kennen und die Beziehung R = ρ l A kennen und verstehen. 3.2 Feinziele Die Schüler sollen wissen, dass der Widerstand indirekt proportional zum Durchmesser des Drahtes ist (bei T=konst.). Die Schüler sollen wissen, dass der Widerstand eines Metalldrahtes direkt proportional zur Länge des Drahtes ist (bei T=konst.). Wissen, dass der Widerstand vom Material des Drahtes abhängt, diese Materialkonstante spezifischer Widerstand genannt wird und die Einheit Ω m besitzt Kenntnis verschiedener spezifischer Widerstände für Metalldrähte 4 Übergeordnetes Unterrichtsthema Das Thema wird in der 8.Klasse im Themebereich Elektrische Energie, im Kapitel elektrischer Widerstand behandelt. 5 Experiment als Schülerversuch Als Schülerversuch bietet sich das virtuelle Experiment auf: http://www.virtphys.uni-bayreuth.de/elek/quickstart.html an: Hierzu geht man mit den Schülern in den Computerraum. In diesen Programm können sie die verschiedenen Materialien, verschiedene Längen und Flächen einstellen und damit experimentieren. 6
6 Unterrichtsverfahren 6.1 Sozialform Unterrichtsgespräche bei Demoexperiment Frontalunterricht Einzelarbeit (am PC) 6.2 Lehrform darbietend/gebende Lehrform erarbeitende Lehrform 6.3 Unterrichtsmethode Normalverfahren 6.4 Motivation/Stundeneinstieg Als Motivation werden den Schülern verschiedene Kabel mit verschiedenen Leiterquerschnitten gezeigt. Sie sollen sich nun überlegen, wo und warum es Metalldrähte mit unterschiedlichen Durchmessern gibt. 7
7 Lernzielsicherung Die Lernzielsicherung erfolgt mit einem Hefteintrag: Der spezifische Widerstand Wir wollen untersuchen ob es einen Zusammenhang zwischen dem Durchmesser eines Metalldrahtes und dem Widerstand R gibt: Versuchsaufbau: Versuchsdurchführung: Wir stellen 1V Spannung ein und lesen die Stromstärke ab. Nun verändern wir den Durchmesser des Drahtes und messen erneut. d in m A in m 2 U in V I in A R in Ω Versuchsergebnis: Der Widerstand ist indirekt proportional zur Fläche des Drahtes. R 1 A 8
Nun wollen wir wissen, ob es einen Zusammenhang zwischen dem Widerstand und der Länge des Drahtes gibt: Versuchsaufbau: Wie oben Versuchsdurchführung: Wir stellen 1V Spannung ein und lesen die Stromstärke ab. Nun verändern wir die Länge des Drahtes und messen erneut. l in m U in V I in A R in Ω Versuchsergebnis: Der Widerstand ist direkt proportional zur Länge des Drahtes. R l Insgesamt gilt: R l A Es gibt eine Proportionalitätskonstante ρ so dass gilt: R = ρ l A ρ wird der spezifische Widerstand genannt. Er ist vom Material abhängig. [ρ] = Ω m 9
8 Hausaufgabe Als Hausaufgabe sollen die Schüler die spezifischen Widerstände verschiedener Materialen herausfinden, welche in der nächsten Stunde in einer Tablle ins Heft eingetragen werden. 9 Lernzielkontrolle Die Lernzielkontrolle erfolgt zum Beispiel durch folgende Fragen während des Unterrichts: Was passiert mit der Stromstärke, wenn man den Drahtdurchmesser verkleinert? Was passiert mit dem Widerstand des Drahtes, wenn ich die Drahtlänge verdopple? Wie kann ich bei konstanter Spannung den Strom in einem Draht vergrößern? Wie kann ich den Widerstand eines Drahtes verkleinern? In der nächsten Stunde erfolgt eine Lernzielkontrolle in Form einer Abfrage: Als Einstieg wird den Schülern über den Beamer das virtuelle Experiment gezeigt. Ein Schüler soll den anderen die Funktionsweise des Programms erklären. Weiterhin soll er die Ergebnisse der virtuellen Messungen erklären und die Formel des spezifischen Widerstandes kennen und erklären können. 10 Prä- und Misskonzepte Schüler denken die Durchmesser der Metalldrähte haben nichts mit dem Widerstand zu tun. Verwechslung des Ohmschen Gesetzes mit der Definition des Widerstandes. 10