Seite 1 Physikalische Übungen: Handreichung für die Lehrkraft Bezug der Unterrichtseinheit zum Lehrplan: Die vorliegende Unterrichtseinheit dient der Umsetzung der folgenden Inhalte des Physiklehrplans für das naturwissenschaftlich-technologische Gymnasium in Bayern in Jahrgangsstufe 9: Halbleiter und Mikroelektronik einfaches Modell eines Halbleiters, Heißleiter, Photowiderstand, Diode, Solarzelle, Transistor als Schalter und Verstärker, Bau einfacher Schaltungen, z. B. Feuchtigkeitsmelder oder Blinklicht, Ätzen von Platinen (Quelle: http://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26438) (Hervorhebung durch die Verfasser) Grundsätzliche Organisation der Unterrichtseinheit: Die Unterrichtseinheit ist für die Zusammenarbeit zwischen der Schule und einem Partnerunternehmen konzipiert, in dem das entsprechende Know-how und die nötigen Geräte und Materialien zur Verfügung stehen. Einige Arbeitsphasen finden in der Schule statt, einige im Unternehmen. Didaktische Überlegungen Ziele der Unterrichtseinheit: Für Schüler: Weckung von Interesse für technische Fragestellungen bei den Schülern durch Anwendungen im häuslichen Umfeld/im Alltag Förderung der Eigentätigkeit Förderung praktischer Fähigkeiten bei den Schülern, die an der Schule im Regelfall nicht vermittelt werden können Vermittlung grundlegender Kenntnisse über alltagsrelevante elektronische Schaltungen Differenzierung zwischen leistungsstärkeren/hoch motivierten und leistungsschwächeren/weniger motivierten Schülern, so dass es weder zu Überforderung noch zu Unterforderung der Schüler kommt
Seite 2 Für Lehrkräfte: klar strukturierte Unterrichtseinheit mit hoher Arbeitsökonomie aus dem Profilbereich des Lehrplans der 9.Jahrgangsstufe Einmalige Zusammenstellung und jährliche Ergänzung des Experimentiermaterials zusammen mit dem Partnerunternehmen. Schule und Unternehmen: Möglichkeit der Etablierung einer dauerhaften Zusammenarbeit im Bereich des Unterrichts Möglichkeit für die Schüler Einblick zu nehmen in das Unternehmen und erste Orientierungshilfen für die spätere Ausbildungs-/Studien- und Berufswahl zu erhalten Verbesserung der materiellen Ausstattung des Physik-Fachbereichs der Schule Ablauf der Unterrichtseinheit: Die Schüler sollen, nach einer Einführung in das Thema Halbleiter und Halbleiterbauelemente durch die Lehrkraft, weitgehend selbstständig verschiedene Schaltungen, die in Gebäuden Anwendung finden, erstellen und aufbauen. Die Schaltungen werden ihnen je nach Interesse und Fähigkeiten zugeteilt. Jede Gruppe, bestehend aus 2 Schülern, bearbeitet eine Schaltung. Die Schaltungen sollen dann im Partnerunternehmen mit Hilfe von Auszubildenden auf Platinen gelötet und anschließend in das Modell eines Hauses eingebaut und getestet werden. Übersicht über den Zeitbedarf der einzelnen Abschnitte der Unterrichtseinheit inkl. Einführung durch den Lehrer: Abschnitte der Unterrichtseinheit Inhaltliche Vorarbeiten Funktion der elektronischen Bauteile durch die Lehrkraft Vorübungen Erstellen von Schaltplänen und Schaltungen praktische Löten der Platinen beim Unternehmen Unterrichtseinheit Einbau der Schaltungen in das Modellhaus und Tests Zeitbedarf mindestens 4 bis 5 Unterrichtsstunden 1 Unterrichtsstunde 1 bis 2 Unterrichtsstunden halbtägiger Unterrichtsgang 1 Unterrichtsstunde Hinweis: Der Begriff Unterrichtsstunde wird im Text der vorliegenden Lehrerhandreichung stets als Zeitabschnitt von 45 min Dauer verstanden.
Inhaltliche Voraussetzungen: Physikalische Übungen: Seite 3 Vor der Durchführung der praktischen Unterrichtseinheit muss die Lehrkraft im Physik- Unterricht oder in vorangehenden Übungsstunden die inhaltlichen Grundlagen für das Verständnis der elektronischen Schaltungen vermitteln, so dass die Schüler dann ausgestattet mit diesem Wissen an die Aufgaben im Projekt herangehen können. Daher sollten die Schüler vor Durchführung dieses Projektes anhand eines einfachen Modelles verstehen, wie ein Halbleiter aufgebaut ist verstehen, wie eine Solarzelle funktioniert (Dazu bietet sich ein Beitrag aus der Bibliothek der Sachgeschichten an. Er dauert circa 30 min und erläutert in kinder-/schülergerechter Weise die Funktionsweise, geht aber trotzdem sehr gut auf alle wichtigen Einzelheiten ein. Diesen Beitrag findet man auf der DVD S6 Solarenergie der Bibliothek der Sachgeschichten, die auch als Schullizenz erhältlich ist: www.bibliothek-der-sachgeschichten.de (Für die Bestellung einer Schullizenz muss man sich an service@bibliothek-der-sachgeschichten.de wenden.) verstehen, wie die Halbleiter-Bauelemente Photowiderstand, Diode und Transistor funktionieren und wie man sie einsetzen kann. Diese grundlegende Einführung wird in der vorliegenden Handreichung nicht beschrieben. Sie ist in ihrer Umsetzung der Lehrkraft überlassen. Man sollte dafür mindestens 4 bis 5 Unterrichtsstunden einplanen. Ablauf der praktischen Unterrichtseinheit: Vorübungen: Die Schüler werden zunächst auf wichtige Verhaltensregeln beim Experimentieren hingewiesen. Zu Beginn der praktischen Unterrichtseinheit sollen von jedem Schüler die zwei Aufgaben A1 und A2 (siehe Versuchsanleitung Schüler) bearbeitet werden. Diese sollen die Schüler an eine systematische Herangehensweise beim Erstellen von Schaltkreisen hinführen, die sehr wichtig ist für die Bearbeitung der weiteren Aufgaben. In Aufgabe A1 soll überprüft werden, ob Anschlüsse miteinander verbunden sind. Dies ist wichtig für den späteren Aufbau der Schaltungen auf dem Steckbrett, da die Schüler ansonsten z.b. unbeabsichtigt falsche Verbindungen schaffen und so möglicherweise Bauteile ungewollt überbrücken. Anhand vom Aufgabe A2 sollen die Schüler erkennen, dass es notwendig ist, gewisse Vorüberlegungen zu treffen, bevor man blindlings herumsteckt. Dies soll dazu führen, dass der Anteil der Bauteile, die durch falsche Behandlung kaputt gehen, möglichst gering ist. Für diesen Teil der Unterrichtseinheit sollte man mindestens eine komplette Unterrichtsstunde einplanen.
Seite 4 Bau der Schaltungen auf den Steckbrettern: Nun werden die einzelnen Schaltungen, wie schon oben beschrieben, an die Schüler je nach Fähigkeiten und Interessen verteilt und von ihnen bearbeitet. Je nach Schwierigkeit der Schaltungen sind diese von den Schülern selber zu erstellen bzw. schon vorgegeben. Dafür sollte man circa 1 bis 2 Unterrichtsstunden vorsehen. Schaltungen auf Platinen: Nun werden beim Unternehmen die von den Schülern erstellten Schaltpläne mit den Auszubildenden verbessert und auf Platinen verwirklicht. Dabei dürfen die Schüler selbst die Bauteile auf Platinen löten. Die Auszubildenden unterstützen und beraten sie. Die fertigen Platinen werden dann in einer weiteren Übungsstunde in ein Modellhaus eingebaut. Des Weiteren kann hier auch noch eine Solarzelle angeschlossen werden. Im fertigen Modellhaus können dann die Schaltungen über ein externes Bedienpult gesteuert und auf Funktionalität überprüft werden. Erweiterungsmöglichkeiten bestehen z.b. in der Entwicklung der Schaltung für ein Feuchtigkeitsmessgerät oder einer Zeitschaltung. Die Versuchsanleitung für Schüler müsste dann entsprechend ergänzt werden. Es folgt der Text der Arbeitsanleitung für die Schüler, ergänzt um die Lösungen der Aufgaben.
Seite 5 Physikalische Übungen: Versuchsanleitung Schüler Experimentiere nur nach Anweisung des Lehrers! 1. Übungen zu einfachen Schaltungen am Steckbrett: Material: Steckbrett Spannungsversorgung elektronische Bauelemente (zur leichteren Handhabung auf kleinen Platinen) Spannungs- und Strommessgeräte (Multimeter) Bauelement Widerstand Photowiderstand Schaltzeichen Schalter Diode Transistor Elektrolytkondensator (Elko) Potenziometer Messgerät Multimeter (Spannung, Stromstärke, Widerstand) V A Ω
1.1 Vorübung zur Funktion des Steckbretts Seite 6 Das Steckbrett hat Anschlüsse in Gruppen, die teilweise elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Steckbrett, Schema A1 Überlege dir eine Methode, um die Verbindungen der Anschlüsse festzustellen. Markiere die Verbindungen auf dem Schema. Lösung: 1. Mit Hilfe eines geeigneten Multimeters, das direkt die Durchgängigkeit prüfen kann und diese durch einen Ton signalisiert. 2. Mit einem Multimeter, mit dem man Widerstände messen kann. Ist der Widerstand unendlich groß, so besteht keine Verbindung zwischen den Anschlüssen. 3. Man hat einen kleinen Teststromkreis (z.b. Batterie + Lämpchen). Verbindet man Batterie und Lämpchen über diese beiden Anschlüsse, anstatt dass man sie direkt verbindet, so weiß man, dass die beiden Anschlüsse miteinander verbunden sind, wenn die Lampe leuchtet (vice versa).
Seite 7 A2 Die Spannungsquelle liefert eine Spannung von U= 9V. An der Leuchtdiode darf eine Spannung von maximal 2V anliegen. Gehe davon aus, dass dabei durch die Leuchtdiode ein Strom von 10 ma fließt. Berechne den nötigen Wert des Widerstands, den du in den Stromkreis einbauen musst und realisiere den entsprechenden Stromkreis mit Spannungsquelle, einer Leuchtdiode und einem Widerstand auf dem Steckbrett. Lösung: Der Widerstand muss in Reihe zur Leuchtdiode eingebaut werden (als Vorwiderstand), da in einer Reihenschaltung gilt: U U U gesamt Vorwiderstan d Leuchtdiod e D.h. der Widerstand muss so ausgelegt sein, dass an ihm eine Spannung von 7V abfällt ( U U U 9 V 2 V V ). Vorwiders tan d gesamt Leuchtdiod e 7 U 7V Mit R erhält man dann RVorwiders tan d 700. I 10mA Dieser muss dann mit Hilfe der vorhandenen Widerstände unter Umständen durch Reihenbzw. Parallelschaltung zusammengesetzt werden, wenn kein passender Widerstand vorhanden ist. 1.2 Schaltungen auf dem Steckbrett 1.2.1 Innenbeleuchtung mit Dimmer und Wechselschalter Entwirf auf einem Blatt Papier einen Schaltplan für eine Lampe, die mit 2 Schaltern (z.b. an verschiedenen Stellen im Raum) ein- und ausgeschaltet werden kann. Erweitere dann diesen Schaltplan um eine Lampe mit Dimmer. Hinweis: Beachte, dass in beiden Fällen zusätzlich Widerstände nötig sind (Vorwiderstand bzw. regelbarer Widerstand (Potentiometer)). Überlege dir auch, ob man die zusätzliche Lampe mit Dimmer in Reihe oder parallel zum vorher entwickelten Stromkreis schalten muss. Realisiere die erweiterte Schaltung auf dem Steckbrett. Lösung/Schaltplan:
Seite 8 1.2.2 Außenbeleuchtung mit Photowiderstand Entwirf auf einem Blatt Papier einen Schaltplan, so dass eine Lampe automatisch zum Leuchten gebracht wird, wenn die Beleuchtungsstärke in der Umgebung abnimmt. Dazu benötigt man folgende Bauteile: eine Lampe, einen Transistor (zum Schließen des Stromkreises mit der Lampe bei abnehmender Beleuchtungsstärke), einen Photowiderstand bzw. eine Fotodiode (ihr Widerstand steigt bei abnehmender Beleuchtungsstärke), einen Widerstand (Schutz des Transistors) und einen regelbaren Widerstand (Feinjustierung). Realisiere diese Schaltung auf dem Steckbrett. Lösung/Schaltplan: Bei abnehmender Beleuchtungsstärke in der Umgebung steigt der Widerstand des Photowiderstandes / der Fotodiode. Dadurch steigt die Basisspannung, und der Stromkreis mit der Lampe wird vom Transistor geschlossen. Die Lampe leuchtet nun. Um den Transistor zu schützen, wird an der Basis ein Widerstand eingebaut. 1.2.3 Füllstandanzeige Entwirf auf einem Blatt Papier einen Schaltplan für drei Lampen, die den Wasserstand in einem Behälter anzeigen sollen. Verwende als Ersatz für das Wasser Schalter. (D.h. der Wasserstand wird durch die Schalter simuliert, die Lampen sollen drei verschiedene Wasserstände anzeigen. Schalter geschlossen Wasserstand hat eine bestimmte Höhe erreicht) Realisiere diese Schaltung auf dem Steckbrett. Lösung/Schaltplan:
Seite 9 1.2.4 Blink- und Summanlage als Alarmanlage Realisiere den vorgegebenen Schaltplan auf dem Steckbrett. 2. Schaltungen auf Platinen Nun werden beim Partnerunternehmen die von euch erstellten Schaltpläne zusammen mit den Auszubildenden verbessert und auf Platinen verwirklicht. Dabei dürft ihr selbst die Bauteile auf Platinen löten. Die Auszubildenden unterstützen und beraten euch. Folgende Schaltungen fertigt ihr an: Innenbeleuchtung mit Dimmer und Wechselschalter (1.2.1) Außenschaltung mit Photowiderstand (1.2.2) Füllstandanzeige (1.2.3) Blink- und Summanlage als Alarmanlage (1.2.4) Die fertigen Platinen werden in einer Übungsstunde in ein Modellhaus eingebaut, zusätzlich kann auch noch eine Solarzelle mit angeschlossen werden (siehe nebenstehender Schaltplan). Im fertigen Modellhaus könnt ihr dann die Schaltungen über ein externes Bedienpult steuern und auf Funktionalität überprüfen. Schaltplan Solarzelle