Das Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler der Primarstufe spielerisch, mithilfe schülerorientierter Texte und Methoden, an das Thema Elektrizität und elektrische Spannung heran. Das Unterrichtsmaterial vermittelt Schülerinnen und Schülern der Grundschule erste Grundlagen zum Thema Elektrizität. Mithilfe von sympathischen Figuren, Rätseln und Experimenten lernen sie spielerisch den Stromkreis kennen. Durch Wiederholungen und handlungsorientierte Methoden sowie wechselnde Sozialformen wird der Kompetenzaufbau gezielt gefördert. Ein ergänzendes interaktives Tafelbild ermöglicht eine spielerische und schülerorientierte Vermittlung wichtiger Sicherheitshinweise im Umgang mit Elektrizität. Spielerische Heranführung an das Thema "Elektrizität" Das Unterrichtsmaterial "Erik und Tina, die Elektroniker" richtet sich an Schülerinnen und Schüler der Grundschule, insbesondere an die Klassenstufen 3 und 4. Die Kinder sollen mithilfe der beiden sympathischen Figuren spielerisch an Themen rund um die Elektrizität herangeführt werden. Verschiedene didaktische Angebote, wie Rätsel und Experimente, Spiele oder Bilder, ermöglichen den Schülerinnen und Schülern einen abwechslungsreichen und anregenden Einstieg in diesen Themenkomplex. Das Material kann sowohl in Gruppen als auch in Einzelarbeit, zum Beispiel als Zusatzaufgabe, von der Lehrkraft angeboten werden. "Energie mit Erik und Tina entdecken" eignet sich als weiterführende und vertiefende Unterrichtseinheite. Sie ist ebenfalls in diesem Dossier verfügbar. Lehrplanbezug Die Themen Elektrizität und Energie sind elementare Lehrplanbestandteile des Unterrichts in der Grundschule aller deutschen Bundesländer. Hier werden den Kindern erste Grundkenntnisse im Fach Sachkunde/Sachunterricht/Heimat- und Sachkunde vermittelt. Beobachten die Schülerinnen und Schüler in den Klassen 1 und 2 zunächst ihre Umwelt, werden sie in den Klassenstufen 3 und 4 projektorientiert und mithilfe von Experimenten deutlich stärker an verschiedene, komplexere Themenbereiche herangeführt. Diese Vorgaben greift die Unterrichtseinheit auf. Sie ermöglicht neben fundierten Sachinformationen auch die experimentelle Anwendung des neu Gelernten und fördert die Neugier der Schülerinnen und Schüler. Sie entdecken selbstständig die Funktionsweise eines Stromkreises, erstellen eine Signalanlage und überprüfen Materialien und Stoffe auf ihre spezielle elektrische Leitfähigkeit. Einsatzmöglichkeiten Die Unterrichtseinheit eignet sich besonders für die Projektarbeit, da die Durchführung der Versuche vom Aufbau über das Experiment bis hin zu der Dokumentation der Ergebnisse eine gewisse Zeit beansprucht. Die Arbeitsblätter legen den Schwerpunkt zwar auf Projektarbeit, ermöglichen aber auch eine individuelle Anpassung an die Lerngruppe und die schulischen Rahmenbedingungen und bieten sich daher auch für den Vertretungsunterricht an. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können erklären, was Elektronen und Protonen sind. können einen einfachen Stromkreis erklären und zeichnen. können den Unterschied zwischen offenen und einem geschlossenen Stromkreis erkennen. können mithilfe einer Bauanleitung einen Stromkreis bauen. können einfache Worte mithilfe des Morsealphabets übersetzen. können zwischen Stoffen der Gruppen "Leiter" und "Nichtleiter" unterscheiden. können Hypothesen über die Leitfähigkeit von Stoffen und Materialien aufstellen und diese durch ein Experiment überprüfen. kennen die Gefahren im Zusammenhang mit Strom beziehungsweise Elektrizität. wissen, dass Elektrizität auch in der Natur vorkommt. können berechnen, wie weit ein Gewitter von ihnen entfernt ist. entdecken die Wirkung positiv und negativ geladener Teilchen auf Gegenstände. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren im Rahmen von Partner- beziehungsweise Gruppenarbeit ihre Zusammenarbeit mit anderen Personen. lernen das strukturierte Erfassen von Informationen aus Sachtexten. erarbeiten in Gruppen mithilfe eines Versuchsaufbaus ein eigenes Experiment und führen dieses durch. stärken ihr Gemeinschaftsgefühl in der Klasse. Kennenlernen der Figuren Die Schülerinnen und Schüler lernen die Figur Erik kennen, die sie durch die Arbeitsblätter begleiten wird. Darüber hinaus erhalten sie erste Sicherheitshinweise für die Arbeit mit Elektrizität. Im weiteren Verlauf stellt Erik den Schülerinnen und Schülern seine Freunde vor, die sie in den nächsten Stunden wiedererkennen werden. Sie sind aufgefordert, sich die Geschichten zu Eriks Freunden anzuhören, die die Lehrerin oder der Lehrer ihnen vorliest. Parallel hierzu können die Schülerinnen und Schüler die einzelnen Figuren farbig ausmalen. In einem Lückentext haben sie die Möglichkeit, das Gehörte anzuwenden und einzutragen. Kreuzworträtsel In einem Kreuzworträtsel tragen die Schülerinnen und Schüler Begriffe zum Thema Elektrizität, die ihnen bereits bekannt sind, ein. Einige der bereits vorgestellten Figuren werden ebenfalls wiederholt. Ein Lösungsblatt wird für die Lehrkräfte bereitgestellt, das sie an die Schülerinnen und Schüler bei Bedarf verteilen können. Einführungstext Die Schülerinnen und Schüler beginnen die Versuchsphase mit einem ersten einführenden Text, der sie mit den Begriffen vertraut macht. Sie lesen den Text in Einzelarbeit und markieren Worte oder Passagen, die sie nicht verstanden haben. In Gruppenarbeit können erste Fragen beantwortet und gegebenenfalls an der Tafel mit allen Schülerinnen und Schülern gemeinsam besprochen werden. Hierbei schulen sie nicht nur ihre Fachkompetenz durch das Erlernen neuer Begriffe und Sachverhalte, sondern stärken ebenfalls ihre Lesekompetenz. Die Anwendung des neu Erlernten wird durch das Bearbeiten einer kurzen Skizze gewährleistet. Versuch zu einem einfachen Stromkreis In der darauffolgenden Stunde werden die neuen Begriffe zunächst wiederholt, um diese zu festigen. Die Schülerinnen und Schüler sind im Anschluss aufgefordert, in Gruppenarbeit einen Versuch zu einem einfachen Stromkreis durchzuführen. Hierfür benötigen sie verschiedene Materialien, die ihnen seitens der Lehrkraft zur Verfügung gestellt werden müssen. Mithilfe einer kurzen Anleitung können die Schülerinnen und Schüler dann eine Signalanlage bauen. Sie können die Funktion direkt überprüfen und erste Signale untereinander ausprobieren. Eine Hausaufgabe leitet zu der nächsten Stunde über, in der sie das Morsealphabet kennenlernen. Morsealphabet In Partnerarbeit stellen sich die Schülerinnen und Schüler Aufgaben und üben so das Morsealphabet ein. Hierfür benötigen Sie einen leicht abgedunkelten Klassenraum, um die Lichtzeichen eindeutig zu identifizieren. In einem Quiz können Gruppen innerhalb der Klasse gegeneinander antreten und in einem kleinen Wettbewerb die Morse-Meister ermitteln. Dabei wenden die Schülerinnen und Schüler ihre neuen Fähigkeiten und Fertigkeiten immer wieder an und festigen diese. Versuch zur Leitfähigkeit verschiedener Materialien Anschließend führen sie einen weiteren Versuch durch, bei dem sie mit verschiedenen Materialien experimentieren, um ihre Leitfähigkeit zu testen und dokumentieren ihre Ergebnisse. Elektrische Spannung in der Natur: (NEU) Die Schülerinnen und Schüler lernen, dass Elektrizität auch in der Natur vorkommt. Anhand eines Einführungstextes und eines Suchbildes erfahren sie, wie ein Blitz bei einem Gewitter entsteht. Anschließend lernen sie, wie sie selbst berechnen können, wie weit ein Gewitter von ihnen entfernt ist. Die auf dem Arbeitsblatt hinterlegte Rechenaufgabe kann in Einzelarbeit gelöst, die Frage der Entfernung im Klassenverband diskutiert werden. Optional kann die Lösung der Rechenaufgaben auch als Wettbewerb gestaltet werden, in dem der schnellste „Blitzrechner“ der Klasse ermittelt wird. Spiele zur elektrostatischen Ladung (NEU) Anschließend setzen sich die Schülerinnen und Schüler anhand eines Versuchs mit dem Thema elektrostatische Ladung auseinander. Dabei entdecken sie die Wirkung positiv und negativ geladener Teilchen. Das Spiel „Froschkönig“ macht dieses physikalische Phänomen noch einmal auf andere Weise sichtbar. Da die Schülerinnen und Schüler bei diesem Spiel in Teams antreten, wird neben Fach- und Sozialkompetenzen auch das Gemeinschaftsgefühl gestärkt. Die Materialien können zur Vertiefung in der Projektarbeit oder im Vertretungsunterricht zum Einsatz kommen. Durch ein interaktives Tafelbild erhalten die Schülerinnen und Schüler wichtige Informationen und Tipps zu den Gefahren durch Strom. Das Tafelbild kann später ausgeteilt und von den Schülerinnen und Schülern ausgemalt werden. Sie haben hierdurch erneut die Möglichkeit, die Hinweise zu verinnerlichen.

Revolutionäre Solarstraßen bleiben, laut den Entwicklern, schneefrei und können bei Betätigung eines Schalters in Parkplätze oder Sportplätze verwandelt werden. Schülerinnen und Schüler sollen bei dieser Unterrichtseinheit einschätzen, ob Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollten.Über eine Crowdfunding-Website wurden kürzlich mehr als zwei Millionen US Dollar für die Finanzierung von Solarstraßen gespendet. Die Schülerinnen und Schüler sollen bei dieser Unterrichtseinheit einschätzen, ob Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollten. Sie sollen Behauptungen mittels Argumentationen und Beweisen beurteilen und ihr Wissen über die Erzeugung von Elektrizität in Solarzellen nutzen, um eine Entscheidung zu treffen. Bezug zum Lehrplan Wissenschaftliches Arbeiten: Auf Objektivität achten Entwicklung wissenschaftlichen Denkens: Entscheidungen treffen auf Grundlage der Bewertung von Beweisen und Argumenten Physik: Energie: Erneuerbare Energiequellen, die auf der Erde genutzt werden Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Solarstraßen" Der Ablauf der Unterrichtssequenz "Solarstraßen" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler beurteilen Behauptungen mittels Argumentationen, Beweisen und wissenschaftlichen Erkenntnissen. lernen, wie Lichtwellen Elektrizität in Solarzellen erzeugen. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben. Problemstellung Zeigen Sie das Fundraising-Video "Solar Freakin' Roadways" von Beginn bis Minute 2:12. Zeigen Sie Folie 4 der PowerPoint-Präsentation und betonen Sie, dass die Spendenaktion aufgrund der Behauptungen im Video immense Geldsummen eingebracht hat. Sind diese Behauptungen tatsächlich überzeugend? Ist das Projekt für den Bau von Solarstraßen der Spenden wert? Wissenschaftliche Belege Zeigen Sie erneut das Video und bitten Sie die Schülerinnen und Schüler, die aufgestellten Behauptungen herauszuarbeiten. Bitten Sie um Feedback und teilen Sie den Lernenden mit, dass sie sich jetzt auf die folgenden drei Behauptungen konzentrieren sollen: Sonnenlicht kann in Elektrizität umgewandelt werden; Solarzellen halten Straßen eisfrei; die erzeugte Elektrizität wird LED Fahrbahnmarkierungen mit Strom versorgen. Zeigen Sie Folie 5 der PPT. Die Schülerinnen und Schüler sollen paarweise die Beweise auf Folie 5 der PPT (SI1 und SI2) durcharbeiten und die Aufgaben auf der Folie lösen. Behauptung 1: AY, DV, BW, EX, CZ. Die Behauptung wird durch den Beweis gestützt. Behauptung 2: Der Schnee und die Heizmatten blockieren die Lichtwellen der Sonne. So können die Lichtwellen nicht auf die Solarzellen auftreffen und daher wird keine Elektrizität erzeugt. Die Behauptung wird nicht durch den Beweis gestützt. Behauptung 3: Die Solarpanels erzeugen 100 W/m². Eine LED benötigt 20 W/m², was bedeutet, es wäre genug Elektrizität vorhanden, um die Fahrbahnmarkierungen mit Strom zu versorgen. Jedoch werden die LEDs nachts nicht leuchten. Option 1 Bitten Sie um ein kurzes Feedback, um die Wahrheit hinter jeder Behauptung herleiten zu können. Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler wählen, um eine Entscheidung in der Klasse herbeizuführen, ob der Bau von Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollte. Option 2 Die Lernenden folgen den Vorgaben auf Folie 7 der PPT, um ihre Entscheidung schriftlich darzulegen und zu erklären, ob der Bau von Solarstraßen finanziell unterstützt werden sollte. Zudem sollen sie Beispiele nennen, wo wir bereits Solarzellen anwenden. Zeigen Sie Folie 8 der PPT, um die Schüler bei diesem Teil der Aufgabe zu unterstützen. Option 3 Die Schülerinnen und Schüler produzieren kurze Videos als Antwort auf das "Solar Freakin' Roadway" Video. In diesen sollte wiederum jede Behauptung untersucht und die Entscheidung zur folgenden Frage kommuniziert werden: Soll der Bau von Solarstraßen finanziell unterstützt werden? In ihren Videos sollen sie zusätzlich Beispiele nennen, wo wir bereits Solarzellen anwenden. Zeigen Sie Folie 7 der PPT, um die Schüler bei diesem Teil der Aufgabe zu unterstützen. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben.

In dieser Unterrichtseinheit geht es darum, die Lernenden mit den Gegebenheiten der elektrischen Stromversorgung im Haushalt bekannt zu machen. In Form von Beispielen, Fragestellungen und Übungsaufgaben werden die Funktionsweisen des Drehstrom-Systems im Haushalt und deren vielfältige Anwendungsmöglichkeiten erläutert.Nach einer kurzen – eventuell auch wiederholenden – Besprechung des Wechselstrom-Versorgungssystems in Form von Drehstrom werden den Schülerinnen und Schülern die vielfältigen Möglichkeiten der Stromzuführung zu zahlreichen häuslichen Elektrogeräten anhand der Phasenleiter L 1 ..L 3 sowie die Stromrückführung über den gemeinsamen Nullleiter vermittelt. Mit diesem Wissen können die Lernenden auch die zahlreichen Stromkabel einer Überlandleitung nachvollziehen. Am Beispiel eines Phasenprüfers zum ungefährlichen Auffinden des Phasenleiters in der Steckdose wird gezeigt, wie man feststellen kann, ob Strom an der Steckdose vorhanden ist. Als typisches Beispiel für ein in jedem Haushalt vorhandenes Elektrogerät wird der schematische Aufbau und damit die unterschiedliche Funktionsweise von Herdplatten erläutert und mit konkreten Beträgen für entsprechende Leistungen durch ausführliche Berechnungen vertieft. Das Thema "Elektrizität im Haushalt" in der Schule Elektrizität im Haushalt ist aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken – wie sehr wir davon abhängig sind, bemerken wir immer dann, wenn der Strom einmal ausfällt. Schülerinnen und Schüler kennen Elektrizität in Form von Batterien und Akkus, die alle Geräte von den Smartphones bis zu den Taschenlampen speisen. Ebenso bekannt ist natürlich die Bedeutung der Steckdose für die Entnahme von Elektrizität – die dahinterstehende Technik dürfte allerdings für viele Lernende Neuland sein, nicht zuletzt wegen der nicht so einfach zu verstehenden Wechselstromtechnik. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können dahingehend vorausgesetzt werden, dass im Unterricht der Begriff des Wechselstroms anhand des Leiterschaukel-Versuchs in Verbindung mit der Lorentzkraft bereits besprochen sein sollte. Didaktische Analyse Die auf der Wechselstrom-Technik beruhende Drehstrom-Technik ist von entscheidender Bedeutung für die großtechnische Stromerzeugung mittels Generatoren, die unter anderem durch Wasserkraft, Windkraft oder auch Kernkraft angetrieben werden. Nur mit Gleichstrom aus Batterien wären die etwa in einem Haushalt notwendigen Elektrogeräte nicht zu betreiben. Die mit Drehstrom-Technik betriebenen Elektrogeräte werden in Deutschland mit einer Spannung von 230 Volt betrieben, die daraus resultierende Lebensgefahr bei einer eventuellen Berührung eines Phasenleiters muss im Unterricht intensiv besprochen werden. Nur über Geräte wie den Phasenprüfer kann gefahrlos festgestellt werden, wo sich der Phasenleiter befindet und ob somit Strom fließen kann. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung von Drehstrom für die häusliche Stromversorgung. kennen die verschiedenen Wege der Stromzuführung über die drei Phasen des Drehstroms. können Berechnungen anstellen, unter welchen Bedingungen ein Stromkreis belastet werden kann und gegebenenfalls auch überlastet wird. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbstständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freundinnen und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit sollen die Lernenden mit den Möglichkeiten der Energieversorgung mittels Hochspannungsleitungen vertraut gemacht werden. Im Vordergrund steht die Bedeutung des Hochtransformierens der Ausgangsspannung am Elektrizitätswerk auf hohe bis sehr hohe Spannungen, die gleichzeitig ein Absenken der durch die Leitung fließenden Stromstärken ermöglicht – Grundvoraussetzungen für einen Stromtransport mit möglichst geringen Leitungsverlusten.Ausgehend von Grundkenntnissen zur Funktionsweise von Transformatoren und den physikalischen Gesetzmäßigkeiten beim Stromtransport (Ohm'scher Widerstand, spezifischer Widerstand des jeweiligen Leiters) wird den Schülerinnen und Schülern gezeigt, dass nur ein Stromtransport mithilfe von Hochspannungsleitungen effektiv und wirtschaftlich ist. Anhand eines Beispiels zur direkten Übertragung des Stromes vom Elektrizitätswerk zum Verbraucher über eine größere Distanz erkennen die Lernenden, dass auf diese Weise beim Verbraucher so gut wie keine brauchbare Energie mehr ankommt. Versorgt man den Verbraucher über dieselbe Distanz jedoch über eine Hochspannungsleitung, ergeben sich nur minimale Verluste, so dass fast die ganze Ausgangsleistung des Elektrizitätswerkes beim Verbraucher zur Verfügung steht. Energietransport mit Hochspannungsleitungen im Unterricht Hochspannungsleitungen sind im Alltag an vielen Stellen ebenso zu sehen wie auch Umspannstationen mit entsprechenden Transformatoren. Die Schülerinnen und Schüler sollen dafür interessiert und sensibilisiert werden, warum es für manche Leitungen bis zu 60 m hohe Masten braucht, während im Ortsbereich oder in der näheren Umgebung auch sehr niedrige Masten für den Stromtransport ausreichen – in Deutschland allerdings nur noch eingeschränkt vorhanden, weil die Nahversorgung häufig bereits über Erdkabel erfolgt. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse der Lernenden können dahingehend vorausgesetzt werden, dass die Hochspannungsmasten nicht zu übersehen sind und jeder weiß, dass sie der Stromversorgung dienen. Die wenigsten werden allerdings wissen, warum die Masten mit drei oder sechs Leitungen bestückt sind. Ebenso wird kaum bekannt sein, dass die Hochspannungsleitungen üblicherweise mit Dreiphasenwechselstrom betrieben werden. Didaktische Analyse Bei der Behandlung des Themas sollte man darauf achten, dass die Stromversorgung ein hochkomplexes Gebilde ist, das man – vor allem in der Sekundarstufe I – nur modellmäßig erfassen kann. Dies ist allerdings für ein erstes Verstehen der grundlegenden Prinzipien völlig ausreichend und kann gegebenenfalls in der Sekundarstufe II in entsprechenden Kursen vertieft werden. Methodische Analyse Bei der modellmäßigen Beschreibung des Energietransportes und den in den Übungsaufgaben zu berechnenden Fakten kommt es darauf an, dass die Lernenden erkennen, dass Energietransport an spezielle Gegebenheiten und physikalische Gesetzmäßigkeiten gebunden ist, die nur mithilfe der Hochspannungstechnik möglich sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung und Funktion von Hochspannungsleitungen. kennen die unterschiedlichen und differenzierten Möglichkeiten der Energieübertragung mit Hochspannungsleitungen. können durch Rechnung zeigen, dass ein wirtschaftlicher Energietransport nur mithilfe der Hochspannung funktionieren kann. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern oder Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Materialsammlung für den Physik-Unterricht sind Unterrichtsmaterialien rund um die Elektrizitätslehre und ihre Teilbereiche gebündelt. Dazu zählen elektrische Ladungen und Strom, elektrische und magnetische Felder, die elektromagnetische Induktion, elektromagnetische Schwingungen und Wellen sowie Grundlagen der Elektronik. Die Elektrizitätslehre umfasst alle Vorgänge, die entweder mit ruhender Ladung (Elektrostatik) oder bewegter Ladung (Elektrodynamik) zu tun haben. Der Begriff selbst leitet sich aus dem griechischen Wort electron (deutsch: Bernstein) ab. Er geht zurück auf den griechischen Naturwissenschaftler und Philosoph Thales von Milet, der mit Bernstein vor etwa 2500 Jahren Versuche durchgeführt und dabei beim Reiben von Bernstein festgestellt hat, dass dieser kleine leichte Teilchen anziehen kann. Lernziele und Lehrplanbezüge für die Elektrizitätslehre im Fach Physik Elektrische Ladungen sind Bestandteile von Atomen und werden als Ladungsträger bezeichnet. Man unterscheidet die negativ geladenen Elektronen (m e = 9,11×10 -31 kg) der Atomhülle von den positiv geladenen Protonen (m p = 1,67×10 -27 kg) des Atomkernes, wobei der Betrag der Ladung bei beiden gleich groß ist. Bedeutsam ist, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen , während sich ungleichnamige Ladungen anziehen . Elektrischer Strom ist ein Naturphänomen und kein Produkt eines genialen Physikers. Es fließen dabei in erster Linie leicht bewegliche Elektronen der Atomhülle durch einen dafür geeigneten Leiter wie etwa Kupfer oder Wolfram . Ein elektrisches Feld entsteht, wenn sich um positive oder negative Ladungen herum infolge der gegenseitigen Anziehung oder Abstoßung bestimmte Kraftwirkungen ergeben, die man mithilfe von Feldlinienbildern darstellen kann. Ein magnetisches Feld hingegen entsteht sowohl durch die Kraftwirkung zwischen Dauermagneten aus Eisen, Kobalt oder Nickel als auch um bewegte elektrische Ladungen herum wie etwa Stromleitungen oder Spulen . Ein für sehr viele technische Entwicklungen äußerst wichtiger Bereich ist die elektromagnetische Induktion , bei der sowohl durch die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld als auch durch Änderung eines von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes (zum Beispiel einer Spule) eine elektrische Spannung und ein elektrischer Stromfluss erzeugt werden. Von großer Bedeutung für die Stromerzeugung (zum Beispiel durch Generatoren) und die Stromübertragung über weite Strecken durch Hochspannung (erzeugt durch sogenannte Transformatoren) ist der Wechselstrom , der uns auch im Haushalt zur Verfügung gestellt wird. Er unterscheidet sich vom Gleichstrom dadurch, dass er regelmäßig seine Richtung ändert (in Deutschland mit 50 Hz, was 100 Richtungsänderungen pro Sekunde entspricht). Von elektromagnetischen Schwingungen spricht man, wenn sich die Feldstärke eines elektrischen Feldes und eines magnetischen Feldes periodisch ändern (zum Beispiel beim Kondensator oder bei Spulen). Zudem senden in einem Leiter beschleunigte oder abgebremste Ladungen elektromagnetische Felder aus, die sich im Raum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Dabei ändern sich die Stärken des elektrischen und magnetischen Feldes sowohl räumlich als auch zeitlich periodisch und besitzen daher die gleichen Eigenschaften wie Wellen. Man bezeichnet sie deshalb als elektromagnetische Wellen . Die Grundlagen der Elektronik beschäftigen sich mit Bauelementen aus der Halbleitertechnologie wie etwa Dioden und Transistoren sowie den daraus anwendbaren Schaltungen .

Im Rahmen dieser Unterrichtseinheit erlernen die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit der Augmented-Reality (AR)-Applikation "PUMA : Spannungslabor" und nutzen diese für die Arbeit in Kleingruppen. In zwei Experimenten werden die Applikation beziehungsweise die in der Applikation dargestellten didaktischen Modelle der Elektrizität genutzt, um anhand der Modelle zu argumentieren und Hypothesen für den Experimentierprozess zu generieren. Die Unterrichtseinheit ist in drei Unterrichtsstunden gegliedert. Im Verlauf der ersten Unterrichtsstunde wird die AR-Applikation "PUMA : Spannungslabor" von der Lehrkraft im Rahmen eines Demonstrationsexperiments genutzt, um die Darstellung der didaktischen Modelle "Elektronengasmodell", "Rutschenmodell" und "Stäbchenmodell" mit den Schülerinnen und Schülern zu erarbeiten. Die Lehrkraft erklärt und demonstriert den richtigen Umgang mit der Applikation. Im Rahmen der folgenden zwei Unterrichtsstunden erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen in Experimenten die Gesetzmäßigkeiten zur Stromstärke und Spannung bei Parallel- bzw. Reihenschaltungen. In den Experimentierphasen "Hypothesen formulieren" und "Ergebnisse mit der Ausgangshypothese vergleichen" nutzen die Schülerinnen und Schüler dabei die Applikation "PUMA : Spannungslabor" zur Unterstützung der Argumentation mit didaktischen Modellen. Kurzbeschreibung der Applikation "PUMA : Spannungslabor" Die Applikation überblendet einen Stromkreis mit Darstellungen der Leitungselektronen (in Form kleiner weißer Kugeln) und Visualisierungen des elektrischen Potentials. Die Darstellung des elektrischen Potentials kann gemäß des Elektronengasmodells (in Form einer Färbung der Leiterbahnen entsprechend des elektrischen Potentials), gemäß des Stäbchenmodells (in Form einer Anhebung der Leiterbahnendarstellung entsprechend des elektrischen Potentials) oder gemäß des Rutschenmodells (durch zur Anhebung der Leiterbahnen zusätzlichen Einblendung der sich bewegenden Leitungselektronen) erfolgen. Für den Einsatz der Applikation wird ein Experimentierset ELEKTRIK 1 der Firma MEKRUPHY benötigt. Neben den bereits beschriebenen Darstellungen können außerdem Messdaten der elektrischen Grundgrößen (Spannung, Stromstärke, elektrischer Widerstand) an den Bauteilen eingeblendet werden und für eine qualitative Interpretation des elektrischen Widerstands kann eine Visualisierung der Darstellung der Interaktion von Leitungselektronen und Materie auf Teilcheneben gemäß des Drude-Modells des elektrischen Widerstands eingeblendet werden. Für die beschriebene Unterrichtseinheit werden die Darstellungen der Leitungselektronen und der Modelle der elektrischen Potentiale benötigt. In der Applikation ist ein Tutorial mit Videos implementiert, welches Lehrkräfte in ihrer ersten Nutzung anleiten kann. Weitere Informationen und eine Möglichkeit zum Download der Applikation finden Sie über den Link am Ende dieser Seite. Relevanz des Themas Die jüngere fachdidaktische Forschung zur Elektrizitätslehre der Sekundarstufe I hat festgestellt, dass viele Schülerinnen und Schüler den Unterricht mit teils stark prävalenten fehlerhaften Vorstellungen zum Stromkreis verlassen (etwa die Stromverbrauchsvorstellung, unzureichende Trennung der Konzepte von Spannung und Stromstärke oder fehlendes Systemdenken beim Betrachten eines Stromkreises). Durch die explizite Aufforderung der Nutzung didaktischer Modelle zur Generierung von Hypothesen und Plausibilisierung von Ergebnissen soll eine stärkere Verknüpfung von Fachinhalt und didaktischem Analogie-Modell erreicht werden, was die Vernetzung der Fachinhalte im Gedächtnis unterstützt und zu gefestigteren Wissensstrukturen führen soll. Die Darstellung der Analogie-Modelle der Elektrizität durch Augmented Reality reduziert zusätzlich die mentale Hürde, sich der Modelle bei der Argumentation und Diskussion physikalischer Sachverhalte zu bedienen. Notwendige und förderliche Voraussetzungen Für einen Einsatz der beschriebenen Unterrichtseinheit ist das Vorhandensein eines Klassensatzes des Experimentierkastens ELEKTRIK 1 erforderlich. Die Lehrkraft muss die Kästen im Vorfeld entsprechend der Anleitung in der Applikation "PUMA : Spannungslabor" präparieren. Die Lehrkraft sollte vor Durchführung der ersten Unterrichtsstunde dieser Einheit die Applikation selbst sorgfältig durchgearbeitet haben. Dafür kann die in der Applikation verfügbare Tutorial-Ressource und das Informationsblatt zur Applikation genutzt werden. Für die Schülerinnen und Schüler ist es ideal, wenn die in der Applikation darstellbaren Analogie-Modelle der Elektrizität (Elektronengasmodell, Rutschenmodell, Stäbchenmodell) bereits bekannt sind und im Unterricht eingeführt wurden. Die Applikation kann aber auch ohne vorherige Nutzung der genannten Modelle im Unterricht für die Erarbeitung der Gesetzmäßigkeiten bei Parallel- und Reihenschaltung auf die beschriebene Art und Weise genutzt werden. Digitale Kompetenzen, die Lehrende zur Umsetzung der Unterrichtseinheit benötigen (nach dem DigCompEdu Modell) Die Lehrenden sollten in der Lage sein, die Lernenden im Selbstgesteuerten Lernen unter Verwendung digitaler Technologien unterstützen (3.4 Selbstgesteuertes Lernen). Die Lehrenden sollten gewährleisten, dass die Lernenden für die Präsentation ihrer Ergebnisse die digitalen Medien nutzen, um ihre Argumentationen zu ihren wissenschaftlichen Untersuchungen zu unterstützen (5.3 Aktive Einbindung der Lernenden). Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verwenden Analogien und Modellvorstellungen zur Wissensgenerierung. stellen an einfachen Beispielen Hypothesen auf. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler setzen digitale Werkzeuge bedarfsgerecht zur Wissensgenerierung ein. können digitale Umgebungen und Werkzeuge für den Gebrauch anpassen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus. diskutieren Arbeitsergebnisse und Sachverhalte unter physikalischen Gesichtspunkten. 21st Century Skills Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge zur Unterstützung ihrer Kommunikation und Argumentation. stärken ihre Technologiekompetenz im Umgang mit neuer Software durch zielgenaue Nutzung digitaler Werkzeuge. erkennen den Nutzen von digitalen Medien bei der Visualisierung von abstrakten mentalen Modellen.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die Erfolge und die Mängel des Bohrschen Atommodells kennen. Das Atommodell von Niels Bohr, mit dem er im Jahr 1913 an die Öffentlichkeit ging, wird aus Sicht des heute allseits anerkannten quantenmechanischen Atommodells als Zwischenstation bei der Modellentwicklung betrachtet. Sowohl die anschaulichen Elektronenbahnen um den Kern als auch seine teilweise nicht begründeten Postulate sind zu kritisieren. Dennoch stellt das Bohrsche Atommodell mit der von Planck und Einstein übernommenen Quantisierung einen Meilenstein auf dem Weg zu den heutigen Erkenntnissen dar, den man Schülern und Schülerinnen nicht vorenthalten sollte.Atommodelle gibt es schon seit dem Altertum. Davon ausgehend werden die Schülerinnen und Schüler mit einem geeigneten Video oder in Form eines Referates in das Thema eingeführt. Die von Bohr aufgestellten Postulate sind zwar nur in Teilbereichen für das Wasserstoffatom experimentell bestätigt, sie sind aber durch entsprechende Gesetzmäßigkeiten und den daraus resultierenden Modellrechnungen aus dem Bereich der elektrischen Felder gut nachvollziehbar. Das Unterrichtsmaterial ist daher gut geeignet und auch verständlich für Schülerinnen und Schüler, die Physik nicht als Leistungs- und Abiturfach gewählt haben. Das Bohrsche Atommodell im Physik-Unterricht Das Bohrsche Atommodell mit seinen Erfolgen und Mängeln soll die Schülerinnen und Schüler in die komplizierte Beschreibung der Vorgänge in Atomen einführen. Am Beispiel des noch halbwegs "einfach" zu beschreibenden Wasserstoffatoms wird den Lernenden gezeigt, wie man sich die Vorgänge in der Atomhülle anschaulich vorstellen kann. Das Bohrsche Atommodell kann aufgrund der gut nachvollziehbaren Mathematik als Grundlage für die quantenmechanische Betrachtung des Wasserstoffatoms gesehen werden. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können insofern vorausgesetzt werden, dass im Rahmen der Elektrizitätslehre bereits die Gesetzmäßigkeiten in elektrischen Feldern einschließlich der Verläufe von Potentialen besprochen sind - und bei dieser Thematik wieder zum Tragen kommen. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas muss man darauf achten, dass die Erfolge und Mängel des Modells aufgezeigt werden. Die realistischen und experimentell in allen Bereichen bestätigten Abläufe können nur mittels der Quantenmechanik und der Einführung von Wahrscheinlichkeitswellen beschrieben und berechnet werden, was allerdings im Rahmen der für die Schule zur Verfügung stehenden mathematischen Mitteln nur eingeschränkt möglich ist. Anhand der aus der Elektrizitätslehre bekannten Abläufe in elektrischen Feldern und Potentialen können Gleichungen hergeleitet und angewendet werden, deren Ergebnisse in Teilen für das Wasserstoffatom auch experimentell bestätigt sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erhalten einen historischen Einblick in die Entwicklung der Atomvorstellung. wissen, dass das Bohrsche Atommodell nur in Teilen die Realitäten in einer Atomhülle widerspiegeln kann. können die Vorgänge in der Atomhülle des Wasserstoffatoms in grober Näherung beschreiben und berechnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. überprüfen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen ihrer Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.

In dieser Unterrichtseinheit erarbeiten sich Schülerinnen und Schüler, welche Gefahren beim Umgang mit elektrischem Strom bestehen. Während das Berühren der mit Gleichspannung betriebenen gängigen Akkus und Batterien weitestgehend ungefährlich ist, kann ein Kontakt mit dem Phasenleiter einer 230 V Wechselstromquelle im Haushalt unter bestimmten Bedingungen auch tödlich enden.Anhand bereits vorhandener Grundkenntnisse über Gleich- und Wechselspannung, Widerstände und Gesetzmäßigkeiten beim elektrischen Stromkreis werden die Lernenden mit den Gefahren, die von elektrischen Stromkreisen – vor allem aber mit Wechselstrom betriebenen Stromkreisen – ausgehen, bekannt gemacht. Dabei ist es besonders wichtig, die Bedeutung von Spannung und Stromstärke herauszuarbeiten, wobei die extreme und oft todbringende Gefahr von der Stromstärke hervorzuheben ist. Dies ist umso bedeutsamer, weil auch vermeintlich geringe Stromstärken ab etwa 30 mA bei entsprechend "langer" Einwirkungszeit von über 100 ms lebensgefährlich sein können. Die Lernenden erhalten dazu zunächst einen Informationstext. Anschließend bearbeiten sie ein Arbeitsblatt mit verschiedenen Übungsaufgaben zum Thema. Im Sinne des selbstgesteuerten Lernens können die Lernenden das Arbeitsblatt auch in Eigenearbeit bearbeiten und anschließend mit dem Lösungsblatt (inklusive Erklärungen) vergleichen. Schutzeinrichtungen bei Gefahren durch elektrischen Strom Die Gefahren, die von Hochspannungsleitungen, Trafos und der 15000 V Fahrleitung der Deutschen Bahn ausgehen, sind hinlänglich bekannt – und im Normalfall auch nicht zugänglich. Unterschätzt wird die häufig vom elektrischen Haushalt ausgehende Gefahr, wenn man eine neue Lampe anschließen will oder ein Elektrogerät reparieren möchte. Beides erfordert Fachwissen und sollte deshalb nicht von Laien durchgeführt werden. Für den Unterricht sollten sich Lehrkräfte ausreichend Zeit nehmen, um das nicht auf den ersten Blick erkennbare Gefahrenpotential der häuslichen Elektrizitätsversorgung zu verdeutlichen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können nur insofern vorausgesetzt werden, dass jede Schülerin und jeder Schüler beim Umgang mit elektrischen Geräten im Haushalt wissen sollte, dass es sich um Elektrogeräte handelt, die über die Steckdose betrieben werden – bereits im Kindesalter sollten sie auf die davon ausgehende Gefahr hingewiesen worden sein. Diese mit Wechselstrom betriebenen Geräte haben im Gegensatz zu mit Gleichstrom betriebenen kleinen Akkus oder Batterien ein erhebliches Gefahrenpotential. Didaktisch-methodische Analyse Bei aller Gefährlichkeit von großtechnisch erzeugtem Dreh- beziehungsweise Wechselstrom bei unsachgemäßer Handhabung ist dessen Bedeutung für unser tägliches Leben unbestritten, was man immer dann besonders spürt, wenn der Strom einmal etwas länger ausfällt. Insofern sollte die Gefahr zwar thematisiert, aber nicht überbewertet werden, weil die Gefahr bei sachgemäßer Handhabung dank der vorhandenen Sicherheitsvorkehrungen gegen Null geht. Die Lernenden sollten nach dieser Unterrichtseinheit in der Lage sein, die Gefahr von Strom aus der Steckdose richtig einzuschätzen. Gleichzeitig sollten sie Bescheid wissen über die im Haushalt vorhandenen Schutzmaßnahmen und deren Wirkweise. Die Lernenden lesen dazu zunächst einen Informationstext und bearbeiten anschließend ein Arbeitsblatt mit Übungsaufgaben. Die Lösungen können abschließend gemeinsam im Plenum besprochen werden oder die Schülerinnen und Schüler kontrollieren die Lösungen selbstständig mit dem Lösungsblatt. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die gesundheitlichen Gefahren, die von der häuslichen Elektrizitätsversorgung bei unsachgemäßer Handhabung beziehungsweise laienhafter Reparatur ausgehen können. verstehen die Funktionsweise von entsprechenden Schutzmaßnahmen im Haushalt. können auch rechnerisch nachvollziehen, welche lebensgefährlichen kleinen und großen Stromstärken über den menschlichen Körper bei Kontakt mit dem Wechselstromnetz fließen können. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.