Unterrichtsmaterialien zum Thema "Elektrizitätslehre"

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Reihenschaltung von Widerständen

Unterrichtseinheit

Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten mithilfe eines interaktiven Lerntools die für die Hintereinanderschaltung zweier Widerstände geltenden Gesetzmäßigkeiten.Zur Konsolidierung ihres Wissens lösen die Lernenden im Anschluss an die Arbeit mit dem virtuellen Experiment verschiedene Anwendungsaufgaben. Neben dem selbstgesteuerten Arbeiten wird durch gestaffelte Hilfen auch eine innere Differenzierung ermöglicht. Das interaktive Experiment, die Anwendungsaufgaben wie auch die Hilfen werden den Lernenden dabei in Form eines Selbstlerntools zur Verfügung gestellt, das mit der Software ?Mediator? realisiert wurde. Das virtuelle Experiment ? eine interaktive Flash-Animation - wurde an der Physik-Didaktik der Universität Bayreuth entwickelt. Unterrichtsverlauf und Materialien Hinweise zum Ablauf der Unterrichtseinheit. Ein Screenshot vermittelt einen Eindruck vom virtuellen Messplatz. Alle Materialien können Sie hier auch einzeln herunterladen. Besonderheiten der Unterrichtseinheit Ein virtuelles Experiment wird dem Realexperiment vorgezogen Die Schülerinnen und Schüler sollen wissen, dass bei zwei hintereinander geschalteten Widerständen die Summe der Teilspannungen der Gesamtspannung entspricht. die Berechnungsgleichung des Gesamtwiderstandes bei zwei in Reihe geschalteten Teilwiderständen kennen. wissen, dass sich bei einer Reihenschaltung von zwei Widerständen die anliegenden Teilspannungen wie die entsprechenden elektrischen Widerstände verhalten. wissen, dass ein elektrisches Gerät, das eigentlich für eine kleinere Spannung ausgelegt ist, mithilfe eines geeigneten Vorwiderstandes dennoch betrieben werden kann. die Größe des zum Betrieb eines Bauteils notwendigen Vorwiderstandes bestimmen können. den Einsatz von Vorwiderständen unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Faktoren bewerten können. Thema Reihenschaltung von Widerständen Autor Patrik Vogt Fach Physik Zielgruppe Klasse 8-10 Zeitraum mindestens 2 Stunden Technische Voraussetzungen Beamer, Präsentationsrechner, Computer in ausreichender Anzahl (Einzel- oder Partnerarbeit), 9-Volt-Batterie, 3,8-Volt-Lampe mit Fassung, Auswahl an Widerständen, Experimentierkabel Planung Reihenschaltung von Widerständen Einstieg in das Thema - die Beamer-Lampe Zur Entwicklung der Problemfrage der Unterrichtseinheit stellt die Lehrperson folgenden Sachverhalt dar: "In Beamern werden Halogenlampen verwendet, die für eine Spannung von 24 Volt ausgelegt sind." Auf die Frage, ob eine solche Lampe unmittelbar an das Stromnetz (230 Volt) angeschlossen werden könne, wird eine Schülerin oder ein Schüler aufgrund des Vorwissens antworten, dass dies nicht möglich sei. Im Unterrichtsgespräch wird die Lösung des Problems von den Lernenden erarbeitet beziehungsweise von den Lernenden genannt: Mithilfe eines Widerstandes, den man mit der Lampe in Reihe schaltet, "verringert" man die Spannung und "schützt" somit die Lampe. Berechnung des Vorwiderstandes Dieser Hinweis führt unmittelbar zur Problemfrage der ersten Unterrichtsstunde, die an der Tafel fixiert wird: "Wie kann man die Größe eines Vorwiderstandes berechnen?" Zur visuellen Unterstützung kommt in dieser Phase eine Folie zum Einsatz ("reihenschaltung_r_einstieg.pdf", Präsentation per Beamer oder Overheadprojektor). Den Lernenden wird das Experimentiermaterial für ein Analogieexperiment vorgestellt (das später von zwei Lernenden als Demonstrationsexperiment vorgeführt wird). Die Lehrperson informiert die Schülerinnen und Schüler über folgende Punkte: Vorstellung des Lerntools und seiner Funktionen (per Beamer) Hinweise zum Umgang mit den Hilfen und Lösungen aus dem Lerntool Zielvorgabe für die erste Unterrichtsstunde ("reihenschaltung_r_arbeitsblatt.pdf", Aufgabe 1) Zeitvorgabe (Erarbeitung bis zehn Minuten vor Ende der ersten Unterrichtsstunde) Wo finden die Lernenden die Simulation? - Mitteilung von Dateipfad und -name (Reihenschaltung.exe) Virtuelles Experiment - Einzel- oder Partnerarbeit Die Lernenden führen das virtuelle Experiment durch ("reihenschaltung_r_selbstlerntool.zip", Start des Programms durch "Reihenschaltung.exe"), protokollieren ihre Ergebnisse (reihenschaltung_r_arbeitsblatt.pdf) und erarbeiten daraus die Gesetzmäßigkeiten für die Reihenschaltung von Widerständen. Aus dem Bauteilkasten können verschiedene Widerstände in die Schaltung hineingezogen und per Klick auf das Tintenfass die jeweiligen Messwerte protokolliert werden. Die Messwerte erscheinen im "Ausdruck" des virtuellen Druckers. Eine Kurzbeschreibung der Funktionalitäten des virtuellen Messplatzes zur Reihenschaltung von Widerständen finden Sie auf der Website der Universität Bayreuth, die noch weitere interaktive Materialien zu bieten hat. Beachten Sie, dass die Programme auf der Homepage der Didaktik der Physik auf lange Sicht aktualisiert werden. Besprechung der Schülerergebnisse Im Unterrichtsgespräch werden die Ergebnisse des interaktiven Experiments besprochen. Die Schülerinnen und Schüler nennen die aufgestellten Gleichungen, welche von der Lehrperson an der Tafel fixiert und von den Lernenden gegebenenfalls korrigiert werden ("reihenschaltung_r_tafelbild.pdf", Tafelbild A). Zur Beantwortung der Ausgangsfrage wird die Lösung zu Aufgabe 1 (siehe "reihenschaltung_r_arbeitsblatt.pdf) von einer Schülerin oder einem Schüler vorgestellt und ebenfalls an der Tafel fixiert ("reihenschaltung_r_tafelbild.pdf", Tafelbild B). Auf der Grundlage des berechneten Vorwiderstandes führen nun zwei Lernende das Analogieexperiment als Demonstrationsversuch vor. Reflexion: Sind Vorwiderstände immer sinnvoll? Unter Nutzung ihres physikalischen Fachwissens bewerten die Schülerinnen und Schüler den Einsatz von Vorwiderständen. Dabei sollen sie ökonomische und ökologische Faktoren berücksichtigen. In der zweiten Unterrichtsstunde bearbeiten die Schülerinnen und Schüler die restlichen Aufgaben. Durch die bereitgestellten Hilfen können sie völlig selbstständig arbeiten und ihr Lerntempo frei bestimmen. Lediglich offene Fragen werden abschließend im Unterrichtsgespräch diskutiert und beantwortet. Möchte man im Unterricht die Hintereinanderschaltung zweier Widerstände im Realexperiment in Partner- oder Gruppenarbeit untersuchen lassen, so stößt man erfahrungsgemäß auf zwei große Schwierigkeiten: In den meisten Physiksammlungen sind nicht ausreichend Spannungsmessgeräte vorhanden. (Um zügig arbeiten zu können, benötigt jede Gruppe mindestens zwei Spannungsmesser!) Das Auswechseln der Widerstände und das Messen der Spannungen würde viel Zeit in Anspruch nehmen, so dass die zur Verfügung stehende Zeit kaum ausreichen würde. Wichtig: Abgrenzung des virtuellen vom realen Experiment Wurden noch keine virtuellen Experimente im Physikunterricht eingesetzt, müssen diese von den Qualitäten des Realexperiments deutlich abgegrenzt werden: Im Gegensatz zum virtuellen Experiment, das eine Frage an die der Programmierung zugrunde liegende Mathematik richtet, stellt das Realexperiment stets eine Frage an die Natur. Es ist also unmöglich, aus einem virtuellen Experiment eine Theorie abzuleiten oder zu bestätigen, diese wurde schließlich bereits "einprogrammiert". Allein das Realexperiment kann Prüfstein von naturwissenschaftlichem Wissen sein. Diese herausragende Rolle des "echten" Experiments innerhalb des physikalischen Erkenntnisprozesses muss den Lernenden immer wieder bewusst gemacht werden. Dennoch hat das interaktive Experiment seine Berechtigung, und zwar immer dann, wenn Versuche zu schnell oder zu langsam ablaufen oder - wie auch in diesem Fall - wenn das notwendige Experimentiermaterial nicht verfügbar ist. Im Fokus: Erfassung und Auswertung von Daten Nicht zuletzt rechtfertigt sich der Einsatz des virtuellen Experimentes in der hier vorgestellten Unterrichtseinheit auch dadurch, dass die Erfassung und die Auswertung von Datenmaterial im Zentrum des Unterrichtsgeschehens stehen. Hierbei handelt es sich um Kompetenzen, die von den Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss gefordert werden und die mit der eingesetzten Simulation ausgezeichnet vorangetrieben werden können. Durch die Bereitstellung der verschiedenen Hilfestellungen können alle Lernenden beziehungsweise alle Teams die Lösungshinweise - entsprechend ihren Fähigkeiten - selbstständig abrufen, wodurch neben der Realisierung von selbstgesteuertem Arbeiten eine innere Differenzierung erreicht wird. Während der Lernsequenz ist es nicht zwingend notwendig, dass alle Schülerinnen und Schüler das komplette Aufgabenpensum abarbeiten, woraus sich eine weitere Differenzierungsmöglichkeit ergibt. Der Abruf der Hilfen aus dem Lerntool ist komfortabel, jederzeit wiederholbar und - da keine Kopien anfallen - kostenneutral.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe I

Der Effektivwert einer Wechselspannung

Unterrichtseinheit

Wie kam die Band AC/DC eigentlich zu ihrem Namen? Und was hat das mit Physik zu tun? Antworten auf diese Fragen liefert ein fiktiver Dialog zwischen Mutter und Tochter, die dabei eine ganze Menge über den Wechselstrom lernt.Der den Schülerinnen und Schülern als Ausdruck zur Verfügung gestellte Dialog provoziert eine Menge von Fragen, die mehrere Fächer betreffen. Im Vordergrund geht es dabei um Wechselströme. Die Begriffe Frequenz, Effektivwert, Amplitude, Leistung können mit und ohne die Hilfe der Lehrperson erarbeitet werden. Nebengründig werden dabei aber auch die Musikszene und die Internetplattform YouTube angesprochen, ebenso wie biologische (zeitliches Auflösungsvermögen menschlicher und tierischer Augen) und philosophische Fragen zur Erkenntnistheorie.Dieser Beitrag bietet keine vollständig ausgearbeitete Unterrichtseinheit. Der hier für den Einstieg in das Thema Wechselstrom zur Verfügung gestellte Dialogtext kann als Ausgangspunkt für ganz verschiedene Herangehensweisen (Inhalte und Unterrichtsform) dienen, die dieser Beitrag nur kurz skizziert. Einsatz im Unterricht Möglichkeiten der fächerübergreifenden Arbeit mit dem Einstiegstext im Unterricht werden hier dargestellt. Er eignet sich auch als Ausgangspunkt für Referate und Projektarbeiten. YouTube: AC/DC - High Voltage Für den Einstieg in das Thema Wechselstrom können Sie hier den Song "High Voltage" der Rockband AC/DC abspielen. Zu sehen ist leider nur das Cover des Albums. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die wesentlichen Unterschiede zwischen Gleich- und Wechselstrom erklären können. für Wechselströme die Begriffe Effektivspannung, Effektivstrom, Scheitelwerte und Frequenz im Zusammenhang mit der Leistung erklären können. aus dem Effektivwert einer Wechselspannung den Scheitelwert berechnen und damit die Vorgaben eines Diagramms kontrollieren können. die Frequenz der Helligkeitsschwankungen einer an der Wechselspannung anliegenden Glühbirne angeben und begründen können. die erstaunliche Reaktionsfähigkeit von Fliegen mithilfe des zeitlichen Auflösungsvermögens ihrer Wahrnehmung erklären können. sich bewusst machen, dass die menschliche Sicht der Welt nicht die allein mögliche ist. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Vor- und Nachteile von allgemein zugänglichen Internetplattformen benennen können und für urheberrechtliche Fragen und Probleme sensibilisiert werden. Thema Der Effektivwert einer Wechselspannung Autor Rainer Wonisch Fächer Physik; fächerverbindende Aspekte: Sozialwissenschaften, Biologie, Philosophie Zielgruppe Klasse 9, Jahrgangsstufe 11 Zeitraum etwa 10-20 Minuten für den Einstieg mit dem Dialogtext; 4-8 Stunden für eine vollständige Unterrichtseinheit zum Thema, abhängig vom Einsatz der fächerverbindenden Ergänzungsmöglichkeiten Technische Voraussetzung Rechner mit Internet-Browser für je zwei Lernende (gegebenenfalls zur Nutzung eines Java-Applets zu Wechsel- und Gleichspannung in Partnerarbeit), Lehrerrechner mit Beamer und Lautsprecher (Präsentation eines YouTube-Videos), Java-Runtime-Enviroment (kostenfreier Download) Der als Aufhänger für eine Unterrichtseinheit dienende Text (ac_dc.pdf) soll den Schülerinnen und Schülern in ausgedruckter Form zur Verfügung gestellt werden. Nachdem sie den Text gelesen haben, werden alle Fragen, Anregungen und Einwürfe gesammelt und anschließend nach Themenbereichen geordnet. Je nach ihren Interessen, den Möglichkeiten der Schule und der Offenheit des Kollegiums für einen fächerübergreifende Unterricht, für gemeinsames Unterrichten oder Projektarbeiten, kann mit der aus dem fiktiven Gespräch hervorgegangenen Themensammlung auf ganz verschiedene Art und Weise weiter gearbeitet werden. Physik: Wechselspannung Auch wenn Sie den Text in erster Linie als "netten Einstieg" in das Gebiet der Wechselspannung einsetzen möchten, sollten Sie das YouTube-Video zu AC/DC im Unterricht nutzen (Präsentation per Beamer). Die Schülerinnen und Schüler wären ansonsten zu enttäuscht. Die Behandlung des zeitlichen Auflösungsvermögens der menschlichen Augen und die philosophischen Überlegungen (siehe unten) können dann im Unterrichtsgespräch mehr oder weniger ausführlich angesprochen werden. Unter Links zu den Themen des Artikels finden Sie geeignete Internetadressen, die die Bearbeitung der physikalischen und nichtphysikalischen Aspekte unterstützen. Sozialwissenschaften: YouTube & Co. Sind Sie als Physiklehrkraft auch an soziologischen Fragen interessiert, so bietet sich die Besprechung von Internetplattformen wie YouTube und ihren Missbrauchsmöglichkeiten an. Ihre Schülerinnen und Schüler werden Sie mit weiteren Plattform-Beispielen überschütten. Neben den Problemen des Urheberrechtes (siehe Zusatzinformationen) bieten solche Plattformen Ansatzpunkte für viele weitere Probleme. Steht im Stundenrahmen der Physik dafür nicht genügend Zeit zur Verfügung, könnte man versuchen eine Kollegin oder einen Kollegen aus den Sozialwissenschaften zu motivieren, dieses Thema parallel in ihrem Unterricht anzusprechen. Biologie: Das zeitliche Auflösungsvermögens von Augen Interessieren Sie sich auch für die biologischen Aspekte des fiktiven Gesprächs, so können Sie der Behandlung des zeitlichen Auflösungsvermögens von Augen einen zweiten Schwerpunkt widmen - entweder direkt im Physikunterricht oder parallel dazu, nach Absprache mit der Kollegin oder dem Kollegen, im Biologieunterricht. Wenn Sie der Meinung sind, dass in den Physikunterricht auch philosophische Aspekte miteinbezogen gehören, dann könnten Sie anregen, dass interessierte Schülerinnen und Schüler mithilfe des Materials (Internetrecherche) ein Referat erarbeiten und zu einem geeignetem Zeitpunkt vortragen. Finden Sie alle fächerverbindenden Aspekte behandlungswürdig, so bietet sich eine Projektarbeit an.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II