Unterrichtsmaterialien → Astronomie Sekundarstufen

In dieser Unterrichtseinheit wird Schülerinnen und Schülern gezeigt, wie durch Windkraftanlagen die kinetische Energie des Windes in mechanische Arbeit umgewandelt wird, bevor daraus mithilfe von Generatoren elektrischer Strom erzeugt wird. Sie sollen dabei verstehen lernen, dass aus physikalischen Gründen maximal bis zu 59 Prozent der kinetischen Energie des Windes nutzbar sind, wodurch Windenergie einen sehr bedeutenden Beitrag zur klimafreundlichen Nutzung erneuerbarer Energien leisten kann. Windkraftanlagen können in allen Klimazonen genutzt werden – an Land (Onshore) und in Offshore-Windparks im Küstenbereich der Meere.Anhand von anschaulichen Abbildungen oder Animationen, beispielsweise aus dem Info-Artikel "Wie funktioniert eine Windkraftanlage?" , oder mithilfe zusätzlicher Videos werden die Lernenden in Bau- und Funktionsweise der heute gebräuchlichen Windkraftanlagen eingeführt. Ganz wesentlich für das Verständnis solcher Anlagen ist dabei das Auftriebsprinzip, mit dem die an den Rotorblättern vorbeiströmende Luft dafür sorgt, dass sich die Rotorblätter drehen können. Angelehnt an dieselben Gesetzmäßigkeiten wie bei einem Flugzeugflügel erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass dafür eine spezielle Form der Rotorblätter nötig ist – nämlich eine gewölbte Bauform, bei der sich durch die unterschiedlich schnell vorbeiströmende Luft oberhalb und unterhalb des Rotorblattes ein Unter- beziehungsweise Überdruck ergibt, der zum Auftrieb führt. Einordnung Windenergie wurde früher in Form von Windmühlen zum Mahlen von Getreide, Pressen von Oliven oder zum Sägen von Holz benutzt. Heute dient die Windenergie nahezu ausschließlich zur Erzeugung von Strom und hat als klimafreundliche Energiequelle bereits einen Anteil von rund 25 Prozent am Stromverbrauch Deutschlands erreicht. Ihr großer Vorteil liegt darin, dass Windkraftanlagen unabhängig sind von Klimazonen und sowohl an Land als sogenannte Onshore-Anlagen als auch auf dem küstennahen Meer als Offshore-Anlagen Tag und Nacht – bei entsprechendem Wind – betrieben werden können. Vorkenntnisse Windkraftanlagen kennt heute jedes Kind – die Funktionsweise der Übertragung der Windenergie auf die Rotorblätter und die physikalischen Gegebenheiten zur optimalen Ausnutzung dieser Energieform dürften allerdings bei Schülerinnen und Schülern als Vorkenntnisse kaum vorhanden sein. Didaktische Analyse Allein die Bedeutung der Windenergie für die dringend notwendige Verbesserung des Weltklimas sollte bei der Behandlung des Themas auf großes Interesse der Lernenden stoßen – hängt davon doch ganz wesentlich die Lebensqualität von künftigen Generationen ab. Deshalb sollte man zusammen mit der physikalischen Bearbeitung des Themas auch Zeit für Diskussion einplanen. Methodische Analyse Die Herleitung der physikalischen Formeln, die das Umwandeln der kinetischen Energie des Windes in elektrischen Strom beschreiben, sollte mit den mathematischen Kenntnissen der Sekundarstufe I gut machbar sein. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei – einmal mehr – physikalische Inhalte zu verstehen, die bei der Meinungsbildung in Hinblick auf die Energieerzeugung im 21. Jahrhundert von großer Wichtigkeit sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können Bau und Funktion von Windkraftanlagen beschreiben und erläutern. kennen die Gesetzmäßigkeiten bei der Umwandlung von Wind in Strom. wissen um die Bedeutung der Windenergie als erneuerbare Energieform für das Weltklima. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden 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 Unterrichtseinheit erfahren die Lernenden, dass es neben der Stromerzeugung mittels einer bewegten Leiterschleife in einem Magnetfeld auch möglich ist, allein durch die Änderung eines vorhandenen Magnetfeldes in einer Spule eine Spannung und damit Stromfluss zu induzieren.Dieses vom englischen Physiker Michael Faraday bereits im Jahr 1831 entdeckte physikalische Phänomen macht es möglich, anhand von Transformatoren Spannungen und Ströme auf entsprechende Beträge hinauf- oder hinunter zu transformieren, was heute vor allem in der Starkstromtechnik und der Energieübertragung, aber auch für das Laden von Kleinstgeräten an der heimischen Steckdose von essentieller Bedeutung ist. Ausgehend von einfachen Grundversuchen mit einem Permanentmagneten können Schülerinnen und Schüler leicht nachvollziehen, welche Wirkung eine Änderung der Stärke eines eine Spule durchsetzenden Magnetfeldes auf den entstehenden Stromfluss hat. Mit der Erweiterung auf einen Elektromagneten und der Möglichkeit, diesen an eine Wechselspannung anzuschließen, erhöhen die Lernenden ihr Wissen dahingehend, dass durch diese Wechselspannung in einer über einen gemeinsamen Weicheisenkern gekoppelte Induktionsspule zum einen ebenfalls eine Wechselspannung induziert werden kann und zum anderen diese Wechselspannung in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes und der Windungszahl der Spulen auf unterschiedliche Werte transformiert werden kann. Elektromagnetische Induktion – Stromerzeugung im ruhenden Leiter Das Vorhandensein von Stromquellen in Form von Batterien, Akkus oder Steckdosen ist heutzutage für uns alle eine Selbstverständlichkeit. Für die großtechnische Stromproduktion ist dabei die Umwandlung von magnetischer Energie in elektrische Energie - und umgekehrt – in Form der elektromagnetischen Induktion von entscheidender Bedeutung. Nur auf diese Weise lassen sich die für den Stromfluss nötigen Elektronen in Leitern in nahezu beliebiger Menge in Bewegung setzen und auf unterschiedliche Stromstärken und Stromspannungen transformieren. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden können nur insofern vorausgesetzt werden, dass der Strombegriff natürlich bekannt ist – einschließlich aller seiner Anwendungsmöglichkeiten im täglichen Leben. Die Vorgänge bei Gleichstrom liefernden Batterien beziehungsweise Akkus und Wechselstrom liefernden Steckdosen unter Einbeziehung der unterschiedlichen Elektronenbewegung dürfte für meisten Lernenden eher neu sein. Didaktische Analyse Die Erzeugung von Strom durch Generatoren in riesigen Kraftwerken sowie deren Weitertransport zu den vielfältigsten Verbrauchern über komplexe Netzstrukturen ist nicht zuletzt wegen der komplizierten Physik von Wechselstrom bzw. Drehstrom im Rahmen des normalen Schulunterrichts nur eingeschränkt zu vermitteln. Die Lernenden können aber trotz dieser Tatsachen durchaus dafür sensibilisiert werden, wie die Stromversorgung prinzipiell funktioniert. Methodische Analyse Die in der Sekundarstufe I vermittelbaren Kenntnisse zur Stromerzeugung sind in erster Linie auf grundlegende Beschreibungen und Erklärungen beschränkt. Ergänzende Übungsaufgaben wie etwa zu den einfachen Gesetzmäßigkeiten beim Transformator sind zwar möglich, zeigen aber nur sehr idealisiert die realen Zusammenhänge. Letztere können nur in entsprechenden Kursen im Rahmen der Sekundarstufe II in einem trotzdem noch eingeschränkten Rahmen angeboten werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen die unterschiedlichen Möglichkeiten der Stromerzeugung. wissen um die technische Bedeutung der Induktion im ruhenden Leiter. können die die Vorgänge bei der Stromerzeugung im ruhenden Leiter beschreiben und anhand der Lenz'schen Regel näher erläutern. 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 Mitschüler 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 Unterrichtseinheit entwickeln die Schülerinnen und Schüler ein Verständnis für die Voraussetzungen zur Erzeugung von elektrischem Strom, den wir ganz selbstverständlich der Steckdose entnehmen können. Den Lernenden wird dabei vermittelt, dass in einem Leiter, der senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt wird, die mit dem Leiter mitbewegten Ladungsträger senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt werden. Diese Erkenntnis des niederländischen Physikers Hendrik Anton Lorentz schuf Ende des 19. Jahrhunderts die Grundlagen für die technische Stromerzeugung, die bis heute gültig sind.Mit einfachen Versuchen mittels einer sogenannten Leiterschaukel werden die Schülerinnen und Schüler damit vertraut gemacht, wie die Ladungsträger des elektrischen Stromes – die Elektronen – in einem Leiter je nach Bewegungsrichtung des Leiters abgelenkt werden. Somit baut sich an den Leiterenden eine Spannungsdifferenz auf und bei Verbindung der Leiterenden durch ein dünnes Kupferkabel entsteht ein mit einem Messgerät feststellbarer Stromfluss. Ebenso lässt sich ganz leicht zeigen, dass sich durch das sich selbst überlassene schaukelartige Hin- und Herschwingen des Leiters die Stromrichtung periodisch ändert; daraus entsteht eine Wechselspannung und somit Wechselstrom. Strom aus der Steckdose – wie funktioniert das eigentlich? Strom aus der Steckdose ist für Schülerinnen und Schüler eine Selbstverständlichkeit. Doch dass es sich dabei um Wechselstrom handelt, welcher Unterschied zwischen Wechselstrom und Gleichstrom besteht, warum manchmal Wechselstrom nötig ist und manchmal aber auch Gleichstrom notwendig ist – das dürfte für viele Lernende neu und interessant sein. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse der Lernenden sind trotz der Kenntnis, dass der Strom für fast alle Haushaltsgeräte aus der Steckdose kommt und dass dieser Strom in Kraftwerken mit riesigen Generatoren erzeugt wird, kaum vorhanden. Dazu fehlt das Wissen, um die eigentlichen Vorgänge, die innerhalb des stromführenden Leiters ablaufen, zu beschreiben. Didaktische Analyse Die Grundlagen für die weiterführenden Themen in der Sek II – wie etwa die Vorgänge und Gesetzmäßigkeiten bei der elektromagnetischen Induktion – werden durch die einfachen Versuche zur Lorentzkraft gelegt. Haben die Lernenden diese Zusammenhänge verstanden, kann mit diesem Grundwissen auch der weiterführende Stoff gut verstanden werden. Methodische Analyse Durch die einfach durchzuführenden und nachzuvollziehenden Versuche mit der Leiterschaukel, die von den Lernenden gefahrlos selbst ausprobiert werden können, kann sowohl ein schneller Lernerfolg generiert werden als auch ein nachhaltiges Interesse an der Elektrizitätslehre. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Zusammenhänge bei der Ablenkung von Elektronen im Magnetfeld. können die Entstehung einer Wechselspannung mithilfe der Lorentzkraft beschreiben. kennen die Bedeutung der Lenz'schen Regel für die Stromerzeugung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden diskutieren zu können.