Unterrichtsmaterialien → Physik Sekundarstufen

In der folgenden Unterrichtseinheit wird der Einstieg in die Vektoraddition anhand von statischen Kräften für die Sekundarstufe I vorgestellt. Dabei wird ausgehend von einfachen Beispielen gezeigt, wie zwei oder mehrere an einem gemeinsamen Punkt angreifende Kräfte mittels einer vektoriellen Aneinanderreihung durch Kräfteparallelogramme zu einem resultierenden Kraftvektor zusammengefasst werden können.Die Unterrichtseinheit dient dem Einstieg in die Vektoraddition am Beispiel von Kräften im Physikunterricht der Klasse 8 bis 10. Mit einer zeichnerischen Lösung unter Zuhilfenahme gegebener Größen wie Länge der Kraftvektoren im entsprechenden Maßstab und den jeweiligen Winkeln zwischen den Kraftvektoren lernen Schülerinnen und Schüler den resultierenden Kraftvektor selbst zu konstruieren. Mit einer Computersimulation (Vorschläge siehe externe Links) lassen sich die eigenen Ergebnisse kontrollieren und durch Veränderung von Beträgen, Richtungen und gegebenenfalls der Zahl von Einzelkräften nahezu beliebig erweitern. Es wäre von großem Vorteil, wenn dazu jedem Lernenden ein Computer zur Verfügung stehen würde.Der Begriff der Kraft als vektorielle Größe kann mithilfe von Arbeitsblatt 01 eingeführt oder wiederholt werden. Kurze Beschreibungstexte und Abbildungen zeigen die Addition von gleichgerichteten Kräften, die Addition von entgegengesetzt gerichteten Kräften, dem Kräfteparallelogramm bei Kräften unterschiedlicher Richtung sowie die Zerlegung von Kräften. Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass zu einer Kraft sowohl der Betrag als auch die Richtung und die Orientierung längs der Richtung gehören. Sie haben bereits erläutert, wie sich zwei Kräfte zu einer Gesamtkraft zusammensetzen lassen, sehen aber in den Augen der Klasse immer noch jenes Flackern, welches untrüglich ein gewisses Maß an Unverständnis signalisiert? Dann ist der Zeitpunkt für den Einsatz dieser Unterrichtsstunde gekommen! Vereinbaren Sie für die nächste Physikstunde ein Treffen im Computerraum. "Freies Spielen" mit der Simulation Es ist wichtig, dass jede Schülerin und jeder Schüler einen eigenen PC zur Verfügung hat, weil sonst der gemeinsame Lernfortschritt nicht garantiert ist. Im einfachsten Fall gehen Sie auf die Website von PhET und lassen die Schülerinnen und Schüler mit der Simulation "spielen".Die Schülerinnen und Schüler können in einfachen Zusammenhängen Kräfte als Vektoren darstellen und Darstellungen mit Kraftvektoren interpretieren. stellen Daten (Summenkraft) in sinnvoll skalierten Diagrammen von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar.

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.