Unterrichtsmaterialien → Physik Sekundarstufen

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die Funktionsweise einer Brennstoffzelle kennen, wobei auf die verschiedenen Herstellungsverfahren des Wasserstoffs in Bezug auf die Nachhaltigkeit eingegangen wird. Außerdem wird Wasserstoff hinsichtlich einer möglichen zukünftigen Antriebstechnologie beleuchtet.Diese Unterrichtseinheit kann in den Rahmenlehrplan der Sekundarstufe II eingeordnet werden. Thematisch orientiert sie sich dabei an den aktuell auch politisch stark diskutierten Themen der Nachhaltigkeit und der Sicherung der Energieversorgung. Im Detail wird hier auf elektrochemische Prozesse im Alltag und Energiewandlungssysteme eingegangen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Funktionsweise der Wasserstoffbrennstoffzelle für Personenkraftwagen gelegt. Die schon lange bekannte Elektrolyse von Wasser, als ein zukünftig wichtiges Herstellungsverfahren des Wasserstoffs, wird in diesem Zusammenhang ebenfalls betrachtet. Die Aspekte der Nachhaltigkeit werden in weiterführenden Aufgabenstellungen diskutiert. Hierbei lernen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Herstellungsverfahren in Hinblick auf die Umweltverträglichkeit zu bewerten. In einigen Aufgabenstellungen wird dabei die eigene Recherchefähigkeit entwickelt und verbessert. Energieträger der Zukunft Vor allem hinsichtlich des stetig steigenden Bedarfs an Energie und der Aktualität in der Gesellschaft gewinnt Wasserstoff als möglicher Energieträger der Zukunft an Relevanz. Die fossilen Brennstoffe stehen zunehmend in der Kritik, weswegen eine frühzeitige Sensibilisierung der Schülerinnen und Schüler für dieses Thema wichtig ist. Hinsichtlich der Dringlichkeit der Energiewende und dem damit verbundenen Vorsatz der deutschen Bundesregierung, die Kohlenstoffdioxidemissionen zu reduzieren, sollte diese Thematik ebenfalls in den Schulunterricht eingebunden werden. Curriculum und Vorwissen Die Unterrichtseinheit ist ideal für den Chemieunterricht der Sekundarstufe II geeignet. Sie kann für den Kontext "Energie und chemische Reaktionen" genutzt werden und bezieht sich dabei vor allem auf die Rahmenlehrpläne der Länder Berlin, Brandenburg und Nordrhein-Westfalen. Die Einheit kann aber ebenso fächerübergreifend als Exkurs im Fach Physik eingesetzt werden. Für die Bearbeitung der Aufgaben sollte ein gewisses chemisches Grundlagen-Wissen, wie beispielsweise das Aufstellen von Reaktionsgleichungen sowie eine grundlegende textsortenspezifische Lesekompetenz von Fachtexten, vorhanden sein. Weiterhin sind keine Vorkenntnisse notwendig, da die Arbeitsblätter relevante Informationen zur Bearbeitung der Aufgaben liefern. Unterrichtsablauf und Lehrinhalte In der ersten Doppelstunde wird zunächst in das Thema Wasserstoff eingeleitet, wobei in erster Linie auf die Darstellung im Labor sowie die Herstellung durch Elektrolyse von Wasser eingegangen wird. Wahlweise kann hier auch der Hofmannsche Zersetzungsapparat besprochen werden. Im weiteren Verlauf werden verschiedene großtechnische Herstellungsmethoden in Hinblick auf den Umwelteinfluss besprochen. Insbesondere sollte dabei die kritische Betrachtung der Nutzung von Energie behandelt werden. Im Anschluss erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler allgemeine Informationen über die Wasserstoff-Brennstoffzelle in Still- oder Paararbeit. An dieser Stelle kann die Funktionsweise anhand eines veranschaulichenden Videos thematisiert werden. Schüleraktivierung und Binnendifferenzierung Die Unterrichtseinheit bietet ausreichend Möglichkeiten, darbietenden Unterricht und aktive Mitgestaltung durch Schülerinnen und Schüler zu variieren. Sie ist realitätsnah gestaltet und bietet außerdem höchste Aktualität. Mögliche Differenzierung: Mit den Arbeitsaufträgen kann flexibel umgegangen werden. Es besteht die Möglichkeit, aus verschiedenen Schwierigkeitsstufen zu wählen und einzelne Aufgaben herauszunehmen oder als Hausaufgabe zu vergeben. Die Bewertungsaufgabe (Arbeitsblatt 2, Aufgabe 5) kann als Grundlage für eine methodische Diskussion herangezogen werden. Weiterführend zu dieser Unterrichtseinheit können Lithium-Ionen-Batterien als Pendant zur Brennstoffzelle oder weitere Energiespeicherformen thematisiert und ergänzt werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Vorgänge bei der Wasserelektrolyse. lernen die komplexe Funktionsweise einer Brennstoffzelle kennen. bewerten die Relevanz der angewandten Chemie hinsichtlich der Energieversorgung. können Phänomene der Stoff- und Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen erklären. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler stärken ihre Fähigkeit, den Computer für die Recherche zu nutzen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können kritisch hinterfragen. können in einer Diskussion das Für und Wider betrachten. können ihr Wissen auf fächerübergreifende Problemstellungen anwenden.

Die Unterrichtseinheit führt in den Aufbau und die Funktionsweise von Wärmepumpen und dabei auch auf ihre verschiedenen Arten (Sole-Wasser-, Wasser-Wasser- und Luft-Wasser-Wärmepumpe) in drei Teilen ein. Kreativ festigen die Schülerinnen und Schüler das Erlernte durch Neu-Vertonung eines Erklärfilms. Lehrkräften stehen hierzu drei Arbeitsblätter mit Lösungen zur Verfügung. Erneuerbare Energien Die Begriffe " Erneuerbare Energien ", "Fossile Energien" und "Energie" kennen die Schülerinnen und Schüler bereits aus dem Alltag und eventuell anderen Schulfächern. Deswegen wird vorab das Grundwissen zum Thema "Erneuerbare Energien" abgefragt. Das kann im Plenum erfolgen. Anschließend werden die Begriffe sortiert und in eine Reihenfolge gebracht (zum Beispiel: Welche erneuerbare Energie wird am meisten genutzt, welche weniger?). Wärmepumpen und Klimaschutz Im nächsten Teil der Unterrichtseinheit erwerben die Schülerinnen und Schüler ein erweitertes Verständnis über die Funktion und den Aufbau einer Wärmepumpe und was eine Wärmepumpe mit nachhaltiger Energie zu tun hat. Als Einstieg kann die Aussage des Bundesverbandes Wärmepumpe e. V. genutzt werden: "Mit der Wärmepumpe heizen Sie klimafreundlich und zukunftssicher". Hier bietet sich die Think-Pair-Share-Methode an. Die Gruppenmitglieder diskutieren abschließend ihre Aussagen und Ergebnisse. Die Aussage zum Schluss soll zum Ende der Unterrichtseinheit nochmal verglichen werden. Im nächsten Teil des Unterrichtsverlaufes erhalten die Schülerinnen und Schüler die bereitgestellten Arbeitsblätter und erarbeiten sich das Thema Wärmepumpe mit den Aufgabenblättern und den darin enthaltenen Film-Tipps. In dieser Phase erwerben die Schülerinnen und Schüler Wissen über den Aufbau und die Wirkungsweise einer Wärmepumpe. Sie erfahren, dass zur Wirkungsweise ein geschlossener Kreislauf aus einem Verdichter, einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil gehören. Den Lernenden wird bewusst, dass diese Technik auch bei einem Kühlschrank angewendet wird, nur andersherum. Hintergrundinformation Das Grundprinzip, der Joule-Thomson-Effekt, wurde bereits im 19. Jahrhundert von dem Physiker William Thomson, dem späteren Lord Kelvin gefunden. Der Joule-Thomson-Effekt bewirkt die Abnahme der Temperatur bei realen Gasen, wenn diese gegen einen geringeren Druck ausdehnen. Vorab wird das gasförmige Arbeitsmittel im Verdampfer durch eine Pumpe verdichtet, dadurch wird die Temperatur erhöht. Diese Wärme wird in einem Wärmekreislauf abgegeben, um damit ein Gebäude zu heizen. Anschließend strömt das Gas zu einem Expansionsventil, der Druck wird verringert und die Siedetemperatur sinkt. Temperatur ist also nichts anderes als Bewegungsenergie, sie nimmt zu, je wärmer es wird, da sich die Teilchen schneller bewegen müssen. Sie nimmt ab, wenn das Volumen sich vergrößert und somit die Abstände der Gasteilchen zunehmen. Film ab! Wärmepumpe neu vertont Im weiteren Verlauf der Unterrichtseinheit wird ein Film zur Wärmepumpe mit eigenen Worten neu vertont – per App und Schnittprogramm oder aber, indem parallel zum stummgeschalteten Film der eigens erstellte Text vorgetragen wird. Alternativ kann ein Erklärfilm (im Rahmen einer Projektarbeit oder -woche) selbst (im schulischen Computerraum) erstellt und präsentiert. Weiterhin ist auch das Produzieren eines Podcast möglich. Zur Hilfe kann dabei auf dem zweiten Arbeitsblatt der Text zur Funktionsweise einer Wärmepumpe genommen werden, der die wichtigsten Abläufe Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Entspannen des Kältemittels kurz erklärt. Abschließend werden die Aussagen der Gruppenmitglieder, die am Anfang der Unterrichtseinheit festgehalten worden sind, noch einmal verglichen oder revidiert.Ein Drittel der Energie verbraucht Deutschland für das Heizen und die Warmwasserbereitung. Aktuell herrschen Öl- und Gasheizungen vor. Diese gehören noch zu den fossilen Energieträgern. Gerade jetzt, in der aktuellen Energiekrise, stellt man fest, wie abhängig Deutschland von den fossilen Energien ist. Eine Klimawende kann aber nur mit umweltschonender Heizung gelingen. Deswegen plant die Bundesregierung die Installation von Wärmepumpen zu fördern. Hierzu werden Anlagemechaniker/-innen für Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik benötigt, die die Heizungstechnik auf den neuesten Stand bringen müssen, auch bei der Planung und dem Einbau von Wärmepumpen. Im Rahmen dieser Unterrichtsreihe soll das Heizen mit der Wärmepumpe besprochen und vertieft werden. Deswegen ist es wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler wissen, welche Aggregatzustände es gibt. Außerdem sollte bekannt sein, dass es unterschiedliche Energien gibt und wie diese auf vielfältige Weise gespeichert werden können. Energieumwandlungen treten bei allen Vorgängen in der Natur sowie in der Technik auf und tragen dadurch entscheidend zu Alltag und Umwelt bei. In dieser Unterrichtsreihe sollen die Merkmale des guten Unterrichts umgesetzt werden. Das setzt unter anderem eine Regulierung des Lerntempos und der Methodenvielfalt voraus. Dazu gehört die Arbeit im Plenum, kooperatives Lernen wie Think-Pare-Share und Kreativitätsmethoden wie das Erstellen von Texten, Videos oder Podcasts. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben regenerative Wärmequellen und wie diese genutzt werden. können erklären, wie eine Wärmepumpe funktioniert. übertragen ihr Wissen auf nachhaltiges Handeln in der Industrie und im Haushalt. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen verschiedene digitale Werkzeuge und deren Funktionsumfang kennen und können diese kreativ und reflektiert einsetzen. können Informationsrecherchen zielgerichtet durchführen und dabei Suchstrategien anwenden. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten kooperativ im Plenum und in Gruppenarbeiten.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler den Elektromotor und dessen Bedeutung für den Fortschritt im Automobilbau kennen. Durch Aufgaben und Versuche wird die Funktionsweise verschiedener E-Motorenarten erklärt und veranschaulicht.Die Unterrichtseinheit "Ohne Motor läuft nichts: Motortyp Elektromotor" führt die Schülerinnen und Schüler mittels drei aufeinander aufbauender Arbeitsblätter in das Themenfeld Elektromotoren ein. Zum Einstieg werden die Schülerinnen und Schüler in der ersten konzipierten Stunde mit dem Thema Magnetismus in ihrer Lebenswelt abgeholt. Dabei arbeiten sie sowohl einzeln als auch in Zweier-Konstellationen sowie in Kleingruppen. Es bleibt demnach viel Raum zum Durchführen eigener Versuche und zum Herleiten eigener Erkenntnisse. Das Thema Magnetismus wird anschließend vertieft und leitet in der zweiten Stunde zum Elektromagnetismus über. Hier findet unter anderem auch eine intensive Einbindung der Frage statt: Welche Bedeutung haben Elektromotoren in unserem und für unseren Alltag? Beide Stunden aktivieren die Schülerinnen und Schüler durch mehrere Versuche und nehmen so eventuelle Berührungsängste mit dem Thema Elektrik. Die dritte konzipierte Stunde schließlich eignet sich vor allem für Schülerinnen und Schüler, die bereits ein vertieftes Interesse an der Materie zeigen oder sich durch besondere Vorkenntnisse auszeichnen. Hier wird eine spezielle Art von Elektromotoren, nämlich der Drehfeld-Elektromotor, vertieft. Auch ist hier das verwendete Vokabular bereits deutlich spezialisierter.Um sich dem für Schülerinnen und Schüler doch recht komplexen Thema Elektromotor langsam anzunähern, beginnt die Unterrichtseinheit mit dem Thema Magnetismus. Dieses ist den Schülerinnen und Schülern aus der eigenen Lebenswelt bekannt und mit dem vorhandenen Wissenshorizont gut erfassbar. Weiterhin liefert es Möglichkeiten für anschauliche Experimente. So werden mittels eines Versuchs Magnetfeldlinien sichtbar gemacht – ein leicht durchzuführendes Experiment, das sehr gut visualisiert und an das sich weiterführende Versuche anschließen lassen. Es erfolgt im Anschluss der Transfer vom Permanent- zum Elektromagneten. Dies geschieht mit einem weiteren Experiment, das dazu geeignet ist, eventuelle Berührungsängste mit dem Thema Elektrizität abzubauen. Als Arbeitsformen schlägt die Unterrichtseinheit sowohl Paar- als auch Kleingruppenarbeit vor. Die Lehrkraft übernimmt Einleitung, Abschluss und eventuell eine Hinführung zur Thematik, nimmt sich dann aber weitestgehend zurück. In einem nächsten Schritt wird anschließend der Elektromotor – eine Kombination aus Permanent- und Elektromagneten – beschrieben. Für den Einstieg werden die Lernenden erneut in ihrer eigenen Lebenswelt abgeholt, indem sie benennen, an welchen Stellen sich in einem Kraftfahrzeug Elektromotoren befinden. Anschließend erfolgt die Einbindung eines Films. Die Schülerinnen und Schüler erhalten dann die Aufgabe, wesentliche Informationen aus dem Film herauszuarbeiten. Hier wird von ihnen ein Transfer vom Magnetismus hin zum Elektromagnetismus verlangt. Arbeitsblatt 3 schlägt thematisch einen Bogen hin zu einem speziellen Typus von Elektromotoren, nämlich dem Drehfeld-Elektromotor. Es richtet sich damit gezielt an Schülerinnen und Schüler, die entweder bereits über Vorkenntnisse verfügen, oder die sich durch eine besonders hohe Auffassungsgabe hervortun. Es ist somit für eine mögliche Differenzierung bestens geeignet. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler festigen die Kenntnisse der Grundgesetze des Magnetismus. lernen Aufbau und Funktionsweise eines Elektromotors kennen. vertiefen ihre Kenntnisse über Elektromotoren anhand der detaillierten Beschäftigung mit dem Drehfeld-Elektromotor. erleben die wichtige Rolle von Sorgfalt, Präzision und Beobachtungsgabe bei der Durchführung von Versuchen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren die Recherche in und mit Online-Medien. üben sich darin, relevante Informationen aus Medien herauszufiltern und zu verwerten. leiten aus Medienquellen Informationen ab und kombinieren sie mit bereits vorhandenem Wissen zu Wissenstransfers. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler trainieren das Arbeiten in Zweierteams beziehungsweise in Gruppenkonstellationen. erfahren, wie man sich im Team komplexen Aufgabenstellungen nähern kann.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler am Beispiel Autobau verschiedene chemische und physikalisch-technische Zusammenhänge hinsichtlich der Werkstoffzusammensetzung von Autos und deren Recycling-Möglichkeiten kennen. Darüber hinaus werden Bezüge zu Wirtschaft, Nachhaltigkeit und Ökologie hergestellt.Die Unterrichtseinheit lehnt sich an die Vorgaben des Lehrplans für die Sekundarstufe I für die Fächer Physik und Chemie an. Sie hat (lehrplangemäß) eine naturwissenschaftliche Grundbildung zum Ziel, die darin schult, naturwissenschaftliche Beobachtungen auf verschiedene Fächer und Sachbereiche zu übertragen und Zusammenhänge herzustellen. Zudem trägt sie einen Teil dazu bei, die Schülerinnen und Schüler für Herausforderungen und Chancen einer sich stetig verändernden Welt vorzubereiten. Thematischer Anker der Unterrichtseinheit ist der Autobau als einem der wichtigsten Wirtschaftszweige unseres Landes. Die Unterrichtseinheit verdeutlicht, dass die Branche großen Veränderungen unterliegt. Es gilt, Nachhaltigkeit , Wirtschaftlichkeit, bewussten Umgang mit Ressourcen und technische Anforderungen unter einen Hut zu bringen, bei gleichzeitiger Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit der Branche. Die Unterrichtseinheit greift diese komplexen Zusammenhänge auf, indem einzelne Aufgaben auch die Aspekte Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit, Ökologie und Forschung thematisieren. Die Unterrichtseinheit ist konzipiert nach dem Prinzip des handlungsorientierten Lernens. Sie verknüpft Alltagswissen mit Beobachtungen sowie aus Sachtexten gewonnenen Informationen. Auch dem Experimentieren räumt sie Raum ein. Sie entspricht so den im Lehrplan festgeschriebenen prozessbezogenen Kompetenzbereichen der Erkenntnisgewinnung, Bewertung und Kommunikation. Ein Schwerpunkt der Unterrichtseinheit liegt auf dem Erarbeiten der im Auto verbauten Roh- und Werkstoffe. Die neuesten Entwicklungen in der Materialforschung sowie in der Automobiltechnik können die Schülerinnen und Schüler sowohl durch eigene Recherche als auch durch die Auswertung vorgegebener Sachtexte herausarbeiten.Das Thema Autobau und die Bedeutung des Autos in einer sich verändernden Welt liefert eine gute Basis für die Behandlung sowohl in den Naturwissenschaften als auch in den Fächern Sozialkunde, Geografie, Wirtschaft und/oder Ethik. Die Unterrichtseinheit geht damit auch auf die im Lehrplan geforderte naturwissenschaftliche Grundbildung ein, nach der Erkenntnisse im Wechselspiel der Fächer Chemie und Physik/Technik (ferner: Biologie) betrachtet werden sollen. Gleichzeitig regt die Unterrichtseinheit die Schülerinnen und Schüler zur Verknüpfung mit Alltagsbeobachtungen und Phänomenen aus der eigenen Lebenswelt an. In den Fächern Sozialkunde, Wirtschaft und/oder Ethik kann sich die Unterrichtsgestaltung um die Themen Nachhaltigkeit, Recycling, Ressourcenschonung und Ökologie drehen. Durch entsprechende Gewichtung der Aufgaben können hier im Unterrichtsverlauf nochmals eigene Schwerpunkte gesetzt werden. Die Differenzierung der Fragen in den Arbeitsblättern ermöglicht das Arbeiten sowohl mit Schülerinnen und Schülern ohne Vorkenntnisse als auch mit jenen, die schon auf einschlägige Vorkenntnisse zurückgreifen können. Didaktisch-methodisch wird ein Wechsel aus Lehrenden-zentriertem Unterricht und Paar- beziehungsweise Gruppenarbeit angestrebt. Zu betonen sei jedoch, dass auch die Lehrenden-zentrierten Phasen eine Aktivierung der Schülerinnen und Schüler beinhalten, beispielsweise durch die Methoden Brainstorming oder Assoziieren. Ein Fokus liegt überdies bei der Medienrecherche (online) sowie beim Herausfiltern von Informationen aus vorgegebenen Texten und der Wiedergabe herausgefilterter Erkenntnisse mit eigenen Worten. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen grundlegende chemische, physikalische Zusammenhänge kennen. verknüpfen Unterrichtsinhalte mit Alltagsbeobachtungen. stellen eine Verbindung zu den Fächern Wirtschaft, Sozialkunde, Ethik her. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erlangen Geläufigkeit beim Ausformulieren und Präsentieren von Informationen. trainieren das Herausfiltern von relevanten Informationen aus Sachtexten. stärken ihre Fähigkeit, den Computer für die Recherche zu nutzen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erlangen Routine in Paar- und Gruppenarbeit. entwickeln ihre Fähigkeit, Arbeitsergebnisse zu präsentieren und zu kommunizieren.