Zunächst werden den Lernenden die Besonderheiten der Leitfähigkeit von Leitern - im Gegensatz zu Nichtleitern - vorgestellt. Der entscheidende Unterschied zwischen Leitern und Nichtleitern besteht darin, dass Leiter Elektronen in ihrer äußeren Schale besitzen, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung die negativ geladenen Elektronen in Bewegung setzen. Anhand von Versuchen und zugehörigen Diagrammen erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass das Ohmsche Gesetz nur für bestimmte Leiter, wie etwa Konstantan, gilt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Einführung des spezifischen Widerstandes, der für die unterschiedlichen Materialien zu ermitteln ist.
Der elektrische Widerstand – Grundlagen
Unterrichtseinheit
Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit den Grundlagen des elektrischen Widerstands, einer physikalischen Größe, die von Georg Simon Ohm im Jahr 1826 aus der Proportionalität von Spannung und Stromstärke gefunden wurde. Die Schülerinnen und Schüler lernen mit einfachen Versuchen, dass sich die den Stromfluss darstellenden Elektronen nicht reibungsfrei bewegen können. Vielmehr ist es so, dass es keinen Stromkreis ohne Widerstand gibt, wenn man den physikalischen Spezialfall Supraleitung außer Acht lässt. Der elektrische Widerstand ist vom Material, der Temperatur und anderen Größen wie Länge und Querschnittsfläche eines Leiters abhängig. Die Zusammenhänge werden den Lernenden über das Ohmsche Gesetz nähergebracht, das den Widerstand aus dem Quotienten von Spannung durch Stromstärke berechnet.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe I
- 3 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt, Ablaufplan, Übung
- 3 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Mit einfachen Versuchen kann gezeigt werden, dass nur Metalle gute elektrische Leiter sind. Die Schülerinnen und Schüler versuchen durch Recherche im Internet herauszufinden, woran das liegt (Arbeitsblatt 1).
20 Minuten -
Vertiefung
Das Ohmsche Gesetz wird durch einfache Versuche hergeleitet und durch Übungsaufgabe 1 des Arbeitsblattes 2 näher erläutert.
25 Minuten -
Erweiterung
Anhand von Konstantandrähten verschiedener Länge wird durch mehrere einfache Versuche der spezifische Widerstand angeleitet. Mit Übungsaufgabe 2 (Arbeitsblatt 2) wird das Verständnis vertieft.
40 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe ist die Übungsaufgabe 2 zu lösen (Arbeitsblatt 2 und 3).
5 Minuten -
Ergebnisse herleiten
Die Ergebnisse aus der Hausaufgabe werden diskutiert und erläutert (Arbeitsblatt 1 und 2).
10 Minuten -
Vertiefung des Gerlernten
Die Übungsaufgabe 4 wird gemeinsam erarbeitet, die Gesetzmäßigkeiten für Reihen- und Parallelschaltung werden hergeleitet. Anschließend wird die Übungsaufgabe 5 in mehreren Gruppen bearbeitet und besprochen (Arbeitsblatt 2 und 3).
35 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Der elektrische Widerstand als Thema im Physik-Unterricht
Uns allen bekannte elektrische Anwendungen wie Radio oder Computer kannte der Erlanger Physiker Georg Simon Ohm im 19. Jahrhundert noch nicht. Mit seinen Experimenten hat er jedoch gezeigt, dass zwischen der an einen Leiter angelegten Spannung und der daraufhin durch ihn fließenden Stromstärke ein Zusammenhang bestand. Mit dem nach ihm benannten Ohmschen Gesetz hat Georg Simon Ohm bewiesen, dass unter bestimmten Voraussetzungen der Quotient zwischen Spannung und Stromstärke konstant ist. Er hatte mit der Konstante den elektrischen Widerstand und damit die wichtigste Grundlage vieler Berechnungen in der Elektrotechnik gelegt.
Vorkenntnisse
Vorkenntnisse von Lernenden dürfen nur dann erwartet werden, wenn sie sich bereits mit Elektro- oder Elektronik-Baukästen beschäftigt haben. Im Übrigen sind Spannung und Stromstärke als Begriffe sicher bekannt, den Wenigsten aber kaum die Zusammenhänge zwischen beiden.
Didaktische Analyse
Bei der Besprechung des Themas muss man darauf achten, den Lernenden klar zu machen, dass mit unterschiedlichen Widerständen in einem einfachen Stromkreis, aber auch in der Elektronik der Stromfluss durch die verschiedenen Bereiche des Stromkreises gesteuert werden kann.
Methodische Analyse
Der Begriff des Widerstandes lässt sich an verschiedenen Beispielen aus dem Alltag relativ leicht zeigen, wie etwa bei einem Schlauch, durch den man Wasser pumpen will: Man wird dabei schnell erkennen, dass dieselbe Menge an durchlaufendem Wasser bei einem dünneren Schlauch mehr Druck erfordert als bei einem dicken Schlauch. Mit anderen Worten setzt der dünne Schlauch dem dicken mehr Widerstand entgegen. Angewandt auf den elektrischen Widerstand kann man das problemlos mit einem dünnen und einem dicken Kabel gleicher Länge zeigen.
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Anhand von Arbeitsblatt 1 wird über die Struktur von metallischen Leitern der Begriff des Widerstandes definiert und das Ohmsche Gesetz durch einen einfachen Versuch abgeleitet.
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In diesem Arbeitsblatt zeigen praxisorientierte Übungsaufgaben an konkreten Beispielen, was unter einem spezifischen Widerstand zu verstehen ist und wie Spannungen, Ströme und Widerstände in verzweigten Stromkreisen zu berechnen sind.
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Anhand von Arbeitsblatt 1 wird über die Struktur von metallischen Leitern der Begriff des Widerstandes definiert und das Ohmsche Gesetz durch einen einfachen Versuch abgeleitet.
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In diesem Arbeitsblatt zeigen praxisorientierte Übungsaufgaben an konkreten Beispielen, was unter einem spezifischen Widerstand zu verstehen ist und wie Spannungen, Ströme und Widerstände in verzweigten Stromkreisen zu berechnen sind.
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen zu den Übungsaufgaben rund um den elektrischen Widerstand.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen um die Bedeutung des Widerstandes in Elektrizitätslehre und Elektronik.
- kennen die Unterschiede zwischen Ohmschem Widerstand und spezifischem Widerstand.
- können Berechnungen in verzweigten Stromkreisen mit mehreren Widerständen anstellen.
- untersuchen die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen experimentell (Leiter, Nichtleiter).
- lernen den Aufbau eines Stromkreises unter Vorgabe einer Schaltskizze durchzuführen sowie Stromkreise in Form von Schaltskizzen darstellen zu 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 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.
