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.
Elektromagnetische Induktion – Stromerzeugung mithilfe der Lorentzkraft
Unterrichtseinheit
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.
- Physik / Astronomie / Technik / Sache & Technik
- Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
- variabel
- Arbeitsblatt, Ablaufplan
- 2 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Der einfache Versuch mit einem Kupferdrahtbügel, der sich quer durch ein Magnetfeld bewegt – die sogenannte Leiterschaukel – zeigt mithilfe eines Stromessgerätes, wie sich der Stromfluss durch den Leiter periodisch ändert (Arbeitsblatt 1).
10 Minuten -
Erklärung und Vertiefung
Anhand der UVW-Regel sowie der Rechten-Hand-Regel werden die Vorgänge bei der Elektronenablenkung im Leiter beschrieben und nachvollziehbar gemacht. (Arbeitsblatt 1)
30 Minuten -
Hausaufgabe
Der Hinweis, dass zur Stromerzeugung Energie aufgewendet werden muss, wird kurz thematisiert (Arbeitsblatt 2 - Aufgabe 1 und 2 sollen als Hausaufgabe erarbeitet werden).
5 Minuten -
Ergebnisse herleiten
Hausaufgabe wird besprochen; dabei wird auf die besondere Bedeutung der "Lenz'schen Regel" für die Stromerzeugung näher hingewiesen. (Arbeitsblatt 2 und 3)
10 Minuten -
Vertiefung des Gelernten
Anhand von Aufgabe 3 a) werden die Skizzen für die drei Aufgabenstellungen angefertigt. Mit Aufgabe 3 b) wird die Bedeutung der Sinusfunktion für die Leiterbewegung erläutert. (Arbeitsblatt 2 und 3)
15 Minuten -
Festigung des Gelernten
Wertetabelle und Diagramm (Aufgabe 3 c) und d)) werden von den Lernenden angefertigt und verglichen.
15 Minuten -
Hausaufgabe
Die Recherche zum Spannungsverlauf und den Besonderheiten der Stromversorgung in Deutschland wird Hausaufgabe. (Arbeitsblatt 2 und 3, Übungsaufgabe 3 e))
5 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
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.
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Unterrichtsmaterial "Lorentzkraft" zum Download (PDF)
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Mit diesem Arbeitsblatt werden die physikalischen Vorgänge rund um die Lorentzkraft dargestellt und durch die Anwendung der Rechten-Hand Regel nachvollziehbar gemacht.
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Mit Fragestellungen und Übungsaufgaben können sich die Lernenden mit den Zusammenhängen zwischen Leiter und Magnetfeld vertraut machen.
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Mit Fragestellungen und Übungsaufgaben können sich die Lernenden mit den Zusammenhängen zwischen Leiter und Magnetfeld vertraut machen.
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In diesem Arbeitsblatt sind die ausführlichen Lösungen zu den Fragen und Übungsaufgaben
enthalten.
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Vermittelte Kompetenzen
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.
