05_Fachlicher_Hintergrund_und_Unterrichtsvorschl__ge_3_Strom

Report
Elektrischer Strom –
fachlicher Hintergrund
und Unterrichtsvorschläge
Florian Ziegler
[email protected]
Stiftung
Bildungspakt
Bayern
11.3.2013
http://www.philso.uni-augsburg.de/lehrstuehle/grundschuldid/downloads_skripten/lehrerfortbildung__gribs/
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Überblick
1. Anschlussbedingungen im elektrischen
Stromkreis
Exkurs: Reihen- und Parallelschaltung
Schülervorstellungen
2. Wirkungen von Elektrizität
3. Wie fließt Strom?
Exkurs: Analogien im SU
4. Elektromagnet, Elektromotor und Dynamo
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5. Anschlussbedingungen
Für einen einfachen Stromkreis
genügen:
- Batterie (Spannungsquelle)
- Kabel (elektr. Leiter)
- Lämpchen (elektr. Widerstand)
Das Lämpchen zeigt, ob Strom fließt.
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5. Anschlussbedingungen
Funktioniert der Stromkreis, so
kann er unterbrochen und mit
verschiedenen Materialien
wieder geschlossen werden.
Diese werden so auf ihre
elektrische Leitfähigkeit
geprüft.
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5. Anschlussbedingungen
Es gibt:
a. Leiter der 1. Klasse: Metalle und Graphit
b. Leiter der 2. Klasse: Ionenleiter (z.B.
Salzwasser)
c. Isolatoren: Stoffe, durch die bei üblichen
Spannungsverhältnissen kein Strom fließt (z.B.
Kunststoffe, Porzellan oder Glas)
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5. Anschlussbedingungen
Reihenschaltung:
Die zwei Lämpchen (Widerstände) in Reihe
„behindern“ den Strom „doppelt so stark“. Bei gleicher
Spannung fließt daher nur „halb so großer“ Strom
(Stromstärke) wie bei einem Lämpchen. Die Lämpchen
leuchten deshalb deutlich schwächer.
Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff
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5. Anschlussbedingungen
Parallelschaltung:
Durch beide Lämpchen kann jeweils der gleiche
Strom wie im Falle des einfachen Stromkreises
fließen. Beide (baugleichen) Lämpchen leuchten so
hell wie ein einzelnes.
Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff
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5. Anschlussbedingungen
Schülervorstellungen:
a)
b)
c)
Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff
d)
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5. Anschlussbedingungen
1. Der Stromkreis:
Anknüpfung: elektrische Geräte im Alltag
 Lämpchen zum Leuchten bringen
(verschiedenes Angebot von Material oder
Hilfekarte, KV 26+27)
 Vergleich der Versuchsaufbauten im Plenum
 Auch hilfreich: Fehlversuche (!)
 Versuch gegen „Zweizuführungsvorstellung“
(KV 27unten)
 Erkenntnis: Strom fließt im Kreis
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5. Anschlussbedingungen
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5. Anschlussbedingungen
2. Forscheraufträge zum geschlossenen
Stromkreis:
Schüler forschen in Gruppen an unterschiedlich
schweren Aufgaben (KV 29)
 Präsentation im Plenum, wie Lösungsweg
gefunden wurde und warum Stromkreis
funktioniert (Bezug zum geschlossenen
Stromkreis)
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5. Anschlussbedingungen
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5. Anschlussbedingungen
3. Gute Leiter und Isolatoren
Demonstrationsversuch: Stromkreise mit Kabel
und Kunststoffseil  Fokus auf das Material
Falsche Erklärungen werden durch einfache
Versuche widerlegt (möglichst nach Ideen der
Schüler)
 „falsches“ Kabel führt zur Frage: Welche Stoffe
leiten den Strom (gut)?  GA (KV 30 + eigene Ideen)
 Gemeinsamkeit der leitenden Gegenstände?
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5. Anschlussbedingungen
3. Gute Leiter und Isolatoren
 ggf. Demonstrationsversuch zur Leitfähigkeit
von Flüssigkeiten
 Transfer des Wissens über Leiter und Isolatoren
auf Alltag (Gefahren und Schutz)
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5. Anschlussbedingungen
4. Der Schalter
Forscheraufträge in verschiedenen Schwierigkeitsgraden zu Stromkreisen mit Schalter (KV 32,
Hilfekarte für schwere Aufgabenstellung KV 33)
 Gemeinsame Betrachtung der verschiedenen
Lösungen (und Fehlversuche!)
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5. Anschlussbedingungen
Individuelle Förderung und Differenzierung:
Forscheraufträge in versch. Schwierigkeitsgraden
 Schüler wählen selbst
Hilfekarten (z.B. KV 31) für konkreten
Versuchsaufbau
Anregende Fragen zum Weiterforschen
Vorschlag einer praktischen Prüfung (s. Anhang)
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6. Wirkungen von Elektrizität
Primäre Wirkung
Sekundäre Wirkung
Wärmewirkung
Leuchtwirkung
Magnetische Wirkung Bewegung
Chemische Wirkung
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6. Wirkungen von Elektrizität
Wärmewirkung:
Durch die Bewegung von Elektronen durch den
Draht werden die am Platz bleibenden Atome in
Schwingung versetzt. Diese Teilchenbewegung
des Metalls ist als höhere Temperatur des Drahtes
fühl- und messbar.
 Nutzung z.B. bei Tauchsieder, Wasserkocher,
elektr. Herdplatten, Bügeleisen, elektr. Heizöfen
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6. Wirkungen von Elektrizität
Leuchtwirkung:
Im dünnen Wolframfaden der Glühlampe werden
die Atome so stark angeregt, dass der Faden nicht
nur warm wird, sondern sogar zu glühen beginnt.
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6. Wirkungen von Elektrizität
Magnetische Wirkung:
Fließende Elektrizität ist immer mit einer magnetischen Wirkung verknüpft. Das Magnetfeld, das um
einen stromdurchflossenen Leiter entsteht, kann
mit einer Kompassnadel „nachgewiesen“ werden.
 Nutzung: Elektromagnet
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6. Wirkungen von Elektrizität
Bewegung:
Wird die magnetische Wirkung geschickt
ausgenutzt, kann durch wechselnde Stromrichtung
und damit durch wechselnde Anziehungs- und
Abstoßungs-kräfte eine Drehbewegung erzeugt
werden.
 Nutzung: Elektromotor z.B. im Ventilator, Fön,
Staubsauger
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6. Wirkungen von Elektrizität
1. Stationenbetrieb
 Versuche zur Wärme-/Leuchtwirkung (KV 34-36)
 Versuche zur magnetischen Wirkung (KV 37-39)
2. Gemeinsame Reflexionsphase
 Versuche zueinander in Beziehung bringen
 Ergebnisse diskutieren, hinterfragen und ggf.
richtig stellen
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6. Wirkungen von Elektrizität
Individuelle Förderung und Differenzierung:
Quantitative und qualitative Differenzierung mit
Hilfe von Forscherfragen (KV 40)
Zusatzaufgaben zur Vertiefung („So könnt ihr
weiter forschen“)
kurze Infotexte (KV 41) + Internetrecherche
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7. Wie fließt Strom?
Der Ausdruck „Strom fließt“ legt bereits einen
Bewegungsvorgang nahe.
Elektrischer Strom kommt durch die Bewegung
von Ladungsträgern zustande. Diese
Ladungsträger sind im einfachen elektrischen
Stromkreis Elektronen.
Ein Vergleich von elektrisch leitenden und „nicht
leitenden“ Materialien im Elektronenmodell zeigt
einen wesentlichen Unterschied:
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7. Wie fließt Strom?
Nur im Leiter können sich die äußeren Elektronen
frei bewegen.
Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff
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7. Wie fließt Strom?
Die Bewegung der Elektronen im Stromkabel ist
nicht „blitzschnell“ sondern verläuft eher im
„Schnecken-tempo“.
Mit Hilfe der Modellvorstellung kann das
Phänomen geklärt werden:
Warum geht das Licht sofort an, wenn ich den
Schalter betätige, obwohl die Elektronen so
langsam sind?
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7. Wie fließt Strom?
Im elektrischen Leiter sind bereits überall im Kabel
freie Elektronen vorhanden. Wird der Stromkreis
durch den Schalter geschlossen, bewegen sich
die freien Elektronen an allen Stellen des
Stromkreises gleichzeitig.
Das Lämpchen kann also
sofort leuchten.
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7. Wie fließt Strom?
Fahrradketten-Analogie:
Die Kettenglieder haben – wie die Elektronen im
Stromkreis – alle den gleichen Abstand, die gleiche
Geschwindigkeit und bewegen sich alle in die
gleiche Richtung. Wird die Kette gebremst oder
gestoppt, wirkt sich dies auf alle Kettenglieder
gleichermaßen aus.
Grygier, Günther & Kircher 2007, S.115ff
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7. Wie fließt Strom?
Wasserkreislauf-Analogie:
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7. Wie fließt Strom?
Wasserbahn-Analogie:
Mit Druck (Spannung der Batterie) wird Wasser von einer
Flasche (Batterie) durch den Schlauch
(Leitungsdraht) bewegt.
Exkurs: Analogien überspringen
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Exkurs: Analogien im SU
Durch den Einsatz von Analogien im Unterricht
nimmt man einen Umweg in Kauf. Dieser fällt kleiner
aus, je vertrauter die Schüler mit dem analogen
Lernbereich sind.
Während Modelle erklären, können Analogien nur
veranschaulichen.
Und da bekanntlich jeder Vergleich „hinkt“, muss
auch auf die Grenzen der Analogie eingegangen
werden.
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Exkurs: Analogien im SU
Es gibt auch gespielte Analogien. Werden z.B. die Grundlagen des
elektrischen Stromkreises vorher erarbeitet, können die Schüler
selbst überlegen, wie sie die „Aufgaben“ der verschiedenen
Bauteile in einer gespielten Analogie darstellen.
Bsp.: Was machen die Elektronen, was darf nicht passieren?
(bewegen sich im Gleichschritt, aber nur, wenn der Stromkreis
geschlossen ist; es entsteht kein Stau vor der Lampe…)
Was macht das Lämpchen? (es leuchtet nur, wenn die Elektronen
sich bewegen…)
Wird der Schalter geöffnet, müssen alle gleichzeitig
stehenbleiben…
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Exkurs: Analogien im SU
Die Schüler verinnerlichen dabei sehr genau, welche
Bedingungen gelten müssen, und behalten durch das Spiel
den eigentlichen Sachverhalt besser im Gedächtnis.
Auch bei der gespielten Analogie muss deutlich gemacht
werden, dass es Unterschiede zwischen dem analogen und
dem „eigentlichen“ Lernbereich gibt.
Bsp.: Was können wir Kinder, was Elektronen nicht können?
Was können Elektronen, was wir Kinder nicht können?
Das Reflektieren über die Analogie hilft auch hier,
Fehlvorstellungen zu vermeiden.
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7. Wie fließt Strom?
1. Kompass und Stromkreis
Versuch „Der Kompass im Stromkreis“ in
Kleingruppen (KV 42)
 Schwerpunkt: Wie stark lenken die Kompassnadeln vor und nach dem Lämpchen aus?
Forscheraufträge zur Richtung und Stärke des
magnetischen Feldes (KV 43/44)
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7. Wie fließt Strom?
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7. Wie fließt Strom?
2. Modellvorstellung und Analogien
Gespielte Analogie eines Stromkreises (KV 45)
Vergleich mit echtem Stromkreis (KV 46)
Veranschaulichung des Verhaltens von Elektronen
durch Vergleich mit Versuch „Wasserbahn“ (KV 47)
Zusammenfassung und Kontrolle durch Infotext
(KV 48)
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7. Wie fließt Strom?
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7. Wie fließt Strom?
Individuelle Förderung und Differenzierung:
Ziel der Arbeitsaufträge und Forscherkarten:
 eigene Denkwege herausfordern
 Anlässe für verstehensorientierte Gespräche
bieten
Hilfekarten für Schüler, die wenige Ideen haben
Expertenreferate als Ergänzung
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8. Anwendungen
Elektromagnet:
Ein einzelner stromdurchflossener Draht kann eine
Kompassnadel ablenken. Dies entdeckte Christian
Oerstedt bereits 1820.
Die magnetische Wirkung wird verstärkt, wenn der
Draht zu einer Spule gewickelt und im Inneren mit
einem Eisenkern versehen wird.
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8. Anwendungen
Elektromagnet:
Im „Kleinen“ kann man so z.B.
eine Büroklammer anziehen.
Im „Großen“ werden schwere
Lasten auf diese Weise verladen.
 Weitere
Anwendung: z.B.
elektrische Klingel
Bildquelle: www.himmelmann-magnete.de
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8. Anwendungen
1. Herstellen eines Elektromagneten
Anknüpfung an Vorwissen: Ablenkung der Kompassnadel unter stromdurchflossenem Leiter
Wie kann eine Schraube mit Batterie und Kabel
magnetisiert werden?
 Austausch der Ideen und Diskussion
 Überprüfung mittels Forscherauftrag (KV 49+50)
 Vorstellen der Ergebnisse im Plenum
ggf. Demonstrationsversuch mit Trafo
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8. Anwendungen
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8. Anwendungen
Elektromotor:
Im Elektromotor wird die magnetische Wirkung
stromdurchflossener Spulen ausgenutzt. Wechselt
die Stromrichtung, so wechselt auch die Polung des
Elektromagneten.
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8. Anwendungen
Elektromotor:
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8. Anwendungen
Elektromotor:
45
8. Anwendungen
Elektromotor:
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8. Anwendungen
Dynamo:
Ein Dynamo ist von seiner Funktionsweise her das
Gegenstück zum Elektromotor. Durch die Bewegung
eines Dauermagneten in einer Spule wird elektrischer
Strom erzeugt. Das (Fahrrad-)Lämpchen leuchtet.
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8. Anwendungen
2. Elektromotor und Dynamo
Lehrkraft erklärt Funktionsweise eines Elektromotors
(KV 51)
 selbstständiges Zusammenbauen eines Elektromotors (Bausatz) in Kleingruppen
Wichtiger als genaue Funktionsweise: vielfältige
Nutzungsmöglichkeiten des Elektromotors im Alltag
Vorstellung des Dynamos als Gegenstück zum Motor
(KV 52)
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8. Anwendungen
Individuelle Förderung und Differenzierung
Interessierte Schüler können genaue
Funktionsweise eines Elektromotors aus Abbildung
entnehmen (KV 51) oder im Internet recherchieren.
Unipolarmotor ist zwar schwierig zu verstehen,
aber sehr motivierend (KV 53).
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Literatur
Basisliteratur:
Ziegler, F., Grygier, P. & Hartinger, A. (Hrsg.) (2011): Individuelles Lernen im
Sachunterricht – Strom und Magnetismus. Berlin: Cornelsen.
Weitere Literatur:
Grygier, P., Günther, J. & Kircher, E. (2007). Über Naturwissenschaften
lernen. Vermittlung von Wissenschaftsverständnis in der Grundschule. 2.
Aufl. Hohen-gehren: Schneider Verlag.
Boëtius, Henning (2006): Geschichte der Elektrizität. Einheim: Beltz &
Gelberg
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