Lernzirkel Elektromagnetismus

Transcription

Bildungsplan 2004
Allgemein bildendes
Gymnasium
Umsetzungsbeispiel für Physik
Auszug aus der Handreichung PH 40
sowie Inhaltsverzeichnis des gesamten Heftes
Heft PH 40 ist erschienen in der Reihe
„Materialien Gymnasium“ (Blaue Reihe)
des Landesinstituts für Schulentwicklung
März 2006
LANDESINSTITUT FÜR SCHULENTWICKLUNG
Inhaltsverzeichnis
LERNEN AN STATIONEN IM PHYSIKUNTERRICHT ................................................... 5
1
VORBEMERKUNGEN ............................................................................................. 5
2
DER DIDAKTISCHE ORT VON LERNZIRKELN .................................................................. 6
3
ZUSAMMENSTELLUNG DER STATIONEN – AUSWAHL DER MATERIALIEN ................................... 7
4
VORBEREITUNG DER SCHÜLERINNEN AUF DIE ARBEIT AN STATIONEN .................................... 8
5
ORGANISATORISCHE HINWEISE ZUR DURCHFÜHRUNG DES LERNZIRKELS ............................... 8
Beispiel eines Laufzettels ...................................................................................................................... 9
6
NACHBEREITUNG DES LERNZIRKELS IM UNTERRICHT ..................................................... 10
7
ABSCHLUSSBEMERKUNGEN .................................................................................. 10
8
LERNZIRKEL IM ÜBERBLICK .................................................................................. 11
LERNZIRKEL
1. Lernzirkel Akustik Æ Klasse 7 ........................................................................... 12
2. Lernzirkel Optik Æ Klasse 7/8 ........................................................................... 26
3. Lernzirkel Elektromagnetismus Æ Klasse 8 ......................................................... 41
4. Lernzirkel Entropie Æ Klasse 9/10 ..................................................................... 51
5. Lernzirkel Elektromagnetische Induktion Æ Klasse 11 .......................................... 59
LITERATUR .................................................................................................... ….. 71
Die Begleit-CD enthält die Arbeitsblätter als Kopiervorlagen
ohne Seitenzahl sowohl als PDF-Druckdatei als auch als DOC
zur Adaption an den eigenen Unterricht bzw. zur ggf.
notwendigen Materialanpassung.
Klassenstufe 7/8
Ziele und Hinweise
Ziele
Bezug zu den Bildungsstandards
Die Schülerinnen und Schüler sollen u.a.

die Wirkung einer stromdurchflossenen Spule als Elektromagnet erkennen
und physikalisch beschreiben können. (1)

die Anwendungen von Elektromagneten in verschiedenen elektrischen Geräten des Alltags erkennen. (10)

die Funktion verschiedener Alltagsgräte physikalisch beschreiben können.
(1)
* Die Zahlen beziehen sich auf die Nummerierung der Kompetenzen in den Bildungsstandards der klasse 8.
Hinweis
Dieser Lernzirkel ist als Anwendungszirkel konzipiert. Im Unterricht der Klasse 7 wurde nach dem Curriculum unserer Schule im Rahmen von Strukturen
und Analogien (9) das Konzept „Strom-Antrieb-Widerstand“ und dabei auch die
elektrische Stromstärke behandelt. Mit diesem Lernzirkel sollen Schülerinnen
und Schüler die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms erleben, indem
sie sich handlungsorientiert mit den Anwendungen auseinandersetzen. Der
Lernzirkel wurde von mir am Ende des Schuljahres der Klasse 7 eingesetzt.
Durch die längere selbsttätige Arbeitsphase blieb die Motivation auch in dieser
oft schwierigen Unterrichtszeit noch recht hoch.
41
Klassenstufe 7/8
Unterrichtsverlauf
1. Einstiegsversuch
Ein einfacher Demonstrationsversuch zeigt: Es gibt offensichtlich
einen Zusammenhang zwischen
den Phänomenen Elektrizität und
Magnetismus.
Je nach Richtung des elektrischen
Stroms wird der Stabmagnet auf
dem Wagen abgestoßen oder angezogen.
2. Zwei Schülerversuche
Versuch 1:
Schülerinnen und Schüler untersuchen handlungsorientiert in Zweiergruppen mit einem Taschenkompass und einer 4,5 V – Flachbatterie die Umgebung eines stromdurchflossenen
geraden
Leiters
(Versuch von Oersted, siehe z.B
Dorn / Bader S I S. 214 oder Lehrbuch „Der Karlsruher Physikkurs“
Bd.2 S.58)
Versuch 2:
Schülerinnen und Schüler untersuchen mit den Materialien aus Versuch 1 die Umgebung einer stromdurchflossenen Spule (z.B. Stecksystem der Fa. Leybold) und dokumentieren Ihre Ergebnisse
Der Versuch nach Oersted
mit Flachbatterie links und Taschenkompass rechts
3. Demonstrationsversuch
Die Strukturen der magnetischen
Felder von stromdurchflossenem
Draht und Spule, werden mit Eisenfeilspänen sichtbar gemacht. Der
Fachbegriff
Elektromagnet
wird
eingeführt.
4. Durchführung des Lernzirkels

Arbeit an den Stationen

Dokumentation

Vorstellen der Ergebnisse an
den Stationen durch einzelne
Gruppen
42
Aushang
Übersicht zum Lernzirkel
Allgemeine
Hinweise
Stationen

Lies erst den Arbeitsauftrag genau durch, bevor du mit der Arbeit beginnst.

Du arbeitest selbständig in festen Zweiergruppen (nur in Ausnahmefällen
Dreiergruppen) an verschiedenen Stationen. Jede Station ist zweimal aufgebaut.

Zum schriftlichen Bearbeiten gehst du an deinen Platz, um die Station für
andere freizumachen.

Du kannst mit deiner Gruppe die Stationen frei auswählen und musst nicht
alle Stationen bearbeiten. Es gibt aber Pflichtstationen.

Arbeitszeit pro Station: ca. 1 Unterrichtsstunde.

Für diesen Lernzirkel sind 4- 5 Unterrichtsstunden vorgesehen.

Zusatzaufgaben sind zu bearbeiten, wenn du noch Zeit hast!

Nach dem Lernzirkel musst du eine Station deinen Mitschülern vorstellen. Eine Woche danach sammelt der Lehrer alle Arbeitsmappen ein.
Station 1
Sicherungsautomat
5x
Station 2
Elektrischer Türgong
2x
Station 3
Modell: Elektromotor
2x
Station 4
elektrische Klingel
2x
Station 5
Autohupe
2x
Station 6
„Ampèremeter“
2x
Station 7
Relais
5x
Folgende Stationen müssen
1 und 7
bearbeitet werden:
2 oder 3
4 oder 5
Wahlstation
6
Diese Hinweise für Schüler zum Ablauf des Lernzirkels werden an
zentraler Stelle des Unterrichtsraumes zusammen mit einer Schülernamensliste als Laufzettel ausgehängt.
43
Station 1: Aufgabenblatt
Sicherungsautomat
Material:
Lämpchen 3,5 V/0,2 A und Fassung; Flachbatterie 4,5 V; Bimetallstreifen; 2 Isoliertischfüße, Kabel, Streichhölzer.
Aufgabe 1:
Informiere dich wie ein Bimetallschalter funktioniert: Lehrbuch Dorn/Bader SI Seite
93 oder Physik für Gymnasien Cornelsen Verlag Bd. 1 Seite 119
Aufgabe 2:
Baue einen Bimetallschalter in einen Stromkreis so ein, dass er bei Erwärmung den
Stromkreis unterbricht.
Protokoll:
Zeichne ein Schaltbild des Stromkreises und beschreibe wie ein Bimetallschalter
funktioniert.
Aufgabe 3:
Lies den folgenden Text genau durch und beantworte die Fragen im Protokoll.
Für Stromkreise im Haushalt werden heute häufig Sicherungsautomaten verwendet. Im Vergleich zu Schmelzsicherungen haben sie den Vorteil, dass sie nach einem „Einsatz“ nicht ausgewechselt werden müssen. Durch die Sicherung wird der
elektrische Stromkreis unterbrochen. Um ihn wieder zu schließen, betätigt man
einfach einen kleinen Hebel. Beim Sicherungsautomaten werden sowohl die thermische wie auch die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms ausgenutzt.
Die Skizze zeigt wie ein Sicherungsautomat im Prinzip funktioniert. Bei plötzlichen,
großen Strömen (z.B. bei einem Kurzschluss) zieht der Elektromagnet den Anker
an und unterbricht so sofort den Stromkreis.
Wenn die elektrische Stromstärke dagegen allmählich größer wird ( z.B. bei Überlastung durch immer mehr eingeschaltete Geräte ), wird der Bimetallstreifen erwärmt. Er verbiegt sich schließlich so stark, dass der Stromkreis unterbrochen
wird.
Protokoll:
(evtl. Hausaufgabe)
a)
Zeichne
den
Verlauf des Stromkreises
im Sicherungsautomaten mit
Farbstift nach!
b) Wie arbeitet der
Bimetallstreifen?
c) Durch welchen
Mechanismus
„spricht“ der Automat bei Kurzschluss
an?
d) An welcher Stelle
wird der Stromkreis
unterbrochen?
44
Elektrischer Türgong
Material:
Türgong auf Holzunterlage, Batterie 9V.
Aufgabe 1:
Schließe den elektrischen Türgong an die Batterie an und betätige den Taster.
Entferne die weiße Abdeckung und beobachte die Bewegungen im Innern.
Metallfeder mit
Weicheisenkern
Klangplatte
Klangplatte
Spule
Klingelknopf
Protokoll:
Erkläre und beschreibe im Protokoll genau was passiert, wenn der Klingeltaster
gedrückt, bzw. losgelassen wird. (Siehe auch Lehrbuch Dorn/Bader SI S.218 und
Spektrum Physik 8, Schroedel Verlag)
Was passiert, wenn sich der Taster beim Drücken verklemmt?
Zusatzaufgabe:
Informiere dich, wie ein elektrischer Türöffner funktioniert.
Lies dazu z.B. im Lehrbuch Spektrum Physik 8 Seite 118 bzw. im Lehrbuch „Der
Karlsruher Physikkurs“ Aulis Verlag Bd. 1 S. 60 nach.
Erläutere die Funktionsweise im Protokoll.
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Elektromotor
Material:
- Zwei Spulen mit jeweils 1000 (oder 500 ) Wicklungen
- Batterie 9 V
- ein kleiner Stabmagnet, der auf einer Spitze gelagert werden kann
- mehrere Kabel.
Aufgabe 1:
Betätige dich als Erfinder: Es ist Sommer und sehr heiß und du möchtest einen
Lüfter betreiben. Leider ist der dafür notwendige Elektromotor defekt. Versuche
zunächst mit dem vorhandenen Material einen einfachen Modellmotor zu bauen, so
dass das Lüfterrad in Rotation versetzt werden kann!!
Falls dich dein Erfindergeist nach einiger Zeit im Stich lässt und die Temperaturen
immer unerträglicher werden, kann dir dein Lehrer Hilfestellung geben.
Aufgabe 2:
Wenn du fertig bist schaust du dir ein aufgebautes Modell eines Elektromotors an!
Versetze den Motor mit der Batterie in Rotation.
Wie erreicht man beim verbesserten Modell zum „richtigen Zeitpunkt“ die „richtige
Polung“?
Protokoll:
Schreibe genau auf, wie du beim Bau des einfachen Motors vorgegangen bist und
begründe dein Vorgehen!
Welche Nachteile hat der einfache Motor?
Welche Vorteile hat die verbesserte Version?
Die elektrische Klingel
Material:
Batterie 9 V, Kabel, elektrische Klingel
Aufgabe 1:
Finde heraus wie eine elektrische Klingel funktioniert. Lies dazu im Lehrbuch „Der
Karlsruher Physikkurs“ Aulis Verlag Bd.2 S.60 bzw. Lehrbuch „Spektrum Physik 8“
Schroedel Verlag S. 118 nach.
Aufgabe 2:
Verbinde die Klingel mit der Batterie. Beobachte das „Innenleben“!
Protokoll:
Skizziere den Aufbau einer elektrischen Klingel und
zeichne den Stromverlauf ein.
Beschreibe die Funktionsweise der Klingel.
Warum spricht man hier oft vom „Selbstunterbrecherprinzip“?
Zusatzaufgabe:
Eine Autohupe funktioniert nach dem gleichen Prinzip der Selbstunterbrechung.
Erkläre ihre Funktion im Protokoll. (Siehe Lehrbuch Physik für Gymnasien“ Bd.
Cornelsen Verlag S. 123)
46
Autohupe
Material:
Schülernetzgerät aus Praktikum, Autohupe, Schalter, Kabel.
Aufgabe 1:
Finde heraus wie eine Autohupe funktioniert.
Lies dazu im Lehrbuch „Physik für Gymnasien“ Bd. 1 Cornelsen Verlag S. 123
Aufgabe 2:
Schließe eine Autohupe an ca. 12 V an.
Regle dazu bei geschlossenem Schalter
zunächst die Spannung langsam hoch
bis der Hupton ertönt.
Protokoll:
Skizziere den Aufbau einer Autohupe.
Zeichne den Verlauf des Stromkreises
ein.
Beschreibe wie eine Hupe funktioniert!
Was versteht man unter dem Selbstunterbrecherprinzip?
Zusatzaufgabe:
Eine elektrische Klingel funktioniert
ebenfalls nach dem Prinzip der Selbstunterbrechung. Betätige eine Klingel
und beobachte den „Klöppel“. Beschreibe die Funktion im Protokoll.
47
Modell eines Stromstärkemessgerätes („Ampèremeter“)
Material:
Drehspule, Hufeisenmagnet mit Plattenhalter, Dynamot als Antrieb des elektrischen
Stroms, Stativmaterial, Kabel, Lampe 6V/5A, „Innenleben“ eines ausrangierten Zeigermessinstruments.
Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms wird beim Bau eines Drehspulmessgeräte (Gerät zur Messung der elektrischen Stromstärke) ausgenutzt. Die folgende Skizze zeigt das Funktionsprinzip.
Aufgabe
1:
Versuche zu verstehen wie ein solches Stromstärkemessgerät funktioniert.
Hilfe: Lehrbuch „Der Karlsruher Physikkurs“ Bd. 2 Seite 61
Der Aufbau eines echten „Zeiger-Ampèremeters“ ist etwas anders, aber das Funktionsprinzip ist gleich (Æ Lehrbuch Dorn/Bader-Physik SI Seite 220)
Aufgabe
2:
Baue das Modell eines Drehspulmessgerätes auf.
Protokoll:
Schreibe auf, wie ein Ampèremeter arbeitet.
Erläutere den Namen dieses Messgerätes:
„Drehspulmessgerät“
Welche wichtige Funktion hat die Rückstellfeder? Wie würde ein Messgerät ohne
Rückstellfeder reagieren?
Zusatzaufgabe:
Schau dir das Innenleben eines ausrangierten Zeiger-Amperemeters an!
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Das Relais
Material:
Steckbrett, Batterie 4,5 V, Batterie 9 V, Spule 1200 Windungen mit Joch, Schalter,
2 Steckhalter, Blattfeder aus Eisen, Kontaktstreifen aus Kupfer
Manchmal möchte man einen starken Strom mit einem schwachen Strom
steuern. Mit einem Relais ist dies möglich. In der Skizze ist dargestellt, wie ein
Relais im Prinzip funktioniert.
Aufgabe 1:
Versuche mithilfe der Skizze die Funktionsweise eines Relais zu verstehen.
Aufgabe 2:
Baue mit dem Stecksystem ein Relais auf mit dem du über einen Steuerstromkreis
den Stromkreis eines Lämpchens schließen kannst.
Hilfe:
Anleitungen zum Arbeiten mit dem Stecksystem der Firma Leybold (Elektrik S.
44).
Protokoll:
Schreibe auf, wie ein Relais funktioniert.
Zeichne das Schaltbild deines Versuchsaufbaus.
Warum heißt ein Relais auch „elektromagnetischer Schalter“?
Ein Relais wird im Anlassermechanismus eines Autos verwendet. Erläutere diesen
Sachverhalt. (Lies dazu im Lehrbuch „Der Karlsruher Physikkurs“ Aulis Verlag Bd.2
Seite 61 nach.)
Zusatzaufgabe:
Entwirf die Schaltung einer Diebstahlsicherung in die ein Ausschaltrelaisrelais eingebaut ist!
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Materialliste
Zu Station 2:
Türgong auf Holzunterlage montiert,
Baumarkt ca. 10 €
Zu Station 3:
Siehe F. Herrmann „Der
Karlsruher Physikkurs“
Aulis Verlag Bd. 2 Seite
62 und Falk/Herrmann:
Neue Physik – Das Energiebuch, erhältlich als CD
unter
www.physikdidaktik.
unikarlsruhe.de/kpk/
material.html
Zu Station 5:
Autohupe 12 V / 335 Hz Autozubehör Bosch,
ca. 15 €
Zu Station 7:
Für diese Station werden
Bauelemente des Stecksystems der Fa. Leybold
verwendet
50