Im Themengebiet der Physik in der Sekundarstufe I wird in der 7. Jahrgangsstufe die
Wärmelehre behandelt. Die folgende Konzeption zeigt, wie mit Hilfe eines Phänomens als
Anwendungsproblem die Entwicklung eines Experiments, dessen Auswertung sowie die
Notwendigkeit einer physikalischen Erklärung motiviert werden können.
Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten mit Hilfe ihrer Vorkenntnisse Gesetzmäßigkeiten
zur Wärmelehre. Sie entdecken die Wärmeleitung und die Abhängigkeit des Siedepunktes
vom Druck (hydrostatischer Druck) und lernen, mit den neuen Begriffen umzugehen und
diese anzuwenden.
Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei eine außerschulische Situation mit Hilfe von
Physik (und auch Mathematik) zu beschreiben und zu bewältigen. Im Mittelpunkt des Unterrichts
steht immer wieder das experimentelle Modell des Geysirs. Die Lernenden erkennen
dabei die Bedeutung der Physik bei der Entdeckung, Erforschung und Erklärung
von Naturereignissen. Seit Beginn des Sommerhalbjahres 2001/2002 unterrichte ich die Klasse R7b zweistündig
in eigener Verantwortung im Fach Physik. Insgesamt 29 Schülerinnen und Schüler befinden
sich in der R7b, davon 18 Schülerinnen und 11 Schüler.
Diese 29 Schülerinnen und Schüler brachten unterschiedliche Vorkenntnisse zum Themenbereich
der Wärmelehre mit. Im Winterhalbjahr werden nach den Lehrplänen für das
Gymnasium und für die Realschule die Themenbereiche Einführung in die Physik, Optik
und Akustik unterrichtet. In der Förderstufe (5./6.-Jg.) werden in Hessen keine Naturwissenschaften
unterrichtet. Vorkenntnisse basierten hier also höchstens auf dem Sachkundeunterricht
in der Grundschule.
Alle Schülerinnen und Schüler sind gut in den Klassenverband integriert. Einzige Ausnahme
ist der Schüler Christian. Co.. Durch sehr viele Fehlstunden hat er bisher kaum am
Unterricht teilgenommen. Wesentliche, bereits erarbeitete Kenntnisse zur Temperatur und
zum Teilchenmodell fehlen ihm. Wenn Christian anwesend ist, sitzt er allein in einer
Tischreihe und beteiligt sich nicht aus eigenem Antrieb am Unterricht. Er ist still, fällt nicht
negativ auf und scheint den privaten Kontakt zu seinen Mitschülerinnen und Mitschülern
zu meiden, zumindest nicht zu suchen. So arbeitet er in Gruppen- oder Partnerarbeitsphasen
zumeist allein, oder wenn er an einer Gruppe beteiligt ist, hält er sich stark zurück. [...]
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Lerngruppenbeschreibung
3. Sachanalyse
3.1 Das geothermale Phänomen „Geysir“
3.2 Wärmeleitung
3.3 Hydrostatischer Druck (hydrostatisches Paradoxon)
3.4 Druckabhängigkeit des Siedepunktes (von Wasser)
3.5 Berechnungen zum Geysirmodell
4. Didaktische Überlegungen
4.1 Das Phänomen im Physikunterricht
4.2 Vom Phänomen zum Modell
4.3 Modellbildungsprozesse
5. Methodische Überlegungen
5.1 Aufbau und Durchführung der Experimente
5.2 Berechnungen an den Experimenten
6. Groblernziele des Unterrichtsversuchs
7. Gliederung der Unterrichtsreihe
8. Durchführung der Unterrichtsreihe
Darstellung der Unterrichtsstunden
9. Gesamtreflexion
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die Arbeit entwickelt eine physikalische Unterrichtskonzeption für die Jahrgangsstufe 7, die ein Geysir-Modell nutzt, um Schülerinnen und Schülern durch praktisches Experimentieren physikalische Prinzipien der Wärmelehre sowie das wissenschaftliche Verfahren der Modellbildung begreifbar zu machen.
- Physikalische Erklärung von geothermalen Phänomenen am Beispiel eines Geysir-Modells.
- Vermittlung von Grundlagen der Wärmelehre (Wärmeleitung, hydrostatischer Druck, Druckabhängigkeit des Siedepunktes).
- Einführung in wissenschaftliche Modellbildungsprozesse als Problemlösungsstrategie.
- Förderung der Erkenntnisgewinnung durch eigenständiges Planen, Durchführen und Auswerten von Experimenten.
- Verknüpfung von theoretischem Wissen mit experimenteller Beobachtung und mathematischer Beschreibung.
Auszug aus dem Buch
3.1 Das geothermale Phänomen „Geysir“
Geysire, Spring- und heiße Quellen zählen zu den geothermalen Phänomenen, die wir hauptsächlich von Berichten und Dokumentationen über Island kennen. Auch in Deutschland gibt es geothermale Phänomene wie beispielsweise heißes, salzhaltiges Grundwasser, das in Form von Sole an die Oberfläche gepumpt wird und zu Heilzwecken in Kurbädern eingesetzt (z.B. im nordhessischen Bad Sooden-Allendorf). Um die Entstehung solcher Phänomene zu verstehen, muss man einiges über den Aufbau der Erde wissen.
Das Funktionsprinzip eines Geysirs wird im wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt: den hydrologischen und thermalen Eigenschaften von Wasser. Es transportiert und speichert die Wärme, die einen Geysir antreibt. Darüber hinaus besitzt es wichtige Eigenschaften, von denen die Geysiraktivität kritisch abhängt. Die spezifische Schwere verhält sich umgekehrt proportional zur Temperatur, je wärmer desto leichter. Die Wärmequellen eins Geysirsystems sind i.a. nicht gleichmäßig verteilt, so dass sich aufgrund des Temperaturgradienten ein korrespondierender Dichtegradient im System entwickelt. Dieser ist die treibende Kraft, der eine Zirkulation der Wassermassen im Geysirbassin aufrechterhält. Der Siedepunkt von Wasser ist eine Funktion des Druckes. Strokkur Schlot auf Island ist 13,5m tief und trichterförmig, 8,3m an der Oberfläche und nur 26cm Durchmesser in 8,3m Tiefe. Das Verdampfen des Wassers wird durch den Druck der darüber liegenden Wasserschichten unterdrückt und überschüssige Wärme wird gespeichert. In 7m Tiefe liegt der Siedepunkt des Wassers schon bei über 116°C! Die annähernd 1500-fache Volumenvergrößerung beim Verdampfen von Wasser verrichtet eine sehr große mechanische Arbeit, die sich letztendlich in dem Herausschleudern von Dampf und Wasser, der Eruption, aus dem Geysir zeigen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in die Zielsetzung, Schülerinnen und Schüler an physikalische Fragestellungen zur Wärmelehre durch alltagsnahe Anwendungsprobleme heranzuführen.
2. Lerngruppenbeschreibung: Darstellung der Zusammensetzung, der Vorkenntnisse und der Lernvoraussetzungen der untersuchten Klasse R7b.
3. Sachanalyse: Physikalische Fundierung der Geysir-Phänomene inklusive Themen wie Wärmeleitung, hydrostatischer Druck und Siedepunktsverschiebung.
4. Didaktische Überlegungen: Erörterung der Bedeutung von Phänomenen im Unterricht und Vorstellung des Modellbildungsprozesses als methodischer roter Faden.
5. Methodische Überlegungen: Beschreibung des technischen Aufbaus der Geysir-Experimente und die Durchführung der Messreihen inklusive der Auswertungsansätze.
6. Groblernziele des Unterrichtsversuchs: Definition der fachlichen und methodischen Kompetenzen, die durch die Unterrichtsreihe bei den Lernenden erreicht werden sollen.
7. Gliederung der Unterrichtsreihe: Auflistung der geplanten Unterrichtsstunden und der jeweils behandelten fachlichen Inhalte.
8. Durchführung der Unterrichtsreihe: Detaillierter Ablauf der einzelnen Unterrichtsstunden, unterteilt in Zeit, Interaktion, Sozialform und verwendete Medien.
9. Gesamtreflexion: Kritische Bewertung des Projekts hinsichtlich positiver Erkenntnisse und aufgetretener Schwierigkeiten bei der Umsetzung.
Schlüsselwörter
Wärmelehre, Geysir, Modellbildung, Physikunterricht, Wärmeleitung, hydrostatischer Druck, Siedepunkt, Konvektion, Experimente, Didaktik, Temperaturmessung, Unterrichtsplanung, Sekundarstufe I, Eruption, Naturphänomen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt eine didaktische Konzeption zur Wärmelehre, bei der Schülerinnen und Schüler der 7. Jahrgangsstufe anhand eines Geysir-Modells physikalische Gesetzmäßigkeiten selbst entdecken und erforschen.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Felder sind die Wärmeleitung, der hydrostatische Druck, die Abhängigkeit des Siedepunktes vom Druck sowie der Aufbau und die Funktionsweise von Geysiren.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, den Schülern durch ein reales Anwendungsproblem eine wissenschaftliche Denkweise zu vermitteln und das Verfahren der Modellbildung zur Lösung komplexer Probleme einzuführen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Methode der Modellbildung ("Teaching Modelling") eingesetzt, die in einem vierstufigen Prozess von der Beobachtung realer Phänomene über das Mathematisieren bis hin zur Validierung der Ergebnisse führt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine Sachanalyse zur physikalischen Erklärung von Geysiren, didaktische Überlegungen zum Einsatz von Modellen und einen konkreten methodischen Leitfaden für die praktische Durchführung im Physikunterricht.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Wärmelehre, Geysir-Modell, experimenteller Physikunterricht, Modellbildung und Kompetenzorientierung charakterisieren.
Warum ist für das Verständnis eines Geysirs die Messung des Drucks in der Tiefe so wichtig?
Weil der Siedepunkt von Wasser druckabhängig ist; in der Tiefe verhindert der dort herrschende hydrostatische Druck das vorzeitige Sieden, wodurch das Wasser über 100°C erhitzt werden kann und beim plötzlichen Druckabfall explosionsartig verdampft.
Welche Rolle spielt die "Pause" beim Geysir-Ausbruch im Modell?
Die Pause ist ein notwendiges Intervall, in dem sich das System nach einer Eruption wieder mit Wasser füllen und durch die Wärmequelle erneut auf die für den nächsten Ausbruch kritische Temperatur erhitzen muss.
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- Thomas Haferburg (Author), 2003, Das geothermale Phänomen Geysir - Ein Unterrichtsversuch zur Wärmelehre in der Jahrgangsstufe 7, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/12764
