Handlungsorientierter Einstieg in die Elektrizitätslehre in der Gesamtschule

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Physikalische Grundlagen
2.1 Der elektrische Stromkreis
2.2 Die Glühlampe
2.3 Der Leitungsprüfer
2.4 Der Morsetelegraf
2.5 Der Kurzschluss
2.6 Die Sicherung
2.7 Die Reihenschaltung
2.8 Die Parallelschaltung
2.9 Die UND-Schaltung
2.10 Die ODER-Schaltung

3. Methodische Grundidee

4. Das Experiment im naturwissenschaftlichen Unterricht

5. Die Lerngruppe

6. Die Unterrichtseinheit
6.1 Didaktische Legitimation der Unterrichtseinheit
6.2 Überblick über alle Stunden der Unterrichtseinheit
6.3 Darstellung einiger ausgesuchter Unterrichtsstunden aus der Unterrichtseinheit
6.3.1 Stunde 3: Welche Stoffe leiten den elektrischen Strom und welche nicht?
6.3.1.1 Didaktische Legitimation der Stunde
6.3.1.2 Lernziele der Stunde
6.3.1.3 Methodische Entscheidungen
6.3.2 Stunde 8: Die Brotschneidemaschine
6.3.2.1 Didaktische Legitimation der Stunde
6.3.2.2 Lernziele der Stunde
6.3.2.3 Methodische Entscheidungen
6.3.3 Stunde 9: Die Hausklingel
6.3.3.1 Didaktische Legitimation der Stunde
6.3.3.2 Lernziele der Stunde
6.3.3.3 Methodische Entscheidungen

7. Reflexion der ausgesuchten Unterrichtsstunden
7.1 Stunde 3: Welche Stoffe leiten den elektrischen Strom und welche nicht?
7.2 Stunde 8: Die Brotschneidemaschine
7.3 Stunde 9: Die Hausklingel

8. Fazit

9. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

„Elektrizitätslehre – Physik in der Black Box?“

Die Elektrizitätslehre ist von Natur aus wesentlich unanschaulicher als einige andere Teilgebiete der Physik In der Optik oder der Wärmelehre sind physikalische Vorgänge, im Gegensatz zur Elektrizitätslehre, direkt beobachtbar. Die Brechung des Lichts an einer Glasoberfläche oder das Ausdehnen von Flüssigkeiten bei Erwärmung kann man sehen, das Fließen des Stromes oder den Spannungsabfall an einem Verbraucher ist nur an den Wirkungen zu beobachten. Das Elektrizität nicht direkt sichtbar gemacht werden kann, führt bei den Schülerinnen und Schülern dieser Altersstufe oft zu großen Verständnisschwierigkeiten und als Folge zu mangelnder Motivation für dieses Thema. Auch ich habe in meiner noch nicht allzu lange zurückliegenden eigenen Schulzeit negative Erfahrungen mit dem Themenbereich der Elektrizitätslehre gesammelt. Da es sich in meiner Schulzeit häufig um einen allzu theoretischen Unterricht gehandelt hat, konnte ich mich mit dem Thema nicht anfreunden. Da der Unterricht sich ausschließlich auf Lehrerversuche und die theoretische Behandlung der physikalischen Problemstellungen beschränkte, hatte ich keine Gelegenheit durch selbst geplante, durchgeführte und ausgewertete Versuche eigene physikalische Erfahrungen zu sammeln. Diese Art von Unterricht war für mich damals sehr demotivierend und wäre es für meine Lerngruppe heute mit Sicherheit ebenfalls.

In meiner pädagogischen Prüfungsarbeit dokumentiere ich, wie ich den Schülerinnen und Schülern der Jahrgangsstufe 8 einen praktischen, möglichst schülernahen Einstieg in das Thema der Elektrizitätslehre ermöglicht habe. Hierzu habe ich mich für einen Einstieg über einfache Stromkreise entschieden, da sie einen anschaulichen und praktischen Zugang in die Elektrizitätslehre darstellen.

Mein Anliegen war es einen Zugang zur Elektrizitätslehre zu finden, bei dem die Schülerinnen und Schüler selbst experimentieren können, bei dem sie mit Spaß „knobeln“ können und bei des um mehr geht, als bei einer vom Lehrer aufgebauten Schaltung die Messergebnisse abzulesen und daraus Schlussfolgerungen zu ziehen.

Zunächst sollen zu diesem Zweck die physikalischen Grundlagen, die sich hinter diesem Thema verbergen, dargestellt werden. In einem weiteren Schritt möchte ich das methodische Grundkonzept, nämlich die Erschließung der entsprechenden physikalischen Inhalte über Schülerexperimente mit handelsüblichen Materialien, kurz vorstellen. Im nächsten Kapitel ist es mein wichtigstes Anliegen, eine didaktische Begründung dafür zu liefern, warum Schülerexperimente im Physikunterricht so notwendig sind. Nach diesem theoretischen Vorspann werde ich mich mit der Lerngruppe auseinandersetzen, mit der ich diese Unterrichtseinheit durchgeführt habe.

Im nächsten Kapitel soll es darum gehen, die gesamte Unterrichtseinheit didaktisch zu legitimieren, indem ich, im Sinne Klafkis^[1], beschreiben werde, welche Gegenwarts- und Zukunftsbedeutung die in der Einheit vermittelten Inhalte für die Schülerinnen und Schüler haben bzw. haben werden.

Im folgenden Punkt geht es um die Vorstellung der Stunden der Einheit. In diesem Zusammenhang werde ich ausgewählte Stunden didaktisch begründen, sowie meine methodischen Entscheidungen, die in der Stunde zum Tragen gekommen sind, beschreiben. Zur besseren Übersicht ist zu jeder Stunde noch der jeweilige tabellarische Verlaufsplan im Anhang aufgeführt.

Im nächsten Kapitel schließe ich die Evaluation der Unterrichtseinheit an. Abgerundet wird die pädagogische Prüfungsarbeit durch einen Anhang mit Bildern, die während der Durchführungsphase aufgenommen wurden.

2. Physikalische Grundlagen

2.1 Der elektrische Stromkreis

Unter einem „elektrischen Stromkreis“ versteht man gemäß allgemeiner Definition^[2] die Zusammenschaltung von elektrischen Spannungsquellen, Verbrauchern, Schaltern und verbindenden Leitern, so dass ein elektrischer Strom fließen kann (geschlossener Stromkreis). Wenn kein Stromfluss möglich ist, liegt ein offener Stromkreis vor, z.B. durch einen geöffneten Schalter.

Die Spannung am Stromerzeuger, auch Spannungsquelle oder Stromquelle genannt, kann auf verschiedene Arten erzeugt werden, von denen die wichtigsten nachfolgend aufgeführt werden:

- durch chemische Wirkung (galvanisches Element, Akkumulatoren)
- durch Magnetfeldwirkungen (Generatoren)
- durch Wärmewirkung (Thermoelement)
- durch Lichteinwirkung (Fotoelement)

Der elektrische Strom kann an den Verbrauchern unterschiedliche Wirkung haben, z.B. Glühlampen aufleuchten lassen, Motoren antreiben oder Heizgeräte erwärmen. Diese Verbraucher werden im Stromkreis vom Strom durchflossen und wandeln einen Teil der elektrischen Energie in andere Energieformen um (z.B. mechanische Energie bei Motoren).

Die wegen des Stromflusses notwendigen Verbindungen zwischen Stromerzeuger bzw. Spannungsquelle und Verbraucher werden durch elektrische Leitungen hergestellt. Somit stellen sie den dritten wichtigen Teil des Stromkreises dar.

Um den Stromfluss im Stromkreis ein- und auszuschalten ist ein Schalter eingefügt. Durch diesen Schalter wird der Stromkreis geöffnet oder geschlossen, so dass z.B. eine Glühlampe nur leuchtet, wenn der Schalter geschlossen und somit auch der Stromkreis geschlossen ist.

Um einen Stromkreis zeichnerisch darstellen zu können, hat man sich auf die Verwendung bestimmter Schaltzeichen bzw. Schaltsymbole geeinigt, die in Schaltbildern verwendet werden^[3]. Die wesentlichen Symbole sind nachfolgend aufgeführt. Die Leitungen werden durch waagrechte und senkrechte Linien zwischen den einzelnen Teilen bzw. Komponenten dargestellt. Folgende Abbildung zeigt den Schaltplan bzw. das Schaltbild eines einfachen Stromkreises.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Darstellung eines einfachen Stromkreises

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Auswahl einiger Schaltzeichen

2.2 Die Glühlampe

In dem oben dargestellten und in den nachfolgend beschriebenen Stromkreisen werden stellvertretend für alle Verbraucher Glühlampen eingesetzt. Zum besseren Verständnis wird im Unterricht der Lerngruppe zunächst der Aufbau der Glühlampe beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Aufbau einer Glühlampe (entnommen aus^[4])

Beim Aufbau der Glühlampe macht man sich zunutze, dass bei hohen Stromdichten die erzeugte Wärme in einem Leiter so groß wird, dass dieser auf Glühtemperatur erhitzt wird und einen großen Teil der zugeführten elektrischen Energie in Form von Strahlungsenergie (Licht) aussendet.

Die Glühlampe besteht im Wesentlichen aus einem Glaskolben, in dem sich der Glühdraht mit seinen Stromzuführungen befindet, und dem Lampensockel, bestehend aus einem leitenden Gewinde und einer am Fuß des Lampensockels angebrachten, gegen das Gewinde isolierten, zweiten Stromzuführung (Fußkontakt). Mit dem Gewinde wird die Glühlampe in eine Lampenfassung eingeschraubt. Die Stromzufuhr erfolgt dann zum einen über das Gewinde der Glühlampe bzw. dem Gewinde der Lampenfassung und zum anderen über den isolierten Fußkontakt der Glühlampe bzw. der Lampenfassung. Der Glühdraht ist in der Mitte des Glaskolbens angebracht. Er besteht z.B. aus einem dünnen, gewendelten Wolframdraht, der durch den Strom zum Weißglühen gebracht wird. Damit der Draht nicht verbrennt, befindet sich im Glaskolben, aus dem durch Evakuieren die Luft mit ihrem Sauerstoff entfernt wurde, Stickstoff, Argon oder Krypton. Da die Lichtausbeute sehr stark von der Temperatur abhängig ist, d.h. mit zunehmender Temperatur außerordentlich ansteigt, wird der Glühdraht zur Verminderung der Wärmeverluste gewendelt. Ebenso trägt die Füllung des Gaskolbens mit Edelgasen dazu bei, dass der Glühdraht weniger Wärme verliert. So besitzt z.B. Krypton im Vergleich zu Stickstoff eine kleinere Wärmeleitfähigkeit.

2.3 Der Leitungsprüfer

Nachfolgend wird als eines der einfachsten Beispiele für einen elektrischen Stromkreis die Funktion des Leitungsprüfers beschrieben.

Ein Leitungsprüfer hat die Aufgabe zu prüfen, ob die angeschlossene Leitung den elektrischen Strom leitet oder ob eventuell eine Unterbrechung der Leitung vorliegt. In der nachfolgenden Abbildung ist der Schaltplan des Leitungsprüfers dargestellt. Dabei kennzeichnet die gestrichelte Linie die Grenzen des Gerätes „Leitungsprüfer“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Aufbau und Funktion eines Leitungsprüfers

Beim Leitungsprüfer handelt es sich um einen offenen Stromkreis, in dem eine Spannungsquelle und eine Glühlampe hintereinander (in Reihe) geschaltet sind. Am Gerät befinden sich zwei Anschlüsse, an die die zu prüfende Leitung angeschlossen werden kann. Durch diese angeschlossene Leitung wird der Stromkreis geschlossen, so dass in ihm ein Strom fließen kann und die Glühlampe leuchtet. Die Glühlampe kann auch durch einen akustischen Verbraucher (z.B. Hupe) ersetzt werden, so dass bei Anschluss eines Leiters an die Anschlüsse des Leitungsprüfers ein Signalton erklingt.

Im Unterricht lassen sich mit Hilfe des Leistungsprüfers einfache und anschauliche Experimente zur unterschiedlichen Leitfähigkeit verschiedener Materialien durchführen. So zeigt sich z.B. auf einfache Weise, dass Metalle gute Leiter und Kunststoffe schlechte Leiter (Isolatoren) sind. Bei der Prüfung von Flüssigkeiten fällt auf, dass destilliertes Wasser den Strom nicht leitet. Löst man jedoch etwas Speisesalz im destillierten Wasser, so leitet dieses den elektrischen Strom.

2.4 Der Morsetelegraf

Beim Morsetelegraf, der im Unterricht als Beispiel für die Anfänge der elektrischen Nachrichtenübermittlung vorgestellt wird, handelt es sich ebenfalls um einen einfachen Stromkreis.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Aufbau eines Telegrafen (entnommen aus^[5])

Das Besondere an diesem Stromkreis ist, dass es eine Sende- und Empfangsstation gibt, die sehr weit voneinander entfernt sein können. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass der Schalter durch einen Taster T ersetzt wurde, der sich beliebig lange schließen und öffnen lässt, d.h. der Stromkreis kann unterschiedlich lange geschlossen werden. Die Sendestation besteht aus dem Stromerzeuger / Spannungsquelle und dem Taster T. Zwischen dem Sender und dem Empfänger wird über eine Leitung eine elektrische Verbindung hergestellt. Bei geschlossenem Taster T wird in der Empfangsstation mit Hilfe der Elektromagneten R und M, die sich als Verbraucher in zwei getrennten Stromkreisen befinden, ein Schreibstift auf ein über eine rotierende Walze laufendes Papier gepresst. Auf diesem entstehen dann je nach Dauer des Stromflusses Punkte oder Striche, aus denen man nach dem Morsealphabet jede Nachricht zusammensetzen kann.

2.5 Der Kurzschluss:

Man versteht unter einem Kurzschluss die nahezu widerstandslose Überbrückung von Punkten eines Stromkreises, die einen Spannungsunterschied gegeneinander besitzen. Ein Kurzschluss kann z.B. entstehen, wenn beide Zuleitungen eines Verbrauchers durch unmittelbare Berührung oder durch einen Isolationsdefekt leitend verbunden werden, so dass zwischen den Anschlusspunkten fast kein Außenwiderstand mehr vorhanden ist. Dabei kann die Stromstärke auf sehr hohe Werte ansteigen, wodurch die Zuleitungen sehr stark erhitzt werden und im ungünstigsten Fall in Brand geraten. In einer richtig abgesicherten Leitung kann der starke Strom keinen Schaden anrichten, weil der Stromkreis durch eine Sicherung sofort unterbrochen wird.

2.6 Die Sicherung

Damit im Verbraucher und den Leitungen der zulässige Strom nicht überschritten wird, sind Sicherungen eingebaut, die den Stromkreis unterbrechen, wenn der Strom eine bestimmte Stärke überschreitet. Man unterscheidet im Wesentlichen zwei Ausführungen von Sicherungen:

Die Schmelzsicherung enthält einen dünnen Draht, der sich erwärmt und anschließend schmilzt, sobald der Strom die Stärke, für die die Sicherung gebaut ist, übersteigt.

Der Sicherungsautomat ist ein Schalter, der vom Strom selbst betätigt wird. Fließt ein starker Überstrom, so erregt er einen Elektromagneten so kräftig, dass dieser den Kontakt unterbricht.

2.7 Die Reihenschaltung

Der einfachste Stromkreis besteht wie oben beschrieben aus der Spannungsquelle, den Leitungen und einem oder mehreren Verbrauchern. Diese sind so zusammengeschaltet, dass derselbe Strom alle Teile nacheinander durchfließt. Man bezeichnet eine derartige Schaltung als Reihen- oder Serienschaltung und sagt, die Teile sind in Reihe, in Serie oder hintereinander geschaltet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Aufbau einer Reihenschaltung mit drei Verbrauchern

2.8 Die Parallelschaltung

Bei einer Parallelschaltung sind mehrere Verbraucher unmittelbar, d.h. parallel an eine Spannungsquelle angeschlossen. An jedem Verbraucher liegt somit die gleiche Spannung an.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Aufbau einer Parallelschaltung mit drei Verbrauchern

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^[1] vgl. Jank, W. und Meyer H.: „Didaktische Modelle“, Cornelsen Verlag, Berlin 1991, 1. Auflage, 7. Lektion, S. 203-240

^[2] vgl. Heywang Fritz u.a.: „Physik für technische Berufe“, Verlag Handwerk und Technik, Hamburg 1978, 25. Auflage, S. 351

^[3] vgl. Heepmann, Bernd u.a.: „Physik für die Sekundarstufe I. Klasse 8 / 9“, Cornelsen Verlag, Berlin 1999, 1. Auflage, S. 174

^[4] ebenda S. 79

^[5] Heywang, Fritz: „Physik für technische Berufe“, Verlag Handwerk und Technik, Hamburg 1978, 25. Auflage, S. 318