Vom Stabmagneten zum Elektromotor – Elektrizität und Magnetismus
- Termin: Die Fortbildung wird an einem Werktag von 9 – 16 Uhr durchgeführt. Den Termin stimmen wir mit den Lehrpersonen ab, die sich angemeldet haben.
- Kursleitung: Andreas Küttel
- Autoren: Dr. Brigitte Hänger, Andreas Küttel
- Schulstufe: ab 7. Schuljahr
- Umfang: 20+ Lektionen
- Kosten: 600 CHF
Anmeldung über diesen externe Seite LINK
Unsere Zivilisation beruht auf Elektrizität und den Maschinen, die wir damit bedienen. Tatsächlich sind Begriffe wie «Leiter», «Strom» und «Elektromagnet» heute so alltäglich, dass man gerne vergisst, dass diese Wörter vor zwei-dreihundert Jahren noch völlig unbekannt waren. Aber nicht nur wegen der gesellschaftlichen Relevanz sollte man den Elektromagnetismus genau unter die Lupe nehmen. Das Thema führt auch ein völlig neues Werkzeug für die physikalische Beschreibung der Welt ein: Felder.
Elektrizität und Magnetismus ohne Felder erklären zu wollen, ist sinnlos, und es sind die Felder, die dann die Tür öffnen, um weitere Physik zu verstehen; von Gravitation zu Licht als Welle und zu spezieller Relativität. Unsere Unterrichtseinheit zu Elektrizität und Magnetismus beginnt deshalb mit dem physikalischen Feldbegriff und wendet ihn sogar auf das Seitenthema Gravitation an. Dann wird der Feldbegriff weiter benutzt, um den gesamten Elektromagnetismus aufzubauen und zu erklären. Die Schülerinnen und Schüler begegnen dabei auch fortgeschrittenen Themen wie dem elektrischen Fluss, der Induktion und den elektromagnetischen Wellen, die sich ohne Felder gar nicht erklären liessen.
Diese Inhalte werden mit Unterrichtsmaterial erarbeitet, das von Mitarbeitenden der ETH Zürich entworfen und getestet wurde. Die Unterrichtseinheit beruht auf Lernformen, mit denen sich gemäss den neuesten Forschungsergebnissen der Aufbau von intelligentem Wissen effizient und nachhaltig fördern lässt. Diese kognitiv aktivierenden Lernformen regen die Lernenden dazu an, aktiv an der Organisation ihres Wissens zu arbeiten und ihr Begriffswissen umzustrukturieren. Ein paar Beispiele sind am Ende dieser Webpage zu finden.
Physikalischer Feldbegriff: Als erster zentraler Inhalt der Unterrichtseinheit wird ein Verständnis für den Feldbegriff vermittelt. Dabei werden elektrische und magnetische Felder gleichzeitig behandelt, sodass sich die allgemeinen Eigenschaften des Formalismus aus dem Vergleich der beiden Feld-Typen herauskristallisieren lassen. Als weiteres Anwendungsfeld wird das Beispiel des Gravitationsfelds besprochen.
Coulombgesetz: Das Coulombgesetz beschreibt die Kräfte zwischen zwei geladenen Körpern in einem gewissen Abstand. In der Unterrichtseinheit wird die Coulombkraft ebenfalls besprochen und aufgezeigt, welchen Limitationen der Formalismus unterliegt (Stichwort Fernwirkung) und wie Coulombkraft und Feld zusammenhängen.
Materie im elektrischen Feld: Da Materie aus Molekülen und Atomen aufgebaut ist, die wiederum aus geladenen Teilchen bestehen, verhalten sich verschiedene Materialien unterschiedlich, wenn sie in ein elektrisches Feld geraten. Mit einem soliden Verständnis dieser Eigenschaften von Materie im elektrischen Feld können viele interessante Experimente erklärt werden. In diesem Abschnitt werden Begriffe wie Leiter und Isolatoren erklärt und die Schülerinnen und Schüler können selbst erarbeiten, wie ein Faraday-Käfig funktioniert.
Elektrische Spannung und Potential: Die Kräfte, welche Ladungen innerhalb eines elektrischen Felds erfahren, sind auf ihre Position im elektrischen Potential zurückzuführen. Ein Unterschied im Potential entspricht der elektrischen Spannung, die wiederum für Stromfluss unerlässlich ist. Diese Eigenschaften werden auch anschaulich mit dem elektrischen Kondensator gezeigt.
Elektrischer Strom: Der elektrische Strom ist ein faszinierendes Phänomen, dem man auch im Alltag oft begegnet. Selbstverständlich wird auch in dieser Unterrichtseinheit wird auf Stromkreise mit Serie- und Parallelschaltung eingegangen. Zusätzlich wird erklärt, was der elektrische Strom eigentlich ist und wie er zustande kommt. Dieses Wissen fördert auch das Verständnis davon, wie sich der Strom im Stromkreis aufteilt und wie Widerstände verschiedener Grösse dies beeinflussen.
Elektromagnetismus: Die zentrale Erkenntnis zu den Themen Elektrizität und Magnetismus ist, dass die beiden verknüpft sind. Elektrischer Strom produziert magnetische Felder, was uns erlaubt, elektrisch aktivier- und deaktivierbare Elektromagneten zu bauen und Bewegungen von stromdurchflossenen Leitern in Magnetfeldern zu erklären. Diese Phänomene lassen sich mit Hilfe der elektrischen Felder sehr einfach nachvollziehen.
Elektromotor und Generator: Ist der Zusammenhang von Elektrizität und Magnetismus klar und wurde verstanden, wie mit Elektromagnetismus Bewegungen erzeugt werden, sind alle Grundlagen bekannt, die es braucht, um einen Motor zu bauen. Die Unterrichtseinheit stellt den Elektromotor von Anfang an als Endpunkt der Reise hin. Gleich anschliessend lernen die Schülerinnen und Schüler aber auch, dass man nicht nur aus Strom Bewegung machen kann, sondern aus Bewegung Strom (durch Induktion). Somit werden auch der Generator und die Wirbelstrombremse erklärt.
Um die Unterrichtseinheit für möglichst viele verschiedene Niveaus zugänglich zu machen, wurden von diversen Arbeitsblättern und zum Teil sogar ganzen Lektionen jeweils eine einfachere und eine fortgeschrittenere Variante erstellt. Grob gesagt besteht der Unterschied darin, dass die einfache Variante nur sehr wenig Vorwissen in der Physik voraussetzt (nicht einmal den Kraftbegriff) und dafür auch weniger Aspekte der mathematischen Beschreibung aufgreift, während die fortgeschrittene Variante auch anspruchsvolle Themen (die oft erst auf Hochschul-Level vorgestellt werden) anspricht. Die fortgeschrittene Variante enthält ausserdem ein paar weitere Lektionen, die vom Elektromotor zu den elektrischen Wellen führen.
Zentrale Themenbereiche der Unterrichtseinheit:
• Grundeigenschaften elektrischer, magnetischer und Gravitationsfelder
• Coulombgesetz
• Ladungsverteilungen
• Materie im elektrischen Feld
• Arbeit und Potential
• Elektrische Spannung
• Elektrischer Kondensator
• Ursache des elektrischen Stroms
• Elektronendrift, elektrischer Widerstand
• Energieumwandlung im Stromkreis
• Serie- und Parallel-Schaltung
• Stromkreise
• Elektromagnetismus
• Lorentzkraft
• Elektromotor
• Elektromagnetische Induktion
• (Elektromagnetische Wellen)