Zur Haupt­na­vi­ga­ti­on sprin­gen [Alt]+[0] Zum Sei­ten­in­halt sprin­gen [Alt]+[1]

Die „En­er­gie­qua­dri­ga“ und der Bil­dungs­plan

Ein fach­di­dak­tisch si­che­res Fun­da­ment: Die En­er­gie­qua­dri­ga

Die „En­er­gie­qua­dri­ga“ fasst vier Grund­ide­en zu­sam­men, die zu­sam­men den En­er­gie­be­griff gut cha­rak­te­ri­sie­ren. Der Bil­dungs­plan Phy­sik 7/8 spricht hier von „grund­le­gen­den Ei­gen­schaf­ten der En­er­gie“ – was auch der En­er­gie­qua­dri­ga ent­spricht. Das Kon­zept geht davon aus, dass diese Ideen aus dem Vor­wis­sen der Schü­le­rin­nen und Schü­ler ent­wi­ckelt wer­den.
Fol­gen­de vier Grund­ide­en bil­den die En­er­gie­qua­dri­ga:

Energie

Quel­le ZGP BNT


  • En­er­gie wird ge­spei­chert.
    Aus­gangs­punkt sind die „En­er­gie­trä­ger“ des All­tags wie Nah­rung und Brenn­stof­fe. Von hier aus­ge­hend kommt man zu den klas­si­schen En­er­gie­for­men wie Be­we­gungs­en­er­gie, in­ne­re En­er­gie oder La­ge­ener­gie und deren Um­wand­lun­gen in­ner­halb eines Sys­tems .
  • En­er­gie wird über­tra­gen.
    En­er­gie kann von einem Sys­tem auf ein an­de­res über­tra­gen wer­den. Das kann auf ver­schie­de­ne Wei­sen ge­sche­hen: z.B. ther­misch („Wärme“) durch Kon­vek­ti­on, Wär­me­lei­tung und Strah­lung, me­cha­nisch („me­cha­ni­sche Ar­beit“) durch Kräf­te und elek­trisch („elek­tri­sche Ar­beit“) durch elek­tro­ma­gne­ti­sche Fel­der
  • En­er­gie bleibt er­hal­ten.
    Egal, in wel­cher Form die En­er­gie in einem Sys­tem ge­spei­chert wird oder wie sie auf ein an­de­res Sys­tem über­tra­gen wird: Ins­ge­samt bleibt die En­er­gie er­hal­ten. Das ist Grund­la­ge für den „En­er­gie­er­hal­tungs­satz der Me­cha­nik“ und den „Ers­ten Haupt­satz der Ther­mo­dy­na­mik“.
  • En­er­gie wird im Laufe der Zeit ent­wer­tet.
    Durch un­ver­meid­li­che ir­re­ver­si­ble Vor­gän­ge (z.B. bei der Rei­bung) wird die En­er­gie in ther­mi­sche En­er­gie um­ge­wan­delt und/oder auf die Um­ge­bung ver­teilt. Auch wenn die En­er­gie dabei ins­ge­samt er­hal­ten bleibt, ist sie da­durch immer we­ni­ger für den Men­schen nutz­bar. Der As­pekt ist grund­le­gend für das Ver­ständ­nis der „En­er­gie­kri­se“, des „En­er­gie­spa­rens“ u.a.

An­hand von En­er­gie­über­tra­gungs­ket­ten kön­nen diese Grund­ide­en gut ent­wi­ckelt wer­den. Als gra­fi­sche Dar­stel­lung bie­ten sich hier En­er­gie­flus­si­d­a­gram­me an. Diese set­zen bei der Vor­stel­lung von En­er­gie als „Treib­stoff“. Das ist zwar ein sehr be­grenz­tes Bild, daher nur pro­pä­deu­tisch, aber spä­ter „eine trag­fä­hi­ge Basis zum Ver­ständ­nis der Idee der En­er­gie-Er­hal­tung“ (Duit).
Bei einer En­er­gie­über­tra­gungs­ket­te be­trach­tet man eine Si­tua­ti­on unter der spe­zi­el­len Per­spek­ti­ve der En­er­gie­über­tra­gung:

Energieübertragungskette

Eine En­er­gie­über­tra­gungs­ket­te (C. -J. Pard­all)

Hier wird z.B. die En­er­gie von der Sonne auf die So­lar­zel­le über­tra­gen, die die En­er­gie an den Elek­tro­mo­tor wei­ter­gibt, der sie über den Pro­pel­ler an die be­weg­te Luft wei­ter­gibt. Ein ent­spre­chen­des En­er­gie­fluss­dia­gramm könn­te im BNT-Un­ter­richt fol­gen­der­ma­ßen aus­se­hen:

Energieflußdiagramm

Ein En­er­gie­fluss­dia­gramm

Am An­fang und Ende eines En­er­gie­flus­si­d­a­gramms ste­hen häu­fig En­er­gie­spei­cher. Sys­te­me, die die En­er­gie nur wei­ter­ge­ben und nicht spei­chern, wie z.B. der Elek­tro­mo­tor, nennt man En­er­gie­wand­ler.


En­er­gie im gym­na­sia­len Bil­dungs­plan der Na­tur­wis­sen­schaf­ten

Die Teil­kom­pe­ten­zen zum En­er­gie­be­griff aus den Fä­chern BNT, Bio­lo­gie, Che­mie, Phy­sik und NwT las­sen sich je­weils den vier Grund­ide­en zu­ord­nen. Darin zeigt sich, dass das Kon­zept der En­er­gie­qua­dri­ga sehr gut ge­eig­net ist, den Kom­pe­tenz­zu­wachs der Schü­le­rin­nen und Schü­ler im Sinne des Bil­dungs­plans zu struk­tu­rie­ren.
Im Fol­gen­den wer­den hier die Über­sich­ten zu BNT und Phy­sik be­trach­tet, da sich Phy­sik in Klas­sen 7/8 di­rekt mit einem ent­spre­chen­den Kom­pe­tenz­be­reich (3.2.3 En­er­gie) an BNT an­schließt. In den Bil­dungs­plä­nen der an­de­ren na­tur­wis­sen­schaft­li­chen Fä­cher wird auf „En­er­gie ef­fi­zi­ent nut­zen“ in fol­gen­den Kom­pe­tenz­be­rei­chen auf­ge­baut:


Bio­lo­gie (Klas­se 7/8)

3.2.1      Zelle und Stoff­wech­sel
3.​2.​2.​1   Er­näh­rung und Stoff­wech­sel

Che­mie (Klas­se 8-10)

3.​2.​1.​2   En­er­ge­ti­sche As­pek­te che­mi­scher Re­ak­tio­nen

NwT (Klas­se 8/9)

3.2.1      Denk- und Ar­beits­wei­sen in Na­tur­wis­sen­schaft und Tech­nik:
Sys­te­me und Pro­zes­se
3.2.2      En­er­gie und Mo­bi­li­tät
3.​2.​3.​3   Pro­dukt­ent­wick­lung


BNT

En­er­gie wird ge­spei­chert

En­er­gie wird über­tra­gen

En­er­gie bleibt er­hal­ten

En­er­gie wird ent­wer­tet

3.1.4
En­er­gie
ef­fi­zi­ent
nut­zen

(1) En­er­gie­über­tra­gungs­ket­ten in Natur und Tech­nik be­schrei­ben […]

(1) […] und Grün­de für den sorg­sa­men Um­gang mit En­er­gie er­ken­nen

(2) die en­er­ge­ti­sche Be­deu­tung von Nutz­pflan­zen für den Men­schen be­schrei­ben […]

(4) Ver­bren­nun­gen unter dem As­pekt der En­er­gie­ab­ga­be be­schrei­ben

(11) ein­fa­che Ex­pe­ri­men­te zum sorg­sa­men Um­gang mit En­er­gie durch­füh­ren und dar­aus Ver­hal­tens­re­geln für den All­tag in der Schu­le und zu Hause ab­lei­ten […]

(3) die Ver­wen­dung von Nutz­pflan­zen für die En­er­gie­wirt­schaft be­schrei­ben  […]

(8) ther­mi­sche Phä­no­me­ne be­ob­ach­ten und die drei ther­mi­schen En­er­gie­trans­port­ar­ten un­ter­su­chen und be­schrei­ben

(5) brenn­ba­re Ma­te­ria­li­en  […] im Zu­sam­men­hang mit der An­we­sen­heit von Sau­er­stoff als En­er­gie­trä­ger be­schrei­ben […]

(9) Ma­te­ria­li­en und Ge­gen­stän­de im Hin­blick auf deren Auf­nah­me von Wär­me­strah­lung un­ter­su­chen und An­wen­dun­gen in Natur und Tech­nik er­klä­ren […]

 

(10) un­ter­su­chen, wel­che Ma­te­ria­li­en in Natur und Tech­nik zur Wär­me­däm­mung ge­eig­net sind

 

 

(12) die jah­res­zeit­lich be­ding­ten An­ge­passt­hei­ten von hei­mi­schen Tie­ren in Bezug auf den  En­er­gie­haus­halt er­klä­ren (zum Bei­spiel ..., Win­ter­speck, ...)

(12) die jah­res­zeit­lich be­ding­ten An­ge­passt­hei­ten von hei­mi­schen Tie­ren in Bezug auf den  E.-haus­halt er­klä­ren (z.B. Fell­wech­sel, Win­ter­ru­he, -schlaf, Käl­te­star­re, Vo­gel­zug)

(13) An­ge­passt­heit bei Tie­ren im Hin­blick auf eine en­er­gie­opti­mier­te Fort­be­we­gung im Was­ser oder in der Luft be­schrei­ben und un­ter­su­chen  […]

(14) an einem ein­fa­chen Bei­spiel be­schrei­ben, wie En­er­gie ziel­ge­rich­tet in einem tech­ni­schen Pro­zess  ge­nutzt wer­den kann  […]


Phy­sik 7/8

En­er­gie wird ge­spei­chert

En­er­gie wird über­tra­gen

En­er­gie bleibt er­hal­ten

En­er­gie wird ent­wer­tet

3.2.3
En­er­gie

(1) grund­le­gen­de Ei­gen­schaf­ten der En­er­gie be­schrei­ben

(1) grund­le­gen­de Ei­gen­schaf­ten der En­er­gie be­schrei­ben

(1) grund­le­gen­de Ei­gen­schaf­ten der En­er­gie be­schrei­ben (unter an­de­rem En­er­gie­er­hal­tung)

(1) grund­le­gen­de Ei­gen­schaf­ten der En­er­gie be­schrei­ben

(3) Bei­spie­le für die Spei­che­rung von En­er­gie in ver­schie­de­nen En­er­gie­for­men in All­tag und Tech­nik nen­nen und be­schrei­ben (unter an­de­rem La­ge­ener­gie, Be­we­gungs­en­er­gie, ther­mi­sche En­er­gie)

2) Bei­spie­le für En­er­gie­über­tra­gungs­ket­ten in All­tag und Tech­nik nen­nen und qua­li­ta­tiv be­schrei­ben (unter an­de­rem an­hand von me­cha­ni­scher, elek­tri­scher oder ther­mi­scher En­er­gie­über­tra­gung)

(5) ihre Um­ge­bung hin­sicht­lich des sorg­sa­men Um­gan­ges mit En­er­gie un­ter­su­chen, be­wer­ten und kon­kre­te tech­ni­sche Maß­nah­men  […]sowie Ver­hal­tens­re­geln ab­lei­ten  […]

(6) die La­ge­ener­gie be­rech­nen (E=mgh, Null­ni­veau)

(4) Mög­lich­kei­ten der En­er­gie­ver­sor­gung mit­hil­fe von En­er­gie­über­tra­gungs­ket­ten […]

(10) das schein­ba­re Ver­schwin­den von En­er­gie mit der Um­wand­lung in ther­mi­sche En­er­gie er­klä­ren

(7) den Zu­sam­men­hang von En­er­gie und Leis­tung be­schrei­ben (P=∆E/∆t)

(8) Grö­ßen­ord­nun­gen ty­pi­scher Leis­tun­gen im All­tag er­mit­teln und ver­glei­chen  […]

(9) den Zu­sam­men­hang von zu­ge­führ­ter En­er­gie, nutz­ba­rer En­er­gie und Wir­kungs­grad bei En­er­gie­über­tra­gun­gen be­schrei­ben

(9) den Zu­sam­men­hang von zu­ge­führ­ter En­er­gie, nutz­ba­rer En­er­gie und Wir­kungs­grad bei En­er­gie­über­tra­gun­gen be­schrei­ben

3.2.5
Grund­grö­ßen der
Elek­tri­zi­täts-lehre

(8) den En­er­gie­trans­port im elek­tri­schen Strom­kreis und den Zu­sam­men­hang zwi­schen Strom­stär­ke, Span­nung, Leis­tung und En­er­gie be­schrei­ben (P=UI)

 


Die En­er­gie­qua­dri­ga im Bil­dungs­plan BNT und Phy­sik 7/8

Man er­kennt an der Zu­sam­men­stel­lung den Schritt von einem pro­pä­deu­ti­schen En­er­gie­be­griff in BNT zu „den grund­le­gen­den Ei­gen­schaf­ten der En­er­gie“ (Phy­sik 7/8). Für die En­er­gie­qua­dri­ga wer­den mit der Über­sicht fol­gen­de As­pek­te deut­lich:

  • En­er­gie wird ge­spei­chert.
    • Im BP BNT wer­den aus­schließ­lich En­er­gie­spei­cher aus dem All­tag be­nannt (Nutz­pflan­zen, Ker­zen­wachs,…).
    • Im BP Phy­sik 7/8 wer­den dann Bei­spie­le für En­er­gie­for­men ein­ge­führt.
  • En­er­gie wird über­tra­gen.
    • Im BP BNT wird nicht zwi­schen mech./el./therm. Über­tra­gung von En­er­gie un­ter­schie­den. Es wer­den nur die drei ther­mi­schen En­er­gie­über­tra­gungs­mög­lich­kei­ten phä­no­me­no­lo­gisch be­han­delt.
    • Im BP Phy­sik 7/8 wird zwi­schen den Über­tra­gungs­ar­ten un­ter­schie­den. Mit der Leis­tung wird eine Größe zur Quan­ti­fi­zie­rung der Über­tra­gung ein­ge­führt.
  • En­er­gie bleibt er­hal­ten.
    • Im BP BNT kommt die­ser As­pekt nicht vor.
    • Im BP Phy­sik 7/8 wird „En­er­gie­er­hal­tung“ ex­pli­zit als eine der „grund­le­gen­den Ei­gen­schaf­ten der En­er­gie“ ex­pli­zit ge­nannt. Of­fen­sicht­lich soll sie genau hier ein­ge­führt wer­den.
  • En­er­gie wird im Laufe der Zeit ent­wer­tet.
    • Im BP BNT wird der As­pekt nur über den „sorg­sa­men Um­gang mit En­er­gie“ an­ge­spro­chen. Wegen der Leit­per­spek­ti­ve BNE ist der As­pekt trotz­dem wich­tig.
    • Im BP Phy­sik 7/8 wird die Er­klä­rung durch die „Um­wand­lung in ther­mi­sche En­er­gie“ ge­ge­ben und mit dem Wir­kungs­grad der An­teil „nutz­ba­rer En­er­gie“ quan­ti­fi­ziert. (In 9/10 be­han­delt man dann ir­re­ver­si­ble Vor­gän­ge.)
  • En­er­gie­über­tra­gungs­ket­ten wer­den so­wohl in BNT als auch Phy­sik ge­nannt

Fach­di­dak­ti­sches Kon­zept: Her­un­ter­la­den [docx][257 KB]

Fach­di­dak­ti­sches Kon­zept: Her­un­ter­la­den [pdf][967 KB]

 

Wei­ter zu Wei­te­re fach­di­dak­ti­sche As­pek­te