Mo­dell-Was­ser­kraft­werk

Wo steckt die La­ge­ener­gie

Was­ser­kraft­wer­ke wer­den im Rah­men der En­er­gie­the­ma­tik gerne be­schrie­ben - es stellt sich nur die Frage, ob diese Be­schrei­bun­gen noch als kor­rek­te di­dak­ti­sche Re­duk­tio­nen be­zeich­net wer­den kön­nen. Ty­pisch ist z.B. fol­gen­der Schul­buch­text:

Im Mo­dell­kraft­werk fließt Was­ser aus dem hoch­ge­stell­ten Vor­rats­ge­fäß auf die Tur­bi­ne. Diese wird in Dre­hung ver­setzt ... Die Ur­sa­che für die Dre­hung des Was­ser­ra­des ist die Be­we­gungs­en­er­gie des flie­ßen­den Was­sers; diese war vor­her als La­ge­ener­gie im hoch­ge­ho­be­nen Was­ser des Vor­rats­ge­fä­ßes ge­spei­chert. Die La­ge­ener­gie des Was­sers nützt also erst etwas, wenn sie zum Was­ser­rad ge­langt.

Im Un­ter­richt führt die­ser Text bei den Schü­le­rin­nen und Schü­lern even­tu­ell zu fol­gen­den Ein­sich­ten bzw. Fra­gen :

• Ist die La­ge­ener­gie wirk­lich IM Was­ser ge­spei­chert? Das Was­ser im Vor­rats­ge­fäß be­sitzt eine Masse, es hat eine be­stimm­te Dich­te, es hat eine be­stimm­te Tem­pe­ra­tur - steckt die La­ge­ener­gie in die­sem Sinne IM Was­ser? Muss man hier nicht das Sys­tem Was­ser - Pla­net bzw. Gra­vi­ta­ti­ons­feld be­trach­ten?
• Wird bei einem Was­ser­kraft­werk die La­ge­ener­gie di­rekt in Be­we­gungs­en­er­gie um­ge­wan­delt? Fällt das Was­ser im Fall­rohr wie beim frei­en Fall nach unten und wan­delt sich dabei La­ge­ener­gie in Be­we­gungs­en­er­gie um? Wenn das so wäre, müss­te dann die Was­ser­säu­le im Fall­rohr nicht eben­so aus­ein­an­der rei­ßen wie der Was­ser­strahl an einem Was­ser­hahn?

Sol­chen Text könn­te man po­si­tiv wen­den, wenn man sie als of­fe­ne Pro­blem­stel­lung in die Klas­se trägt und damit einen ent­de­cken­den Un­ter­richt mit einer Band­brei­te an Mög­lich­kei­ten pro­vo­ziert. So z.B. könn­te man (a) dar­über nach­den­ken (eine Tu­gend, die im Zeit­al­ter von Wi­ki­pe­dia und In­ter­net even­tu­ell zu klein­ge­schrie­ben wird), (b) in der Schü­ler­bü­che­rei - oder im In­ter­net zu re­cher­chie­ren oder (c) die Hy­po­the­sen, Mo­dell­vor­stel­lun­gen in Vor­her­sa­gen zu gie­ßen, die man in einem Ex­pe­ri­ment tes­tet.

In die­sem Rah­men spie­len theo­rie­ge­lei­te­te Ex­pe­ri­men­te eine ganz be­son­de­re Rolle - vor allem auch in of­fe­nen Pro­blem­stel­lun­gen ... und be­son­ders mo­ti­vie­rend, wenn diese Fra­ge­stel­lun­gen aus den Rei­hen der Schü­le­rin­nen und Schü­ler selbst kom­men.

Der Aus­gangs­punkt die­ser Fra­ge­stel­lun­gen war die De­mons­tra­ti­on des En­er­gie­trä­ger­strom­krei­ses der Firma Co­na­tex, in der eine Was­ser­pum­pe eine Druck­dif­fe­renz er­zeugt, die als An­trieb für einen Was­ser­strom er­kannt wird.

Ab­bil­dung: En­er­gie­trä­ger­strom­krei­ses der Firma CO­NA­TEX, in der eine Was­ser­pum­pe eine Druck­dif­fe­renz er­zeugt, die als An­trieb für einen Was­ser­strom er­kannt wird.

Der Was­ser­strom treibt eine Was­ser­tur­bi­ne, die über eine Ma­gnet­kupp­lung mit einem Ge­ne­ra­tor ver­bun­den ist, der die En­er­gie, die mit der Was­ser­strö­mung an­ge­lie­fert wird, über die Tur­bi­ne auf­nimmt und als elek­tri­sche En­er­gie zur Ver­fü­gung stellt. An dem Ge­ne­ra­tor ist ein Elek­tro­mo­tor mit auf­ge­setz­tem Pro­pel­ler an­ge­schlos­sen. Mit die­sem Mo­dell kann man wich­ti­ge As­pek­te aus den Bil­dungs­stan­dards zur En­er­gie­the­ma­tik ver­an­schau­li­chen. We­sent­lich ist hier­bei die Er­kennt­nis, dass En­er­gie nie al­lein fließt, dass immer eine zwei­te, men­gen­haf­te phy­si­ka­li­sche Größe be­tei­ligt ist ¹ .

Die­ser En­er­gie­trä­ger­strom­kreis pro­vo­ziert even­tu­ell zwei Fra­ge­stel­lun­gen:

• Kann man den En­er­gie­fluss, der im üb­li­chen Mo­dell von der Was­ser­pum­pe (Ab­bil­dung links) zum Elek­tro­mo­tor (Ab­bil­dung rechts) geht, um­dre­hen? Also, was pas­siert, wenn man den Pro­pel­ler auf dem Elek­tro­mo­tor von Hand an­dreht?
• Kön­nen wir mit die­sen Ge­rä­te­tei­len nicht ein Mo­dell­was­ser­kraft­werk auf­bau­en?

Eine be­son­de­re Fas­zi­na­ti­on geht von En­er­gie­wand­lern aus, die in bei­den Rich­tun­gen funk­tio­nie­ren - so z.B. das Ge­ne­ra­tor/ Motor-Ge­rä­te Dy­na­mot oder Elek­tro­ly­se­ur­zel­len, die auch als Brenn­stoff­zel­len funk­tio­nie­ren oder diese Tur­bi­nen-Ge­ne­ra­tor­kom­bi­na­ti­on - bzw. der Elek­tro­mo­tor der Firma CONEX -, der als Ge­ne­ra­tor oder Motor be­trie­ben wer­den kann.

Für die Rea­li­sie­rung der zwei­ten Frage - Bau eines Mo­dell- Was­ser­kraft­werks - muss man etwas mehr Un­ter­richts­zeit in­ves­tie­ren, die sich aber auf jeden Fall lohnt, denn es kön­nen damit we­sent­li­che The­men der Phy­sik­bil­dungs­plä­ne - wie z.B. En­er­gie­spei­cher , En­er­gie­strom und En­er­gie­wand­lung an­schau­lich de­mons­triert wer­den. Neben Fra­gen zum hy­dro­sta­ti­schen Druck , Wir­kungs­wei­se eines Fall­roh­res in einem Was­ser­kraft­werk und die Dis­kus­si­on ver­schie­de­ner Wir­kungs­gra­de kann die­ses Ex­pe­ri­ment eine ganze Pa­let­te an in­ter­es­san­ten Fra­gen pro­vo­zie­ren. Der Un­ter­schied zwi­schen der En­er­gie - bzw. dem En­er­gie­strom - und der mit­flie­ßen­den Größe wird vor allem an den Stel­len deut­lich, an denen die En­er­gie ihren men­gen­haf­ten Part­ner wech­selt - also in den En­er­gie­wand­lern Ge­ne­ra­tor und Elek­tro­mo­tor .

¹ In un­ter­schied­li­chen di­dak­ti­schen Re­duk­tio­nen nennt man diese zwei­te men­gen­haf­te phy­si­ka­li­sche Größe auch En­er­gie­trä­ger. Wenn diese Mo­dell­vor­stel­lung re­flek­tiert ein­ge­setzt wird, hat sie ihren Stel­len­wert. Wird diese Trä­ger­vor­stel­lung naiv ver­wen­det (im Sinne eines Ruck­sack­mo­dells), wir­ken sol­che naive Bil­der bei spä­te­ren Ver­tie­fun­gen even­tu­ell hin­der­lich.

Mo­dell-Was­ser­kraft­werk: Her­un­ter­la­den [pdf] [183 KB]

Wei­ter mit Ma­te­ri­al