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Das Stäb­chen­mo­dell

Das Hö­hen­mo­dell

Im Münch­ner E-Lehre-Kon­zept1 wird fol­gen­der Un­ter­richts­ver­lauf in 8 Ka­pi­teln und etwa 15 DS vor­ge­schla­gen. An­zu­mer­ken ist, dass die­ses Kon­zept auf den bay­ri­schen Bil­dungs­plan (Klas­sen­stu­fe 8) an­ge­passt ist.

1http://​www.​di­dak­tik.​phy­sik.​lmu.​de/​ar­chiv/​in­hal­t_​ma­te­ria­li­en/​einf_​ele​ktri​zita​et/

  1. Elek­tri­sche Strom­krei­se

    ge­schlos­se­ne Strom­krei­se; Un­ter­schei­dung zwi­schen Ge­ne­ra­tor und En­er­gie­wand­ler; Lei­ter und Iso­la­to­ren; Wir­kun­gen im elek­tri­schen Strom­kreis; Be­griff der Elek­tri­zi­tät

    Be­mer­kung:

    In die­sem Lehr­gang wird zu­nächst nicht zwi­schen ver­schie­de­nen La­dungs­sor­ten un­ter­schie­den, son­dern der über­ge­ord­ne­te Be­griff der Elek­tri­zi­tät ver­wen­det

  2. Ma­gne­ti­sche Wir­kung der Elek­tri­zi­tät, elek­tri­sche Strom­krei­se

    Hier wird be­son­de­ren Wert auf die ma­gne­ti­sche Wir­kung des elek­tri­schen Stro­mes ge­legt und damit ge­zeigt, dass sich im ge­schlos­se­nen Strom­kreis der Strom im Kreis be­wegt

  3. Elek­tri­scher Wi­der­stand; Mo­dell­vor­stel­lun­gen zum elek­tri­schen Strom­kreis

    Hier wird das Ket­ten­mo­dell be­han­delt und mit ein­fa­chen elek­tri­schen Strom­krei­sen (bei denen der Strom zu­nächst mit einer Ma­gnet­na­del iden­ti­fi­ziert wird) ver­gli­chen; Der Be­griff des elek­tri­schen Wi­der­stan­des als Ei­gen­schaft eines En­er­gie­wand­lers (Elek­tro­ge­rät) wird ein­ge­führt

Abbildung Knotenregel

Abb. 1 Kno­ten­re­gel (ei­ge­nes Bild)

  1. Mes­sung der elek­tri­schen Strom­stär­ke

    Ein­heit der el. Strom­stär­ke; Ver­wen­dung von Mul­ti­me­tern

  2. Strom­stär­ken in Rei­hen- und Par­al­lel­schal­tun­gen

    An­wen­dung des bis­her ge­lern­ten an ein­fa­chen Rei­hen- und Par­al­lel­schal­tun­gen; Strom­mes­sun­gen; Kno­ten­re­gel; Dabei wird weit­ge­hend auf Ana­log­mo­del­le ver­zich­tet; der elek­tri­sche Strom wird mit ge­schlos­se­nen Kur­ven dar­ge­stellt (s. Abb. rechts)

  1. Das elek­tri­sche Po­ten­zi­al

    Ver­gleich mit dem Was­ser­mo­dell als wei­te­res Ana­log­mo­dell; Druck und Po­ten­zi­al; Das Hö­hen­mo­dell als wei­te­res Ana­log­mo­dell. Die Merk­re­geln für das Po­ten­zi­al wer­den er­ar­bei­tet (s.u.)

Abbildung Höhenmodell

Abb. 2 Hö­hen­mo­dell

  1. Po­ten­zi­al­dif­fe­renz und elek­tri­sche Span­nung

    Die elek­tri­sche Span­nung wird als Po­ten­zi­al­dif­fe­renz über das Hö­hen­mo­dell ein­ge­führt und als Ur­sa­che des Strom­flus­ses iden­ti­fi­ziert

  2. Übun­gen zum elek­tri­schen Strom­kreis, Span­nung und Strom­stär­ke

    Hier wird unter an­de­rem auch die Ma­schen­re­gel be­spro­chen

Abbildung zur Maschenregel

Abb. 3 Ma­schen­re­gel

Po­ten­zi­al-Re­geln

Im dar­ge­stell­ten Skript wer­den fünf Re­geln zum Um­gang mit Po­ten­zia­len auf­ge­stellt. Diese wer­den dann bei der Ana­ly­se von Schal­tun­gen an­ge­wandt:

Regel 1 Am Plus­pol eines Ge­ne­ra­tors ist das Po­ten­zi­al grö­ßer als am Mi­nus­pol
Regel 2 Au­ßer­halb eines Ge­ne­ra­tors fließt die Elek­tri­zi­tät von Stel­len mit hohem Po­ten­zi­al­wert zu Stel­len mit nied­ri­gem Po­ten­zi­al­wert.
Regel 3 Sind in einem Strom­kreis zwei Stel­len nur durch ein Ver­bin­dungs­ka­bel mit­ein­an­der ver­bun­den, so hat das elek­tri­sche Po­ten­zi­al an bei­den Stel­len den sel­ben Wert.
Regel 4 So­lan­ge nichts An­de­res an­ge­ge­ben ist, be­trägt der Po­ten­zi­al­wert am Mi­nus­pol eines Ge­ne­ra­tors Null Volt
Regel 5 Je grö­ßer die Span­nung (Po­ten­zi­al­dif­fe­renz) zwi­schen den An­schlüs­sen des Ge­ne­ra­tors ist, desto grö­ßer ist die Strom­stär­ke durch das an­ge­schlos­se­ne Elek­tro­ge­rät.

Mög­lich­kei­ten, das Hö­hen­mo­dell im Un­ter­richt ein­zu­set­zen:

Möch­te man das hier be­spro­che­ne Hö­hen­mo­dell im Un­ter­richt evtl. in schü­ler­zen­trier­ten Pha­sen ein­set­zen, ste­hen einem ver­schie­de­ne Mög­lich­kei­ten zur Ver­fü­gung:

  1. Ori­gi­nal-Mo­dell

    Auf Seite 90 im Leh­rer-Band des E-Lehre Kon­zep­tes aus Mün­chen fin­det man ein Mo­dell, wel­ches aus Alust­an­gen und Sperr­holz ge­baut ist und den dar­ge­stell­ten Ab­bil­dun­gen 2 und 3 äh­nelt. Hier las­sen sich im De­mons­tra­ti­ons­ver­such sowie in Be­spre­chungs­pha­sen Po­ten­zi­al­dif­fe­ren­zen dar­stel­len: Al­ler­dings scheint der Auf­wand, dies im Klas­sen­satz für den Un­ter­richt zu bauen doch sehr hoch.

  2. Tech­ni­sche Dar­stel­lung

    Möch­te man auf dar­stel­len­de Mo­del­le ver­zich­ten, oder die Schü­ler par­al­lel zum dar­stel­len­den Mo­dell die Schal­tun­gen ent­spre­chend der herr­schen­den Po­ten­zi­al auf­bau­en las­sen, so bie­tet sich die Dar­stel­lung in tech­ni­scher Schreib­wei­se an. Hier wer­den Po­ten­zi­al­li­ni­en mit glei­chem Po­ten­zi­al de­fi­niert. Dies klappt vor allem bei ein­fa­chen Schal­tun­gen gut, da hier ver­schie­de­ne Po­ten­zi­al-Ni­veaus dar­ge­stellt wer­den kön­nen. Als Bei­spiel sei im Fol­gen­den eine Rei­hen­schal­tung aus 2 Lam­pen dar­ge­stellt.

    Abbildung Reihenschaltung

    An­mer­kung

    Bei auf­wen­di­ge­ren Schal­tun­gen, bei denen die „Hö­hen­dif­fe­renz“ aus Platz­grün­den oder weil die Schal­tung zu kom­plex ist, nicht mehr dar­ge­stellt wer­den kann, ist es mög­lich, Orte glei­chen Po­ten­zi­als mit gleich­far­bi­gen Ka­beln zu kenn­zeich­nen

Abbildungen von Eigenbau-Modellen

  1. Zahn­sto­cher-Me­tho­de

    Mit Hilfe von Zahn­sto­chern und einer Sty­ro­por-Grund­plat­te ist es mög­lich, Schal­tun­gen im Hö­hen­mo­dell dar­zu­stel­len. Die Bau­tei­le wer­den dabei auf Pa­pier ge­zeich­net, aus­ge­schnit­ten und an den ent­spre­chen­den Stel­len auf Zahn­sto­chern an­ge­ord­net. Dies ist mit Si­cher­heit die ein­fachs­te und un­kom­pli­zier­tes­te Art, Po­ten­zia­le in elek­tri­schen Schal­tun­gen dar­zu­stel­len

  2. Ei­gen­bau

    Mit Hilfe einer Bohr­ma­schi­ne, Ple­xi­glas oder Holz­plat­ten (120 x 80 mm) sowie ei­ni­gen we­ni­gen Bau­tei­len von Lehr­mit­tel­her­stel­lern (s.u.) kann man sich ein Hö­hen­mo­dell re­la­tiv ein­fach sel­ber bauen. Der elek­tri­sche Strom kann dann mit Hilfe von Fäden dar­ge­stellt wer­den (vgl. Dar­stel­lung der Kno­ten­re­gel bei 5.) Damit ist es mög­lich, so­wohl die Kno­ten- als auch die Ma­schen­re­gel in einem abs­trak­ten Mo­dell dar­zu­stel­len. Die tech­ni­sche Zeich­nung zum Boh­ren der Grund­plat­te ist eben­falls unten dar­ge­stellt.

Ma­te­ria­li­en zum Ei­gen­bau des Stäb­chen­mo­dells

  • Ple­xi­glas­plat­te oder Holz­plat­te

    Maße: 120 mm x 80 mm x 8 mm

    er­hält­lich im Bau­markt

  • Stäbe und Mar­kie­run­gen

    er­hält­lich z.B. bei "Traudl-Riess" unter fol­gen­den Be­stell­num­mern:

    An­zahl Ein­hei­ten Name Be­stell­num­mer
    100 2 Elas­tik­stell­ring 27.027.5
    10 10 Me­tal­lach­se ver­ni­ckelt (50 x 4 mm) 27.128.0
  • Faden

    aus der Phy­sik-Samm­lung (in zwei Far­ben, je 10-mal, Länge pro Faden ca. 30 cm)

  • Die Bau­tei­le kön­nen mit Hilfe der bei­den Da­tei­en „7201_ju_Bau­tei­le_Sta­eb­chen.pdf“ und „7202_ju_Bau­tei­le_Sta­eb­chen_2.pdf“ aus­ge­druckt, la­mi­niert und aus­ge­schnit­ten wer­den. Die ent­spre­chen­den Lö­cher kön­nen ent­we­der ge­stanzt oder mit einem 4mm Boh­rer ge­macht wer­den.

 

 

Das Stäb­chen­mo­dell: Her­un­ter­la­den [docx][780 KB]

 

Wei­ter zu Bau­tei­le Stäb­chen