Post on 19-Oct-2020
Dr. Matthias Theis
Seminar Stuttgart
Beispiele zu Experimenten aus der Praxis
Sicherheit im Physikunterricht II
Achtung:
Photonen!
Sicherheit im Physikunterricht
Seminar für Didaktik und Lehrerbildung Stuttgart
Lehrbeauftragter für Physik
theis@seminar-stuttgart.de
Regierungspräsidium Stuttgart
Fachberater für Physik RP Stuttgart
Die Informationen in diesen Vorträgen basieren unter anderem auf der „Richtlinie zur Sicherheit im Unterricht“ (RiSU), auf Lehrerfortbildungen des RP Stuttgart und auf Aussagen der Unfallkasse Baden-Württemberg. Für die Korrektheit der Informationen kann keine Gewähr übernommen werden, auch wenn sie sehr sorgfältig zusammengetragen wurden.
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Überblick
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Experimente in der Mechanik Typische mechanische Gefährdungen
Experimente in der Optik Vorgeschriebene Maßnahmen
Experimente mit elektrischer Energie Besonders: berührungsgefährlicher Spannung
Verschiedene Experimente Wie würden Sie diese Experimente einschätzen?
Regelungen und Vorgaben zur Physik:
Besonders relevante Abschnitte der RiSU 2016
Teil I (Regelungen):
I-0 bis I-2: Allgemeine Regel
I-4.5: Weichlöten
I-5: Druckgasflaschen, Gasanlagen
I-8, I-9: Strahlenschutz
I-10: Optische Strahlung
I-11: Elektrische Energie
Teil II (Hinweise und Ratschläge):
II-1: Allgemeine Hinweise
II-4: Hinweise und Ratschläge – Physik
Teil III (Anhang zur I und II):
III-1: Anforderungen an Fachräume
III-5-6: Optische Strahlung, Elektrische Energie
III-8: Prüfungen und Prüffristen 4
Experimente
Wobei geschehen die meisten Schadensereignisse?
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Experimente in der Mechanik
Die meisten Verletzungen gibt es in der Mechanik.
Gefährdungsquellen: Fuß-/ Beinverletzungen durch fallende Gegen-
stände mit größerer Masse (ab ein paar 100 g)
Kippende/ instabile Versuchsaufbauten, z.B. bei fehlender Befestigung am Tisch
Massestück + Feder = potenzielles Geschoss
Ungesicherte Wurfbahn bei Wurfversuchen
Umherfliegende Teile bei rotierenden Aufbauten
Schülertische vor Experimenten nicht ausreichend freigeräumt
…
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Experimente in der Mechanik
Experimente zu Kreis- und Rotationsbewegungen
Keine Metallkörper kreisen lassen; softe Objekte kleiner Masse wählen
Achtung: erhöhte Gefährdung bei rotierenden Geräten: • lose Objekte sind gefährlich • ggf. Schutzscheiben verwenden • Gefährdungsbeurteilung (GBU) erstellen
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Experimente in der Mechanik
Beispiel: Fallrohr – Fall in Luft und im Vakuum
Implosionsgefahr bei evakuierten Glasgefäßen beachten
Sicherheitsmaßnahmen:
Schutzbrillen für die SchülerInnen oder
Splittersichere Röhren bzw. Gefäße nutzen oder
Schutzscheiben nutzen
Nur als Lehrerversuch
GBU erstellen
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Mechanische Gefährdungen
Schriftliche GBU nur bei nennenswerter Gefährdung
Gefahr durch umherfliegende Gegenstände:
Rotationsbewegungen, Würfe
Bewegungen großer Massen
Splitterbildung beim Zusammenstoß starker Magnete
Zug-/Druckspannungen (Federn, Bolzensprenger, …)
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Gefahr durch Quetschung:
Stativaufbauten
Beteiligung großer Massen
Hantieren mit starken Magneten (Supermagnete)
…
Mechanische Gefährdungen
Gefahr durch Stürze:
Anbringen von Geräten/ Dingen an Decken und Wänden Hinweis: Nutzung von „größeren“ Leitern ist nicht erlaubt
Hohe Experimentieraufbauten
Flaschenzüge mit Personeneinsatz
Aufbauten oder Schultaschen in den Laufwegen des Raums
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Experimente in der Optik
Experimente mit künstlicher optischer Strahlung
Erstellen einer schriftlichen GBU vorgeschrieben
Einige Lichtquellen können ohne besondere optische Schutzmaß-nahmen genutzt werden: • Haushaltslampen, • LED (Risikoklasse 0 und 1), • Natrium-Lampen, • Kerzenflamme, • Blitzlichtgeräte, • UV-Geldscheinprüflampen
Einsatz von anderen Lichtquellen: • Substitutionsprüfung • geeignete Schutzmaßnahmen
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Experimente in der Optik
Beispiel: Schülerversuche mit 12-V-Lampen, Sammellinsen, … Schriftliche GBU nötig Hinweis an SchülerInnen:
Lampengehäuse wird heiß Nur mit nicht berührungs-
gefährlicher Spannung arbeiten
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RiSU konform
Experimente in der Optik
Beispiel: Schülerexperiment mit 12-V-Lampen via Wahlpole
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Trafo am Pult
RiSU-konform?
Experimente in der Optik
Warnschild, Laserbereich gegen Betrete sichern Laserklasse des Lasers? Max. Klasse 2, 2M erlaubt. Substitutionsprüfung in der GBU dokumentieren Hinweise an die SchülerInnen zu Gefahren und Verhaltensweisen unerwünschte Reflexionen vermeiden, Strahlengang nicht auf Augenhöhe
Beispiel: Demonstrationsversuch mit Laser an der Magnettafel
Experimente in der Optik
Substitutionsprüfung in der GBU dokumentieren Laserklasse 2, 2M: Schülerexperimente nur unter direkter Aufsicht Reflexionen beachten
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Neue Schullaser Klasse 1 Eine mögliche Alternative?
Experimente in der Optik
Spektrum einer Spektrallampe durch ein Gitter beobachten
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Lampen mit U < 5 kV wählen. (Bei Spannungen über 5 kV entsteht Röntgenstrahlung – nur für Strahlenschutzbeauftragte erlaubt.)
Falls UV-Licht auftreten kann – z.B. Hg-Lampen oder Cd-Lampen:
• Nicht direkt in den Strahlengang schauen oder sich darin aufhalten.
• Schutzmaßnahmen auch gegen seitlich zum Strahlengang austretendes Streulicht zwingend notwendig: Abschirmung des Streulichtes durch Schutzscheiben (z. B. aus Polycarbonat, Plexiglas, Glas, Verbundglas).
• Arbeitsbereich abgrenzen, mit dem Hinweisschild W27 und Text „Vorsicht! Ultraviolette Strahlung“ kennzeichnen.
Nur unter unmittelbarer Aufsicht der Lehrerin oder des Lehrers.
Betriebsanweisungen beachten, Gebrauchsanleitung lesen
Experimente mit Spektrallampen (und UV-Lampen)
Experimente aus der Optik
Experimente in der Optik
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Physikwochenende einer Schule für Besucher:
Experimente mit elektrischer Energie
Beispiel: Sicheres Löten
Gefahrenquelle: Aufschmelzen der 230 V-Netzleitung
Lötstationen mit Niedervolt-Lötkolben bevorzugen
Nur bleifreies Lötzinn verwenden
Lüften und Händewaschen
Vor Brandverletzungen an der heißen Lötspitze warnen
Betriebsanweisung beachten 19
Experimente mit elektrischer Energie
Nur Experimentiersteckdosen nutzen (Not-Aus, FI-Schalter, ...)
… und keine anderen Steckdosen (z.B. für Reinigungsgeräte)
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Experimente mit elektrischer Energie
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Mit berührungsgefährlicher Spannung experimentieren
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Experimente mit elektrischer Energie
Nicht berührungsgefährliche Spannung (Definition nach GUV-SI 8040, Hinweis: fehlerhafte Definition in der RiSU)
U ≤ 25 V AC (60 V DC) oder
U > 25 V AC (60 V DC) und Kurzschlussstrom I ≤ 3 mA AC (12 mA DC)
oder
U > 25 V AC (60 V DC) und elektrische Entladungsenergie ≤ 350 mJ
U = Leerlaufspannung: gemessen mit einem Messgerät mit einem Innenwiderstand > 50 kΩ Kurzschlussstrom: gemessen an einem 2 kΩ Widerstand
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Regeln zum Umgang mit berührungsgefährlicher Spannung:
Fachkunde erforderlich: • (Lehramts-)Studium der Physik oder spezielle Schulung
Vor dem Experimentieren müssen Sicherheitseinrichtungen auf Funktion geprüft werden: • FI-Schalter (RCD), • Not-Aus-Schalter
Warnschild aufstellen „gefährliche Spannung“
Sicherheitsexperimentierleitungen verwenden
Kabel vor jeder Nutzung auf Schäden prüfen
Soweit möglich Berührschutz herstellen (Basisisolierung)
Experimente mit elektrischer Energie
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Regeln zum Umgang mit berührungsgefährlicher Spannung:
Umbauen (auch Messgeräte) nur im spannungsfreien Zustand Tipp: Netzstecker ziehen und sichtbar auf den Tisch legen
Wenn möglich muss Schutz durch SELV/ PELV genutzt werden:
SELV: Sicherheitskleinspannung (Safety Extra-Low Voltage) PELV: Funktionskleinspannung – d.h. Kleinspannung mit Erdung (Protective Extra-Low Voltage)
Wann liegt SELV/ PELV vor? Basisisolation der gesamten Schaltung,
d. h. kein elektrischer Leiter kann berührt werden.
Spannung maximal 50 V AC (120 V DC)
Netzgerät mit Sicherheitstransformator nach EN 61558-2-6 und mit doppelter/ verstärkter Isolierung des Primärstromkreises
Experimente mit elektrischer Energie
Unterschied zwischen SELV und PELV
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PELV: Erdung der Sekundärseite
SELV: Keine Erdung der Sekundärseite (daher sicherer als PELV)
Experimente mit elektrischer Energie
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Experimente mit berührungsgefährlicher Spannung Alle Experimentiereinrichtungen müssen
mit Sicherheitsbuchsen ausgestattet sein. (BG/GUV-SI 8040, Seite 33)
Alte Geräte müssen umgerüstet werden!
Experimente mit elektrischer Energie
Adapter (bis 1000 V): Leybold-Didactic 50095, 50096 Conatex 2060350
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Wo kommen berührungsgefährliche Spannungen vor?
Beispiele: Alle Netzgerät ohne Sicherheitstransformator
(auch wenn U ≤ 25 V) Experimente, bei denen berührungsgefährliche Spannungen durch
Induktion oder Kondensatorentladung vorkommen kann Experimente mit 230-V-Netzspannung
Hinweis: Abgreifen von 230-V-Netzspannung nur mit Sicherheitsadapter und
Sicherheitskabeln
Experimente mit elektrischer Energie
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Mit Schutz durch SELV/PELV-Systeme: mehrere Schülerexperimente gleichzeitig möglich
Not-Aus direkt am Arbeitsplatz nicht notwendig
Lehrer überprüft jeden Aufbau der Schüler vor Spannungsfreigabe
Schüler über Gefahren und Schutz informieren
Ohne Schutz durch SELV/PELV-Systeme: erhebliche Gefährdung nur ein Experiment unter unmittelbarer Aufsicht des Lehrers möglich
Not-Aus direkt am Arbeitsplatz notwendig
Lehrer überprüft jeden Aufbau der Schüler vor Spannungsfreigabe
Schüler über Gefahren und Schutz informieren
Spannungsfreigabe ankündigen
Experiment am Pult: 1,2 m Abstand zum ersten Schülertisch oder Schutzscheibe verwenden
Experimente mit elektrischer Energie
Experimente mit elektrischer Energie
Kann ich Lernziel mit nicht berührungsgefährlicher Spannung erreichen?
Nicht berührungsgefährliche Spannung muss verwendet werden.
Schülerexperimente in allen Klassenstufen erlaubt
Ohne Schutz durch SELV/PELV unter Einhaltung weiterer Vorgaben erlaubt.
Schülerexperimente nur ab Kl. 11
Kann ich Lernziel mit Schutz durch SELV/PELV-System erreichen?
SELV/PELV-System muss verwendet werden.
Schülerexperimente nur ab Kl. 11
Ja
Nein
Ja Nein
Überblick: Prüfungen zum Einsatz elektrischer Spannungen
Empfehlung: In allgemeinbildenden Schulen ganz auf Schüler- experimente mit berührungsgefährlicher Spannung verzichten.
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Bandgeneratoren, Influenzmaschinen
sollten wie elektrische Quellen mit berührungsgefährlicher Spannung behandelt werden.
Spannungen sind ggf. berührungsgefährlich
Vorsicht bei externen Kapazitäten Dann wird die Spannung schnell berührungsgefährlich. Zum Beispiel bei 200 kV ab Cges=17,5 pF: Konduktorkugeln mit C=15pF, zusätzlich erlaubt: < 2,5 pF
Keine Schülerexperimente bis einschließlich Kl. 10!
Hochspannungsnetzgeräte Alte Geräte liefern häufig berührungsgefährliche Spannungen.
Aktuelle Hochspannungsnetzgeräte erzeugen oft keine berührungs-gefährliche Spannungen: Bedienungsanleitung des Herstellers lesen.
Vorsicht beim Anschluss zusätzlicher externer Kapazitäten.
Experimente mit elektrischer Energie
[Foto: Jared C. Benedict. CC BY-SA 3.0, Wikipedia]
Experimente mit elektrischer Energie
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Spule ausschalten bei U ≤ 60 V DC
Experimente mit elektrischer Energie
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Spule ausschalten bei U ≤ 60 V DC Messergebnisse (geschlossener Eisenkern, R1 = R2):
Spule n U0 Imax Emag R1
LD Praktikum 59083
500 4,1 V 1,1 A 35 mJ 3,7 Ohm
LD Praktikum 59084
1000 10,5 V 0,5 A 40 mJ 21,0 Ohm
Phywe 06513-01
300 3,3 V 4 A 260 mJ 0,8 Ohm
Phywe 06514-01
600 4,6 V 2 A 230 mJ 2,3 Ohm
Phywe 06515-01
1200 11,3 V 1 A 240 mJ 11,3 Ohm
Experimente mit elektrischer Energie
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Hinweise zu Experimenten mit Spulen:
Kleine Praktikumsspulen sind mit Gleichspannung i. A. auch für SchülerInnen unbedenklich (vgl. Tabelle).
Schülerexperimente mit leistungsfähigen Spulen sind bis einschließlich Klassenstufe 10 nicht zu empfehlen.
Parallelschaltung von leistungsfähigen Spulen kann zu berührungsgefährlichen Spannungen führen.
Versuche mit Spulen und Stromunterbrechern (z. B. Modell einer elektrischen Klingel, Funkeninduktor, …) können evtl. berührungsgefährliche Spannungen erzeugen.
Experimente mit elektrischer Energie
Experimente mit (evtl.) berührungsgefährlicher Spannung
Welche Spule darf es sein?
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Schülerexperimente zum Transformator mit Spulen:
Nur dann, wenn sich auch beim Vertauschen der Spulen keine höhere Spannung als 25 V ergibt.
Möglichkeit 1: Kleinspannungstrafo mit maximal 12 V, Spulen mit Windungsverhältnissen 1:1 und 1:2
Möglichkeit 2: Die Lehrkraft stellt über die Energieverteilung eine
Spannung von 6 V an den Schülertischen zur Verfügung. Verwendung von Windungsverhältnissen 1:1, 1:2 und 1:4
Experimente mit Spulen
[Foto: Lizenzfreie Bilder zum Lehrerband Impulse Physik, 7-10,Klett-Verlag 2009]
Experimente an Schülerinnen und Schülern Nicht mit Geräten, die an das elektrische Netz angeschlossen sind
Direkter Kontakt mit elektrischen Schaltungen nur mit nicht berührungsgefährlichen Spannungen
Beispiele: Messen des elektrischen Widerstands von Hand zu Hand
Spannungen bei Muskelkontraktion messen (bzw. EKG)
Keine SchülerInnen mit Induktionsstromstößen elektrisieren (Weidezaun)
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Experimente mit elektrischer Energie
Verschiedene Experimente
Kondensatoren:
Emax= ½ ∙ C∙U² = 8 J
berührungsgefährliche Spannung
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U < 5,5 V nicht berührungsgefährlich
Verschiedene Experimente
Experiment zur Veranschaulichung el. Felder mit Grießkörnern
Spannung ist nicht berührungsgefährlich
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RiSU-konform
Verschiedene Experimente
Spule ausschalten
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Verschiedene Experimente
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Fadenstrahlröhre
berührungsgefährliche Spannung
Verschiedene Experimente
Wärmelehre
Bolzensprenger
Gefahr durch Splitterflug
Schutzbrille/ Schutzscheibe
Schriftliche GBU
nicht als Schülerexperiment
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Glasbruchgefahr beim Einschieben des Glasrohrs Glasrohr nicht durch SchülerInnen einsetzen lassen
Verschiedene Experimente
Wärmelehre
Umgang mit Chemikalien:
GBU zu jedem Experiment nötig
Fehlende Fachkunde: Chemiker muss GBU erstellen
Tipp: Wasser mit Lebensmittel- farbe färben
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Umgang mit Gasbrennern: Regeln beachten (nächste Folie)
Kartuschenbrenner
• Festinstallierte Gasanlagen sind Kartuschenbrennern vorzuziehen.
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• Aufbewahrung nur in Schränken mit Öffnungen in Bodennähe
• Nur die Lehrerin/der Lehrer darf die Druckgaskartuschen auswechseln.
• Unbeabsichtigtes Lösen der Druckgaskartuschen muss bauartbedingt unmöglich sein.
• Kartuschen nur mit fest integriertem Ventil verwenden.
• Maximal 8 Kartuschenbrenner bei Schülerversuchen
• Keine unzulässige Erwärmung
• Richtige Gebrauchslage beachten: Gas darf nicht auslaufen
• Nach Benutzung auf geschlossene Ventile und Mängel kontrollieren.
Verschiedene Experimente
Wecker im Vakuum
Implosionsgefahr beachten:
Schutzkorb/ Schutzfolie
oder splittergeschützte Glasglocke
oder Schutzscheibe/ Schutzbrillen
schriftliche Gefährdungsbeurteilung
Schülerexperimente nicht erlaubt
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Sicher Experimentieren
Im Physikunterricht gibt es sehr viele schöne und lohnende Experimente – mit Sicherheit.
Bei Fragen oder Zweifeln die Kollegen fragen.
theis@seminar-stuttgart.de
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Quellen, Literaturhinweise und Links
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RiSU 2016
GUV-SI 8070 „Richtlinien zur Sicherheit im Unterricht“
GUV-SI 8040 „Sicher experimentieren mit elektrischer Energie in Schulen“
Naturwissenschaften im Unterricht Physik, Heft 80/81, Friedrich Verlag 2004
GUV-V B2 "Laser" Unfallverhütungsvorschrift, aktualisiert April 2007
Merkblätter des RPK: Merkblatt – StrlSchV, zur Strahlenschutzverordnung vom 20. Juli 2001, zuletzt geändert durch Gesetz vom 24.02.2012, Umgang mit radioaktiven Stoffen im Schulunterricht
http://www.km-bw.de/,Lde_DE/Startseite/Schule/Bildungsplan-aktuell?QUERYSTRING=Bildungsplan+aktuell+26
https://www.ls-bw.de/,Lde/Startseite/Service/Sicherheit+im+Unterricht
http://www.gefahrstoffe-schule-bw.de
Vorträge und Gespräche: StD Markus Ziegler (RP Freiburg), Hans-Joachim Wachter (Unfallkasse BaWü) und Marco Häberlen (RP Stuttgart)