Handreichungen zur Durchführung von Schülerexperimenten im ... · -Projekt: Wärmedämmung an...

Arbeitsergebnisse der Arbeitsgruppe „Experimenteller Unterricht im Fach Physik“

im Modellversuch „Steigerung der Effizienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen

Unterrichts - SINUS“ in Berlin

Handreichungen zur Durchführung von Schülerexperimenten

im Physikunterricht der Klasse 8

Berlin, November 2002

Experimentieranleitungen Modellversuch SINUS Berlin Physik Klasse 8

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Ergebnisse der Arbeitsgruppe zu Schülerexperimenten im Physikunterricht der Klasse 8

Im Frühjahr 1997 wurden in Deutschland Ergebnisse eines internationalen Vergleichs von Schü-lerarbeiten im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht (TIMS-Studie) veröffentlicht. Die im Vergleich zu anderen Ländern schwachen Leistungen vieler Schüler regte die Diskussion über den mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht in Deutschland neu an. Eine der Ursachen für die schwachen Leistungen der Schüler liegt nach TIMSS neben vielen an-deren in der traditionellen Art der Unterrichtsführung in den deutschen Schulen, die vor allem auf Wissenserwerb und die Beherrschung von Verfahren zur Lösung von Aufgaben ausgerichtet ist. Im Gegensatz dazu ist der Unterricht in Ländern mit besseren Ergebnissen auf das Verständnis von Sachverhalten, z.B. durch Problemlösungen, offene Aufgaben und verstärkten Wechsel der im Unterricht verwendeten Kommunikationsformen und eigene Tätigkeit, gerichtet. Durch die Bund-Länder-Kommission (BLK) wurde in Auswertung der TIMS-Studie 1998 in allen Bundesländern ein Modellversuch „Erhöhung der Effizienz des mathematisch-naturwissen-schaftlichen Unterrichts – SINUS“ initiiert. In Berlin sind an diesem Modellversuch 12 Schulen beteiligt. In verschiedenen Arbeitsgruppen und Organisationsformen haben sich Lehrer zusam-mengefunden, um unterschiedliche Formen des Unterrichts zu konzipieren, zu erproben und die gesammelten Erfahrungen zu popularisieren. Es kam dabei darauf an, variable und ansprechende Aufgabenstellungen zu nutzen, effektive For-men des Übens und Anwendens zu finden, das Arbeitstempo und verschiedene Sozialformen im Unterricht angepasst an die höheren Ansprüche zu variieren. Für den Modellversuch SINUS wur-den 11 Module (siehe Anhang) erstellt, in denen diese Ansprüche als Problembereiche gekenn-zeichnet wurden. Für die am Modellversuch SINUS beteiligten Physiklehrer war das naturwissenschaftliche Arbei-ten (insbesondere das Experimentieren), die Entwicklung von Aufgaben, die die Kooperation von Schülern fördern, und die Weiterentwicklung der Aufgabenkultur von besonderer Bedeutung. Im Physikunterricht nimmt die Durchführung von Experimenten eine zentrale Stellung ein. In der Sekundarstufe I werden in Berlin die Schülerinnen und Schüler erstmalig mit physikalischen Ex-perimenten und mit der experimentellen Methode vertraut gemacht. Die Gewinnung experimen-teller Ergebnisse wird aber nicht nur durch Demonstrationsexperimente allein, sondern vor allem durch Schülerexperimente unterstützt. Deshalb sind in der Anfangsphase des Physikunterrichts weiterhin zunächst klare Vorgaben zum Experimentieren erforderlich. Die Schüler werden aber schrittweise mit zunehmendem Kompetenzerwerb auf offenere Aufgabenstellungen und eigen-ständigeres Erarbeiten von Lösungsansätzen vorbereitet. In der Arbeitsgruppe wurden ein Konzept für den Anfangsunterricht (in Berlin in der Regel in Klasse 8) erarbeitet, geeignete Schülerexperimente ausgewählt und dazu Experimentier-anleitungen für die Schüler und Handreichungen für die Lehrer konzipiert. Die Mitglieder der Ar-beitsgruppe wollen damit auch andere Lehrer anregen, verstärkt Schülerexperimente im Unter-richt einzusetzen. Es wird empfohlen, dass die Schüler Protokolle anfertigen und nach einem Protokollschema ar-beiten, das ebenfalls in der Arbeitsgruppe gemeinsam mit Lehrern anderer naturwissenschaftlicher Fächer erarbeitet wurde. Die Auswertung der Protokolle soll bereits im Anfangsunterricht sehr konsequent erfolgen, weil damit wichtige Grundlagen für die weitere Arbeit in den naturwissenschaftlichen Fächern ge-schaffen werden.


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Die vorliegende Handreichung für den Physikunterricht in der Klasse 8 enthält Seite 1. Gedanken zur Bewertung von Schülerexperimenten ...............................4 2. Angaben zum Protokoll bei Schülerexperimenten.....................................5 3. Wärmelehre

- Temperaturausgleich zwischen zwei Wassermengen 1 und 2 .......................................6 - Vorgänge im Wasser beim Erwärmen ...........................................................................9 - Hausexperiment: Abkühlungskurve ..........................................................................11 - Temperaturverlauf beim Schmelzen von Eis ...............................................................12 - Anomalie des Wassers (mit Kältemischung) ...............................................................14 - Lernen an Stationen einschließlich Hinweise für den Lehrer

- Wärmedämmung 1 und 2 .......................................................................................16 - Wärmestrahlung .....................................................................................................18 - Wärmespeicherung .................................................................................................19 - Wärmeleitfähigkeit bei verschiedenen Stoffen ......................................................20 - Einsatzmöglichkeiten für die Experimente zur Wärmelehre .................................21

- Projekt: Wärmedämmung an einem Versuchshaus ....................................................22 4. Elektrizitätslehre

- Ladungstrennung und Influenz ....................................................................................24 - Wechselschaltung 1 und 2 ............................................................................................26 - Schülerexperimente an Stationen

Hier werden sechs kurze Anleitungen für die Arbeit mit Stationen im Physikunterricht für die Unterrichtseinheit „Elektrizitätslehre“ vorgestellt. ....................................................................................................................29

5. Optik

- Reflexionsgesetz ..........................................................................................................32 - Brechung ......................................................................................................................34 - Beleuchtung eines Arbeitsplatzes ................................................................................36 - Mikroskop ....................................................................................................................37 - Fernrohr ........................................................................................................................38 - Kamera .........................................................................................................................39 - Einsatzmöglichkeiten der Experimente zur Optik ........................................................40

6. Fazit ......................................................................................................................41

Anhang: Module des SINUS-Modellversuchs


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Gedanken zur Bewertung von Schülerexperimenten

Unsere Überlegungen gehen von dem Fall aus, dass der Schüler oder die Schülergruppe zum Schülerexperiment ein Protokoll in der Form anzufertigen hat, wie in diesen Handreichungen vorgeschlagen wird. Dabei sind folgende Fragen und Probleme vom Fachlehrer zu beachten

1. Was will ich mit dem Schülerexperiment bei den Schülern erreichen, welche Angaben muss ich beim Protokoll bewerten?

2. Was ist das Wesentliche beim Protokoll zu diesem Schülerexperiment? Folgende Aussagen sollen nach unseren Erfahrungen bei der Bewertung der Experimente eine Rolle spielen

A Vollständigkeit und Form B Fertigkeiten beim Umgang mit Experimentiergeräten und beim Aufbau der Versuchsan-

ordnung C Bewältigen der Beobachtungs- und Messaufgabe,

Festhalten der Messwerte oder Formulierung der Beobachtungen D Ableiten von Schlussfolgerungen aus den gewonnenen Messwerten und den

Beobachtungen, Erklären des Ergebnisses mit Hilfe vorhandener Kenntnisse, Herstellen des Bezugs zur Aufgabenstellung oder zur anfangs formulierten Hypothese, Nennen möglicher Fehlerursachen.

Für die Bewertung schlagen wir folgenden Bewertungsmaßstab als Orientierung entsprechend der Punkte A bis D vor

Bewertungs-kategorie

A Vollständigkeit

B Umgang mit Geräten, praktische Fähigkeiten

C Beobachtungs-

und Messaufgabe

D Auswertung und

SchlussfolgerungenProzentuale Wichtung

etwa 20 % etwa 10 % etwa 40 % etwa 30 %

Dieser Bewertungsvorschlag berücksichtigt nach unserem Erachten auch den zeitlichen Auf-wand, den die Schüler in der Regel bei der Bewältigung der experimentellen Aufgaben für die einzelnen Teilbereiche aufbringen müssen. Jeder Fachlehrer sollte bei seiner Bewertung seine Unterrichtsziele und die konkreten Bedin-gungen, unter denen die Schüler seiner Klasse arbeiten müssen, berücksichtigen. Somit kann im speziellen Fall ein Bewertungsmaßstab von unserem Vorschlag stark abweichen.


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Protokoll zum Schülerexperiment

Schülergruppe (Nr.) Name Mitarbeiter Versuchsbezeichnung

1. Aufgabenstellung

2. Vermutung und Antworten zu den Vorbetrachtungen

Die Fragen in der Vorbetrachtung sind zu beantworten und wenn möglich eine begründete Vermutung (Hypothese) zu formulieren.

3. Versuchsanordnung

Es sind Schaltpläne oder Skizzen der Versuchsanordnung, die benötigten Geräte und eine Be-schreibung des Aufbaus zu erfassen.

4. Versuchsdurchführung

Die Durchführung des Versuchs ist zu beschreiben, die Messwerte in Tabellen zu erfassen und die Beobachtungen zu notieren.

5. Auswertung

Alle Aufgaben sind zu lösen. Alle notwendigen Berechnungen sind durchzuführen, eine Wer-tung der Versuchsergebnisse ist zu geben und die Ergebnisse sind mit der oben formulierten Vermutung zu vergleichen.

Die Ausführlichkeit des Protokolls richtet sich nach den Vorgaben des Lehrers oder der Aufga-benstellung. Ein ausführliches Protokoll ist so zu gestalten, dass das Experiment durch einen Außenstehenden nachvollzogen werden kann.


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Der Temperaturausgleich (1)

Aufgabe Nimm für den Temperaturausgleich zwischen zwei Wassermengen mit unterschiedlichen Tempe-raturen das Temperatur - Zeit - Diagramm auf!

Vorbereitung 1. Stelle mit Hilfe eines Strahles die Celsiusskala und die Kelvinskala dar!

Gib die wesentlichen Unterschiede an! 2. Ermittle folgende Temperaturdifferenzen!

Anfangstemperatur ϑAnfang in oC

Endtemperatur ϑEnde in oC

Temperaturdifferenz ∆T in K

+ 20 100

- 80 100

3. Weshalb steht auf Messzylindern häufig eine Angabe: „Tol. ±2,0 ml bei 20oC“? 4. In einem Mantel befindet sich folgendes Zeichen

Was bedeutet dieses Zeichen? 5. Nenne und erläutere verschiedene Fehler, die bei Temperaturmessungen auftreten

können! 6. Bereite das Protokoll vor!

Durchführung 1. Gefüllt wird ein breites Glas mit 100 ml kaltem Wasser und ein schmales Glas mit

etwa 50 ml heißem Wasser. 2. Miss die Temperatur ϑh des heißen Wassers und die Temperatur ϑk des kalten Was-

sers! Trage die Werte in die Messwerttabelle für die Zeit t = 0 min ein. 3. Stelle die zwei Gläser ineinander, rühre sowohl das kalte als auch das heiße Wasser

ständig um und miss nach jeder Minute die Temperatur des Wassers in den zwei Glä-sern. Trage die Messwerte in die Tabelle ein. Beende die Messungen, wenn sich die Temperatur in beiden Gläsern nicht mehr ändert.

Messwertetabelle

Zeit t in min 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... Temperatur ϑk des kalten Wassers in oC

Temperatur ϑh des heißen Wassers in oC

Auswertung

1. Stelle den Temperaturverlauf für das kalte und für das warme Wasser in einem Dia-gramm mit unterschiedlichen Farben dar!

2. Welchen Wärmeübergang konntest du feststellen? 3. Ändern sich die Temperaturen im Verlauf des Temperaturausgleichs im warmen und

im kalten Wasser gleich schnell?

30 oC


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Der Temperaturausgleich (2) Aufgabe Ermittle für den Temperaturausgleich zwischen zwei Wassermengen unterschiedlicher Tempera-tur das Temperatur - Zeit - Diagramm! Vorbereitung

1. Welche Messvorschriften müssen bei Temperaturmessungen beachtet werden? 2. Bereite das Protokoll vor! 3. Bereite die Messwerttabelle und ein Koordinatensystem auf Millimeterpapier vor Messwertetabelle Zeit t in min Temperatur ϑk des kalten Wassers in oC

Temperatur ϑh des heißen Wassers in oC

Versuchsaufbau

Durchführung

1. Gefüllt wird ein breites Becherglas mit 100 ml kaltem Wasser und ein schmales Becher-glas mit etwa 50 ml heißem Wasser.

2. Hole dir die erforderlichen Geräte und Materialien. Miss am Anfang (t = 0 min) die Temperatur ϑk des kalten Wassers und die Temperatur ϑh

des heißen Wassers! Trage die Werte in die Tabelle ein. 3. Stelle die zwei Gläser ineinander, rühre sowohl das kalte als auch das heiße Wasser ständig

um und miss nach jeder Minute die Temperatur des Wassers in den zwei Gläsern. Trage die Messwerte in die Tabelle ein. Beende die Messungen, wenn sich die Temperatur in beiden Gläsern nicht mehr ändert.

Auswertung

1. Stelle den Temperaturverlauf für das ursprünglich heiße Wasser im Koordinatensystem dar (rot).

2. Stelle im gleichen Koordinatensystem den Temperaturverlauf des ursprünglich kalten Was-sers dar (blau).

3. Ändern sich die Temperaturen im Verlauf des Temperaturausgleichs im warmen und im kalten Wasser gleich schnell?

Thermometer

heißes Wasser

kaltes Wasser


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Hinweise für den Lehrer

Der Temperaturausgleich

Zielstellung

- Messen der Temperaturen in bestimmten zeitlichen Abständen - Darstellung der Messergebnisse in Tabellen - Arbeit mit Diagrammen Zeichnen eines Koordinatensystems Eintragen von Messwerten Auswerten von Diagrammen - Arbeiten nach einer Arbeitsanweisung

Geräte und Hinweise

Vorbereitung Bereit zu stellen sind pro Gruppe - zwei Bechergläser, die ineinander passen - zwei Thermometer und ein Rührer - heißes Wasser

Achtung: Verbrühungsgefahr! - Zentraluhr

Durchführung - Schüler holen sich ca. 100 ml kaltes Wasser im großen Becherglas, Thermometer sofort

in das Becherglas stellen. - Lehrer gibt am Platz das heiße Wasser aus, auch hier sofort die Temperatur messen. Sind

beide Ausgangstemperaturen bestimmt, werden die Bechergläser ineinander gestellt und die Temperaturen für beide Bechergläser im Abstand von einer Minute gemessen. Die Messwerte werden im Protokoll festgehalten.

- Das Experiment ist beendet, wenn das Wasser in beiden Gläsern die gleiche Temperatur hat.

Auswertung - Die Schüler tragen in einem Koordinatensystem die Temperaturverläufe für das kalte und

das warme Wasser ein. - Die Fragen zum Temperaturausgleich sind zu beantworten. Dauer des Experimentes mit Auswertung: ca. 40 min Dieses Experiment eignet sich zu einer Leistungskontrolle.


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Die Vorgänge im Wasser beim Erwärmen Aufgabe

Untersuche über eine Zeit von etwa 10 Minuten die Vorgänge im Wasser beim Erwärmen bis zum Sieden!

Durchführung

1. Fertige ein Protokoll an! 2. Notiere eine Vermutung wie sich die Temperatur beim Erwärmen und Sieden von Wasser

verändern wird. 3. Überlege einen geeigneten Versuchsaufbau, der es ermöglicht, die Temperatur des Was-

sers beim Erwärmen zu messen und dabei die Vorgänge im Wasser zu beobachten. Beschreibe den Versuchsaufbau mit Hilfe einer Skizze oder mit Worten.

4. Erwärme das Wasser bis zum Sieden, notiere in gleichen Zeitabständen die Temperaturen und die Erscheinungen, die beim Erwärmen des Wassers bei diesen Temperaturen zu beo-bachten sind.

5. Begründe die Erscheinungen im Wasser beim Erwärmen mit Hilfe deiner Kenntnisse über die Zusammensetzung von Stoffen aus Teilchen.


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Die Vorgänge im Wasser beim Erwärmen

Zielsetzung

Der Schüler erkennt

- die unterschiedlichen Phänomene beim Erwärmen von Wasser (Beschlagen des Becher-glases, Entweichen der gelösten Luft, Dampfblasenentstehung am Boden beginnend, Temperaturverlauf),

- dass flüssiger und gasförmiger Aggregatzustand gleichzeitig existieren.

Fertigkeiten - Sicheres und kritisches Ablesen von Temperatur und Zeit. - Sicherer Umgang mit Labor- und Messgeräten. - Anfertigen von Messwertetabellen und Übertragen der Messwerte in ein Diagramm. - Genaues Beschreiben der Beobachtungen der einzelnen Phasen.

Der Schüler erklärt die beobachteten Phänomene auf der Basis seiner Kenntnisse über die Teilchenstruktur der Körper.


Geräte

- Becherglas 200 m1 mit ca. l00 ml Wasser (je nach Wärmequelle) - Thermometer - Uhr (Stoppuhr oder Zentraluhr) - Wärmequelle, z.B. Kochplatte

Sicherheitshinweis

- Becherglas und Thermometer sollten fixiert sein. - Bei Verwendung eines Bunsenbrenners müssen gegebenenfalls die Haare der Schülerin-

nen zurückgebunden werden. Je nach Wärmequelle beträgt die Zeit zum Messen etwa 10 Minuten. Für die Vorbereitung des Experiments, die Protokollanfertigung und die Auswertung wird die gesamte Stunde benötigt.


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Abkühlungskurve

Ein Hausexperiment für das Stoffgebiet „Wärmelehre“

Aufgabe Bestimme die Abkühlungskurve für Wasser, das sich an der Luft abkühlt! Durchführung

1. Fülle 1 Liter Wasser mit einer Temperatur von ca. 60°C in ein Gefäß! 2. Stelle das Gefäß in einen kühlen Raum und miss die Ausgangstemperatur des Wassers!

Bestimme auch die Lufttemperatur! 3. Rühre das Wasser nach jeweils 5 Minuten um und miss danach die Temperatur des

Wassers! Trage die Messwerte in die Tabelle ein. 4. Kontrolliere nach einigen Messung die Lufttemperatur!

Beende die Messung nach 40 Minuten!

Zeit in min

Temperatur in °C

Auswertung

1. Trage die Messwerte in ein Zeit-Temperatur-Diagramm ein. 2. Vergleiche deine Abkühlungskurve mit einer Abkühlungskurve im Lehrbuch.

Notiere Gemeinsamkeiten und Unterschiede! 3. Gib eine mögliche Erklärung für die festgestellten Unterschiede an. 4. Wie könntest du feststellen, ob deine Erklärung richtig ist?


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Der Temperaturverlauf beim Schmelzen von Eis Aufgabe Untersuche über eine Zeit von 20 Minuten die Temperaturänderung beim Schmelzen von Eis. Stelle in Vorbereitung des Experimentes im Tiefkühlschrank Eiswürfel her. Durchführung

1. Fertige ein Protokoll an! 2. Notiere eine Vermutung, wie sich die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit beim

Schmelzen des Eises verändern wird. 3. Skizziere einen Versuchsaufbau und notiere die benötigten Geräte! 4. Verwende zerkleinertes Eis, es muss ständig gerührt werden, das Thermometer darf

beim Messen nicht den Boden des Gefäßes berühren. 5. Übertrage folgende Tabelle in das Protokoll und fülle sie beim Messen aus.

t in min 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

ϑ in oC

6. Übertrage die Messwerte in ein t-ϑ-Diagramm, beschreibe den Temperaturverlauf in

Worten und werte das Diagramm aus. 7. Begründe deine Beobachtungen mit Hilfe deiner Kenntnisse über die Zusammensetzung

von Stoffen aus Teilchen


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Der Temperaturverlauf beim Schmelzen von Eis

Zielsetzung

Der Schüler erkennt - die Temperatur bleibt beim Schmelzen konstant, - die Temperatur steigt erst nach dem Schmelzvorgang an, - fester und flüssiger Aggregatzustand existieren gleichzeitig.

Fertigkeiten - Sicheres und kritisches Ablesen von Temperatur und Zeit. - Sicherer Umgang mit Labor- und Messgeräten. - Anfertigen einer Messwertetabelle und übertragen der Messwerte in ein Diagramm. - Beschreiben der Versuchsdurchführung und der Beobachtung. Der Schüler erklärt die beobachteten Phänomene auf der Basis seiner Kenntnisse über den Aufbau der Stoffe aus Teilchen.


- 1 Becherglas l00 ml mit ca. 50-60 ml Eis - 1 Becherglas 200 m1 mit ca. 80 m1 warmen Wassers von ca. 35 oC gefüllt (nicht wärmer) - Thermometer, Uhr, Rührer

Gut geeignet ist Eis von 0 oC, es ist glasig. Zur besseren Temperaturmessung sollte das Eis zerstoßen werden (sehr klein!). Die Schüler erhalten nur gute Ergebnisse, wenn sehr intensiv gerührt wird. Das Becherglas mit zerstoßenem Eis kann zur Versuchsdurchführung in das Becherglas mit dem warmen Wasser gestellt werden. Es muss ständig gerührt werden, das Thermometer bleibt beim Messen im Eiswasser, darf aber beim Messen den Boden nicht berühren. Die o.g. Zeit von 20 Minuten sollte nicht überschritten werden. Somit haben die Schüler ge-nügend Zeit das Protokoll anzulegen und fertig zu stellen.


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Die Anomalie des Wassers Aufgabe

Untersuche die Volumenänderung von Wasser beim Abkühlen bis unterhalb des Gefrier-punktes!

Vorbereitung

1. Notiere eine Vermutung, wie sich das Volumen des Wassers beim Abkühlen bis unter den Gefrierpunkt ändert!

2. Fertige ein Protokoll an! Durchführung

1. Du benötigst ein Glas mit einer Kältemischung, ein kleines Reagenzglas mit Wasser und ein Thermometer. Fülle das Reagenzglas zur Hälfte mit Wasser. Markiere den Füllstand!

2. Stelle das Reagenzglas in die Kältemischung. Achte darauf, dass die Markierung gerade noch sichtbar ist.

3. Miss in regelmäßigen Abständen die Temperatur der Kältemischung und notiere sie. Beobachte den Füllstand des Wassers im Reagenzglas und notiere deine Beobachtung.

Auswertung.

1. Vergleiche die Beobachtungen mit deiner Vermutung! 2. Versuche die Beobachtungen zu erklären.


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Die Anomalie des Wassers

Zielstellung

1. Gewinnung von Einsichten über die Volumenänderung des Wassers beim Schmelzen und Erstarren,

2. Einsicht, dass mit Kältemischungen über längere Zeit in einem beheizten Raum tiefe Temperaturen zu erreichen sind,

3. Beobachtung, dass das Glas von außen beschlägt und dieser Beschlag gefriert.


Vorbereitung

1. gestoßenes Eis (Eiswürfel vorbereiten, kurz vor dem Experiment zerkleinern) 2. Bechergläser 3. Reagenzgläser ca. 5 ml 4. Kochsalz 5. Thermometer

Durchführung

Das gestoßene Eis in die Bechergläser füllen, Salz dazugeben und umrühren. In diese Mi-schung das Thermometer geben. Das Reagenzglas höchstens bis zur Hälfte mit Wasser füllen, den Füllstand markieren und so in die Mischung stellen. Das Wasser erstarrt im Reagenzglas. Dabei verändert sich das Volumen des Wassers deutlich. Dauer des Experimentes ca. 10 bis 15 Minuten.

Versuchsskizze

Markierungen Thermometer

Kältemischung

kleines Reagenzglas mit Wasser


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Wärmedämmung (1)

Aufgabe Untersuche, welche Stoffe für die Winterbekleidung geeignet sind! Durchführung

1. In einer Blechdose ist warmes Wasser enthalten. 2. Umkleide die Blechdose mit verschiedenen Kleidungsstoffen und ermittle die Temperatu-

ren, die im Wasser bei der Abkühlung entstehen! Die Dicke der „Isolierschicht“ darf höchstens die Hälfte des Radius der Blechdose sein.

3. Miss bei deiner „Isolierung“ die Temperatur des Wassers nach 2, 4, 6, 8 und 10 Minuten. Notiere deine Werte. Erkläre, wie die Kleidung beschaffen sein muss, die du im Winter trägst.

Geräte Du benötigst - 2 Blechdosen - warmes Wasser (ca. 60°C) - verschiedene Stoffe - Thermometer - Uhr

Pappdeckel mit Loch

Thermometer

Isolierstoff

große Blechdose

kleine Blechdose

Isolierstoffe

Wasser 60°C


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Wärmedämmung (2)

Aufgabe Untersuche, welche Stoffe für die Winterbekleidung geeignet sind! Durchführung In einer Blechdose wird Luft durch eine Glühlampe erwärmt. Stelle fest, wie lange man die Glühlampe einschalten muss, um eine konstante Temperatur zu er-halten! Umkleide die Blechdose mit verschiedenen Kleidungsstoffen und ermittle die Zeiten, die notwen-dig sind, um eine konstante Temperatur zu erhalten. Notiere deine Werte!

Geräte

Du benötigst - 1 Blechdose - 1 Glühlampe 6V, 12W, Schnüre, Schalter, Stromversorgungsgerät - 1 Thermometer - 1 Uhr - verschiedene Stoffe

Versuchsanordnung Erläutere, welche Stoffe für die Winterkleidung geeignet sind. Begründe! Welche Bedeutung hat die richtige Kleidung im Winter?

Blechdose

Isolierstoff

Thermometer


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Wärmestrahlung

Aufgabe Es soll untersucht werden, warum es trotz Sonnenscheins im Winter kälter als im Sommer ist? Dazu wird das Schmelzen von Paraffin mit Hilfe einer Glühlampe untersucht. Versuchsanordnung Versuchsdurchführung

1. Richte die Lampe so aus, dass sie sich genau senkrecht über der Schale mit Paraffin be-findet (Sommer). Der Abstand des Paraffins von der Tischplatte soll etwa von 7 cm betragen.

2. Stoppe nach Einschalten der Lampe die Zeit bis zum Schmelzen der obersten Paraffin-schicht!

3. Wiederhole den Versuch, nachdem die Lampe in gleicher Höhe schräg über der Paraffin-schale befestigt wurde (Winter).

Auswertung

Senkrechte Stellung (Sommer ) Schräge Stellung (Winter)

Zeit bis zum Schmelzen: Zeit bis zum Schmelzen:

Erkläre, warum es trotz Sonnenschein im Winter kälter ist als im Sommer!

Schreibtischlampe

Schale mit Paraffin

Tisch


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Wärmespeicherung Aufgabe Es soll untersucht werden, warum es im Sommer an der See kühler, im Winter aber wärmer als im zentralen Festland ist! Dazu wird Wasser und Sand mit Hilfe einer Glühlampe erwärmt und die Temperatur über dem Wasser und dem Sand gemessen. Versuchsanordnung

Versuchsdurchführung

1. Stelle die Versuchsanordnung nach der Skizze zusammen! Beachte: - Die Thermometer dürfen Sand bzw. Wasser nicht berühren! - Der Abstand von der Lampe zu den Schalen soll etwa 16 cm betragen. 2. Schalte die Lampe (Sonne) ein und miss nach den angegebenen Zeiten die Temperaturen! 3. Schalte nach 15 Minuten die Lampe aus und miss nach weitern 5 Minuten die Temperatur

(Nacht)! 4. Lege Eisstückchen in die Schalen (Winter – Frost) und miss nach 5 Minuten die

Temperaturen!

Auswertung

Lampe Zeit in min Lufttemperatur über Land

Lufttemperatur über Wasser

0 5 10

Eingeschaltet

15

Ausgeschaltet

nach 5

Ausgeschaltet

und Eis

nach 5

Erkläre, warum es im Sommer an der See kühler, im Winter aber wärmer als im zentralen Festland ist!

Lampe

ThermometerStativ

Schale mit Sand Schale mit Wasser


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Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe

Aufgabe Es soll untersucht werden, wie sich die Tiere im Winter vor Wärmeverlust schützen? Dazu wird ein Modellversuch durchgeführt. Aufbau und Durchführung Wir verwenden als geheizten Körper einen Erlmeyerkolben mit einem durchbohrten Stopfen und einem Thermometer. In den Erlmeyerkolben füllen wir ca. 50°C warmes Wasser. Dieser Erlmeyerkolben wird in ein anderes größeres Glas gebracht, in dem sich die zu untersu-chenden Stoffe befinden und die den Erlmeyerkolben vollständig umgeben. Es wird die Wärmeisolierfähigkeit von Wolle, Federn, Fell, Leder und Fett untersucht. Wolle, Federn, Fell und Leder werden zunächst im trockenen, danach im feuchten Zustand auf Wärmeleitfähigkeit untersucht. Dazu wird Wasser in das mit den Materialien gefüllte große Gefäß gegeben. Die Temperatur im Inneren wird im Abstand von zwei Minuten gemessen. Trage die Messwerte in die Tabelle ein! Messwertetabelle Zeit in

min Wolle Federn Fell Leder Fett Luft Ohne Hülle

trocken nass trocken nass trocken nass trocken nass 0 2 4 6 8 10 Vergleiche die Wärmeleitfähigkeiten der untersuchten Stoffe! Nutze die Ergebnisse des Experimentes und beschreibe, wie sich Eisbär, Vogel, Schaf usw. im Winter vor der Kälte schützen!


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Einsatzmöglichkeiten für die Experimente Die Experimente sind zur Arbeit an Stationen, zur Vorbereitung von Vorträgen oder zur Projekt-arbeit geeignet. 1. Lernen an Stationen Für die Experimente zur Wärmedämmung, Wärmestrahlung und Wärmespeicherung werden etwa 30 Minuten benötigt, für die Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit muss eine Unterrichtsstunde eingeplant werden. Das Experiment zur Wärmedämmung an einem Versuchshaus (siehe nächste Seite!) kann als Projekt bearbeitet werden, hier sind entsprechende Vorbereitungen zur Material-bereitstellung erforderlich. Es können durch die Experimente Vorträge vorbereitet werden. Dazu sind folgende Themen für Schülervorträge geeignet:

1. Welche Stoffe sind für die Winterbekleidung geeignet? 2. Warum ist es trotz Sonnenschein im Winter kälter als im Sommer? 3. Warum ist es im Sommer an der See kühler, im Winter aber wärmer als im zentralen

Festland? 4. Wie schützen sich die Tiere im Winter vor Wärmeverlust? 5. Wie muss die Wärmedämmung eines Hauses gewählt werden, damit die Wärmeverluste

möglichst gering sind?

2. Vorbereitung von Vorträgen in Gruppen Die Schüler führen ein Experiment aus und bereiten dabei einen Vortrag vor. Die Schüler präsen-tieren ihre Ergebnisse vor der Klasse und stellen dabei auch das von ihnen ausgewählte Experi-ment vor. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Schüler ihren Vortrag mit verschiedenen Ex-perimenten vorbereiten.

Folgende Themen sind geeignet:

1. Wie reagiert unsere Haut auf Wärme/Kälte? 2. Wie schützen sich Tiere vor Kälte/Wärme? 3. Wie können Tiere in der Wüste bzw. in der Arktis überleben? 4. Erkläre den Unterschied zwischen See- und Kontinentalklima! 5. Wie kann man eine Wohnung mit geringem Aufwand an Heizung lange warm halten? 6. Welche Kleidung ist für Sommer/Winter geeignet?

3. Projekte Die Experimente können auch als Projekte ausgeführt werden. Zu beachten ist, dass die Arbeit in Gruppen die Aktivität der Schüler verstärken kann.

Hinweis: Als Lampe für die Experimente sind Rotlichtlampen besonders geeignet.


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Wärmedämmung an einem Versuchshaus Eine Projektaufgabe

Aufgabe Stelle aus einem Schuhkarton ein einfaches Modellhaus her und untersuche die Wärmeverluste bei Verwendung unterschiedlichen Dämmmaterials!

Durchführung 1. Aus einem Schuhkarton wird ein Modellhaus hergestellt. Im Inneren des Kartons wird ein

Thermometer an der Oberseite befestigt („an der Decke“). An der Seite wird ein „Fenster“ ge-schnitten und mit Folie oder einem anderen durchsichtigen Stoff beklebt, damit die Tempera-tur abgelesen werden kann.

2. Zum Heizen des Hauses nimmst du eine Glühlampe, die du mit 12 V betreibst. Sie stellt unse-ren Ofen dar.

3. Die Temperaturen im und am Haus werden gemessen.

Temperatur im Haus

Temperatur an der Außenwand

Temperatur in der Umgebung

4. Was kannst du über den Wärmezustand dieses einfachen Hauses aussagen? 5. Mit der Lampe soll nun geheizt werden. Die Wände des Hauses sind sehr dünn. Deshalb sind

die Temperaturen im Inneren niedrig. Wir müssen die Wände mit Dämmmaterialien verstärken. Vervollständige dein Haus! Wähle dazu ein Dämmmaterial und umhülle den Karton damit!

Dämmmaterial

6. Miss danach die Temperaturen und vergleiche mit den Werten ohne Dämmung!

Temperatur im Haus



7. Tapeziere dein Haus! Bringe erst eine Schicht Aluminiumfolie an. Klebe darauf die Tapete! Miss danach wieder die Temperaturen und vergleiche mit den Werten ohne Dämmung!

Temperatur im Haus



8. Wie sollten Wände von Wohnhäusern aufgebaut sein, damit möglichst wenig Heizenergie be-nötigt wird?


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Wärmedämmung an einem Versuchshaus

Dieses Projekt eignet sich hervorragend, um die Kenntnisse aus der Wärmelehre zu wieder-holen und zu festigen. Gleichzeitig soll damit erreicht werden, dass die Schüler praxisorien-tiert arbeiten. Man kann dieses Projekt am Ende des Stoffgebietes Wärmelehre einsetzen. Sehr sinnvoll wird dieses Projekt im Wahlpflichtunterricht der 9. Klasse, wenn man sich dort mit den Problemen der Wärmedämmung an Bauten in den verschiedensten Regionen der Welt beschäftigt. Gearbeitet wird nach den Arbeitsanweisungen auf dem Schülerbogen. Im Vorfeld ist sicher-zustellen, dass ausreichend Material vorhanden ist. Für die Dämmung können von den Schü-lern verschiedenste Stoffe verwendet werden, es können für ein Haus auch mehrerer Materi-alien verwendet werden. Am Ende der Projektbearbeitung sollte jedoch über Fragen der Kosten, des Brandschutzes und des Gesundheitsschutzes diskutiert werden. Eine sinnvolle Ergänzung zu diesem Projekt ist das Vorstellen verschiedener Niedrigener-giehäuser (dazu werden die Schüler beauftragt von den verschiedenen Hausbaufirmen Mate-rial zu besorgen) und das Vorstellen verschiedener Sanierungskonzepte in der näheren Wohnumgebung. Führt man dieses Projekt regelmäßig im Wahlpflichtbereich durch, ist es sinnvoll, statt der Kartons einfache Häuser, die aus Beton hergestellt wurden, zu verwenden. Zur Herstellung dieser Betonhäuser kann man den Bereich Arbeitslehre mit einbeziehen.


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Ladungstrennung und Influenz

Aufgabe Baue die Versuchsanordnung entsprechend einer Abbildung auf. Untersuche, welche Wirkungen erkennbar sind.

Durchführung

1. Fertige ein geeignetes Protokoll an. 2. Lade den Plastikstab durch Reiben am Nylontuch und halte den geladenen Stab in die

Nähe des drehbar gelagerten Metallkörpers. 3. Notiere die Beobachtungen. Versuche die Beobachtungen zu erklären. 4. Lade den Plastikstab erneut auf. Halte den Plastikstab in die Nähe eines Elektroskops

ohne es zu berühren. 5. Notiere die Beobachtungen und erkläre sie.

Plastik Metall

Plastik Metall


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Ladungstrennung und Influenz Zielsetzung

- Selbständige Durchführung der Ladungstrennung durch den Schüler. - Selbständiges Nachweisen getrennter elektrischer Ladungen durch Kraftwirkungen. - Schüler kennen den Begriff Influenz und können diesen Begriff erklären.

Voraussetzung

- Die Schüler kennen aus dem Unterricht die Erzeugung getrennter elektrischer Ladungen und deren Nachweis über Kraftwirkungen bzw. durch Entladungen über eine Glimmlampe.

Geräte und Hinweise - Drehbar gelagerter Metallkörper (nach den Voraussetzungen der Sammlung ausgewählt) - Plastikstab, Nylontuch oder Wolltuch - Elektroskop


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Die Wirkungsweise einer Wechselschaltung (1)

Aufgabe Baue eine Schaltung entsprechend der Abbildung auf. Untersuche, wie sich die unterschiedlichen Schalterstellungen auf das Verhalten der Glühlampe auswirken.

Abbildung Versuchsdurchführung

1. Stelle die Schaltung zur Kontrolle dem Lehrer vor. 2. Führe den Versuch durch und notiere die Beobachtungen. 3. Gib praktische Beispiele an, wo man diese Schaltung verwenden könnte.

Hinweis

1. Fordere die notwendigen Geräte beim Lehrer an. 2. Fertige ein geeignetes Protokoll an.


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Die Wirkungsweise einer Wechselschaltung (2)

Vorbereitende Hausaufgabe Ein Zimmer besitzt zwei Türen. Die einzige Lampe darin soll beim Betreten des Zimmers durch eine beliebige Tür an dem dazugehörigen Wandschalter eingeschaltet werden können. Beim Verlassen des Raumes muss es natürlich möglich sein, sie an jeder Tür wieder auszuschalten. Variante 1 Entwickle einen Schaltplan zur Lösung des dargestellten Problems! Variante 2

Zeichne einen Schaltplan für den beschriebenen Sachverhalt unter Nutzung von Wechselschaltern!

Wechselschalter


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Die Wirkungsweise einer Wechselschaltung (1 und 2)

Zielsetzung

Der Schüler erkennt, dass - zum Leuchten der Lampe der Stromkreis geschlossen sein muss, - jeweils ein Schalter zum Schließen des Stromkreises ausreicht, - schon mit einfachen Mitteln eine für die Praxis wichtige Schaltung realisiert werden

kann. - er bereits Anwendungen aus der eigenen Wohnung kennt und kann weitere Anwen-

dungen nennen.

Fertigkeiten - Sicherheit beim Aufbau auch relativ komplizierter Schaltungen. - Beschreiben der Beobachtungen bei den einzelnen Schalterstellungen.


Geräte - Stromversorgungsgerät (6V) - 2 Wechselschalter - 5 Kabel - Steckbretter - 1 Glühlampe (6V)

Hinweis Die Schüler bauen die Schaltung auf. Danach muss der Aufbau kontrolliert werden. Es wird nicht die vollständige Unterrichtstunde benötigt.


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Blatt 1 Schülerexperimente in Stationen - Elektrizitätslehre I

Führe die Versuche in der vorgegebenen Reihenfolge an den einzelnen Stationen durch und löse die entsprechenden Aufgaben. Beachte dabei die Belehrung zum Umgang mit elektrischen Schal-tungen!

1. Reihenschaltung

1. Entwirf einen Schaltplan für eine Partybeleuchtung mit 6 Glühlampen. 2. Baue den Stromkreis auf. 3. Fülle die folgende Tabelle aus.

Lampen

alle fest Lampe 1

lose Lampe 2

lose Lampe 3

lose Lampe 4

lose Lampe 5

lose Lampe 6

lose Welche Lampen leuchten?

2. ODER-Schaltung Vorgegeben ist folgende Schaltung:

S I S II

1. Baue die Schaltung auf! 2. Fülle die Tabelle aus

Schalter I Schalter II Lampe offen offen geschlossen offen offen geschlossen geschlossen geschlossen

3. Lampen im Stromkreis

1. Am Arbeitsplatz ist eine Schaltung aufgebaut. 2. Zeichne den Schaltplan entsprechend des Aufbaus. 3. Fülle die vorgegebene Tabelle aus (Lampe leuchtet oder Lampe leuchtet nicht).

Schalter I Schalter II Schalter III Lampe 1 Lampe 2 offen geschlossen geschlossen geschlossen offen geschlossen geschlossen geschlossen offen geschlossen offen offen


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Blatt 2 4. Parallelschaltung von Glühlampen

1. Zeichne einen Schaltplan für die Parallelschaltung von 3 Glühlampen im Gleich-stromkreis!

2. Baue die Schaltung auf! 3. Überprüfe unter Verwendung der in der Tabelle vorgegebenen Möglichkeiten, welche

Lampen leuchten! Kennzeichne leuchtende Lampen mit einem X!

Lampe 1 Lampe 2 Lampe 3 lose fest fest lose lose fest lose lose lose fest lose fest fest fest lose fest fest fest

5. Stromerzeugung mit Kartoffeln 1. Am Arbeitsplatz ist eine Schaltung zur Messung des elektrischen Stromes, der an Kar-

toffeln gemessen wird, aufgebaut. 2. Skizziere den zugehörigen Schaltplan! 3. Beobachte die Zeigeranzeigen am Messgerät, die an den unterschiedlichen Kartoffel-

kombinationen zu sehen sind. Trage die Beobachtung in die Tabelle ein. Vergleiche die Anzeigen am Messgerät und gib an, wovon der Zeigerausschlag abhängen könnte.

Anzeige am Messgerät 1 Kartoffel 2 Kartoffeln 3 Kartoffeln 4 Kartoffeln

6. Leiter und Nichtleiter

1. Gegeben sind dir eine Spannungsquelle, ein Messgerät, Verbindungsleiter und ver-schiedene Materialien.

2. Fertige einen Schaltplan an, mit dem du überprüfen kannst, ob ein Material leitet oder nicht.

3. Überprüfe, welche der gegebenen Stoffe elektrische Leiter sind, welche nicht. 4. Stelle deine Ergebnisse in einer Tabelle zusammen, in der Leiter und Nichtleiter er-

fasst werden.


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Schülerexperimente in Stationen - Elektrizitätslehre I

Zielsetzung

- Selbständiger Aufbau von Schaltungen nach vorgegebenen Schaltplänen, - selbständiges Entwerfen von Schaltplänen und deren Aufbau, - selbständige Untersuchungen am Stromkreis zur Vertiefung der Kenntnisse, - selbständiges Arbeiten nach Arbeitsanleitung.


Vorbereitung - Bereitstellen der Geräte auf Paletten je nach Klassenstärke, - jeden Versuch 2 - 3 mal aufbauen bzw. Geräte bereitstellen, - je eine Bankreihe macht einen Versuch.

Durchführung - Es ist die maximale Zeit zur Bearbeitung der Versuche festzulegen, um zu gewährleisten,

dass jeder Schüler alle Versuche durchführt. - Die Schaltungen müssen vom Lehrer bzw. einen Beauftragten abgenommen werden. - Dauer des Experimentes ca. 1 Unterrichtsstunde

Auswertung - Die Schüler notieren Ihre Ergebnisse auf dem Arbeitsblatt. - Je nach Zielstellung kann man gemeinsam die Ergebnisse besprechen bzw. das Arbeits-

blatt bewerten.

Schaltpläne

Zur Aufgabe 3 + -

Zur Aufgabe 5

III

I II

Hinweis Den Schülern muss vor dem Experiment die Anwendung eines Strommessers erklärt werden, da in der Regel zu diesem Zeit-punkt die Messgeräte noch nicht eingeführt wurden. Beim Strommesser muss der Zeiger in Mit-telpunktslage stehen.

mA

Zink Kupfer


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Das Reflexionsgesetz

Aufgabe

Untersuche, wie ein Lichtstrahl an einem ebenen Spiegel bei unterschiedlichem Einfallswin-kel reflektiert wird. Miss dazu jeweils den Einfallswinkel und den Reflexionswinkel!

Vorbereitung

1. Nenne die Eigenschaften des Lichtes. 2. Erkläre, was ein Lichtstrahl ist. 3. Wie wird sich ein Lichtstrahl an einem ebenen Spiegel verhalten?

Notiere eine Vermutung!

Durchführung

1. Fertige ein Protokoll an. 2. Baue mit Hilfe des Experimentiersatzes „Optik“ eine geeignete Versuchsanordnung

auf und skizziere die Anordnung im Protokoll. 3. Fertige eine Messwertetabelle an und miss für mindestens 5 verschiedene Einfallswin-

kel α die zugehörigen Reflexionswinkel α´. Auswertung

1. Fertige ein geeignetes Diagramm zur Auswertung an und übertrage die Messwerte in das Diagramm.

2. Welche Gesetzmäßigkeiten sind erkennbar? Stimmen sie mit deiner Vermutung überein?

Zusatzaufgabe

Benutze für die Lampe eine „Dreistrahlblende“ und untersuche, wie sich das Licht an einem Konkav- und einem Konvexspiegel verhält!


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Das Reflexionsgesetz

Zielstellung

- Formulieren eines Protokolls ohne umfassende Hilfen, - Aufstellen einer Vermutung/ Hypothese und deren Überprüfung, - Aussuchen, Skizzieren und Aufbauen einer geeigneten Versuchsanordnung mit vorgege-

benem Arbeitsmaterial (Optiksatz für Schüler), - selbständige Auswahl geeigneter Messwerte, - Arbeit mit Diagrammen und Tabellen

- Entwickeln einer geeigneten Tabelle, - Eintragen von Messwerten, - Auswerten von Diagrammen,

- Arbeiten nach Arbeitsanweisung. Vorbereitung

Es wird für jede Schülergruppe ein Optiksatz und ein Stromversorgungsgerät für die Optik-leuchte bereitgestellt.

Durchführung Die Schüler arbeiten als Gruppe (in der Regel 2 Schüler) selbständig entsprechend der Arbeits-anweisung. Es ist ausreichend Zeit vorhanden, so dass auch Irrtümer verbessert werden können. Der Lehrer kontrolliert den richtigen Anschluss der Leuchten und gibt leistungschwachen Gruppen Hinweise. Das Zusatzexperiment wird von den Schülergruppen durchgeführt, die das Experiment ein-schließlich der Auswertung schnell beendet haben.

Auswertung

Die Schüler formulieren den Zusammenhang zwischen den Winkeln α und α´. Die oben formulierte Vermutung wird bestätigt oder verworfen. Durch den Lehrer wird das Reflexionsgesetz in vollständiger Form formuliert. Da die Messungen in der Regel nicht viel Zeit beanspruchen, sollte bei diesem Experiment der Schwerpunkt der Zielsetzung in der selbständigen Anfertigung des Protokolls liegen.


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Die Brechung des Lichtes

Aufgabe Untersuche, wie ein Lichtstrahl an einem halbrunden Glaskörper bei unterschiedlichem Einfalls-winkel gebrochen wird. Miss dazu jeweils den Einfallswinkel α und den Brechungswinkel β! Durchführung

1. Bereite ein Protokoll vor. 2. Verwende zum Experimentieren den Optiksatz und baue die Versuchsanordnungen

nach den Abbildungen auf. 3. Entwickle eine geeignete Messwertetabelle und miss bei jedem Teilversuch für mindes-

tens 5 Einfallswinkel α die zugehörigen Brechungswinkel β.

Übergang Luft � Glas Übergang Glas � Luft

1. Teilversuch Untersuche den Übergang des Lichtes von Luft nach Glas, miss mehrere Einfallswinkel und Brechungswinkel!

2. Teilversuch Untersuche den Übergang des Lichtes von Glas nach Luft, miss dazu mehrere Einfalls-winkel und Brechungswinkel!

Auswertung

1. Formuliere allgemeine Aussagen zu den Versuchsergebnissen. 2. Unter welchen Voraussetzungen ist es möglich, einen Brechungswinkel

von β = 90° zu erreichen? Wenn möglich, gib den zugehörigen Einfallswinkel α an.

3. Beschreibe zwei Beispiele aus dem täglichen Leben, bei denen die Brechung eine Rolle spielt.

Optikleuchte mit Einspaltblende


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Die Brechung des Lichtes

Zielstellung

- Formulieren eines Protokolls ohne umfassende Hilfen, - Aussuchen und Aufbauen einer geeigneten Versuchsanordnung aus vorgegebenem Ar-

beitsmaterial (Optiksatz für Schüler), - Selbständiges Auswählen geeigneter Messwerte, - Verallgemeinern von Messwerten, - Selbständiges Finden eines Sonderfalls (Grenzwinkel der Totalreflexion), - Herstellen eines Praxisbezuges durch das Einbeziehen eigener Erfahrungen, - Arbeiten nach Arbeitsanweisung.

Vorbereitung

Es wird für jede Schülergruppe ein Optiksatz und ein Stromversorgungsgerät für die Optik-leuchte bereitgestellt.

Durchführung

Die Schüler arbeiten als Gruppe (in der Regel 2 Schüler) selbständig entsprechend der Arbeits-anweisung. Es ist ausreichend Zeit vorhanden, so dass auch Irrtümer korrigiert werden können. Der Lehrer kontrolliert den richtigen Anschluss der Optikleuchten.

Auswertung

- Die Schüler formulieren allgemeine Aussagen zu den gefundenen Messwerten und können im Vergleich der beiden Teilversuche eine Beziehung zur Umkehrbarkeit des Lichtweges herstellen.

- Die Schüler beschreiben mit eigenen Worten das Phänomen „Totalreflexion“. - Im gemeinsamen Gruppengespräch (ganze Klasse) werden die gefundenen Alltagsbeispiele

diskutiert. - Unter Diskussionsleitung des Fachlehrers wird, ausgehend von den Versuchsergebnissen

aller Gruppen, eine geeignete Formulierung des Brechungsgesetzes erarbeitet.


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Beleuchtung eines Arbeitsplatzes Aufgabe Ein Leser beugt sich über einen Tisch und blickt senkrecht von oben in ein darauf liegendes Buch. Untersucht werden sollen die von den Lampen erzeugten Schatten.

1. Für die Beleuchtung steht zunächst nur die kleine Glühlampe L1 zur Verfügung. 1.1 Konstruiere den Schatten, der vom Leser im Licht von L1 erzeugt wird. 1.2 Welche Art von Schatten würde eine punktförmige Lichtquelle auf dem Tisch erzeugen? 1.3 Kann man bei einer solchen Beleuchtung gut arbeiten?

2. Wie sieht die Beleuchtung aus, wenn a) nur Lampe L3, b) nur Lampe L2 eingeschaltet ist.

3. Alle drei Lampen sind gleichzeitig eingeschaltet. 3.1 Eine Ameise, die sich auf den Tisch verirrt hat, läuft auf der Tischplatte von der rechten Kan-

te zur linken. Welche Lampen sieht sie auf ihrem Weg? Bestimme die unterschiedlich be-leuchteten Bereiche des Tisches und kennzeichne, von welchen Lampen sie jeweils beleuch-tet wird.

3.2 Eine Fliege, die längs des Striches zwischen Leser und Tisch fliegt, nimmt auf ihrem Flug ebenfalls unterschiedliche Helligkeit wahr. Kennzeichne auch auf ihrem Weg, welche Teilstücke von welchen Lampen beleuchtet werden.

4. Verbinde L1 und L3 und stelle dir vor, die Punkte dieses Strichs seien leuchtende Punkte einer Leuchtstoffröhre. Wie wirkt sich die Verwendung einer ausgedehnten Lichtquelle auf den Schatten aus?

5. Weshalb werden in Klassenräumen lange Bänder von Leuchtstoffröhren verwendet?

L1 L2 L3 Leser Buch


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Mikroskop Aufgabe Baue dir selbst ein Mikroskop. 1. Jedes Mikroskop hat zwei Linsen, das Objektiv und das Oku-

lar. Als Objekt dient ein Dia. Versuche durch systematisches Probieren ein Mikroskop aufzubauen. Gehe folgendermaßen vor:

a) Befestige den Blendrahmen als Objekttisch und die Linsen an einem Stativ (siehe Bild).

b) Da du kein speziell für Mikroskope hergestelltes Okular hast, darfst du mit dem Auge nicht zu dicht an die Linse herange-hen.

c) Der Abstand zwischen dem zu untersuchenden Objekt und dem Objektiv muss größer sein als beim realen Mikroskop.

d) Wie kannst du am Mikroskop eine Lampe für eine seitliche Beleuchtung bzw. Durchleuchtung anbringen?

e) Zeichne die Anordnung der Linsen mit ihren Brennpunkten und den Blendrahmen im Maßstab 1:2 auf!

2. Kannst du die Schärfe mit dem Okular oder mit dem Objektiv korrigieren? 3. Wie entsteht ein Bild im Mikroskop?

Benutze die bisherige Experimentieranordnung! a) Erzeuge von dem als Objekt dienenden Dia ein scharfes Bild auf

dem Bildschirm. b) Benutze die Linse f = +100 mm als Lupe und betrachte das Bild

von oben. c) Damit du es bequemer hast, befestige die Lupe auch am Stativ. d) Stelle dir mit der eingespannten Lupe erneut ein scharfes Bild

ein. e) Überlege: Wird das Bild durch die Lupe auch noch zu sehen sein,

wenn du den Schirm herausnimmst? Überprüfe deine Vermutung!

4. Wie beeinflussen eine Feldlinse und eine Blende das Sehfeld im Mikroskop?

a) Befestige an der Kreuzmuffe, in der bisher der Schirm befestigt war, eine weitere Linse mit f = +100 mm. Man nennt eine solche Linse Feldlinse.

b) Stelle die günstigste Entfernung der Feldlinse vom Okular ein. Was bewirkt die Feldlinse? c) Blende die Feldlinse mit einer Papierblende so ab, dass nur etwa die innere Hälfte frei bleibt.

Welche Wirkung ergibt sich? Als weitere Experimente eignen sich Untersuchungen verschiedener Objekte im Durch- und im Auflicht sowie Untersuchungen zur unterschiedlichen Schärfentiefe.

Kreuzmuffe

Okularlinse

Objektivlinse

Objekthalter

Stativ am Tisch

Schirm

Objektiv, 50 mm

Objekthalter

Lampe


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Fernrohr Aufgabe Baue dir selbst ein Fernrohr! Die meisten Fernrohre haben zwei Linsen, das Objektiv und das Okular. a) Versuche durch systematisches Probieren zwei Linsen zu einem Fernrohr zu kombinieren.

Befestige die Linsen wie im Bild, betrachte einen entfernten Gegenstand durch die Linsenkombination.

b) Zeichne die Anordnung im Maßstab 1:2. Welche Zusammenhänge erkennst du - für die Brennweiten von Objektiv und Okular, - für den günstigsten Abstand beider Linsen und - für die Art des Bildes?

c) Kannst du die Schärfe besser mit dem Okular oder mit dem Objektiv korrigieren?

2. Wie entsteht das Bild im Fernrohr? a) Benutze die Experimentieranordnung wie im

nebenstehenden Bild. Verwende als Objekt ein Dia oder eine Kerze. Erzeuge vom Objekt ein scharfes Bild auf dem Transparentschirm und betrachte das Bild von der Rückseite des Schirms (Schirm einspannen!).

b) Stelle mit der eingespannten Lupe erneut ein scharfes Bild ein. Überlege: Wird das Bild durch die Lupe auch noch zu sehen sein, wenn du den Schirm heraus-nimmst? Überprüfe deine Vermutung!

3. Wie kannst du mit einer Umkehrlinse das Bild im Keplerfernrohr vom „Kopf auf die Beine stel-

len“ und das Fernrohr nun als Erdfernrohr benutzen? a) Zeichne von deiner Lösung die Anordnung der Linsen im Maßstab 1:10. Gib darin an

- die Abstände, Brennpunkte und Brennweiten der Objektivlinse, der Umkehrlinse und der Okularlinse, - die Aufgaben der einzelnen Linsen, - die Lage des vom Objektiv erzeugten Bildes und des von der Umkehrlinse erzeugten umge- kehrten Bildes.

b) Versuche die Gleichung zu finden, mit der man die Länge eines solchen Erdfernrohres berech-nen kann.

4. Wie beeinflussen eine Feldlinse und eine Blende das Sehfeld im Fernrohr?

Befestige zwischen Okular und Objektiv eine dritte Linse f = +100mm. Man nennt sie Feldlin-se, weil sie das Sehfeld beeinflusst.

a) In welcher Entfernung vom Okular ist die günstigste Anordnung der Feldlinse, und was bewirkt sie?

b) Blende die Feldlinse so ab, dass von der Linse nur eine Kreisfläche von 2 cm Durchmesser frei bleibt. Welche Wirkung beobachtest du?

Linse im Blendrahmen Schirm


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1 Objektiv 2 Blende (Schiebeschacht für Diarahmen, Pappstreifen mit

verschieden großen Blenden) Stelle die Blende dicht hinter der Linse auf.

3 „Film“ mit Bildformat 24mm x 36mm 4 Pappstreifen zur Entfernungseinstellung

Kameramodell Aufgabe Baue das Modell einer einfachen Kamera auf! 1.Baue das Modell entsprechend der nebenstehenden

Skizze auf! a) Benenne die einzelnen Teile der Kamera! b) Nutze als Fotoobjekt ein helles Fenster, ein

beleuchtetes Dia oder eine Kerze. Welche Eigenschaften haben die erzeugten Bilder?

c) Welche Linse würdest du als Objektiv für eine Kamera auswählen? Wie beeinflusst die Blende das Bild?

2. Beantworte die folgenden Fragen, verwende dazu die Modellkamera! a) Wie stellt man bei Kameras mit mechanischem Nachführsystem das Bild scharf ein? b) Wie groß muss der Abstand des Objektivs vom Film mindestens sein, wenn ein sehr weit ent-

ferntes Objekt abgebildet werden soll? Vergleiche diesen Abstand mit der Brennweite des Objektivs.

c) In welche Richtung muss man das Objektiv verschieben, wenn sich das Fotoobjekt der Kamera nähert? Überprüfe deine Vermutung.

3. Schneide dir einen Pappstreifen, den du für das Einzeichnen von Entfernungen verwenden

kannst (siehe Abbildung)! a) Stelle von einem weit entfernten Gegenstand ein scharfes Bild ein.

Notiere auf einem Pappstreifen den Ort des Objektivs für diese Einstellung mit „Unendlich (∞)“.

b) Nähere das Fotoobjekt der Kamera. Markiere dabei jeweils den Ort des Objektivs für die neue Scharfeinstellung und schreibe die dazugehörige Entfernung des Objektes daran. Bei welchen Kameras findet man dieses Prinzip für die Entfernungseinstellung?

Weitere Experiment sind für die Erklärung des Fixfocus und des Autofocus möglich. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, Versuche zur Schärfentiefe, zum Bildausschnitt, zur Funktion von Fil-tern und zur Farbfotografie durchzuführen.


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Einsatzmöglichkeiten der Experimente zur Optik

Die Experimente „Beleuchtung am Arbeitsplatz“, „Mikroskop“, „Fernrohr“ und „Kameramo-dell“ eignen sich zur Vorbereitung von Vorträgen und die Arbeit an Stationen. Bei kleinen Gruppenstärken sind diese Experimente besonders für die Durchführung im Wahl-pflichtunterricht geeignet. Zu beachten ist, dass für die Durchführung der Experimente der Raum gut abgedunkelt sein muss.

Vorträge mit Experimenten Die Schüler erarbeiten in Gruppen Vorträge zu folgenden Themen

- Erläutere, wie der Mensch sehen kann? - Wie entstehen Bilder auf einem Film? - Wieso kann man sehr weit entfernte Gegenstände sehr nah und groß sehen? - Wieso kann man kleinste Teilchen ganz groß sehen? - Wie funktioniert ein Overheadprojektor?

Während der Erarbeitungsphase haben die Schüler die Möglichkeit mit verschiedenen Experi-menten ihren Vortrag vorzubereiten. Die Schüler präsentieren ihre Ergebnisse vor der Klasse und stellen dabei auch das von ihnen ausgewählte Experiment vor.

Durchführung der Experimente an Stationen

Für die Durchführung eines Experiments benötigt man etwa eine Unterrichtsstunde. Für die Auswertungsstunden sind auch folgende Aufgabenstellungen geeignet:

1. Erläutere die Bildentstehung im Mikroskop!

Wie kann man bei einem Mikroskop die Vergrößerung beeinflussen? 2. Erläutere die Bildentstehung im Fernrohr!

Wie beeinflussen eine Feldlinse und eine Blende das Sehfeld im Fernrohr? 3. Erkläre Aufbau und Wirkungsweise eines Diaprojektors!


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Fazit:

Entsprechend Modul 2 „Naturwissenschaftliches Arbeiten“ stellt sich die Aufgabe, Schülern die Möglichkeit zu geben, grundlegende Fähigkeiten und Fertigkeiten im naturwissenschaftlichen Unterricht zu erwerben. Unsere Bemühungen waren darauf gerichtet, die Schüler zu befähigen, die experimentelle Methode kennen zu lernen und weitgehend selbstständig anzuwenden. Durch das eigene Experimentieren gewinnen Schülerinnen und Schüler tiefere Einsichten in naturwissen-schaftliche Zusammenhänge, hier gilt: „Verstehen durch Tun“.

Es hat sich in den Berliner SINUS-Schulen als günstig erwiesen, dass Teilungsstunden im Rah-men der zur Verfügung stehenden Lehrerstunden in den naturwissenschaftlichen Fächern der Klassen 8 bis 10 genutzt werden konnten. Das war für uns eine wichtige Voraussetzung, um eine effektive experimentelle Arbeit der Schülerinnen und Schüler zu ermöglichen.

Um die Schüler zu selbständiger Arbeit zu befähigen, wurden zahlreiche Schülerexperimente durchgeführt, aber nicht nur in paralleler Arbeitsweise, sondern auch als Arbeit an Stationen. Auch die Vorbereitung von Vorträgen mit Experimenten und die Bearbeitung von Projekten wur-den im Unterricht praktiziert.

Es hat sich gezeigt, dass im Einführungsunterricht die Schülerinnen und Schüler relativ ausführli-che Anleitungen erhalten müssen. Mit dem weiteren Eindringen in die Naturwissenschaft Physik wurden die Anleitungen kürzer und offener bzw. die Lehrkräfte hatten ausgehend von der Klas-sensituation die Möglichkeit, zwischen ausführlichen und weniger ausführlichen Aufgabenstel-lungen bzw. Protokollvorlagen zu wählen. Schrittweise wurde dadurch die Eigenständigkeit der Schüler beim Experimentieren erhöht.

Durch den höheren Anteil praktischer Arbeit im Physikunterricht wurden Berührungsängste der Schülerinnen und Schüler mit diesem Fach abgebaut, die Freude am Lernen gefördert und das Selbstvertrauen der Schülerinnen und Schüler gestärkt. Nach mehrjähriger Anwendung der expe-rimentellen Methode beobachteten wir, dass die Teamfähigkeit der Schülerinnen und Schüler we-sentlich ausgeprägter wurde. Die Bereitschaft zur Kooperation ist gewachsen.

Zum Abschluss der Stoffgebiete ist jeweils das Lernen an Stations mit größerer Eigenständigkeit der Schüler möglich. Dabei wenden die Schülerinnen und Schüler die erworbenen Kenntnisse aus dem vorangegangenen Unterricht selbstständig an.

Der Trend der letzten Jahre, dass Schülerinnen und Schüler im Gymnasium aus den Fächern Chemie und Physik in andere Kurse ausweichen, ist an den an der Erarbeitung der Handreichung beteiligten Schulen weniger zu beobachten. Ursachen dafür sehen wir u.a. in der verstärkten prakti-schen Schülertätigkeit. Die Schülerinnen und Schüler wurden zum Mitdenken, zur Mitarbeit und Kreativität sowie zur Teamarbeit angeregt und befähigt. Dadurch erlangten diese Fächer bei Schü-lern und Eltern einen größeren Stellenwert und höhere Wertschätzung.


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Anhang

Module

im Modellversuch „Steigerung der Effizienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts -

SINUS“

Modul 1: Weiterentwicklung einer Aufgabenkultur im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht

Modul 2: Naturwissenschaftliches Arbeiten

Modul 3: Aus Fehlern lernen

Modul 4: Sicherung von Basiswissen, verständnisvolles Lernen auf unterschied-lichen Niveaus

Modul 5: Zuwachs von Kompetenz erfahrbar machen, kumulatives Lernen

Modul 6: Fächergrenzen erfahrbar machen, fächerübergreifendes und fächerver-bindendes Lernen

Modul 7: Förderung von Mädchen und Jungen

Modul 8: Entwicklung von Aufgaben für die Kooperation von Schülern

Modul 9: Verantwortung für das eigene Lernen stärken

Modul 10: Prüfen, Erfassen und Rückmelden von Kompetenzzuwachs

Modul 11: Qualitätssicherung innerhalb der Schule und Entwicklung schulüber-greifender Standards


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Impressum: Autoren: Frau Dr. D. Meyerhöfer, Herr Landt, Frau Schwarz (alle Oranke-Oberschule), Frau Spautz (Carl-von-Ossietzky-Oberschule), Frau Weidner (Olof-Palme-Oberschule), Herr Kießling (Mahatma-Gandhi-Oberschule) Layout: Dr. R. Meyerhöfer Erarbeitet im Rahmen des BLK-Modellversuchs „Steigerung der Effizienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichts – SINUS“ Gefördert durch: BMBF, Bund-Länder-Kommission für Bildungsplanung, Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin Berlin, November 2002 Redaktionsschluss: 01.11.2002

Handreichungen zur Durchführung von Schülerexperimenten im ... · -Projekt: Wärmedämmung an...

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