Sicherheit im Physikunterricht II - uni-stuttgart.de€¦ · Schülerexperimente zum Transformator...

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

[email protected]

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.

2

Überblick

3

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?

5

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

…

6


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

7

GBU_Vorlage_Mechanik.pdf


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

8

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, …)

9

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

10

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

11


Beispiel: Schülerversuche mit 12-V-Lampen, Sammellinsen, … Schriftliche GBU nötig Hinweis an SchülerInnen:

Lampengehäuse wird heiß Nur mit nicht berührungs-

gefährlicher Spannung arbeiten

12

RiSU konform


Beispiel: Schülerexperiment mit 12-V-Lampen via Wahlpole

13

Trafo am Pult

RiSU-konform?


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


Substitutionsprüfung in der GBU dokumentieren Laserklasse 2, 2M: Schülerexperimente nur unter direkter Aufsicht Reflexionen beachten

15

Neue Schullaser Klasse 1 Eine mögliche Alternative?


Spektrum einer Spektrallampe durch ein Gitter beobachten

16

GBU_Vorlage_Optik.pdf

17

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

BA_Spektrallampen.pdf

Anleitung_HV_Netzteil_52170de.pdf


18

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


Nur Experimentiersteckdosen nutzen (Not-Aus, FI-Schalter, ...)

… und keine anderen Steckdosen (z.B. für Reinigungsgeräte)

20


21

Mit berührungsgefährlicher Spannung experimentieren

22


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

23

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)


24

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


Unterschied zwischen SELV und PELV

25

PELV: Erdung der Sekundärseite

SELV: Keine Erdung der Sekundärseite (daher sicherer als PELV)


26

Experimente mit berührungsgefährlicher Spannung Alle Experimentiereinrichtungen müssen

mit Sicherheitsbuchsen ausgestattet sein. (BG/GUV-SI 8040, Seite 33)

Alte Geräte müssen umgerüstet werden!


Adapter (bis 1000 V): Leybold-Didactic 50095, 50096 Conatex 2060350

27

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


28

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



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.

30

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.


[Foto: Jared C. Benedict. CC BY-SA 3.0, Wikipedia]


31

Spule ausschalten bei U ≤ 60 V DC


32

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


33

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 (evtl.) berührungsgefährlicher Spannung

Welche Spule darf es sein?

34

35

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)

36


Verschiedene Experimente

Kondensatoren:

Emax= ½ ∙ C∙U² = 8 J

berührungsgefährliche Spannung

37

U < 5,5 V nicht berührungsgefährlich


Experiment zur Veranschaulichung el. Felder mit Grießkörnern

Spannung ist nicht berührungsgefährlich

38

RiSU-konform


Spule ausschalten

39


40

Fadenstrahlröhre

berührungsgefährliche Spannung


Wärmelehre

Bolzensprenger

Gefahr durch Splitterflug

Schutzbrille/ Schutzscheibe

Schriftliche GBU

nicht als Schülerexperiment

41

Glasbruchgefahr beim Einschieben des Glasrohrs Glasrohr nicht durch SchülerInnen einsetzen lassen


Wärmelehre

Umgang mit Chemikalien:

GBU zu jedem Experiment nötig

Fehlende Fachkunde: Chemiker muss GBU erstellen

Tipp: Wasser mit Lebensmittel- farbe färben

42

Umgang mit Gasbrennern: Regeln beachten (nächste Folie)

Kartuschenbrenner

• Festinstallierte Gasanlagen sind Kartuschenbrennern vorzuziehen.

43

• 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.


Wecker im Vakuum

Implosionsgefahr beachten:

Schutzkorb/ Schutzfolie

oder splittergeschützte Glasglocke

oder Schutzscheibe/ Schutzbrillen

schriftliche Gefährdungsbeurteilung

Schülerexperimente nicht erlaubt

44

Sicher Experimentieren

Im Physikunterricht gibt es sehr viele schöne und lohnende Experimente – mit Sicherheit.

Bei Fragen oder Zweifeln die Kollegen fragen.

[email protected]

45

Quellen, Literaturhinweise und Links

46

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)

Sicherheit im Physikunterricht II - uni-stuttgart.de€¦ · Schülerexperimente zum Transformator...

Documents

Transcript of Sicherheit im Physikunterricht II - uni-stuttgart.de€¦ · Schülerexperimente zum Transformator...