Inhaltsverzeichnis. Zusatzmaterial. 2 Vorwort Editierbare Anleitungen / Vorlagen:

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Dietrich Hinkeldey: Physik kontextorientiert Gymnasium: Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus © Auer Verlag

Inhaltsverzeichnis 1

Inhaltsverzeichnis

Zusatzmaterial

2

Vorwort

Editierbare Anleitungen / Vorlagen:

Gefährdungsbeurteilung, Protokoll-Vorlage, Multimeter, Excel-Baukästen,

Aufgaben zum Weiterdenken 3

4. Gefahren des elektrischen Stroms (Kl. 7/ 8)

3 Didaktisch-methodische Hinweise Editierbare Gefährdungsbeurteilungen

3 Themeneinstieg Hilfen

4 Versuche Lösungen der Versuche

4 Highlight-Versuch Editierbarer Test (mit Lösungen)

Aufgaben zum Weiterdenken (mit Lösungen)

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Vorwort

Ein neues Arbeitsbuch zu den Themen Magnetismus, Elektrizität und Elektromagnetismus – sind da nicht schon genug auf dem Markt? Das vorliegende Buch bietet Ihnen die Möglichkeit, all diese Themengebiete mit Schülerversuchen in Partner- oder Kleingruppenarbeit zu erarbeiten. Nur an den Stellen, bei denen es sicherheitstechnisch nicht möglich ist, wurde auf Lehrer-Demonstrationsversu- che zurückgegriffen.

Denn in der heutigen Zeit lassen sich jede Menge Animationen zu physikalischen Versuchen im Inter- net finden, die man den Jugendlichen präsentieren könnte. Das sieht alles perfekt aus und ist leicht zu handhaben. Aber es bleibt eine „second-life-Erfahrung“. Die Schüler begreifen die Zusammenhän- ge nicht unmittelbar. Sie werden dabei nicht selbst tätig und erfahren die Naturgesetze nicht durch selbst durchgeführte Versuche.

Schülerversuche erfordern gewiss etwas mehr Zeit als eine gleichartige Lehrerdemonstration. Aber der Erkenntnisgewinn ist umso nachhaltiger.

Das vorliegende Buch mit Zusatzmaterial bietet daher Ihnen als Lehrkraft und Ihren Schülerinnen und Schülern¹ in neun Ka piteln:

&

& den Physikstoff bis zum Mittleren Bildungsabschluss;

&

& einen Überblick zu Beginn eines jeden Kapitels zu Zeitbedarf , Klassenstufe , Ziel , beson-

derem Material , Sozialformen , Präsentationsformen und Stolpersteine , ggf. Informa- tionen ;

&

& einen motivierenden Einstieg und erste Fragen zu dem jeweiligen Themenkomplex, die am Ende

des Kapitels beantwortet werden können;

&

& Anleitungen zu Schülerversuchen;

&

& Lehrer-Demonstrationsversuche erscheinen nur, wenn sie aus Sicherheitsgründen notwendig

sind;

&

& zu jedem Kapitel mindestens einen Highlight-Versuch ;

&

& jedes Kapitel endet mit dem Rückblick , der auf die ersten Fragen verweist;

&

& jeweils ein Test, mit dem Sie den Lernfortschritt Ihrer Schüler überprüfen können;

&

& Aufgaben zum Weiterdenken für die schnellen und guten Schüler.

Die Versuche enthalten:

&

& eine allgemeine Einordung des Versuchs zu Beginn mit einem Verweis auf die Bildungsstandards

der KMK (vgl. Anhang im Zusatzmaterial) und dem jeweiligen Kontextbezug (mit Bild);

&

& den klassischen Aufbau eines Versuchsprotokolls (Material, Anleitungen, Beobachtungen usw.);

elektrische Leitungen bzw. das genaue Stativmaterial werden normalerweise nicht extra aufgeführt;

&

& immer wieder Excel-Baukästen für die Schaltskizzen (im Zusatzmaterial);

&

& immer wieder Verweise auf Hilfestellungen (im Zusatzmaterial) zur Stärkung des selbstständigen

Arbeitens;

Im Zusatzmaterial finden Sie zu jedem Kapitel:

&

& editierbare Anleitungen und Vorlagen, u. a. Blanko-Protokoll für alle Versuche;

&

& Gefährdungsbeurteilungen, soweit nötig, in editierbarer Form;

&

& Excel-Baukästen für die Schaltskizzen, in editierbarer Form;

&

& alle Hilfen zum Ausdrucken;

&

& den Test in editierbarer Form (Aufgabenversion und Lösungen);

&

& Aufgaben zum Weiterdenken zur Differenzierung (mit Lösungen), ebenfalls mit Bezug zu den Bil-

dungsstandards.

Dietrich Hinkeldey

1 Aufgrund der besseren Lesbarkeit ist in diesem Buch mit Schüler auch immer Schülerin gemeint, ebenso verhält es sich mit Lehrer und Lehrerin.

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4. Gefahren des elektrischen Stroms 3

Mann stürzt nach Stromschlag vom Zugdach

Osnabrück (dpa/lni) – Nach einem Stromschlag aus einer 15 000-Volt- Leitung ist ein Mann in Osnabrück von einem Güterzug gestürzt und schwer verletzt worden. Der 24-Jährige war aus ungeklärten Gründen in der Nacht zum Samstag auf einen abgestellten Güterzug im Hauptbahnhof gestiegen.

Dabei kam er der Oberleitung nach Po- lizeiangaben so nahe, dass es zu einem Stromüberschlag kam. Der Schwerst- verletzte stürzte ins Gleisbett und wurde danach in eine Spezialklinik nach Hannover geflogen. Durch die knapp einstündige Sperrung verspäteten sich sechs Züge.

4. Gefahren des elektrischen Stroms

Didaktisch-methodische Hinweise

8 Stunden 7/ 8

Gefahren im Umgang mit elektrischem Strom kennen und benennen, sowie sich angemessen verhalten; die Hauselektrik in groben Zügen kennen

1 LED (2 mA / 1,7 V); 1 Stück frisches Fleisch;

1 Gewürzgurke; 1 dünner Alumi niumstreifen (Lametta); 1 feuerfeste Unterlage; 1 Schutz

kontaktsteckdose; 1 Schutzkontaktstecker;

1 Lampenfassung; 1 Kabelschalter; 3 drei

adrige Kabel; 1 geöffneter Sicherungsauto

mat; ggf. Computer mit Internet; Zusatz

material (u. a. Hilfen, Lösungen und Test) Experimentiergruppen mit 3 (max. 4)

Schülern; Rechercheaufgaben (Versuche 4.4 / 4.6) in Part nerarbeit

Plakat gestalten: „Verhalten im Umgang mit elektrischem Strom“

Die Faszination von Versuchen mit 220 V darf nicht zum Nachahmen führen. Ebenso muss der, durch den Unterricht angeregte, Drang nun verschiedenste Geräte und Installationsteile aufzu

schrauben, in sichere Bahnen gelenkt werden.

Themeneinstieg

Zeitungsartikel:

Forscherfragen:

1. Was passiert im Menschen, wenn er mit Strom in Berührung kommt? Die Körperzellen leiten den elektrischen Strom. Sie werden erhitzt, kochen und zerplatzen. Es entstehen Giftstoffe, das Blut verklumpt und die Muskeln werden gelähmt.

2. Ab wann wird elektrischer Strom gefährlich? Unter 25 V ist elektrischer Strom nicht lebensge- fährlich, es sind aber lokale Verbrennungen bei großer Stromstärke möglich.

3. Wie funktionieren Sicherungen und was sollte man selbst beachten? Ist die Stromstärke im Stromkreis zu groß, schmilzt ein dünner Draht (Fein- und Schmelzsicherung) oder ein Elektro- magnet öffnet den Stromkreis. Man sollte nur geprüfte Geräte und Leitungen verwenden und nicht selbst an der Stromanlage hantieren!

4. Was ist ein Schutzleiter? Es ist ein zusätzlicher Leiter, mit dem die Gehäuse von Geräten geer- det werden.

5. Wie entstehen Kabelbrände? Durch schadhafte Isolierung oder durch überlastete Leitungen können diese schmoren und dann auch brennen.

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Versuch 4.1: Der Mensch als elektrischer Leiter

Bildungsstandards: F1; E1, E7; K5

Kontextbezug: Elektrotherapie; Reizströme (Schmerzlinderung, Herzschritt

macher); Stromschlag

Material: 1 Batterie (9 V); 1 empfindliche LED (2 mA, 1,7 V);

2 Krokodilklemmen; 1 empfindliches Stromstärkemessgerät Anleitung:

a) Baut eine Reihenschaltung mit Batterie und LED auf, die an einer Stelle unterbrochen ist. Schließt nun den Stromkreis, indem ihr die beiden Leitungsenden mit je einem Finger einer Hand schließt.

b) Ersetzt die LED durch das empfindliche Stromstärkemessgerät.

Notiert eure Beobachtungen in der ProtokollVorlage.

c) Befeuchtet die Fingerkuppen und wiederholt den Versuch.

Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der ProtokollVorlage.

Versuch 4.2: Demo: Fleisch unter Steckdosenstrom

Bildungsstandards: F1, F4; E1; K5; B3

Kontextbezug: Stromunfälle (z. B. „(S)BahnSurfen“ / „Zugklettern“) (Beispiel: https://www.

focus.de/regional/berlin/tragischesunglueckinfuerstenwaldemaedchen

stirbtnachtoedlichemstromschlagauseineroberleitung_id_5297983.html (18.02.2016))

Material: 1 Transformator (230 V ~ / 20 V =); 1 Stück frisches Fleisch; 1 Steckdose mit Schal

ter; 1 Glühlampe; 2 Isolierstützen; 2 Metallstifte; 1 Gewürzgurke; ggf. Computer mit Internet

Anleitung:

a) Lehrerversuch: Eine Reihenschaltung aus Transformator (230 V ~), Schalter, Lampe und Isolierstützen wird aufgebaut. Das Stück Fleisch wird auf die beiden Metallstifte gespießt, ohne dass diese sich berühren. Dann wird der Schalter geschlossen. Das Ergebnis kann fotografiert werden.

b) Lehrerversuch: Nun wird das Stück Fleisch durch eine Gewürzgur

ke ersetzt. Diesmal liefert der Transformator Gleichspannung (0 – 20 V). Die Spannung wird langsam erhöht. Das Ergebnis kann fotografiert werden.

Information:

Dieser Versuch zeigt, was passiert, wenn wir einen Stromschlag bekommen würden.

Haut (besonders verschwitzte) und Blut sind gute elektrische Leiter. Fließt elektrischer Strom durch organisches Material, wird dieses heiß. Die Zellen kochen und zerplatzen, das Blut verklumpt, Giftstoffe entstehen im Gewebe und Muskeln verkrampfen. Dies ist lebensbedrohlich! Nur bis 25 Volt ist der Kontakt mit elektrischem Strom ungefährlich!

Nur bis 25 Volt (Effektiv)Wechselspannung oder 60 V Gleichspannung ist der Kontakt mit elektrischem Strom ungefährlich. Eine Stromstärke von 30 mA darf dabei nicht überschritten werden.

Reaktion des Menschen auf verschiedene Stromstärken:

ab 1 mA Reizschwelle, an den Kontaktstellen leichtes Prickeln ab 3 mA Prickeln weitet sich in benachbarte Gelenke aus

ab 8 mA Muskelkontraktionen, Loslassen nur noch schwer möglich ab 15 mA Muskelkrampf, Muskellähmung, Loslassen geht nicht mehr ab 30 mA Gefahrenschwelle

ab 50 mA Todesschwelle, Herzflimmern

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Versuch 4.3: Sicherungen schützen

Bildungsstandards: F1, F3; E7, E8; K5

Kontextbezug: Sicherungskasten; Gerätesicherungen Material: 1 Transformator; 2 Isolierstützen;

1 kleine Glühlampe mit Fassung;

1 Aluminiumstreifen (Breite 2 mm, Länge 20 cm, Lametta); 1 breiter Schrauben

dreher; Kupferdraht (Durchmesser 0,2 mm, Länge 20 cm); 1 Stromstärkemess

gerät oder Multimeter; 1 gefaltetes Papierstück; 1 feuerfeste Unterlage Anleitung:

a) Baut eine Reihenschaltung aus dem Transformator, der Glühlampe und einem Alumi

niumstreifen, der zwischen die Isolierstützen gespannt wird. Schließt zusätzlich zwei Leitungen vor und hinter der Glühlampe an und legt sie einander so gegenüber, dass

sie sich nicht berühren. Bringt nun die Glühlampe zum Leuchten. Schließt dann die Glühlampe kurz, indem ihr die beiden Kontakte mit dem Schraubendreher verbindet. Fertigt die Schaltskizze an.

b) Ersetzt den Aluminiumstreifen durch den dünnen Kupferdraht, auf den ihr das gefaltete Papier

stück legt. Legt unter das Papier die feuerfeste Unterlage. Schaltet zusätzlich ein Stromstärkemess

gerät in Reihe. Bringt nun wieder die Glühlampe zum Leuchten. Schließt die Glühlampe wieder kurz, indem ihr die beiden Kontakte verbindet.

s. Hilfe 4.3 Aufgaben:

Notiert jeweils fünf Situationen, …

a) … in denen der Umgang mit elektrischem Strom lebensgefährlich ist.

b) … in denen der der Umgang mit blanken elektrischen Leitungen ungefährlich ist.

c) … in denen der Umgang mit elektrischem Strom möglicherweise lebensgefährlich ist.

Information: Sicherungen verhindern, dass die Stromstärke in einem Stromkreis zu groß wird und Leitungen durchschmoren und zu brennen anfangen. Es gibt verschiedene Arten:

#

# Feinsicherungen sind in Geräte eingebaut und schützen diese. Autosicherungen sind auf die verschiedenen elektrischen Stromkreise im Auto abgestimmt.

#

# Sicherungsautomaten im Hausschaltkasten sichern die verschiedenen Stromkreise einer Wohnung ab.

#

# Panzersicherungen werden vor den sogenannten „Stromzählern“ eingebaut und schüt

zen alle Stromkreise eines Hauses.

Aufgaben:

Notiert eure Lösungen in der ProtokollVorlage.

1) Sucht diese unterschiedlichen Sicherungen (s. Infokasten), fotografiert sie und erklärt, wie sie funktionieren.

2) In einem Sicherungsschrank eines Einfamilienhauses gibt es verschiedene Sicherungen:

#

# Flur, Außenbeleuchtung, Garten 16 A

#

# Kinderzimmer, Schlafzimmer 16 A

#

# Wohnzimmer, Esszimmer 16 A

#

# Küche, Dachboden 16 A

#

# Elektroherd 25 A

#

# Bad 16 A

#

# Waschmaschine, Trockner 25 A

#

# Keller 16 A

Begründet, warum man so viele getrennte Stromkreise in einem Haus einrichtet.

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Versuch 4.4: Schutz durch Schutzkontaktleitung

Bildungsstandards: F1, F3; E7; K4, K5; B3 Kontextbezug: Stromkabel mit drei Adern

Material: 1 Schutzkontaktsteckdose und / oder Schutzkontaktstecker; 1 Lampenfassung;

1 Kabelschalter; 3 dreiadrige Kabel; Werkzeug (1 passender Schraubendreher, 1 Seitenschneider, Werkzeug zum Abisolieren, 1 Polprüfer)

Achtung: Schraubt niemals selbst an Wandsteckdosen herum; ihr begebt euch so in Lebensgefahr!

Das muss ein Fachmann machen.

Zieht zuerst den Stecker, bevor ihr Geräte und Stecker aufschraubt!

Ein Fachmann sollte kontrollieren, was repariert wurde.

Anleitung:

Öffnet die Steckerdose / den Stecker / die Lampenfassung / den Kabelschalter und schließt das Stück Kabel richtig an. Ergänzt (hier) in den Bildern die Kabel.

Beobachtung: Notiert eure Beobachtungen in der ProtokollVorlage. Nutzt diese Bilder:

Steckerdose Stecker Lampenfassung Kabelschalter

s. Hilfe 4.4 a

s. Hilfe 4.4 b Aufgaben:

Notiert eure Lösungen in der ProtokollVorlage.

1) Hier seht ihr eine geöffnete Kaffeemaschine. Sie steht auf dem Kopf und die Bodenplatte ist abschraubt. Im mittleren Bild ist die Heizplatte geerdet, im rechten nicht. In beiden Fällen hat sich der elektrische Kontakt der Heizung gelöst und berührt die metallische Bo

denplatte.

Schreibt auf, was passieren würde, wenn ihr jeweils die Bodenplatte berühren würdet.

2) Recherchiert, wie eine Glimmlampe funktioniert und welches Schaltzeichen man dafür verwendet.

Das Stromkabel berührt die Bodenplatte

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Ausschalter

Versuch 4.5: Sicherungsautomat von innen

Bildungsstandards: F1, F3; E1; K4, K5

Kontextbezug: Sicherungskasten (Verteilerkasten) im Haus / in der Wohnung Material: 1 geöffneter Sicherungsautomat

Anleitung: Der Sicherungsautomat hat seine beiden Anschlüsse oben und unten an den großen Schrauben. Er hat zwei unterschiedliche Mechanismen zum Auslösen.

Erklärt mithilfe der Bilder wie der Automat funktioniert.

Versuch 4.6: FI-Schutzschalter

Bildungsstandards: F1, F3; E1, E6; K3, K4. K5 Kontextbezug: Sicherheitsschaltungen im Bad Material: ggf. 1 FISchutzschalter

Anleitung: In Feuchträumen ist die Leifähigkeit des Menschen besonders hoch. Deswegen sollte dort auch ein kleiner elektrischer Strom nicht von einem Gerät über den Mensch abfließen können, ohne dass die Sicherung herausspringt. FISchutzschalter bieten hier Sicherheit. Recherchiert im Internet, wie er funktioniert und erklärt es anhand der Schaltskizze.

s. Hilfe 4.5

s. Hilfe 4.6 Information:

Eine Steckdose hat normalerweise rechts einen stromfüh

renden Kontakt, der linke ist der Rückleiter, der nicht unter Strom steht. Mit einem Phasenprüfer kann man den strom

führenden Pol schnell ermitteln.

Berührt man das Ende des Phasenprüfers mit einem Finger, fließt ein schwacher elektrischer Strom über einen Schutz

widerstand und eine Glimmlampe im Phasenprüfer und dann über den Finger und den Körper zur Erde. Das Leuchten der Glimmlampe zeigt an, dass dieser Pol stromführend ist.

Im Alltag ist u. a. das VDEZeichen ein wichtiger Hinweis. Elektrogeräte, die dieses Zeichen tragen, sind sicherheitsmäßig geprüft.

Rückblick: Beantwortet die Forscherfragen vom Beginn der Einheit.