Arbeitsblatt: Schwachstrom Experimente

Erfinder-Atelier Schwachstrom Allgemeines Wir alle brauchen jeden Tag Elektrizität; läuft doch der Computer, an dem ich dies schreibe, wie die Lampe, die mir mein Schreibtisch beleuchtet mit Strom. Die Nutzung elektrischer Energie ist fü uns eine kaum bemerkte Selbstverständlichkeit. Elektrischer Strom gibt uns Licht und Wärme, lässt Maschinen laufen, uns Musik und Informationen hören und ist unentbehrlich für die elektronische Datenverarbeitung. Die Rolle, welche die Elektrizität in unserer Zivilisation spielt, ist einzigartig. Bereits Kleinkinder können das Licht einschalten, den Fernseher anstellen oder eine Taschenlampe handhaben. Der elektrische Strom wurde einerseits zu einem der wichtigsten Energieträger, andererseits auch zu einem der bedeutendsten Informationsüberträger. Unser Lebensstandard ist in grossem Masse von der Elektrizität abhängig. Einen Zusammenbruch der Elektrizitätsversorgung könnte kein Land längere Zeit ohne katastrophale Folgen hinnehmen. Die meisten Arbeitsplätze sind von der Elektrizität abhängig. Die Frage nach der Methode der Elektrizitätserzeugung ist heute eine der wichtigsten Fragen unserer Gesellschaft. Die elektrische Energie steht dabei aus ökologischen Gründen im Mittelpunkt der Alternativen, die man als zukünftigen Ersatz für das Öl sucht. Und doch bleibt elektrischer Stom für das menschliche Auge verborgen. Seine Existenz erkennen wir nun an seiner Wirkung. Zum Unterrichtsvorhaben Genau hier setzt dieses Erfindeatelier an. Es geht darum durch primäre Erfahrungen physikalische Gesetzmässigkeiten und deren Anwendungsmöglichkeite zu erschliessen, sowie Bezüge zur Umwelt herzustellen. Die Basis der Wirkungsweise des elektrischen Stroms bildet hierbei der Stromkreis im Niedervolt-Bereich bzw. Schwachstrom. Die Aufgaben sind Kurzaufgaben und dienen der Vorbereitung zur Bewältigung komplexerer Aufgaben, indem in kleinen Schritten die Voraussetzungen, also Fertigkeiten,Kenntnisse erarbeitet werden. Im Zentrum steht das selbständige Problemlösen, welches mit werktätigem Handeln kombiniert wird; das Forschen, Erfahren, Erleben, Experimentieren und Erfinden von Funktionen. Die Aufgaben beinhalten folglich einen Forschungs- resp. Problemlöseauftrag. Sie sind chronologisch aufgebaut. So basiert beispielsweise der Auftrag 06 auf den Erkenntnissen aus dem Auftrag 05. Die Erkenntnisse können darauf in grösseren Gestaltungsaufgaben gefestigt und angewandt werden, sowie zur gestalterisch vertieften Auseinandersetzen mit den Phänomenen anregen. Die Aufgaben lassen sich für die gewünschte Zielstufen vereinfachen oder erschweren. (Vgl. Weiterführendes) Lernziele Der Lehrplan für die Oberstufe des Kantons Aargau für das Fach Werken 2.–4. Klasse enthält folgende Ziele und Inhalte bzw. Richtziele: Funktion und Konstruktion Funktionen zunehmend in Bezug auf interdisziplinäre Grundlagen erkennen, nachvollziehen, anwenden und entwickeln Mechanische und optische Vorrichtungen, elektrische Geräte im Schwachstrombereich, bewilligte Arbeiten im Netzstrombereich Werkstoffe und Verfahren Mit verschiedenen Materialien Erfahrungen sammeln, ihre Eigenschaften erkenen und damit materialgerecht umgehen Holz, Kunsstoffe, Metalle, Keramik, Karton und Papier, Gips, Stein Gestalten lernen Gestaltungsprozesse und Produkte dokumentieren Aufzeichnungen, Fotografien, Video Die Richtziele sind auf folgender Seite auf die einzelnen Aufträge verfeinert worden und dienen sogleich als Grundlage der Beurteilung. Ziel 01 Ein Gühlämpchen zum Leuchten bringen. Einen Stromkreis aufbauen und analysieren und skizzieren. Die Symbole des Stromkreises kennen und anwenden. Ziel 02 Zwei Lämpchen parallel und in Serie schalten. Eigenschaften dieser Schaltung kennen lernen und erklären. Aufg.Nr. nicht erfüllt teilweise erfüllt 01 Der Stromkreis wurde nicht aufgebaut. Der Plan ist nicht vorhanden/unverständlich. Der Stromkreis wurde Der Stromkreis wurde aufgebaut. Der Plan ist aufgebaut. Der Plan ist fehlerhaft/die Symbole korrekt dargestellt. wurden nicht korrekt verwendet. Der Stromkreis wurde aufgebaut. Der Plan ist säuberlich aufgezeichnet (mit Lineal, etc.) 02 Die Schaltungen wurden nicht aufgebaut. Die Pläne sind nicht vorhanden/unverständlich. Feststellungen fehlen. Die Schaltungen wurden aufgebaut. Die Pläne sind fehlerhaft. Die Feststellungen sind nicht schlüssig. Die Schaltungen wurden aufgebaut. Die Pläne sind korrekt. Die Feststellungen schlüssig. Die Schaltungen wurden aufgebaut. Die Pläne sind säuberlich aufgezeichnet. Die Feststellungen schlüssig und ausführlich. 03 Feststellungen und Erkenntnisse fehlen. Feststellungen sind knapp, aber korrekt. Erkenntnisse fehlen. Feststellungen und Er- Feststellungen und kenntnisse sind knapp, Erkenntnisse sind ausaber korrekt. führlich und korrekt. 04 Schalter wurden nicht entwickelt. Skizzen und Beschriftungen fehlen. Ein/zwei Schalter wurde entwickelt. Skizzen sind fehlerhaft/unverständlich beschriftet. Zwei Schalter wurden entwickelt. Skizzen sind korrekt und beschriftet. 05 Weniger als 5 Materialien wurden untersucht und festgehalten. Mehr als 5 Materialien 10 Materialien wurden Mehr als 10 Materialiwurden untersucht untersucht und festge- en wurden untersucht und festgehalten. halten. und festgehalten/Sehr klare und ausführliche Darstellung der Erkenntisse. 06 Es wurde kein Dimmer entwickelt. Skizzen und Erkenntnisse fehlen. Dimmer wurde entwickelt. Skizzen und Erkenntnisse sind fehlerhaft/unverständlich. Dimmer wurde entwickelt. Skizzen und Erkenntnisse sind korrekt. Dimmer wurde entwickelt. Skizzen sind gut dargestellt und die Erkenntnisse ausfühlich ausgeführt. 07 Erkenntnisse und Überlegungen fehlen oder sind unverständlich. Erkenntnisse sind korrekt. Überlegungen fehlen. Erkenntnisse und Überlegungen sind knapp aber schlüssig. Erkenntnisse und Überlegungen sind schlüssig und ausführlich dargelegt. 08 Beschreibung und Erläuterung fehlen oder sind unverständlich. Beschreibung ist korrekt. Erläuterung fehlt oder ist fehlerhaft. Beschreibung ist Beschreibung und Erkorrekt. Erläuterung ist läuterung sind ausführschlüssig. lich und korrekt. 09 Skizze und Beschreibungen fehlen. Skizze und Beschreibungen sind fehlerhaft. Skizze und Beschreibung sind korrekt. Ziel 03 Einen Kurzschlus herstellen und die Folgen kennen. Ziel 04 Verschiedene Schalter kennen und unterscheiden lernen. Sie analysieren, verstehen und nachbauen. Ziel 05 Leitende und nicht leitende Materialien kennen. Ziel 06 Den Begriff Widerstand handelnd kennen lernen. Einen Dimmer herstellen. Ziel 07 Erkennen, dass Wärme ensteht, wenn Strom fliesst. Gefahrequellen erkennen und erklären. Ziel 08 Eine Glühbirne zu entwickeln/nachzubauen. Die Funktionsweise einer Glühbirne erkennen. Ziel 09 Die Funktionsweise einer Glühbirne kennen. eindeutig erfüllt übertroffen Zwei Schalter wurden entwickelt. Skizzen sind gut dargestellt und säuberlich beschriftet. Skizze und Beschreibungen sind ausführlich. Einstieg Der Einstieg können beispielsweise die Erfahungen der Jugendlichen mit Strom, ein Experiment oder ein Quiz (Vorwissen) sein. Hier ist auf alle Fälle bereits festzuhalten, weshalb wir mit Schwachstrom und nicht mit Starkstrom experimentieren und wo trotzdem eventuelle Gefahrenquellen sein könnten. Unterricht Anschliessend können die Schüler in Partnerarbeit selbständig die Aufgaben lösen. Jeder S. erhält die Aufgabenstellungen. Zu zweit verfügen sie über eine Materialkiste (Vgl. Material). Beurteilen Die Auswertung dieses Ateliers bezieht sich vor allem auf das selbständige Lernen. Zu besprechende Punkte: Wie ist es mir bei dieser Arbeitsfor gegangen? Was habe ich gelernt? Wo habe ich Hilfe vermisst? Hierfür bietet sich neben dem Austausch in der Klasse auch das AB zur Selbstbeurteilung an. Es können aber auch die Resultate der einzelnen Schüler beurteilt werden. Dies kann unter den Schülern durch den Austausch der Partner geschehen, oder über die LP. Hierfür bieten sich die Arbeitsblätter der Schüler, sowie das unter „Lernziele entwickelte Beurteilungsraster an. Weiterführendes Aufbauend können die Erkenntnisse nun in grösseren Gestaltungsaufgaben gefestigt und angewandt werden, wobei die Aufgaben für die gewünschte Zielstufen unterschiedliche Schwerpunkte haben und mehr oder weniger komplex sein können. Für das 6. und 7. Schuljahr finden sich im Werkweiser 2 diverse Aufgaben u.a. den Postenlauf „Nachtlämpli, welcher nebst einer Anwendung der Erkenntnisse aus dem Atelier auch ein Lehrgang zur Kunstoffbearbeitung ist, oder die Entwicklung einer „Taschenlampe. Auch in der „Do-it-Werkstatt und im „Phänomenales Gestalten finden sich eine ganze Reihe von Aufgaben zur Anwendung und Vertiefung der Erkenntisse (Vgl. Literatur). Material Material für eine Materialkiste: 1x4,5-V-Flachbatterie, 4xGlühlämpchen, 4xFassung, 6-8xPrüfkabel, 0,2 und 0,4mm Konstantandraht, 1xLitzenkabel 1xSteinunterlage, 1xTransfomator, 1xJoghurtglas mit Kunstoffdeckel Zusätzliches Material: Holz, div. Drähte, Büroklammern, Reisnägel, Nägel Literatur Verwendete und weiterführende Literatur: Stuber, Th. (Hrsg.). (2001). Werkweiser 2 für technisches und textiles Gestalten 3. bis 6. Schuljahr. Bern: Schulverlag. Brandenberger, Ch. Stuber, Th. (2006). Phänomenales Gestalten: Schwachstrom-Magnetismus forschen, experimentieren und entwickeln. Bern: Schulverlag blmv AG. Unter „ finden sich Testlektionen zum freien Download als auch die Möglichkeit Lehrmittel anzuschaffen. Nebst weiterführender Arbeiten zum Thema Schwachstrom finden sich auch weitere Arbeiten rund um das Thema Technik im Fach technisches Gestalten, sowie viele Informationen, Fachbeiträge und Technikfacts. Selbstbeobachtung Arbeits- und Lernverhalten Ich habe konzentriertgearbeitet. Trotz Misserfolg arbeite ich weiter. Ich lasse mich nicht enmutigen. Ich kann mit Hilfe des Gelernten die folgenden Aufgaben lösen. Sozialverhalten Ich arbeite in der Gruppe engagiert mit. Ich gehe auf Vorschläge anderer ein. Ich nehme Rücksicht auf andere und stelle persönliche Interessen zurück. Lernen, Wissen aneignen Ich habe die Beobachtungen sauber aufgezeichnet und die Erkenntnisse protokolliert. Ich habe heute etwas gelernt. Was? -- Bemerkungen Name/Klasse Zum eigenen Unterrichtsvorhaben Eine kleine Erläuterung Mit meinen Schülern aus dem 8. Schuljahr entwickle ich eine Lampe/Leuchte. Der Schwerpunkt liegt bei den Verfahren zur Herstellung, sowie bei der Gestaltung des Objektes. Die S. müssen selbständig eine Lampe/Leuchte entwerfen; Arten und Formen recherchieren, Skizzen erstellen, Pläne zeichnen, Materialien zusammen stellen. Sie müssen die Verfahren Bohren, Gewindeschneiden und Schutzgaschweissen anwenden. Die Verwendung ihnen bereits bekannter Verfahren bleibt ihnen freigestellt. Sie erhalten während der UE eine Einführung ins Schutzgasschweissen, in die Handhabung der Trennscheibe, sowie ins Gewindeschneiden. Bei der Gestaltung geht es einerseits um die Formfindung, welche ihren Bedürfnisse entsprechen soll, als auch den technischen Umsetzungsmöglichkeiten in Bezug auf ihre Fähigkeiten, wie auch den technischen Möglichkeiten der Werkstatt. Nebst der ästhetischen Gestaltung gilt es dann auch noch eine geeignete Konstruktion zu finden, welche das Befestigen des LampenschirmMaterials am Stahlgerüst ohne den Einsatz der Nähmaschine o.ä. textilen Verfahren ermöglicht. Das Atelier stellt dabei einen Exkurs zur Elektrizität dar. Im kleinen werden grundlegende Kenntnisse erarbeitet, welche übertragbar auf den Starkstrom sind und in der dargestellten Aufgabe anwendung finden können oder welche zumindest Verständnis für verwendeten Elemente schaffen. Die behandelten und übertragbaren Themen sind u.a.: Stromkreis, Funktion der Glühbirne, Funktion des Schalters, Funktion des Dimmers, Serie-und Parallelschaltung, Kurzschluss und Sicherung, Wärmeentwicklung (in Bez. auf die Wahl der Lampen-Art), etc. Deshalb werden wir nach dem Atelier auch noch einen Blick in den Sicherungskasten werfen, einen Dimmer zerlegen und den Anschluss der Lampen an ein Stromkabel, einen Stecker und einen Schalter, sowie die Schaltung von Lampen studieren. Es bildet somit einen Teil zum Aufbau der pers. Fähigkeiten, welche anschliessend die selbständige Umsetzung des Projektes ermöglicht. Kurz Reflexion Im Grossen und Ganzen war das Atelier eine gelungene Sache. Die Schüler haben sich auf das basteln, untersuchen und erfinden eingelassen. Auch die Resultate entsprachen /- den Erwartungen. Wer sehr viel Wert auf die Art der Notizen und Skizzen legt, muss dies ev. mit den S. noch genau vorbesprechen und ggf. zuvor eine kleine Übung mit ihnen durchführen. Zeitlich braucht es sicher 135 Minuten. Je nachdem wie weiter gearbeitet wird auch mehr. Für stärkere S. eignet sich das Atelier, so wie es jetzt vorliegt. Schwächere S. brauchen häufiger ein paar Tips. Bei einer schwachen Klasse oder bei jüngeren S., würde ich die Verwendung der Arbeitsblätter aus dem erwähnten Lehrmittel vorschlagen. Es ist auch von Vorteil, wenn zumindes einer der beiden S. gut im Leseverstehen ist. Dies bildet schliesslich die Grundlage für die selbständige Bearbeitung der Aufträge. Im Nachhinein würde ich einige MaterialAnpassungen durchführen; insbesondere die Graphit-Mine fest in den Materialkasten integrieren und die Lampenfassungen anpassen. Ich werde das Atelier aber bestimmt wieder einmal einsetzen. Elekrotechnische Schaltzeichen Ein Schaltzeichen ist ein in einem Schaltplan der Elektrotechnik verwendetes, standardisiertes, graphisches Symbol für Bauelemente, Bauteile, Geräteteile, Geräte und Leitungen innerhalb einer elektrischen Schaltung. Durch die Reduktion, die ein solches Schaltzeichen mit sich bringt, kann die Schaltung einfacher erstellt und wesentlich einfacher und schneller erfasst werden. Experimentierkarte Schwachstrom Thema Stromkreis Claudio Gygax 01 Experimentierkarte Schwachstrom Thema Parallel- und Serieschaltung Claudio Gygax 02 Auftrag Auftrag Bringe ein Lämpchen zuerst mit Hilfe der 4,5-Volt-Flachbatterie, anschliessend mit der Fassung zm Leuchten. Baue nun einen Stromkreis mit Hilfe zweier Prüfkabel. Erstelle eine Skizze mit Hilfe der Symbole des Stromkreises. Baue nun zwei Lämpchen in einen Stromkreis ein. Zuerst so, dass beide Lämchen löschen, wenn du eines der beiden herausgeschraubt wird. Anschliessend so, dass ein Lämpchen noch weiter brennt. Mach dasselbe mit 4 Lämpchen. Erstelle eine Skizze der ersten beiden Schaltungen und notiere was du festgestellt hast. Material Material 4,5-V-Flachbatterie, Glühlämpchen, Fassung, Prüfkabel 4,5-V-Flachbatterie, Glühlämpchen, Fassungen, Prüfkabel Skizze/Notizen Skizze/Notizen Experimentierkarte Schwachstrom Thema Kurzschluss Claudio Gygax 03 Experimentierkarte Schwachstrom Claudio Gygax Thema Schalter 04 Auftrag Auftrag Baue eine Stromkreis mit einem Lämpchen auf. Verbinde nun mit einem zusätzlichen Kabel die beden Pole direkt mit der Batterie. Was stellst du beim Glühlämpchen und bei der Batterie fest? Ueberleg dir warum ein Kurzschluss oft schlimme Folgen hat. Notiere deine Erkenntnisse. Analysiere verschiedene Schalter. Baue einen „Ein-, Aus- und „Tastschalter. Skizziere und beschrifte die entwickelten Schalter. Material Material 4,5-V-Flachbatterie, Glühlämpchen, Fassung, Prüfkabel 4,5-V-Flachbatterie, Glühlämpchen, Fassung, Prüfkabel, Holz, Draht, Büroklammern, Reisnägel und was du sonst noch brauchen kannst Skizze/Notizen Skizze/Notizen Experimentierkarte Schwachstrom Thema Leiter/Nichtleiter/Widerstand Claudio Gygax 05 Experimentierkarte Schwachstrom Thema Dimmer Claudio Gygax 06 Auftrag Auftrag Untersuche, welche Materialien den Strom leiten und welche nicht. Sammle zuerst 10 Materialien, die du prüfen willst. Erstelle ein Prüfgerät und notiere die gesammelten Erfahrungen. Baue einen einfachen Stromkreis mit einem Glühlämpchen. Baue nun einen Dimmer ein. Ueberleg dir, welche Materialien sich dafür eignen. Teste Materiealien aus und stelle einen Dimmer-Prototyp her. Wie kann man den Dimmer regulieren? Erstelle eine Skizze, beschrifte sie und Notiere deine Erkenntnisse. Material Material 4,5-V-Flachbatterie, Glühlämpchen, Fassung, Prüfkabel, Holz, Draht, und was du sonst noch brauchen kannst 4,5-V-Flachbatterie, Glühlämpchen, Fassung, Prüfkabel, Holz, Draht, und was du sonst noch brauchen kannst Skizze/Notizen Skizze/Notizen Experimentierkarte Schwachstrom Claudio Gygax Thema Wärmewikrung 07 Experimentierkarte Schwachstrom Claudio Gygax Thema Sicherung 08 Auftrag Auftrag Lege einen 15cm langen Konstantandraht auf die Steinunterlage und schliesse die beiden Enden an der Batterie an. Verkürze die Strecke, durch welche der Strom fliesst und beobachte den Draht. Notiere deine Erkenntnisse und überleg dir, welche Bedeutung diese Erkenntnisse haben. Notiere deine Überlegungen. Entwickle auf Grund der bisherigen Erkenntnisse eine Sicherung. Baue diese in einen einfachen Stromkreis mit einem Glühlämpchen ein. Teste die Sicherung, indem du das Lämpchen kurzschliesst. (Vergleiche die Skizze.) Beschreibe deine Sicherung und erläutere ihre Funktionsweise. Material Material 4,5-V-Flachbatterie, Fassung, Prüfkabel, Konstantandraht,Steinunterlage Transformator, Glühlämpchen, Fassung, Prüfkabel, Holz, Draht, Büroklammern, Reisnägel und was du sonst noch brauchen kanns Skizze/Notizen Skizze/Notizen Experimentierkarte Schwachstrom Thema Glühbirne Claudio Gygax 09 Experimentierkarte Schwachstrom Thema Polwendeschalter Claudio Gygax 10 Auftrag Zusatz-Auftrag Versuche nun selber eine Glühbirne herzustellen. Erstelle eine Skizze deiner Glühbirne und beschrifte sie. Nimm einen kleinen Elektromotor (den kiregst du von der Lehrperson). Versuche nun einen Schalter zu entwickeln, mit welchem du den Motor vorwärts und rückwärts laufen lassen kannst. Man nennt diese Art von Schalter „Polwendeschalter. Material Material Transformator, Glühlämpchen, Fassung, Prüfkabel, Konstantandraht, Joghurtglas mit Kunstoffdeckel 4,5-V-Flachbatterie, Motor, Prüfkabel, Holz, Draht, und was du sonst noch brauchen kannst Skizze/Notizen Skizze/Notizen