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Stromverbrauchsvorstellung

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Stromverbrauchsvorstellung
Digitalmulti mit Gluehlampe.png

Messung mit dem Digitalmultimeter

Kurzbeschreibung
Mit diesem Experiment lässt sich die Schülervorstellung zum Stromverbrauch korrigieren
Kategorien
Elektrizitätslehre, Präkonzepte
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. I und Sek. II
Basiskonzept: System, Energie
Sonstiges
Durchführungsform Geeignet als Demoexperiment, Schüler*innen-Experiment und als Gruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Robert Winkler
Kontakt: winklrqb@hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Ulrike Gromadecki-Thiele
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Viele Schülerinnen und Schüler bringen die Vorstellung mit in den Unterricht, dass Strom verbraucht wird. Die Aufgabe der Lehrkräfte ist es dann, dieses Präkonzept aufzugreifen und durch geeignete Experimente die Vorstellungen zu korrigieren. Das hier vorgestellte Experiment soll dabei helfen.


Didaktischer Teil

Das SuS Vorstellungen in den Unterricht mitbringen, die mit den zu lernenden, fachlichen Vorstellungen nicht Übereinstimmen oder ihnen teilweise sogar fundamental entgegenstehen, ist mittlerweile Gegenstand jeder fachdidaktischen Vorlesung. Solche Präkonzepte wurden gerade im Bereich der Elektrizitätslehre mittlerweile sehr genau untersucht, so dass hier entsprechend viele Konzepte zur Verfügung stehen, um diese Schülervorstellungen zu identifizieren und gegebenenfalls zu korrigieren.

Die größten Schwierigkeiten haben SuS mit dem Strombegriff und der daraus resultierenden Verbrauchsvorstellung des Stroms. Die SuS werden überall in ihrer Umwelt konfrontiert mit einem Verantwortungsvollen Umgang mit Strom. „Stromsparen“, „Verbrauchsabrechnung“ und „leere Batterien“ sollen hier als Beispiel genügen. Hier gilt es zu beachten, dass Strom in diesem Schülerkonzept eher für die elektrische Energie als für das fließen von Ladungen steht. Es muss also unbedingt der Unterschied zwischen dem fließen elektrischer Ladungen und dem Energiefluss deutlich gemacht werden, damit jeder weiß, von welchem Strom die Rede ist. Dies kann zum Beispiel durch das Einführen von „Vornamen“ für die jeweiligen Betrachtungen wie „Energiestrom“ oder „Ladungsstrom“ geschehen. Ist jedem Schüler klar, wann welcher Strom gemeint ist, kann auch an der Verbrauchsvorstellung gearbeitet werden.

Da die Lampe glüht, sobald ein Strom fließt, ist das Konzept des Stromverbrauchs aus der Schülerperspektive allerdings eine durchaus sinnvolle Vorstellung und daher umso schwieriger zu korrigieren. Auch mit einschlägigen Experimenten sind einige SuS nur schwer zu überzeugen. Daher ist es hier besonders wichtig darauf zu achten, dass ein Experiment auch genau das zeigt, was man verdeutlichen möchte, damit die SuS das neue Konzept akzeptieren und Ihr eigenes Konzept korrigieren. Um Schülervorstellungen zu korrigieren empfiehlt es sich, an eben diesen anzuknüpfen. Damit das Experiment funktioniert, sollten vorher die Möglichkeiten der Messung von Stromstärke und Spannung besprochen worden sein. Im Anschluss ist es ein leichtes, den SuS zu zeigen, dass an beiden Seiten neben der Lampe die selbe Stromstärke vorhanden ist und die Vorstellungen der SuS zum Stromverbrauch nicht korrekt sind.

Das Experiment

Aufbau

Als Spannungsquelle dient das Kleinspannungs-Netzgerät HL-014 der Firma Leybold. Zur Messung der Stromstärke empfiehlt sich das Demomessgerät der Firma Phywe mit der 1A – Skala. Außerdem werden benötigt: Kabelverbindungen, Steckbrett, Glühlampe oder LED.

Durchführung

Das Steckbrett wird mit der Spannungsquelle so verbunden, dass zwischen den Polen ausreichend Platz ist, um die Glühlampe und das Amperemeter dazwischen zu schalten. Hierbei ist die elektrische Stromrichtung zu beachten! Die elektrische Ladung im Stromkreis bewegt sich vom Pluspol zum Minuspol. Der Pluspol kommt demzufolge auf die linke Seite des Steckbretts, der Minuspol auf die rechte Seite. Nun wird das Amperemeter links neben die Glühlampe gesteckt, so dass die elektrische Ladung (der Strom) zuerst durch das Amperemeter fließt und dann durch die Glühlampe. Dann wird die Spannungsquelle mit einer Spannung von 3 V eingeschaltet. Das Amperemeter schlägt aus und zeigt die Stromstärke vor der Lampe an. Dieser Wert ist zu notieren (Beispielsweise von einem Schüler oder einer Schülerin an der Tafel, bei einem Demoversuch). Anschließend wir die Spannungsquelle abgeschaltet und die Positionen von Glühlampe und Messgerät vertauscht. Nun kann die Stromstärke „hinter“ der Lampe gemessen werden. Die Spannungsquelle wird wieder eingeschaltet und der Wert vom Amperemeter notiert. Hier ist darauf zu achten, dass die Spannungsquelle auf dieselbe Spannung wie vorher eingestellt ist! Daher empfiehlt sich o.g. Gerät, da hier nur vorgegebene Stufen eingestellt werden können. Die Messung sollte mehrmals wiederholt werden. Alternativ zur Glühlampe kann auch eine LED verwendet werden. Diese wird im allgemeinen nicht so heiß wie die Glühlampe, so dass sich der Widerstand nicht verändert. Allerdings haben die Messwerte keine Aussage gegeben über die Veränderung des Widerstandes durch die heiße Glühlampe.

Schaltskizze.png

Ergebnisse

Damit die SuS das neue Konzept akzeptieren, benötigt man möglichst eindeutige Messungen. Daher wurden die Messungen mit verschiedenen Multimetern durchgeführt, um aufzuzeigen, auf welche Probleme man sich bei der Demonstration oder Durchführung des Experiments vorbereiten sollte. Außerdem wurde zusätzlich die Glühlampe durch eine LED ersetzt.

Messung 1:
Messung mit dem Digitalmultimeter 3867,70 von Frederiksen.
Messgenauigkeit: 0,5% + 1 Dig.

Messwert links in mA rechts in mA Ungenauigkeit
1 519 513 ±4
2 526 517 ±4
3 529 518 ±4
4 516 521 ±4
5 518 530 ±4
6 517 518 ±4
MW 521 520 ±4

Da die Messwerte stark geschwankt haben, wurde eine zweite Messreihe aufgenommen. Diesmal in A, statt mA.

Digitalmulti mit Gluehlampe.png
Messwert links in A rechts in A Ungenauigkeit
1 5,54 5,55 ±0,04
2 5,55 5,67 ±0,04
3 5,67 5,56 ±0,04
4 5,67 5,55 ±0,04
5 5,56 5,56 ±0,04
6 5,57 5,57 ±0,04
MW 5,59 5,58 ±0,04

Messung 2:
Messung mit dem Demomessgerät von Phywe, Skala 1A.
Messgenauigkeit: 1,5% +0,5 Skalenteile

Phywe Demo mit Gluehlampe.png
Messwert links in A rechts in A Ungenauigkeit
1 0,48 0,48 ±0,01
2 0,48 0,48 ±0,01
3 0,48 0,48 ±0,01
4 0,48 0,48 ±0,01
5 0,48 0,48 ±0,01
6 0,48 0,48 ±0,01
MW 0,48 0,48 ±0,01

Messung 3:
Messung mit dem Digitalmultimeter 3335DMM von PeakTech.
Messgenauigkeit: 2,5% + 10 Dgts.

Multi mit Gluehlampe.png
Messwert links in A rechts in A Ungenauigkeit
1 0,53 0,52 ±0,11
2 0,52 0,52 ±0,11
3 0,53 0,53 ±0,11
4 0,52 0,53 ±0,11
5 0,53 0,52 ±0,11
6 0,52 0,52 ±0,11
MW 0,53 0,52 ±0,11

Messung 4:
Messung mit dem Digitalmultimeter 3335DMM von PeakTech.
Messgenauigkeit: 2,5% + 10 Dgts.; Glühlampe ersetzt durch LED, 20mA

Multi mit LED.png
Messwert links in A rechts in A Ungenauigkeit
1 0,13 0,13 ±0,10
2 0,14 0,14 ±0,10
3 0,14 0,13 ±0,10
4 0,13 0,14 ±0,10
5 0,13 0,13 ±0,10
6 0,14 0,14 ±0,10
MW 0,14 0,14 ±0,10

Messung 5:
Messung mit dem Demomessgerät von Phywe, Skala 1A.
Messgenauigkeit: 1,5% +0,5 Skalenteile; Glühlampe ersetzt durch LED, 20mA

Phywe Demo mit LED.png
Messwert links in A rechts in A Ungenauigkeit
1 0,12 0,12 ±0,01
2 0,12 0,12 ±0,01
3 0,12 0,12 ±0,01
4 0,12 0,12 ±0,01
5 0,12 0,12 ±0,01
6 0,12 0,12 ±0,01
MW 0,12 0,12 ±0,01

Auswertung

Es zeigt sich, dass die Messung mit dem Demomessgerät von Phywe die konstantesten Werte anzeigt, so dass sich die SuS mit diesem Gerät wahrscheinlich am ehesten der neuen Vorstellung, dass Strom nicht verbraucht wird, anschließen. In allen anderen Messgeräten schwankt die Stromstärke. Sollte ein solches Gerät verwendet werden, könnte dies die Präkonzepte der SuS stärken und genau das Gegenteil bewirken.

Führt man dieses Experiment in der gymn. Oberstufe durch und berechnet mit den SuS die Unsicherheiten, so ist es egal, welches Gerät man benutzt. Alle Geräte liegen mit den Mittelwerten innerhalb ihrer Unsicherheiten, so dass gezeigt werden kann, dass kein Strom verbraucht wird, sondern die Schwankungen am Gerät selber liegen.

Die Glühlampe wurde durch eine LED ersetzt, um eventuelle Änderungen durch den steigenden Widerstand der heißen Glühlampe bei den Messungen zu minimieren. Da die Spannung konstant gehalten wurde, hätte bei einem sichtbaren Effekt des steigenden Widerstandes die gemessene Stromstärke kontinuierlich abnehmen müssen. Dieser Effekt ist allerdings nicht messbar eingetreten, so dass es scheinbar keinen Unterschied macht, ob man eine LED oder die Glühlampe benutzt.

Sicherheitshinweise

Da mit einer relativ geringen Spannung gearbeitet wird, sind keine besonderen Sicherheitshinweise notwendig. Allerdings sollte man darauf achten, dass die Spannungsquelle abgeschaltet wird, wenn am Stromkreis gearbeitet wird. Auch wenn keine Gefahr für Leib und Leben besteht, so ist man als Lehrer doch immer noch das Vorbild für die Schülerinnen und Schüler. Auf die Gefahr beim Umgang mit Strom und Spannung sollte hingewiesen werden.

Literatur

Duit, R. : Sammelband Unterricht Physik: Elektrizitätslehre, "Elektrizitätslehre aus Schülersicht" Seite 4-9

Götz, R. / Dahncke, H. / Langensiepen, F.: Handbuch des Physikunterrichts, Sekundarbereich I, Band 5: Elektrizitätslehre I (1992), Aulis Verlag Deubner, Köln