7. – 11. Schuljahr

Lena Schmid und Martin Ernst Kraus

Vier konkurrierende Stromkreismodelle

Ein Gruppenpuzzle

Eine der größten Herausforderungen im Physikunterricht ist es, in der ausführlich unterrichteten, doch kaum verstandenen Elektrizitätslehre den Spannungsbegriff anschaulich, aber fachlich korrekt zu vermitteln (s. [1]).
Alle Stromkreismodelle zeigen Schwächen. Der eigene Unterricht ergab u.a.:
  • Das Fahrradketten-Modell zeigt seine Stärke bzgl. der Modellierung der Quellenspannung als Potentialdifferenz nur bei der Wahl eines Fahrrads ohne Rücktritt, ohne Leerlauf und möglichst mit Klickpedalen.
  • Das Wasserkreislauf-Modell modelliert die Spannung „als Maß für die je Elektron übertragbare Energie nicht gut. Es ist zwar weit verbreitet und wurde von den SchülerInnen meist präferiert, verleitet jedoch dazu, dass der Modellcharakter vernachlässigt wird (bis hin zur Erwartung, dass aus einem zerschnittenen Kabel Elektronen austreten).
  • Das Energiehut-Modell führt zu einer Vermischung der Bedeutung von Energie und Spannung. Bei der Maschen- und Knotenregel ist zudem nur die Summe der Teilströme und Teilspannungen gut modellierbar, nicht aber ihre Widerstandsabhängigkeit. Ein „Nachspielen kann ablenken bzw. aufhalten, ebenso essbare Energiepakete wie Bonbons.
  • Das Wasserhöhen-Modell weist bezüglich der Teilspannungen und -stromstärken die gleichen Schwächen auf wie das Energiehut-Modell, obwohl es diesbezüglich eine gute Modellierung suggeriert. Die übliche Annahme widerstandfreier Kabel widerspricht der notwendigen Neigung der Wasserrinnen.
Insbesondere beschreibt kein gängiges Stromkreismodell die elektrische Spannung im Kontext eines elektrischen Feldes. Keines der Stromkreismodelle ist also perfekt und keines den anderen in allen Aspekten überlegen.
Modelle als Unterrichtsthema
Im hier vorgestellten Unterricht werden vier konkurrierende Stromkreismodelle parallel in einem Gruppenpuzzle eingeführt (s. Material 1 – 2 und Tab. 1 ).
Material 1: Anleitung zum Gruppenpuzzle „Vier konkurrierende Stromkreismodelle
Material 1: Anleitung zum Gruppenpuzzle „Vier konkurrierende Stromkreismodelle
Phase I
Markiert im Material 2 die eurer Stammgruppe zugewiesene Regel, die ihr später
gemeinsam erklären sollt. Einigt euch, wer aus eurer Gruppe welches Modell übernimmt: 1. Fahrradkette, 2. Wasserkreislauf, 3. Energiehut, 4. Wasserhöhe. (Die Dreiergruppen lassen ein Modell aus.)
Phase II
Benennt in Einzelarbeit in Tabelle 1 Entsprechungen/Veranschaulichungen im euch zugeteilten Modell. Diskutiert dann eure Überlegungen untereinander, verbessert eure Ergebnisse und vergleicht sie mit den Lösungen (s. Pult).
Zusatz:
  • Benennt auf der Rückseite weitere Entsprechungen, z.B. für leere Batterie, Plus-/Minuspol, Spannung am „Verbraucher, Schalter, Wechselspannung, FI-Schalter, Kurzschluss, „Elektronen fließen von der Spannungsquelle zum ,Verbraucher und zurück, „Energie wird von der Spannungsquelle zum ,Verbraucher transportiert, „Der Stromkreis ist unterbrochen,
  • Beschreibt Vor- und Nachteile eures Modells.
Phase III
Erklärt euch gegenseitig eure verschiedenen Modelle inklusive Entsprechungen. Stellt die eurer Stammgruppe zugewiesene Regel anhand eines Modells als Kurzpräsentation für die ganze Lerngruppe dar (z.B. auf einer Folie).
Zusatz:
  • Stellt weitere der vier Regeln aus Material 2 dar oder bearbeitet den Zusatz aus II.
Material 2: Kirchhoffsche Gesetze
Material 2: Kirchhoffsche Gesetze
A: Regel für die Stromstärke in Reihenschaltungen
In einer Reihenschaltung ist die Stromstärke an jeder Stelle gleich.
Formel: I = konstant
B: Regel für die Stromstärke in Parallelschaltungen
In einer Parallelschaltung teilt sich die Stromstärke an einem Knoten auf die einzelnen Teilströme auf. Dabei muss die Summe der Teilstromstärken vor und nach einem Knoten gleich sein (Knotenregel).
Formel: Irein1 + Irein2 + = Iraus1 + Iraus2 + Iraus3 +
C: Regel für die Spannung in Reihenschaltungen
In einer Reihenschaltung...

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