7. – 10. Schuljahr

Gunnar Friege, Rüdiger Scholz und Heinz-Werner Oberholz

Darstellungen energetischer Prozesse

Physikalische Vorgänge mit Energiekontomodell, Energieflussdiagrammen und Energieübertragungsketten beschreiben

Die Beschreibung physikalischer Vorgänge unter Verwendung des Energiebegriffs ist bekanntermaßen schwierig, aber auch sehr ergiebig. Die zentralen didaktischen Aufgaben bestehen darin, energetische Vorgänge in Natur und Technik entdecken zu lassen, Energie von anderen physikalischen Größen zu unterscheiden und dazu eindeutige Begriffe sowie geeignete Darstellungen zu finden, die über sämtliche Klassenstufen hinweg vernetzt sind und tragfähig bleiben.
Unterschiedliche Darstellungsformen wie Energiekonten, Energieflussdiagramme oder Energieübertragungsketten kommen in Schulbüchern und im Unterricht zum Einsatz. Zum Teil sind sie curricular sogar explizit gefordert (vgl. z.B. [1]).
Solche Darstellungsformen dienen der Visualisierung. Allerdings sind die Informationen in Energiedarstellungen meist hochverdichtet. Die Verwendung und Interpretation von Pfeilen macht diese Problematik exemplarisch deutlich (s. dazu [2], S. 29): Für was genau steht ein Pfeil (Energie, Energieumwandlung, Energietransport, fortschreitende Zeit)? Sind mit den Pfeileigenschaften (Breite, Richtung) noch weitere Größen codiert?
Im Folgenden werden drei unterschiedliche und gängige Energiedarstellungen betrachtet:
  • Varianten der Nutzung sind zentral beim Thema Energiekonten.
  • Die Darstellungsform Energieflussdiagramm wird im Kontext technischer Prozesse diskutiert.
  • Bei den Energieübertragungsketten wird auf a) verschiedene Zugänge zum Energiebegriff, b) die unterschiedliche Konstruktion von Energieübertragungsketten und c) die Entwicklung dieser Darstellungsform im Lauf der Sekundarstufe I eingegangen.
Energiekonto: Bilanzierung von Energie
In der Energiekontodarstellung steht die Bilanzierung von Energien im Vordergrund: Jede in einer Situation vorkommende Energieform (Bewegungsenergie, Lageenergie ) hat in der Regel ein eigenes Konto mit einer „Füllstandshöhe, einem Kontostand.
Die „Füllstandshöhen können sich mit der Zeit ändern, d.h., zwischen Konten wird Energie „transferiert. Dies entspricht der Energieumwandlung. Die Summe der „Füllstandshöhen bleibt konstant, sofern alle relevanten Konten betrachtet werden. Dies entspricht der Energieerhaltung.
Varianten der Kontodarstellung
Brückmann und Detken setzen das Kontomodell im Anfangsunterricht ein. Hier steht die qualitative/halbquantitative Bilanzierung im Vordergrund: Konten und (geschätzte) Füllstandshöhen zu verschiedenen Zeitpunkten werden grafisch gezeigt. Energieformen sind Lage- und Bewegungsenergie sowie die „Verluste. Altersgemäß erfolgen keine quantitativen Berechnungen, jedoch werden der Energieerhaltungsgedanke grafisch verdeutlicht und die Energieentwertung eingeführt.
Ludemann und Kraus setzen die Kontodarstellung als Hilfsmittel zur Lösung von quantitativen Aufgaben ein. Die Füllstandshöhen für Konten der potentiellen, kinetischen und Spann- sowie thermischen Energie werden für den Anfangs-, ggf. einen Zwischen- und den Endzustand eines Systems berechnet.
Die Darstellung von Energiekonten ist auch in der Literatur nicht einheitlich. Beispielsweise zeigt Abbildung 1 nicht mehrere Energiekonten mit unterschiedlichen Füllstandshöhen für jede Energieform zu einem bestimmten Zeitpunkt, sondern stets die addierten Füllstandshöhen jeder Energieform zu den ausgewählten Zeitpunkten. Dadurch werden die Energieerhaltung sowie die Energieumwandlung gut sichtbar und die Darstellung bleibt übersichtlich. Die Energiekonten selbst sind allerdings nicht mehr so leicht erkennbar. Anzumerken ist zudem, dass in diesem Beispiel auf den Aspekt der Energieentwertung nicht eingegangen wird.
Energiekontendarstellungen bilanzieren in der Regel Energieformen zu verschiedenen (mindestens jedoch zwei) Zeitpunkten. Je nach Auswahl können dabei der Gedanke mehrerer,...

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