8. – 10. Schuljahr

Franz Boczianowski, Tobias Ludwig und Lilly Pyras

Eigenschaften elektrischer Leiter aus Kennlinien ableiten

Lerngelegenheiten mit digitalen Messungen gestalten

Die Elektrizitätslehre ist ein facetten-reiches Thema. Auf der einen Seite hat sie einen starken Bezug zu der uns umgebenden technisch geprägten Welt. Auf der anderen Seite umfasst sie viele abstrakte Inhalte, da die relevanten physikalischen Größen Stromstärke, Spannung, Widerstand usw. für Schülerinnen und Schüler nicht direkt beobachtbar sind, sondern sich hinter Zeigern und Displays multifunktionaler Messgeräte verbergen. Besonders die Unterscheidung von Stromstärke und Spannung sorgt im Unterricht für große Schwierigkeiten [2].
Gleichzeitig bietet die Elektrizitätslehre hinsichtlich des Experimentierens ein großes physikdidaktisches Potenzial, denn viele Experimente lassen sich relativ schnell und zuverlässig umsetzen. Insbesondere quantitative Messungen der elektrischen Größen sind einfach realisierbar. Die Auswertung und Diskussion dieser Experimente bieten sich als Lerngelegenheiten für das Erstellen und Lesen von Graphen an auch im Hinblick auf die Entwicklung digitaler Kompetenzen.
In diesem Artikel steht die Aufnahme, Auswertung und Interpretation unterschiedlicher elektrischer Kennlinien im Fokus. Aus fachlicher Sicht geht es um die Entwicklung der physikalischen Begriffe des elektrischen Widerstandes und der elektrischen Spannung. Insbesondere I-U-Kennlinien leisten hierbei einen bedeutenden Beitrag.
Kompetenzen
Fachwissen
Die Einführung des elektrischen Widerstands geschieht hier mit Blick auf die Temperaturabhängigkeit und die charakteristischen I-U-Kennlinien unterschiedlicher Bauteile.
Im Vorfeld sollte im Unterricht der Einfluss der geometrischen Abmes-sungen und des Materials eines Leiters auf die Stromstärke (bei konstanter Spannung) exemplarisch an Metall- und Kohlestäben demonstriert worden sein. Die Grundidee, dass sich der elektrische Strom „behindern lässt, ist somit anschaulich vermittelbar.
Besondere Bedeutung besitzt der elektrische Widerstand für die Ent-wicklung einer angemessenen Vorstellung der elektrischen Spannung. Diese wird üblicherweise nach der Definition des elektrischen Stroms im Kontext der Batterie als „Antrieb des elektrischen Stroms nur rudimentär eingeführt. Im Zusammenhang mit dem elektrischen Widerstand, der eine verhältnismäßig anschauliche Größe darstellt, muss es im Unterricht gelingen, den Spannungsbegriff auszubauen und von der Stromstärke zu differenzieren.
Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und digitale Kompetenz
Aus der didaktischen Perspektive ist das Thema für die Entwicklung von Kompetenzen in den Bereichen der Erkenntnisgewinnung und der Kommunikation als auch von digitalen Kompetenzen reichhaltig. Durch digitale Messungen ist die technische Umsetzung einfach, schnell und inzwischen auch kostengünstig umsetzbar. Digitale Messungen besitzen den wesentlichen Vorteil, dass Diagramme instantan für die Diskussion im Unterricht verfügbar sind, die in einem direkten Bezug zum Experiment stehen.
Im Hinblick auf die Entwicklung experimenteller Kompetenz (Bereich Erkenntnisgewinnung) schafft die Beschleunigung der Auswertung die Möglichkeit, auf die Kompetenzen „Schlüsse ziehen/diskutieren zu fokussieren [1]. Sie liegt in einem chronologischen experimentellen Ablauf am Ende und kommt dadurch unter Umständen zu kurz, wenngleich ihr eine besonders große fachliche Bedeutung zukommt.
Durch die Verwendung von Graphen für die Darstellungen der Messergebnisse wird außerdem die Kompetenz „Informationen aus grafischen Darstellungen entnehmen (Bereich Kommunikation/Informationen erschließen [3]) adressiert. Insbesondere durch die Gegenüberstellung der unterschiedlichen Kennlinien lässt sich die Besonderheit des linearen Zusammenhangs hervorheben. Gerade die Reduktion auf einfache Diagramme in weiten Teilen des Physikunterrichts mag bei den Schülerinnen und Schülern zu der...

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