11. – 13. Schuljahr

Gunnar Friege

Wechselstrom-Black-Boxen

Probleme lösen in der Elektrizitätslehre

Black-Box-Aufgaben sind ein beliebter Aufgabentyp in Physikwettbewerben [1] und sie werden auch im Unterricht eingesetzt. Es gibt Black-Boxen für verschiedene Themenbereiche wie Elektrizitätslehre, Mechanik oder Optik (z.B. [2] – [5]) und auch für verschiedene Altersklassen.
Ziel dieser Aufgaben ist es herauszufinden, was sich im Innern einer Black-Box befindet, ohne sie zu öffnen. Dazu sind Beobachtungen, oft systematische Messungen und die Nutzung physikalischer Kenntnisse nötig.
Systematisches Rätseln
Eine Black-Box ist zunächst ein meist reizloser Behälter, in den nicht hineingeschaut werden kann. Auf der Oberfläche können beispielsweise Buchsen für 4-mm-Stecker angebracht, Anschlussdrähte oder dünne Seile durchgeführt sein. Einige dieser Black-Boxen haben Oberflächen ohne Öffnungen, in andere kann man Gegenstände als Messsonden einführen. Im starkem Kontrast zu dieser recht nüchternen Oberflächenstruktur steht der Reiz, den Black-Boxen meist auf die Lernenden ausüben. Auch wenn man mehrere ähnliche Black-Boxen hintereinander behandelt, scheint dies zumindest im Anfangsunterricht die Motivation, ein solches „Black-Box-Rätsel zu lösen, nicht zu mindern [4].
Schwierigkeitsgrad von Black-Box-Aufgaben
Die Schwierigkeit einer Black-Box ist zunächst eine empirische Frage. Sie hängt von mehreren Faktoren ab, wie Vorwissen und Erfahrung der Aufgaben-„löser, den in der Box verbauten Elementen sowie der Aufgabenstellung.
Wird die Black-Box-Aufgabe nicht selbst gelöst, sondern nur das Innere angesehen und beurteilt, so wird die Schwierigkeit meistens erheblich unterschätzt. Die Abdeckung einer elektrischen Schaltung beispielsweise erhöht den Schwierigkeitsgrad außerordentlich.
Mit der Aufgabenstellung zu einer Black-Box kann der Schwierigkeitsgrad gesteuert werden, da darin Aussagen zum Lösungsraum („Welche Schaltungen sind möglich?) oder zu möglichen Messverfahren enthalten sein können. Auf rezeptartige Lösungsanweisungen ist dabei selbstverständlich zu verzichten.
Wechselstrom-Black-Boxen
Elektrische Black-Boxen gehören neben mechanischen zu den am häufigsten eingesetzten Typen.
Black-Boxen, zu deren Lösungen Wechselströme benötigt werden, erweitern den Experimentierbereich außerordentlich im Vergleich zu solchen, die mit Gleichstrom arbeiten: Zu ohmschen Widerständen, Glühlampen oder Dioden kommen die frequenzabhängigen Bauteile Kondensator und Spule hinzu. Der „Gerätepark aus Gleichstromquelle und Multimeter wird um eine Wechselstromquelle und einen Frequenzgenerator vergrößert; auch Oszilloskope zur Untersuchung von Phasenbeziehungen werden eingesetzt (z.B. [5]).
Benötigte Vorkenntnisse
Die Nutzung von Wechselstrom-Black-Boxen setzt eine Behandlung der Wechselstromlehre voraus. Vertiefte Kenntnisse über die Bauteile Kondensator und Spule und deren Frequenzabhängigkeit sowie über Wechselstromwiderstände in Reihen- und Parallelschaltung, Messmethoden und Gerätekunde sind notwendig.
Im Gegensatz zu Gleichstrom-Black-Boxen, die in ihrem Schwierigkeitsgrad an die Vorkenntnisse von Schülerinnen und Schülern im gesamten Sekundarbereich angepasst werden können, sind Wechselstrom-Black-Boxen vor allem für den Unterricht in der Sekundarstufe II geeignet.
Beispiele aus Physik-Wettbewerben
Zwei Beispiele aus dem Wettbewerb „Internationale Physikolympiade (IPhO) sollen unterschiedliche Aufgabenstellungen und Lösungswege demonstrieren (s. Kästen 1 – 3).
Elektrische Wechselstrom-Black-Boxen
Elektrische Wechselstrom-Black-Boxen
A: Black-Box mit drei Anschlüssen (nach [1])
In einer Black-Box mit drei Anschlüssen A, B und C befinden sich zwei Kondensatoren C1 und C2 und ein Widerstand R in Sternschaltung.
a)Messen Sie IAB, IBC, IAC, UAB, UBC, UAC mit einer Stromfehlerschaltung im Frequenzbereich von 100 Hz bis 10 kHz. Bestimmen Sie damit die Wechselstromwiderstände ZAB, ZBC und ZAC und stellen Sie deren...

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