Physik – Elektrizität – Wirkungsgrad einer elektrischen Anlage

Wirkungsgrad einer elektrischen Anlage

Versuchsvideo (ohne Ton)

Übungen

Übung 1

Übung 2

Für Lehrkräfte

Unterrichtsthema	Wirkungsgrad
Klassenstufen	9 bis 10
Wer experimentiert?	Schülerinnen und Schüler im Unterricht in Partner- oder Gruppenarbeit
Ziele und Kompetenzen	Die Schülerinnen und Schüler können: aus den Messwerten die zugeführte elektrische Energie bei einem Wasserkocher berechnen. aus den Messwerten die Wärmeenergie berechnen. aus der elektrischen Energie und der Wärmeenergie den Wirkungsgrad berechnen.

Vorausgesetzte Kompetenzen

Dieses Experiment fordert von den Lernenden eine mathematische Auswertung der Messwerte. Die Schülerinnen und Schüler sollten bereits wissen, wie sie die elektrische Energie mit \[ E_{el}=P \cdot t\] und die thermische Energie (Wärmeenergie) mit \[ E_w=c_w\cdot\ m\cdot\Delta T\] berechnen können. Die Größen in diesen Formeln sollten ausführlich besprochen worden sein. Auch sollten die Schülerinnen und Schüler den Wirkungsgrad als Quotienten von nutzbarer Energie und zugeführter Energie kennen und mit der Formel rechnen können.  

Materialliste

je Versuchsgruppe:

• Wasserkocher
• Messzylinder, Glas, HF, 500 ml
• Thermometer, digital, –40 °C bis +120 °C
• Energieverbrauchsmessgerät als Leistungsmessgerät
• Stoppuhr
• Stativstab mit Gewinde, 750 mm
• Stativplattenfuß, 210 x 130 mm
• 2 Doppelmuffen
• 2 Stativklemmen
• Rührstab, Glas, 200/6 mm
• Kabelbinder

Bei Cornelsen Experimenta finden Sie weitere passgenau abgestimmte Experimentiermaterialien – unkompliziert und schnell: cornelsen-experimenta.de/NuT-hybrid

Hinweise zur Vorbereitung

Befestigen Sie bereits vor Beginn des Experiments den Sensor des Digitalthermometers mit Kabelbindern an einem Glasstab. So kann vermieden werden, dass der Sensor den Boden des Wasserkochers berührt.

Hinweise zur Durchführung im Unterricht

Das Experiment kann sowohl als Schülerexperiment als auch als Demoexperiment durchgeführt werden. Ein Schülerexperiment ist jedoch nur dann möglich, wenn ausreichend Wasserkocher und Leistungsmessgeräte in der Schule vorhanden sind. Alternativ können die Lernenden auch Wasserkocher von zuhause mitbringen. Es bietet sich an, die Anzeige des Leistungsmessgeräts im Experiment zu filmen.

Anstatt eines Demoexperiments kann auch das Versuchsvideos eingesetzt werden. Es bietet den Vorteil, dass die Lernenden das Video anhalten bzw. zurückspulen und erneut anschauen können. Die kognitive Belastung wird so reduziert.

Weisen Sie die Lernenden explizit auf die Sicherheitshinweise bei diesem Experiment hin.

Hinweise zur Auswertung

Die gemessene Leistung am Wasserkocher ist im Experiment nicht konstant. Für die Auswertung sollte ein mittlerer Messwert verwendet werden. Dieser kann durch ungefähres Ablesen oder durch eine Mittelwertbildung aus mehreren Messwerten erfolgen. Statt des gemessenen Werts für die Leistung könnte auch der auf dem Typenschild angegebene Wert verwendet werden. Die Vorgehensweise sollte in der Besprechung mit den Lernenden kritisch reflektiert werden.

Die Bestimmung des Wirkungsgrads erfordert die Berechnung der elektrischen Energie und der Wärmeenergie aus den aufgenommenen Messwerten. Zur Unterstützung der Schülerinnen und Schüler bietet sich die Protokollvorlage an. Hier sind die benötigten Formeln bereits genannt. Die Lernenden werden bei der rechnerischen Auswertung unterstützt.

Downloads

(jeweils editierbare Worddateien)

Autor: Dr. Alexander Küpper