Physik – Energieversorgung – Wechselspannung – Cornelsen

Wechselspannung

Übung

Autor: Cornelsen/Inhouse, Bild: Cornelsen/Inhouse, Vorlage: Cornelsen/Götze

Für Lehrkräfte

Unterrichtsthema	Wechselspannung
Klassenstufen	8 bis 10
Wer experimentiert?	Schülerinnen und Schüler im Unterricht in Partner- oder Gruppenarbeit
Ziele und Kompetenzen	Die Schülerinnen und Schüler können: experimentell eine Wechselspannung erzeugen den Zusammenhang zwischen Drehgeschwindigkeit und maximaler Spannung beschreiben

Vorausgesetzte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler können elektrische Schaltungen sicher aufbauen. Darüber hinaus wissen die Lernenden bereits, dass die Bewegung eines Magneten zur Erzeugung einer Spannung in einer Spule führt (vgl. Versuch „Spannung erzeugen – mit Spule und Magnet“).

Materialliste

je Versuchsgruppe:

Flachstabmagnet, AlNiCo, mit Lagerpfanne
Nadelstativ
Experimentierkabel, rot, 25 cm
Experimentierkabel, schwarz, 25 cm
U-Kern mit I-Kern und Halteschraube
Spule mit 1200 Windungen
Schüler-Galvanometer, DC
ggf. Spannungssensor von Vernier
ggf. Tablet oder Smartphone
2 Abgreifklemmen mit 4-mm-Stecker

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

Hinweise zur Vorbereitung

Für das Experimentalvideo wurde der Spannungssensor von Vernier genutzt. Andere Spannungssensoren können für diesen Versuch jedoch auch genutzt werden. Achten Sie darauf, immer vorab die zum jeweiligen Spannungssensor notwendige App auf dem Tablet zu installieren. Die Go Direct® Sensoren von Vernier lassen sich beispielsweise mit der kostenlosen App Graphical Analysis 4 direkt mit Tablets und Smartphones über Bluetooth 4.0 verbinden. Alternativ können die Sensoren auch über USB an einen Computer angeschlossen werden.

Wenn Sie mehrere Spannungssensoren gleichzeitig in der Klasse nutzen, bietet es sich an, den Spannungssensoren unterschiedliche Bezeichnungen für die Herstellung der Bluetooth-Verbindung durch die Lernenden zu geben.

Aufgrund der Vielzahl benötigter Materialien ist es von Vorteil, die Materialien übersichtlich auf einem Rolltisch zur Verfügung zu stellen. Grundsätzlich ist die Windungszahl der Spulen bei diesem Versuch zweitrangig. Es gilt: Je höher die Windungszahl, desto höher die erzeugte Spannung. Testen Sie den Versuch vor der Durchführung im Unterricht mit den in Ihrer Schule vorliegenden Materialien.

Hinweise zur Durchführung im Unterricht

Das Experiment kann als Schülerexperiment in Kleingruppen durchgeführt werden. In diesem Fall ist es sinnvoll, den Lernenden als Hilfestellungen Anleitungen zum Messen von Spannungen zur Verfügung zu stellen. Alternativ kann das Methodenvideo „Elektrische Spannung messen“ genutzt werden. Sollten die in der Schule vorhandenen Materialien nicht für die Durchführung in Kleingruppen ausreichen, kann die Versuchsdurchführung durch die Lehrkraft bzw. das Versuchsvideo zur Erarbeitung genutzt werden. Hier ist eher das Versuchsvideo vorzuziehen, da es eine Erarbeitung in eigener Geschwindigkeit ermöglicht. Auch lässt sich hier der Zusammenhang zwischen Magnetausrichtung und Wechselspannung eher erkennen als in einem am Lehrertisch vorgeführten Demonstrationsexperiment.

Zur Unterstützung der Auswertung und zur Reduktion des cognitive load bietet es sich bei Realdurchführung des Versuchs an, das Galvanometer (beziehungsweise das Tablet mit dem angezeigten Spannung-Zeit-Diagramm) und die Bewegung des Magneten zeitgleich mit einem (zweiten) Tablet zu filmen.

Die Verwendung eines Spannungssensors und der passenden App ermöglicht die zeitsynchrone Darstellung der Spannung in einem Spannung-Zeit-Diagramm. Hierbei ist von Vorteil, dass die Daten direkt in graphischer und nicht nur in nummerischer Form vorliegen (Die Daten des im Video festgehaltenen Versuchs werden als Tabelle sowie in grafischer Form im Downloadbereich zur Nutzung bereitgestellt.). Dies unterstützt bei den Lernenden das Verständnis hin zur „Sinuskurve“ und fördert gleichzeitig die Medienkompetenz, da die Lernenden digitale Mess- bzw. Auswertungsinstrumente kennenlernen.

Hinweise zur Auswertung

Zur Auswertung des Versuchs kann die Protokollvorlage genutzt werden. Sie unterstützt die Schülerinnen und Schüler mit ihren Satzanfängen bei der Formulierung.

In der (editierbaren) Protokollvorlage können von den Lernenden selbstständig Screenshots eingefügt werden. Der Begriff Sinuskurve bzw. Sinusfunktion ist den Lernenden aus dem Mathematikunterricht voraussichtlich noch nicht bekannt. Es erscheint auch nicht notwendig, den Begriff hier einzuführen, da es in dieser Jahrgangsstufe nicht um eine mathematische Beschreibung geht. Je nachdem, ob ein Messwerterfassungssystem oder ein Galvanometer zum Einsatz kommt oder der Versuch als Video vorgeführt wird, können die Messdaten aus dem System in eine Tabellenkalkulationsdatei exportiert oder in einer Tabelle erfasst werden:

Die Software zum Spannungssensor zeichnet bereits ein Diagramm während des Versuchs auf.
Wenn das Galvanometer eingesetzt wird, können die Schülerinnen und Schüler ein Diagramm aus den Messdaten selbst erstellen, per Hand oder mit einem Tabellenkalkulationsprogramm.
Die Messdaten und das Diagramm aus dem Video stehen zum Download bereit. Wahlweise kann auch die Kopiervorlage verwendet werden. Sie liefert einen einfacheren Datensatz zur „manuellen“ Bearbeitung.

Nach der Auswertung des Versuchs kann der Medieneinsatz (Spannungssensor mit App) mit den Lernenden kritisch reflektiert werden. Als Vorteil mag dabei gelten, dass eine große Datenmenge übersichtlich und schnell in einem Diagramm dargestellt werden kann. Nachteilig ist dagegen, dass die Messung und Darstellung im Diagramm einer Blackbox gleicht.