Dr. rer. nat. Frank Morherr
Lehrer im Vorbereitungsdienst am
Studienseminar III für Gymnasien in Oberursel
Entwurf zum Unterrichtsbesuch
Im Fachmodul Physik und im Modul LLG
Thema der Unterrichtseinheit:
Arbeit, Energie und Leistung
Thema der Unterrichtsstunde:
Wirkungsgrad, Perpetuum Mobile
und Anwendung auf ein Wasserkraftwerk
Fach: Physik
Klasse: 11.2 (E2), 19 Schüler-7 Mädchen und 12 Jungen
Schule: Burggymnasium Friedberg
Raum: CH 2
Datum: 3. 5. 2012
Zeit: 9:45-11:15 (UB 10:30-11:15)
Ausbilder für Fachdidaktik Physik: Herr Sach
Ausbilder für MLLG: Herr Dr. Gerhard
Mentor für Physik: Herr Peter
Analyse der Lerngruppe
Die Lerngruppe habe ich dieses Halbjahr von Frau Walter übernommen. Ich unterrichte sie in einer
Doppelstunde pro Woche, Donnerstag die dritte und vierte Stunde. Dies ist meine 10. Stunde in dieser
Lerngruppe.
Insgesamt sind die SuS motiviert und zeigen großes Interesse, Disziplinprobleme gibt es wenig. Dies
zeigt sich auch in der Beteiligung am Unterricht.
In Unterrichtsgesprächen arbeitet ein Großteil der Klasse engagiert mit. Ich versuche, die
unterschiedlichen Phasen des Unterrichts mittels Experimente und Diagrammen, sowie Filmen
abwechslungsreich zu gestalten.
Die leistungsstärksten SuS der Klasse sind Anastasia G. und René R. . Auch Aryan C., Sascha J. , Rico
S. , Cornelius L. , Johannes W. , Daniel G. und Lukas K. beteiligen sich gut. Etwas mehr auffordern
muss man Maike P. , Mert B. , Sebastian R. , Max M. , Cheyenne S. Sehr wenige bis gar keine Beiträge
kommen von Christiane M. , Sina Ö. , Katrin R. und Sebastian S.
Kurzer Überblick zum Lernstand Im ersten Halbjahr hat Frau Walter Weg/Zeit- Diagramme und Geschwindigkeit/Zeit-Diagramme von
gleichförmigen Bewegungen und gleichmäßig beschleunigten Bewegungen, sowie die Newtonsche
Axiome gemacht. Stehen geblieben war Sie beim waagerechten Wurf. Diesen habe ich noch beendet
und Sie haben eine Aufgabe dazu gerechnet. Im Anschluss habe ich noch den schrägen Wurf gemacht
und den Realitätsbezug mit Parabelflügen hergestellt. Die darauf folgende Unterrichtseinheit hieß
Arbeit und Energie. In dieser wurden die Formeln der kinetischen Energie, der potenziellen Energie
und der Spannenergie hergeleitet. Der Energieerhaltungssatz wurde im Schülerexperiment am
Fadenpendel entwickelt. Die Formeln und das Verständnis der Energieumwandlung wurde mittels
verschiedener Aufgaben eingeübt. Außerdem haben wir einen Film über James Prescott Joule geschaut.
In der folgenden Unterrichtseinheit haben wir den Begriff der Leistung kontextorientiert mit Autos und
Ihrer PS-Zahl eingeführt. Die Leistungen von Mensch und Maschine wurden Verglichen, außerdem
haben wir bei Leifi im Internet uns Leistungen verschiedener Objekte angeschaut. Dabei haben wir
zusätzlich behandelt, wie man die Gesamtstrahlungsleistung der Sonne bestimmt, und diese berechnet.
Im Folgenden wurden dann noch die Begriffe mittlere Leistung und momentane Leistung eingeführt.
Die Begriffe und Formeln zur Leistung wurden in diversen Aufgaben geübt. In der letzten
Unterrichtsstunde bekamen die Schüler als Hausaufgabe, sich per Internetrecherche über die Begriffe
Wirkungsgrad und Perpetuum Mobile zu informieren.
Kurzer Überblick zum Stundenverlauf und Stundenziel Am Anfang der dritten Stunde werde ich auf die Wiederholungsfragen eingehen, die die Schüler letzte
Stunde bekommen haben, um Ihren Kompetenzerwerb für die Klausur zu testen, da dies die letzte
Doppelstunde vor der Klausur ist.. Außerdem ist noch eine Aufgabe mit Spannenergie offen, die noch
besprochen werden muss. Das Lesen des Textes „Physikalisches Kauderwelsch“ leitet zum
Wirkungsgrad über, über den die Schüler im Internet recherchieren sollten. In dem Text erden die
Schüler mit vielen verschiedenen Einheiten konfrontiert und bekommen das Gefühl, dass Sie mit
Verständnisschwierigkeiten nicht alleine da stehen. Außerdem wird ein Kontextbezug des bis jetzt
behandelten Themas Energie durch die Übertragung auf Heizgeräte hergestellt. Weiter wird hier
teilweise deutlich, wie mit dem Unwissen der Bevölkerung Werbung gemacht wird, indem hier
Heizgeräte mit höheren neueren Nummern , also vermeintlich höherer Leistung verkauft werden, die
aber im Endeffekt nur aus der anderen Einheit, die benutzt wurde, resultiert. Nachdem dieser Begriff
geklärt ist, schauen wir uns im Internet noch die Wirkungsgrade verschiedener Maschinen an. An dem
Video eines Bungee-Sprungs werde ich die Schüler noch mal die einzelnen auftretenden
Bewegungsformen aus dem letzten Halbjahr beschreiben lassen, sowie die Energieumwandlungen. In
der vierten Stunde werde ich an die zweite Hausaufgabe zur Internetrecherche: „Was ist ein Perpetuum
Mobile?“ anknüpfen. Die Schüler sollen formulieren, was sie rausgefunden haben und dies wird noch
mal in geeigneter Weise formuliert. In diesem Zusammenhang kann man auch noch mal klären, wieso
man beim Bungee-Sprung nicht höher kommen kann, als man abgesprungen ist. Dadurch, dass der
Bungee-Sprung an einer Staumauer stattfindet, bekommt man den Übergang zu einem
Wasserkraftwerk. Nachdem ich durch eine kleine Präsentation den Kontextbezug zum
Speicherkraftwerk am Edersee und dem Pumpspeicherkraftwerk Waldeck II hergestellt habe, werden
wir am Pumpspeicherkraftwerk zur Anwendung des Stoffs noch einige Aufgaben rechnen und den Sinn
und Zweck eines solchen Kraftwerks klären. Hierzu werde ich auch noch einen Text austeilen. Zurück
beim Staumauer-Speicherkraftwerk kann man jetzt die Frage stellen, mit welcher Geschwindigkeit das
Wasser eigentlich am Fuß der Mauer ausströmt. Das ist erst mal nicht offensichtlich, da hier ja nichts
„fällt“. Mittels eines Röhrensystems an der Ausströmöffnung, durch welches das Wasser wieder nach
oben gelangt, kann man sich aber sofort überlegen, dass man die kinetische Energie des ausströmenden
Wassers trotzdem durch Gleichsetzen mit Epot=mgh bekommt, wobei h die Höhe des Wasserspiegels
ist. Wäre dem nämlich nicht so, dann könnten wir leicht ein Perpetuum Mobile konstruieren, welches
aber nach dem Stundenanfang nicht existiert.
Kontextorientierung im Physikunterricht Kontextorientierter Unterricht soll den Physikunterricht verbessern und dazu beitragen, dass Schüler
die von Technik und Naturwissenschaften geprägte heutige Welt besser verstehen können. Die
Einbettung des Unterrichts in "sinnstiftende" Kontexte steht dabei im Mittelpunkt. Es gilt,
physikalische Prinzipien, Begriffe und Arbeitsweisen im Rahmen von Kontexten zu vermitteln, in
denen der betreffende physikalische Inhalt für die Schülerinnen und Schüler interessant und wichtig ist.
Diese Kontexte können Sport, Naturphänomene oder gesellschaftliche Aspekte sein.
Beim Lernen von Physik spielen zwei Kontexte eine wichtige Rolle:
Ein fachlicher Inhalt kann immer nur in einem für Schülerinnen und Schüler relevanten Kontext
gelernt werden. Deshalb sollte der Kontext so gewählt werden, dass er für die Lernenden
„sinnstiftend“ ist. Solche Kontexte können Themen aus dem Alltag der Schülerinnen und
Schüler sein, also Alltags- und Naturphänomene oder technische Anwendungen, aber auch
Aspekte der Bedeutung der Physik für Technik und Gesellschaft.
Lernen findet immer im „Kontext“ einer bestimmten Lernumgebung statt. Diese Lernumgebung
muss so gestaltet werden, dass das Lernen nachhaltig unterstützt wird.
Beiden Arten von Kontexten muss gleichgewichtig Aufmerksamkeit gewidmet werden. Die
Einbettung des fachlichen Inhalts in sinnstiftende Anwendungssituationen und die Lernumgebung
müssen aufeinander abgestimmt sein. Nach Muckenfuß (1995) sind hier zwei Punkte wichtig
Die Einbettung in sinnstiftende Kontexte weckt das Interesse der Schülerinnen und Schüler für
das Erlernen des fachlichen Inhalts, es motiviert sie also, den Inhalt zu lernen. Sie erkennen
durch die „Sinnstiftung“, warum es für sie wichtig ist, darüber genauer informiert sein. Folglich
wird durch die Sinnstiftung das Lernen verbessert. Denn die Schülerinnen und Schüler erleben,
warum eine Beschäftigung mit bestimmten physikalischen Inhalten für sie sinnvoll ist.
Wird fachliches Wissen weitgehend „dekontextualisiert“ erworben, so treten in der Regel
Probleme bei einer flexiblen Anwendung dieses Wissens auf. Das bedeutet, dass ein solcher
Unterricht nicht zur naturwissenschaftlichen Grundbildung beiträgt und die in den aktuellen
Bildungsstandards geforderten Kompetenzen nicht angemessen aufgebaut werden können.
Die Devise „Vom Alltag ausgehend, den Alltag verstehen“ wird z.B. – zumindest in der Sekundarstufe
I – von den meisten Lehrkräften nachdrücklich vertreten. Das spiegelt sich auch in den Schulbüchern
wider, in denen vielfältigen Anwendungsbezügen Raum gegeben wird.
Müller (2006) geht davon aus, dass eine solche Orientierung wichtig ist, zumal der Physikunterricht,
wie er schreibt, in der Regel den Schülerinnen und Schülern nur eine „synthetische Wirklichkeit“ zeigt.
Im Physikunterricht sehe man, so argumentiert er, Dinge, die es sonst nirgendwo gibt (wie Kraftmesser,
Demonstrationsspule u. dgl.), man verwende Wörter, die man sonst nirgendwo benötigt (wie
Reuterlampe, Wellrad u. dgl.) und tue Dinge, die man sonst nirgendwo tut. Schließlich lerne man
Gesetze, die (anscheinend) dem gesunden Menschenverstand und den eigenen Vorstellungen eklatant
widersprechen. Auf dieser Basis argumentiert Müller, dass Kontextorientierung eine wichtige Funktion
hat, der Entfremdung durch den traditionellen Physikunterricht zu begegnen. Er weist allerdings darauf
hin, dass in der Praxis häufig „authentische“ Kontexte nur vorgegaukelt werden, um die Lernsituation
vermeintlich interessanter zu machen. Er spricht von „vorgeblichen Kontexten“. Hierbei ist zu sagen,
dass der Weg zur Konstruktion von der Wirklichkeit zur Modellebene geschieht, nicht von der
vorgegebenen Aufgabenstellung zum Kontext.
Im Unterricht dient der Kontext in der Regel sowohl als „Einstieg“ als auch als wichtiger Bezugspunkt
während der Erarbeitung des Fachlichen. Soll sich ein breit anwendbares fachliches Wissen bilden,
müssen weitere, möglichst vielfältige Anwendungen dieses Wissens hinzukommen.
Untersuchungen zur Frage, ob ein an Kontexten orientierter Zugang zum naturwissenschaftlichen
Wissen effizienter ist, kommen zum Schluss: Kontextbasierter Unterricht erreicht zumindest das
gleiche fachliche Niveau wie fachlich orientierter Unterricht – fördert aber die Entwicklung von
Interesse und Motivation stärker und führt darüber hinaus zu positiveren Einstellungen zur
Naturwissenschaft (Bennett, Hogarth, & Lubben, 2003). In anderen Worten, kontext-basierter
Unterricht führt zumindest zum gleichen kognitiven Ergebnis wie herkömmlicher Unterricht, fördert
aber wichtige über das Kognitive hinausgehende Ziele des Unterrichts.
Was das Thema Energie und Leistung angeht, gibt es hier verschiedene Zugänge zu einem
kontextorientierten Unterricht. Der Kontext „Mensch als Energiewandler“ kann zum Beispiel
„Nahrung als Energiequelle“ behandeln. Hier lassen sich untersuchen
(Weiter-)Entwicklung eines Wasserkochers (hierbei auch die Frage, wie koche ich
energiesparend Wasser)
Vergleich mechanische und elektrische Energieumwandlung
Vergleich mit Brennwerten von Nährstoffen,
Grund- und Leistungsumsätzen beim Menschen (wie oft muss ich die Treppe rauf und runter
rennen, um den Müsliriegel wieder abzutrainieren
Energiecheck in der Familie:
Der Sport bietet auch vielerlei Anknüpfungspunkte, zum Beispiel in der Leichtathletik. Behandlung des
Weitsprungs oder des Speerwerfens als schiefen Wurf und Diskussion der dabei auftretenden
Energieumwandlungen sowie Bewegungsformen. Behandlung von s-t und v-t-Diagrammen bei Läufen
in der Leichtathletik, auch und gerade mit Videoanalyse-Programmen. Da in der Oberstufe viele
Schüler den Führerschein machen, ist es hier auch angebracht, in diesem Rahmen Crashtests zu
behandeln, sowohl was die Art der auftretenden Bewegungsformen, als auch die Notwendigkeit der
Knautschzone zur Energieumwandlung angeht. Des Weiteren kann man durch eine Betrachtung der
auftretenden Kräfte den Sinn und Zweck der Sicherheitseinrichtungen wie Gurt und Airbag klären. In
den Begriff der Leistungsmessung kann man mit einem Fahrrad einsteigen. Man kann die Frage stellen,
wozu die Leistungsmessung wichtig ist, welche Sensoren eingebaut werden müssen, wie ein Gerät die
Leistung messen kann, auch wenn es nur am Lenker montiert ist. Hier kann man dann betrachten, wie
man durch ausrollen eines Fahrradfahrers und die durch den Widerstand abnehmende Geschwindigkeit
die Leistung des Radfahrers beim Fahren bestimmen kann. Ebenfalls im Rahmen kontextorientierter
kann man einen Bungee-Sprung betrachten und mit den Schülern sowohl die Art der dabei
auftretenden Bewegungsformen, als auch die auftretenden Energien und Energieumwandlungen
diskutieren. Dies werde ich in der dritten Stunde auch tun. Ein Bungee-Sprung hat für die Schüler eine
kontextorientierte Bedeutung, da sie es entweder schon selber gemacht haben, oder auf vielen
Volksfesten die Gelegenheit zum erleben mit einem Kran besteht. Das der Bungee-Sprung im Video
von einer Staumauer herab stattfindet, ein Erlebnis, welches die Schüler selbst bei einem Besuch in der
Schweiz erfahren können, ist ein guter Übergang zu einem Wasserkraftwerk. Allerdings möchte ich
hier erst nachher das Staumauerkraftwerk betrachten. Zunächst ist es sinnvoll, das Pumpspeicherwerk
zu betrachten, da die Verhältnisse hier einfacher liegen. Der Ortsbezug ist auch gegeben mit de
Speicherkraftwerk am Edersee und den Pumpspeicherwerken Waldeck I und Waldeck II, die ich auch
betrachten werde. Am Pumpspeicherwerk lässt sich sowohl die Energieumwandlung von potentieller
Energie in kinetische Energie betrachten, als auch Berechnungen zur Leistung und zum Wirkungsgrad.
Außerdem können die Schüler erfahren, dass trotz des mit dem Perpetuum Mobile im Hinterkopf
existierenden Energieverlusts, der ein Pumpspeicherwerk zunächst unsinnig erscheinen lässt, ein
praktischer Nutzen aufgrund der Speicherbarkeit der Energie auch ein wirtschaftlicher Nutzen besteht,
aufgrund der Verfügbarkeit der Energie zu Spitzenzeiten und der Nutzung von günstigem Nachtstrom
zum Hochpumpen des Wassers. Nun kann man wieder zum Speicherkraftwerk übergehen, nachdem
man mittels des Perpetuum Mobiles geklärt hat, was man für Epot einsetzen muss.
Gerade jetzt im Zeitalter des Atomausstiegs, des Energiewandels und der erneuerbaren Energien
bekommt die Wasserkraft wieder eine zunehmende Bedeutung.
Literaturverzeichnis [1] Hessisches Kultusministerium (Hrsg.) (2010): Lehrplan Physik. Gymnasialer Bildungsgang der Jahrgangsstufen 6G bis 9G und gymnasialer Oberstufe, Wiesbaden. [2] Dorn Bader: Physik 11 Ausgabe A – Hessen, Schroedel; 2002 [4] Physik Oberstufe Gesamtband, Cornelsen; 2007 [5] Lehrbuch Physik Gymnasiale Oberstufe, Duden Paetec; 2011, [6] Fokus Physik Oberstufe Einführungsphase, Cornelsen; 2009 [7] Duit, R.: Der Physikunterricht nach den TIMSS und PISA Schocks, Didaktik der Physik – Frühjahrstagung Kassel, 2006, S. 1-12 [8] Mikelskis-Seifert, S und Raabe, T.: Physik Didaktik – Handbuch für die Sekundarstufe I und II, Cornelsen, 2006 [9] Gerd Brenner u.a., Fundgrube. Methoden, Cornelsen Scriptor, Berlin 2005 [10] Wolfgang Mattes, Methoden für den Unterricht. 75 kompakte Übersichten für Lehrende und Lernende, Schönigh, Paderborn 2002 [11] Hilbert Meyer: Unterrichtsmethodik I+II (Theorie + Praxisband), Cornelsen Scriptor, Berlin 2005 [12] Dennis Nawrath: Kontextorientierung - Rekonstruktion einer fachdidaktischen Konzeption für den Physikunterricht, Dissertation [13] Unterricht Physik Nr. 98,: kontextorientiert unterrichten [14] Müller, Rainer: Physik in Alltagskontexten lehren, TU Brauschweig [15] Muckenfuß, H.:“Themen und Kontexte als Strukturelemente des naturwissenschaftlichen Unterrichts, PhyDid 2004 [16] Piko Briefe Physik
Verschiedene Versuche eines Perpetuum Mobile
Begründung der Austrittsgeschwindigkeit des Wassers am unteren Ende der Staumauer
mittels des Perpetuum Mobiles