Jg.

Fragestellung

Inhaltsfeld/Inhaltliche Schwerpunkte

Kompetenzen

Wie könnte die Versorgung mit elektrischer Energie in Zukunft aussehen?

Elektrische Energieversorgung (4)

Energieträger und elektrische Energie

Elektromagnetismus und Induktion

Energietransport in Stromnetzen

UF1 Konzepte der Physik unter Bezug auf übergeordnete Modelle, Prinzipien und Gesetzmäßigkeiten erläutern, auch unter Verwendung von Beispielen.

K1 bei der Erstellung physikalischer Sachtexte (Beschreibung, Erklärung, Bericht, Stellungnahme) im notwendigen Umfang Elemente der Fachsprache und fachtypischer Sprachstrukturen sowie bekannte Arten von Übersichten, Zeichnungen und Diagrammen gebrauchen.

B1 für Entscheidungen in physikalisch-technischen Zusammenhängen Bewertungskriterien und Handlungsoptionen ermitteln und diese einander zuordnen.

Lernvoraussetzungen – (aus der Physik und aus anderen Fächern)

Kontextthema „Der Sicherungskasten“: elektrische Energie, elektrische Leistung, Darstellung von Energieumwandlungsketten, Wirkungsgrade darstellen, Messung von Spannung und Stromstärke

Fragestellungen; Konzepte

(Zeitumfang)

Konkretisierte Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler können…

Absprachen zum Unterricht (Methoden, Medien, Experimente, Leistungsüberprüfung…)

obligatorisch oder fakultativ

Welche Aspekte beinhaltet der Begriff „Energiewende“?

Kraftwerke, regenerative Energien, Energietransport, Wirkungsgrad, nicht erneuerbare und regenerative Energieträger

(6 Ust)

das Problem zukünftiger Energieversorgung in physikalisch relevante Teilprobleme zerlegen (E1),

aus Darstellungen zur Energieversorgung die Anteile der Energieträger herauslesen und angemessen – auch computergestützt – visualisieren (K4, K2),

Energieumwandlungsketten von einem Kraftwerk bis zu den Haushalten unter Berücksichtigung der Energieentwertung und des Wirkungsgrades darstellen und erläutern (UF1, K7),

Kraftwerkstypen nach physikalischen Kriterien ordnen (UF3),

Beispiele für nicht erneuerbare und regenerative Energiequellen beschreiben und die wesentlichen Unterschiede erläutern (UF2, UF3),

zwischen zugeführter und genutzter Energie unterscheiden, um den Wirkungsgrad zu bestimmen (UF1),

zu vorgegebenen Fragestellungen und Hypothesen im Bereich regenerativer Energieversorgung Modellexperimente selbstständig planen und durchführen (E6),

Vor- und Nachteile nicht erneuerbarer und regenerativer Energiequellen an je einem Beispiel im Hinblick auf eine physikalisch-technische, wirtschaftliche und ökologische Nutzung auch mit Bezug zum Klimawandel begründet gegeneinander abwägen und bewerten (B1, B3).

Diagramm zur Erzeugung elektrischer Energie in Deutschland

Conceptmap zum Thema Energiewende mit folgenden obligatorischen Begriffen: regenerative Energie, fossile Energieträger, Stromnetze, Klimawandel und weiteren fakultativen Begriffen

Energieumwandlungsketten bei Wärmekraftwerken, Wasserkraftwerken, Windrädern und Solarzellen

Wirkungsgrad anhand von Grafiken zu Energieumwandlungen veranschaulichen. (siehe Buch S…)

Versuche zur Abschattung von Solarmodulen. Fragestellung: Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem Grad der Abschattung und der Leistung eines Solarmoduls. Es wird die Leerlaufspannung bei verschiedenen Abschattungen (10%, 25%, 50%, 75%, 90%) gemessen. Anschließend wird der Kurzschlussstrom in Abhängigkeit von diesen Abschattungen gemessen. Aus der Leerlaufspannung und dem Kurzschlussstrom wird die Leistung ermittelt. In einem Diagramm werden die Abschattung (x-Achse) und die Leistung (y-Achse) dargestellt.

Alternative: Bei welcher Spannung besitzt ein Solarmodul die größte Leistung? Bestimmung des MPP (Maximum-Power-Point) eines Solarmoduls. Ein Solarmodul wird belastet. Für verschiedene Widerstände werden die Stromstärke und die Spannung gemessen. Aus dem Diagramm Spannung -> Leistung wird der MPP bestimmt.

Wie wird elektrische Energie erzeugt?

Generator, Magnetfelder von Leitern und Spulen, elektrische Felder, Induktion

(6 Ust)

Kräfte auf stromdurchflossene Leiter und bewegte Ladungen in einem Magnetfeld beschreiben (UF1),

qualitativ die Entstehung einer Induktionsspannung in einem Leiter durch magnetische Kräfte auf bewegte Ladungen erläutern (UF1, E8),

den Aufbau von Generatoren und Transformatoren beschreiben und deren Funktion mit Hilfe der elektromagnetischen Induktion erklären (UF1),

Gemeinsamkeiten und Unterschiede von elektrischen Feldern, magnetischen Feldern und Gravitationsfeldern beschreiben (UF4, UF3),

Versuche und Experimente im Bereich Elektrizität auf der Grundlage selbst entwickelter Beobachtungskriterien systematisch durchführen sowie Beobachtungs- und Messergebnisse strukturiert beschreiben und verallgemeinernd deuten (E2).

Historischer Bezug: Michael Faraday („Convert magnitism into electricity”) gelang es 1831 „Magnetismus in Elektrizität umzuwandeln“ (elektromagnetische Induktion). Anhand von Bildern der historischen Versuchsmaterialien können die SuS mit einer Spule, einem Magneten und einem Messgerät den historischen Versuch nachbauen. Faraday war ein sehr guter Experimentalphysiker, er arbeitete 9 Jahre lang an dem Nachweis. Ein Problem waren unter anderem Messgeräte, die nicht empfindlich genug waren.

Die SuS stellen selbstständig Vermutungen zur Frage auf, wovon die Größe der Induktionsspannung abhängt und führen zum Nachweis selbstgeplante Versuche durch. (Qualitativer Nachweis, keine quantitative Bestimmung)

Lenzsche Regel: Bezug zur Energieumwandlung und zum Energieerhaltungssatz

Wie ist das Stromnetz zur elektrischen Energieversorgung aufgebaut?

Transformator, Energietransport

(6 Ust)

den Aufbau von Generatoren und Transformatoren beschreiben und deren Funktion mit Hilfe der elektromagnetischen Induktion erklären (UF1),

die Funktion wesentlicher Komponenten und Strukturen von Netzen zur Versorgung mit elektrischer Energie sowie deren Zusammenwirken erläutern (UF1),

Informationen aus verschiedenen Quellen (u.a. zur effektiven Bereitstellung und Übertragung von Energie) zusammenfassend darstellen (K5),

in einem sachlich formulierten und strukturierten naturwissenschaftlichen Text physikalisch-technische Zusammenhänge im Bereich Energieversorgung darstellen (K1).

Energieversorgung einer Stadt: Ströme von einigen 10000 A können nicht durch Kabel fließen (wegen Verlustleistung P = I² R). -> Lösung: die gleiche Leistung kann mit höherer Spannung bei kleinerer Stromstärke transportiert werden. Argumentation auf Grundlage der Formel P=U?I.

Funktionsweise des Transformators einschließlich Energieumwandlungen Leistungsmessung am Transformator.

SuS beschreiben in einem Text die verschiedenen Spannungsbereiche des Stromnetzes und begründen, warum die Spannung transformiert wird. (Grundlage ist eine graphische Darstellung) Rundgang durch das Stadtviertel mit der Fragestellung: Wie wird unsere Schule mit elektrischer Energie versorgt, wo findet man Transformatoren.

Vorteile von Gleichstromnetzen