Fermi-Aufgaben und Die elektrische Stromstärke: Unterschied zwischen den Seiten

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'''Fermi-Aufgaben''' kommen ganz harmlos daher. Sie stammen aus der alltäglichen Erfahrungswelt und sind daher jederman zugänglich. Sie selbst enthalten zu ihrer Beantwortung nur unzureichende Informationen. Sie bedingen daher eigene Recherchen, um seine Abschätzungen vernünftig begründen zu können. Da die Aufgaben in der Regel weder eine exakte Antwort noch einen einzigen Lösungsweg beinhalten, eignet sich dieser Aufgabentyp gut für einen [[offener Unterricht|offenen Unterricht]] und für die [[Freiarbeit]].
<!-- die folgenden Links sind kaputt, ich habe sie daher auskommentiert. Möglicherweise sollen sie auf die Seiten des Gymnasiums Feuchtwangen verweisen?
[[/Aufgaben für Einsteiger|leichte Aufgaben für Einsteiger]]
[[/Aufgaben für Profis|schwere Aufgaben für Profis]]
-->
{{Curriculum Elektrik STS-Horn}}
{{Kurzinfo|Idee|Arbeitsblatt|Spezialbox={{Kurzinfo Material|1=[[Schülerbox Elektrik 1 STS-Horn|Schülerbox]], [[:Datei:DynaMot.png|DynaMot]], 12V&nbsp;Transformator}}}}


Benannt ist dieser Typ Aufgaben nach dem italienischen Physiker [[Enrico Fermi]], der für seine treffsicheren Abschätzungen bekannt war.
Dieser Artikel beruht auf Unterrichtsmaterial von Frau H. Urban-Woldron das unter [http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/archiv/inhalt_materialien/einf_elektrizitaet/index.html http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de] abrufbar ist. <br />Vielen Dank für die Erlaubnis!


== Beispiele ==
Die hier dargestellten Experimente können mit der [[Schülerbox Elektrik 1 STS-Horn]] durchgeführt werden. Zusätzlich wird ein Gleichstromtransformator und ein [[:Datei:DynaMot.png|DynaMot]] benötigt.
* Wie viele Klavierstimmer gibt es in Chicago? (Die Frage von Enrico Fermi, mit der alles begann.)
* Wie schnell ist der Osterhase?
* Wie viel trinkt ein Mensch in einem Jahr?
* Wie oft blinzelt man am Tag?
* Wie viele Blätter sind an einem Baum?
* Wie viele Zigaretten raucht ein Kettenraucher?
* Wie viele Sandkörner sind in einem Sandkasten?


== Literatur ==
{{Seitenumbruch}}
* Fermi-Fragen, Mathe-Welt mathematik lehren 139, Friedrich Verlag, 2006
{{Arbeitsblattkopf-blau
* Herget/Jahnke/Kroll: Produktive Aufgaben für den Mathematikunterricht in der Sek I, Cornelsen Verlag
|Titel=Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms
* Büchter/Herget/Leuders/Müller: Die Fermi-Box, Friedrich Verlag, 2007
|Datum=1
}}
Physiker sagen: In einem Stromkreis ist eine magnetische Wirkung immer vorhanden, wenn ein elektrischer Strom fließt.
{{Versuche-blau
|1=1
|2=[[Datei:Magnetfeld_Stromkabel_Motor.jpg|thumb|rechts]]
* Baue einen Stromkreis mit einem Dynamo und einem Elektromotor!
* Halte '''eines''' der Kabel parallel zur Kompassnadel unter den Kompass und warte bis die Nadel still steht!
* Betätige nun '''vorsichtig''' die Kurbel an '''einem''' Dynamo. Was passiert bei anderer Geschwindigkeiten, einer anderen Dreh-Richtung oder wenn Du die Kurbel am Motor festhältst?
* Was kannst Du aus Deinen Beobachtungen schließen? Und woran hast Du das erkannt?
}}
{{Versuche-blau
|1=2
|2=[[Datei:Magnetfeld_Stromkabel.jpg|thumb|right]]
* Baue einen Stromkreis mit einer Lampe sowie einem Transformator und stelle die Spannung auf 12V ein!
* Schalte den Strom ein und beobachte dabei die Helligkeit der Lampe!
* Halte '''eines''' der Kabel parallel zur Kompassnadel unter den Kompass und warte bis die Nadel still steht!
* Tausche die Glühlampe aus und wiederhole den vorherigen Schritt!
* Kannst Du die Aussage der Physiker bestätigen?
* Woran hast Du das erkannt?
* Spekuliere, was passieren wird, wenn Du den Transformator umpolst, also die Anschlüsse + und - vertauschst!<br />Überprüfe Deine Vermutung!
}}
{{Seitenumbruch-cc-by-sa}}
{{Arbeitsblattkopf-blau
|Titel=Die elektrische Stromstärke
|Datum=1
}}
Wir sagen, dass die elektrische Stromstärke <math>I</math> umso größer ist, je weiter eine Magnetnadel ausgelenkt wird oder je heller eine Lampe leuchtet. Wir sagen auch, dass die elektrische Stromstärke um so kleiner ist, je weniger die Magnetnadel ausgelenkt wird oder je dunkler eine Lampe leuchtet.


== Siehe auch ==
Offensichtlich leuchteten im Versuch 1 beide Lampen unterschiedlich hell, obwohl am Transformator nichts geändert wurde. Wir können daher sagen, dass sich die Stromstärke <math>I</math> je nach eingesetzter Lampe verändert. Die Lampe muss also eine Eigenschaft besitzen, die die Stromstärke beeinflusst. Physiker nennen diese Eigenschaft den '''"elektrischen Widerstand"''' der Lampe. Nicht nur Lampen sondern alle elektrischen Geräte besitzen einen elektrischen Widerstand.
* [[Zeitungsmathematik]]
{{Merkbox-blau
|1= Die Stromstärke & der Widerstand
|2=Beim Anschluss am selben Transformator (an die selbe Spannungsversorgung)
* hat ein elektrisches Gerät einen hohen Widerstand, wenn sich eine geringe Stromstärke einstellt.
* hat ein elektrisches Gerät einen geringen Widerstand, wenn sich eine hohe Stromstärke einstellt.
}}


== Weblinks ==
{{Aufgaben-blau
* {{wpde|Fermi-Problem|Fermi-Aufgaben}} ... unter anderem Lösung für das Problem der Klavierstimmer, aber auch Anregungen zur allgemeinen Vorgehensweise.
|1=1
* [http://did.mathematik.uni-halle.de/lehrerseite/fermi_fragen.pdf Fermi und Foto Fragen]
|2=Beschreibe in Deinen eigenen Worten den Begriff ''''"elektrischer Widerstand"''''!
* [http://www.mathematikundschule.de/projekte/fermi/Fermi.html mathematikundschule.de]
}}
* [http://www.physics.umd.edu/perg/fermi/fermi.htm University of Maryland Fermi Problems Site]
{{Seitenumbruch-cc-by-sa}}
{{Arbeitsblattkopf-blau
|Titel=Die elektrische Stromstärke
|Datum=1
}}
{{Aufgaben-blau
|1=2
|2=Ergänze die folgenden Aussagen, übertrage die richtige Aussage in Deine Mappe und streiche die falschen Aussagen!
<table>
<tr><td colspan="2">''Eine hell leuchtende Lampe deutet auf''</td></tr>
<tr><td>
* ''eine kleinere Stromstärke''
* ''die gleiche Stromstärke''
* ''eine größere Stromstärke''
</td>
<td>
* ''und einen größeren Widerstand''
* ''und einen kleineren Widerstand''
* ''und den gleichen Widerstand''
</td></tr>
<tr><td colspan="2">''hin als bei einer schwächer leuchtenden Lampe.''</td></tr>
</table>
}}
{{Versuche-blau
|1=3
|2=[[Datei:DynaMot.png|thumb|right|120px|Abbildung 3]]
Montiere den DynaMot wie in der Abbildung 3 gezeigt an der Tischplatte.  
* Drehe an der Kurbel und beobachte, mit welchem Kraftaufwand Du kurbelst!
* Schließe jetzt eine Lampe anden DynaMot an und beobachte, mit welchem Kraftaufwand Du nun kurbelst!
* Erkläre, wie diese Veränderung zustande kommt!
}}
{{Seitenumbruch-cc-by-sa}}
{{Arbeitsblattkopf-blau
|Titel=Die elektrische Stromstärke messen
|Datum=1
}}[[Datei:Multimeter M-330D.jpg|thumb|left|150px|Ein in Reihe geschaltetes Vielfachmessgerät kann als Stromstärke-Messgerät eingesetzt werden]] [[File:Ammeter.png|thumb|right|125px|Schaltzeichen eines Strommessgerätes]]
Mit einem Vielfach&shy;messgerät lässt sich u.a. die Strom&shy;stärke messen. Um die Strom&shy;stärke zu messen wird das Vielfach&shy;messgerät wie ein Elektro&shy;gerät in Reihe geschaltet, so dass der elektrische Strom durch das Mess&shy;gerät fließt.


[[Kategorie:Mathematik]]
Um verschiedene Stromstärken zu messen oder vergleichen zu können, hat man für die Stromstärke eine eigene physikalische Größe eingeführt. Wie praktisch alle physikalische Größen besteht die Stromstärke auch aus einem Zahlenwert und einer Einheit.
Die Einheit der Stromstärke <math>I</math> ist das Ampère (Abkürzung: <math>1A</math>).
==Messen der Stromstärke==
Um die Stromstärke zu messen, wähle zunächst die größte Einstellung im Bereich <math>A</math>. Beim abgebildeten Vielfach&shy;messgerät ist das der Bereich bis <math>200m</math> wobei das <math>m</math> hier die vom Millimeter bekannte Vorsilbe Milli- (Tausendstel) ist. Bei dieser Einstellung reicht der Messbereich also bis maximal <math>200mA</math> (sprich: 200 Milli-Ampère.) <br />
Wenn Du feststellst, dass der Messwert kleiner als <math>20mA</math> ist - UND NUR DANN - kannst Du den Drehschalter auf <math>20mA</math> herunter drehen um genauere Werte abzulesen.
{{Versuche-blau
|1=4
|2=Schalte eine Lampe an einen Transformator und miss die Stromstärke.
* Ersetze die Lampe durch eine andere Glühlampe und wiederhole Deine Messung!
Verwende nun an Stelle des Transformators einen DynaMot und drehe an der Kurbel!
* Beobachte sowohl die Stromstärke als auch die Helligkeit der Lampe!
}}{{Seitenumbruch-cc-by-sa}}
{{Arbeitsblattkopf-blau
|Titel=Die elektrische Stromstärke messen
|Datum=1
}}
{{Versuche-blau
|1=5
|2=<div style="float:left; display: inline;">
[[File:Stromstärke_messen_einfach.jpg|180px]]</div> <div style="float:right; display: inline;">[[File:Schaltplan_Stromstärke_messen_einfach.png|250px]]</div><br clear="all" />
'''A)''' Stelle die Spannung am Transformator auf 12 V, schalte eine Lampe an den Transformator und miss die Stromstärke wie in der Abbildung gezeigt! Achte auf die Helligkeit der Lampe und notiere die angezeigte Stromstärke <math>I_1</math> in Deinem Protokoll!<br clear="all" />
<div style="float:left; display: inline;">[[File:Stromstärke_messen_Reihenschaltung.jpg|right|180px]]</div> <div style="float:right; display: inline;">[[File:Schaltplan_blanko.png|right|250px]]</div><br clear="all" />'''B)''' Schalte nun eine weitere (identische) Lampe in den Stromkreis ein, wie in der Abbildung gezeigt und zeichne den zugehörigen Schaltplan! Achte auf die Helligkeit der Lampen und notiere die angezeigte Stromstärke <math>I_2</math> in Deinem Protokoll! Drehe eine Lampe aus der Fassung und notiere Deine Beobachtung!<br clear="all" />
<div style="float:left; display: inline;">[[File:Stromstärke_messen_Parallelschaltung.jpg|right|180px]]</div> <div style="float:right; display: inline;">[[File:Schaltplan_blanko.png|right|250px]]</div><br clear="all" />'''C)''' Schalte nun eine weitere (identische) Lampe in den Stromkreis ein, wie in der Abbildung gezeigt und zeichne den zugehörigen Schaltplan! Achte auf die Helligkeit der Lampen und notiere die angezeigte Stromstärke <math>I_3</math> in Deinem Protokoll! Drehe eine Lampe aus der Fassung und notiere Deine Beobachtung!
}}
{{Merkbox-blau
|1= Die Reihenschaltung
|2= Eine Schaltung, deren Elektrogeräte so zusammengeschlossen sind, dass genau ein Anschluss eines Elektrogerätes mit genau einem Anschluss eines anderen Elektrogerätes verbunden ist, nennt man '''"Reihenschaltung"'''.
}}
{{Seitenumbruch-cc-by-sa}}
{{Arbeitsblattkopf-blau
|Titel=Die elektrische Stromstärke
|Datum=1
}}
{{Merkbox-blau
|1= Die Parallelschaltung
|2= Eine Schaltung, deren Elektrogeräte so zusammengeschlossen sind, dass beide Anschlüsse eines Elektrogerätes mit beiden Anschlüssen eines anderen Elektrogerätes verbunden sind, nennt man '''"Parallelschaltung"'''.
}}
Die Stellen einer Schaltung an denen Anschlüsse von Elektrogeräten zusammentreffen nennt man "''Knotenpunkte''" oder "''Knoten''". Die Leitungen vom Transformator zu den Knotenpunkten nennt man Hauptzweige der Schaltung, die Leitungen von den Knotenpunkten zu den angeschlossenen Elektrogeräten nennt man Parallelzweige.
Für die Stromstärke gilt die Knotenregel.
{{Merkbox-blau
|1= Die Knotenregel
|2= An einem Knotenpunkt einer Schaltung ist die Summe der hinein fließenden elektrischen Stromstärke gleich der wegfließenden Stromstärke. '''Wie sich der Strom verteilt, ist jedoch abhängig davon, was hinter dem Knoten kommt!'''
}}{{Aufgaben-blau
|1=3
|2='''A)''' An welchen Stellen der gezeichneten Schaltung könnte ein Messgerät eingebaut werden, mit dem man die Gesamtstromstärke messen kann?<br clear="all"/>[[Datei:Parallelschaltung_Messpunkte.png|center|450px]]<br clear="all"/>'''B)''' Trage in die obige Zeichnung die Richtung ein, in die der elektrische Strom fließt!<br clear="all"/>'''C)''' Die Stromstärke an der Stelle ''i'' beträgt 0,025A, an der Stelle ''a'' beträgt die Stromstärke 0,045A, die Lampen sind alle identisch. Bestimme die Stromstärke an allen anderen eingetragenen Stellen!<br clear="all"/>'''D)''' In einem neuen Versuch beträgt die Stromstärke an der Stelle ''j'' 0,015A, und 0,03A an der Stelle ''d'', die Lampen sind wieder alle identisch. Bestimme die Stromstärke an allen anderen eingetragenen Stellen!
}}
{{Seitenumbruch-cc-by-sa}}
 
[[Kategorie:Elektrischer Strom]]
[[Kategorie:Curriculum_Elektrik_STS-Horn]]

Version vom 11. März 2014, 16:47 Uhr

Vorlage:Curriculum Elektrik STS-Horn Vorlage:Kurzinfo

Dieser Artikel beruht auf Unterrichtsmaterial von Frau H. Urban-Woldron das unter http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de abrufbar ist.
Vielen Dank für die Erlaubnis!

Die hier dargestellten Experimente können mit der Schülerbox Elektrik 1 STS-Horn durchgeführt werden. Zusätzlich wird ein Gleichstromtransformator und ein DynaMot benötigt.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Die elektrische Stromstärke (https://unterrichten.zum.de/wiki/Die_elektrische_Stromst%C3%A4rke)

Vorlage:Arbeitsblattkopf-blau Physiker sagen: In einem Stromkreis ist eine magnetische Wirkung immer vorhanden, wenn ein elektrischer Strom fließt.

Nuvola apps edu science.svg   Versuch 1
Magnetfeld Stromkabel Motor.jpg
  • Baue einen Stromkreis mit einem Dynamo und einem Elektromotor!
  • Halte eines der Kabel parallel zur Kompassnadel unter den Kompass und warte bis die Nadel still steht!
  • Betätige nun vorsichtig die Kurbel an einem Dynamo. Was passiert bei anderer Geschwindigkeiten, einer anderen Dreh-Richtung oder wenn Du die Kurbel am Motor festhältst?
  • Was kannst Du aus Deinen Beobachtungen schließen? Und woran hast Du das erkannt?
Nuvola apps edu science.svg   Versuch 2
Magnetfeld Stromkabel.jpg
  • Baue einen Stromkreis mit einer Lampe sowie einem Transformator und stelle die Spannung auf 12V ein!
  • Schalte den Strom ein und beobachte dabei die Helligkeit der Lampe!
  • Halte eines der Kabel parallel zur Kompassnadel unter den Kompass und warte bis die Nadel still steht!
  • Tausche die Glühlampe aus und wiederhole den vorherigen Schritt!
  • Kannst Du die Aussage der Physiker bestätigen?
  • Woran hast Du das erkannt?
  • Spekuliere, was passieren wird, wenn Du den Transformator umpolst, also die Anschlüsse + und - vertauschst!
    Überprüfe Deine Vermutung!


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Die elektrische Stromstärke (https://unterrichten.zum.de/wiki/Die_elektrische_Stromst%C3%A4rke)

Vorlage:Arbeitsblattkopf-blau Wir sagen, dass die elektrische Stromstärke umso größer ist, je weiter eine Magnetnadel ausgelenkt wird oder je heller eine Lampe leuchtet. Wir sagen auch, dass die elektrische Stromstärke um so kleiner ist, je weniger die Magnetnadel ausgelenkt wird oder je dunkler eine Lampe leuchtet.

Offensichtlich leuchteten im Versuch 1 beide Lampen unterschiedlich hell, obwohl am Transformator nichts geändert wurde. Wir können daher sagen, dass sich die Stromstärke je nach eingesetzter Lampe verändert. Die Lampe muss also eine Eigenschaft besitzen, die die Stromstärke beeinflusst. Physiker nennen diese Eigenschaft den "elektrischen Widerstand" der Lampe. Nicht nur Lampen sondern alle elektrischen Geräte besitzen einen elektrischen Widerstand. Vorlage:Merkbox-blau

Vorlage:Aufgaben-blau


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Die elektrische Stromstärke (https://unterrichten.zum.de/wiki/Die_elektrische_Stromst%C3%A4rke)

Vorlage:Arbeitsblattkopf-blau Vorlage:Aufgaben-blau

Nuvola apps edu science.svg   Versuch 3
Abbildung 3

Montiere den DynaMot wie in der Abbildung 3 gezeigt an der Tischplatte.

  • Drehe an der Kurbel und beobachte, mit welchem Kraftaufwand Du kurbelst!
  • Schließe jetzt eine Lampe anden DynaMot an und beobachte, mit welchem Kraftaufwand Du nun kurbelst!
  • Erkläre, wie diese Veränderung zustande kommt!


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Die elektrische Stromstärke (https://unterrichten.zum.de/wiki/Die_elektrische_Stromst%C3%A4rke)

Vorlage:Arbeitsblattkopf-blau

Ein in Reihe geschaltetes Vielfachmessgerät kann als Stromstärke-Messgerät eingesetzt werden
Schaltzeichen eines Strommessgerätes

Mit einem Vielfach­messgerät lässt sich u.a. die Strom­stärke messen. Um die Strom­stärke zu messen wird das Vielfach­messgerät wie ein Elektro­gerät in Reihe geschaltet, so dass der elektrische Strom durch das Mess­gerät fließt.

Um verschiedene Stromstärken zu messen oder vergleichen zu können, hat man für die Stromstärke eine eigene physikalische Größe eingeführt. Wie praktisch alle physikalische Größen besteht die Stromstärke auch aus einem Zahlenwert und einer Einheit. Die Einheit der Stromstärke ist das Ampère (Abkürzung: ).

Messen der Stromstärke

Um die Stromstärke zu messen, wähle zunächst die größte Einstellung im Bereich . Beim abgebildeten Vielfach­messgerät ist das der Bereich bis wobei das hier die vom Millimeter bekannte Vorsilbe Milli- (Tausendstel) ist. Bei dieser Einstellung reicht der Messbereich also bis maximal (sprich: 200 Milli-Ampère.)
Wenn Du feststellst, dass der Messwert kleiner als ist - UND NUR DANN - kannst Du den Drehschalter auf herunter drehen um genauere Werte abzulesen.

Nuvola apps edu science.svg   Versuch 4

Schalte eine Lampe an einen Transformator und miss die Stromstärke.

  • Ersetze die Lampe durch eine andere Glühlampe und wiederhole Deine Messung!

Verwende nun an Stelle des Transformators einen DynaMot und drehe an der Kurbel!

  • Beobachte sowohl die Stromstärke als auch die Helligkeit der Lampe!


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Die elektrische Stromstärke (https://unterrichten.zum.de/wiki/Die_elektrische_Stromst%C3%A4rke)

Vorlage:Arbeitsblattkopf-blau

Nuvola apps edu science.svg   Versuch 5
Schaltplan Stromstärke messen einfach.png

A) Stelle die Spannung am Transformator auf 12 V, schalte eine Lampe an den Transformator und miss die Stromstärke wie in der Abbildung gezeigt! Achte auf die Helligkeit der Lampe und notiere die angezeigte Stromstärke in Deinem Protokoll!

Schaltplan blanko.png

B) Schalte nun eine weitere (identische) Lampe in den Stromkreis ein, wie in der Abbildung gezeigt und zeichne den zugehörigen Schaltplan! Achte auf die Helligkeit der Lampen und notiere die angezeigte Stromstärke in Deinem Protokoll! Drehe eine Lampe aus der Fassung und notiere Deine Beobachtung!
Schaltplan blanko.png

C) Schalte nun eine weitere (identische) Lampe in den Stromkreis ein, wie in der Abbildung gezeigt und zeichne den zugehörigen Schaltplan! Achte auf die Helligkeit der Lampen und notiere die angezeigte Stromstärke in Deinem Protokoll! Drehe eine Lampe aus der Fassung und notiere Deine Beobachtung!

Vorlage:Merkbox-blau


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Die elektrische Stromstärke (https://unterrichten.zum.de/wiki/Die_elektrische_Stromst%C3%A4rke)

Vorlage:Arbeitsblattkopf-blau Vorlage:Merkbox-blau Die Stellen einer Schaltung an denen Anschlüsse von Elektrogeräten zusammentreffen nennt man "Knotenpunkte" oder "Knoten". Die Leitungen vom Transformator zu den Knotenpunkten nennt man Hauptzweige der Schaltung, die Leitungen von den Knotenpunkten zu den angeschlossenen Elektrogeräten nennt man Parallelzweige. Für die Stromstärke gilt die Knotenregel. Vorlage:Merkbox-blauVorlage:Aufgaben-blau


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Die elektrische Stromstärke (https://unterrichten.zum.de/wiki/Die_elektrische_Stromst%C3%A4rke)
Abgerufen von „https://unterrichten.zum.de/index.php?title=Fermi-Aufgaben&oldid=37879“