Folie 1

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Campus Essen Schulorientiertes Experimentieren R.
Berger, T. Kersting, E. Lange WS 06
Naturphänomene im Unterricht am Beispiel des
Blitzes
Didaktische Grundversuche
Ourraoui, Ridoin
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Inhalt
Begründung des Themas 3-5 Physik des Blitzes
6-16 Experimente 17-32
Probleme 33 Lehrplan / Lernziele
34-35 Literatur 36
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Begründung des Themas
Elementarisierbar 4 Einheit der Physik 5 Wenig
Mathematik 5
4
Elementarisierbarkeit

• Von der Physik des Blitzes ist einiges für die
  Sekundarstufe 1 elementarisierbar.
• Es muss nicht mit der Atomtheorie sondern mit dem
  Phänomen der elektrischen Reibung begonnen werden.

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Einheit der Physik / wenig Mathematik

• Blitze sind faszinierend. Dies kann die affektive
  Komponente des Physikunterrichtes fördern.
• Bei dem Naturphänomen Blitz sind viele
  Themengebiete aus der Physik vertreten.
• Das Thema eignet sich für die Sekundarstufe 1,
  weil man mit wenig Mathematik auskommt und weil
  es dazu eine Reihe reizvoller Experimente gibt.

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Die Physik des Blitzes
Einleitung 7-8 Ladungstrennung in der Wolke
9 Leitblitz 10-11 Hauptblitz 12-14 Donner 15-16
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Einleitung

• Blitze sind elektrische Entladungen die zwischen
  Gebieten unterschiedlicher Raumladung in der
  Wolke oder zwischen Wolke und der Erdoberfläche
  stattfinden. Blitze werden in Gewitterwolken
  beobachtet. Diese bilden sich, wenn feuchte Luft
  zum Aufsteigen und zur Kondensation gebracht
  wird. Bei der Kondensation wird Wärme frei, die
  den weiteren Aufstieg der feuchten Luft
  unterstützt, so dass sich die Wolke bis zum
  Oberrand der Troposphäre erstrecken kann. In den
  mittleren Breiten können Gewitterwolken bis in 13
  km Höhe reichen.

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• In der Atmosphäre existiert permanent ein
  elektrisches Feld mit einer Feldstärke von etwa
  300000V/m zwischen der Erdoberfläche und der
  Elektrosphäre (ca. 50km). Der Erdboden bildet
  dabei den negativen Pol. Unter dem Einfluss
  dieses Feldes fließt ein Strom der Stärke 1000 A
  vermittelt durch Ionen. Dieser Strom baut das
  Feld ab, es ist daher ein Ladevorgang notwendig,
  dieses Aufladen des 'Erdkondensators' wird durch
  Gewitter besorgt.

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Ladungstrennung in der Wolke

• Durch verschiedene Prozesse innerhalb der
  Gewitterwolke findet eine Trennung von
  elektrischen Ladungen statt. Diese
  Ladungstrennung ist mikroskopischer und
  makroskopischer Natur. Im Resultat von
  Kollisionen und anderen Wechselwirkungsprozesse
  zwischen Eis- und Wasserteilchen sowie durch
  induktive Prozesse sind kleine Eisteilchen
  positive geladen während große Niederschlagsteilch
  en negative Ladungen tragen. Eine großräumige
  Separation dieser Teilchen erfolgt dann durch die
  starken vertikalen Luftströmungen in der Wolke.
  Die leichten Eispartikel finden sich im oberen
  Teil der Wolke, wo sich somit ein positives
  Ladungszentrum aufbaut. Im unteren Teil der Wolke
  entsteht dagegen ein negatives Ladungszentrum.
  Das elektrische Feld zwischen der Wolke und der
  Erdoberfläche ist dabei dem Schönwetterfeld
  entgegengerichtet und lokal wesentlich stärker.

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Leitblitz

• Wenn die Feldstärke einen kritischen Wert
  überschreitet beginnt sich aus der Wolke negative
  Ladungsträger in Form des so genannten
  Leitblitzes (engl. Leader) gerichtet auf die
  Erdoberfläche zu bewegen. Dieser Leitblitz bewegt
  sich in Sprüngen von einigen 10 Metern. Seine
  mittlere Geschwindigkeit beträgt etwa 1/20 der
  Lichtgeschwindigkeit. Er hinterlässt einen dünnen
  ionisierten Kanal, der kaum sichtbar ist und
  später vom Hauptblitz benutzt wird. Bei der
  Ausbildung des Leitblitzes entstehen auch die
  typischen Verästelungen.

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Hauptblitz

• Bei der Annäherung des Leitblitzes an die Erde
  erhöht sich die Konzentration positiver
  Ladungsträger im Erdboden nahe der Oberfläche.
  Wenn schließlich die lokale Feldstärke einen
  kritischen Wert überschreitet, kommt dem stepped
  leader vom Erdboden aus eine Fangentladung
  entgegen. Diese geht dabei meist von erhöhten
  Punkten wie Hausdächern oder Bäumen aus, da dort
  die maximalen Feldstärken erreicht werden. Wenn
  der Blitzkanal geschlossen ist, bewegt sich die
  Ladung entlang des durch den Leitblitz
  ionisierten Kanals. Durch den Stromfluss heizt
  sich der Kanal auf, dabei wird Luft ionisiert und
  somit die Leitfähigkeit erhöht, was wiederum den
  Strom verstärkt. Auf diese Weise bleibt der
  Stromfluss auf einen dünnen Kanal begrenzt in
  dessen Zentrum bis zu 30000 K erreicht werden
  können. Der Strom kann über 100 kA betragen.

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• Das erhitzte Plasma im Blitzkanal dehnt sich dann
  explosionsartig aus, es entsteht eine
  Schockwelle, an der intensive Schallwellen, der
  Donner, generiert werden. Durch adiabatische
  Abkühlung sinkt die Temperatur wieder, die
  ionisierten Gase rekombinieren sich, die
  Leitfähigkeit nimmt wieder ab.

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(No Transcript)
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Donner

• Der Donner - das Wort stammt von dem lateinischen
  tonare laut erdröhnen, krachen - entsteht
  innerhalb weniger tausendstel Sekunden als Folge
  der im Blitzkanal spontan erhitzten Luft.Dabei
  werden im Zentrum des Blitzkanals in den ersten
  fünf millionstel Sekunden Temperaturen bis zu 30
  000 Grad Celsius erreicht Die aufgeheizte Luft
  dehnt sich blitzschnell aus. Diese Ausdehnung
  pflanzt sich nach allen Richtungen als
  zylindrische Druckwelle (engl. shockwave) fort.
  Die dabei auftretenden Schallwellen
  (engl.soundwave) sind als Donner zu hören.

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• Da sich der Donner nur mit der Schallgeschwindigke
  it von 330 Meter pro Sekunde ausbreitet, ist er
  erst nach dem hell aufleuchtenden Blitz zu hören.
  Andererseits dauert er viel länger als die
  gesamte Blitzentladung. Folgt der Donner sofort
  auf das Licht des Blitzes, ist das Gewitter in
  unmittelbarer Nähe.

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Die Unterrichtseinheit Experimente
Reibungselektrizität 18-20
Influenz 21-22
Blitz-Experiment 23-24 Van de Graf 25-27
Influenzmachine 31-32
18
Reibungselektrezität
Blitz und Donner. Albrert Claudi 2004
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Reibungselektrizität

• Wenn es uns gelingt die Ladungen zu trennen, dann
  entsteht eine elektrische Spannung zwischen ihnen
  und sie versuchen sofort wieder
  zusammenzukommen,. Wie bringt man nun diese
  Ladungen auseinander? Offensichtlich geht das,
  denn es gibt ja Batterien, da stecken Ladungen
  drin.
• Und dann steht da noch 1,5 Volt oder 9V darauf,
  dass ist die Spannung dieser Batterie. Wenn man
  zum Beispiel den Pullover über den Kopf zieht,
  dann knistert es manchmal ganz gewaltig in den
  Haaren, besonders im Winter, oder wenn man über
  den Teppich schlurft und dann die Türklinke
  anfasst, bekommt man manchmal einen kleinen
  elektrischen Schlag.
• In beiden Fällen ist es uns gelungen, die
  Ladungen durch Reibung am Kopf oder am Teppich zu
  trennen, wir laden uns auf und es entsteht eine
  Spannung, die so hoch ist, dass kleine Funken
  entstehen. Und die hört man dann knistern und im
  Dunkeln kann man sie sogar sehen.

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Beschreibung des Experiments

• Das Ganze kann man auch mit einem Plastikstreifen
  erreichen, den man kräftig an einem Wollpullover
  reibt. Danach zieht der Plastikstreifen Papier -
  Schnipsel an, weil er jetzt aufgeladen ist.

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Influenz
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Experimentbeschreibung

• Der Zeiger des Elektroskops schlägt aus, wenn ein
  geladener Körper genähert wird. Der Ausschlag
  geht aber wieder zurück, wenn der Körper wieder
  entfernt wird Die bewegliche Ladung in dem
  Elektroskop wird von dem geladenen Körper
  runtergedrückt. Dadurch werden Halter und Zeiger
  gleichnamig geladen und stoßen einender ab.

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Blitz-Experiment
www.enztal-gymnasium.de
24
Experimentbeschreibung

• Der Aufbau des Versuchs ist wie folgt Es wird
  ein Transformator durch zwei Spulen erzeugt, die
  eine mit 12000 Windungen die andere mit 600
  Windungen. Dadurch wird die Spannung um das 200
  fache erhöht, aus 220V werden also 44000V. Nun
  werden zwei Metallstäbe an den Transformator
  angeschlossen. Legt man die Spannung von 220V an
  den Transformator an, beginnen sogleich Funken
  überzuschlagen, die durch die Ionisierte Luft
  nach oben getragen werden.

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Geräte aus der Sammlung
Influenzmaschine
Van de Graf
Bilder aus Wikipedia.de
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Van de Graf

• Ein Stück Teppich oder ein Kunststoffband
  schlurft über zwei Drehachsen an einer
• großen Kugel vorbei und trennt dabei die
  Ladungen, das heißt, die Kugel bekommt
• Ladungsträger ab, und der Boden, auf dem die
  Maschine steht, bekommt
• grüne Ladungen. Jetzt ist die Kugel, die gut
  isoliert vom Boden ist, also aufgeladen.

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• Und je mehr Ladungen wir auf die Kugel
  transportieren, umso höher wird die
• Spannung. Das Band kann man über eine Kurbel
  drehen, oder - noch bequemer man lässt das einen
  Motor machen.

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Nachweis der Ladungstrennung

• Durch den Einsatz eines Elektroskops kann man die
  Ladungstrennung nachweisen

29
Der Versuch mit dem geerdeten Kabel
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Der Versuch mit dem geerdeten Kabel

• Bringt man einen Kabel in die Nähe der Kugel, so
  gibt es einen kleinen
• Miniblitz zwischen den beiden. In diesem Fall
  ist die Spannung dazwischen
• so groß geworden, dass sich die Ladungen über
  die Luft ausgleichen.

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Die Influenzmaschine
32
Die Influenzmaschine

• Man lässt zwei Glas- oder Plexiglasscheiben,
  früher auch Scheiben aus Hartgummi in
  gegenläufiger Richtung rotieren. Auf den Scheiben
  sind Metallstreifen aufgeklebt. Leitende
  (Metall-) Bürsten verbinden gegenüberliegende
  Metallstreifen der Plexiglasscheiben. Entsteht
  durch Reibung auf der einen Seite eine
  Ladungsansammlung, werden auf der
  gegenüberliegenden Seite durch elektrische
  Influenz zwangsläufig entgegengesetzte Ladungen
  bewirkt. Diese Ladungen werden bei der weiteren
  Drehung der Scheibe von Kontakten (Metallbürsten)
  aufgenommen und zu einem Kondensator, der für
  hohe Spannungen geeignet ist geleitet. Ab einer
  gewissen Spannung kommt es an den angeschlossenen
  Funkenstrecken zu wiederholten Blitzentladungen

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Probleme beim Experimentieren

• Die Influenzmaschine aus der Sammlung erzeugt
  keine Ladungstrennung, wahrscheinlich weil man
  die Scheibenoberfläche ab und zu abkratzen
  müsste, um die Ladungsabstreifung durch die
  Metallbürste, zu vereinfachen.
• Die beiden Seiten des Bandes der van de
  Graf-Apparatur klebten zusammen. Wahrscheinlich
  weil die Seiten sich verschieden aufgeladen haben
  und sich so anzogen.

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Lehrpläne der Realschule
Realschule 9/10
Elektrizität in Natur und Technik
Elektrostatische Phänomene
Ladungstrennung
Ladungsausgleich
Entladung
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Lernziele

•    Das Betrachten und Beschreiben von
  Phänomenen.Die Entwicklung der
  Beobachtungsfähigkeit.Das Kennen Lernen des
  empirischen Verfahrens der Physik.Die Freude am
  Experimentieren

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Literatur / Bildquellen

• www.wikepedia.de
• Kompendium Didaktik Ehrenwirth 1983
• www.op.dlr.de
• www.enztal-gymnasium.de
• Blitz und Donner Prof. Dr.-Ing. Albert Claudi.
  Uni Kassel 2004