Magnetismus – fachlicher Hintergrund und Unterrichtsvorschläge

Präsentation zum Thema: "Magnetismus – fachlicher Hintergrund und Unterrichtsvorschläge"—  Präsentation transkript:

1 Magnetismus – fachlicher Hintergrund und Unterrichtsvorschläge
Stiftung Bildungspakt Bayern Magnetismus – fachlicher Hintergrund und Unterrichtsvorschläge Florian Ziegler

2 Sequenzierung Strukturierung des umfangreichen und komplexen Themas:
Eigenschaften von Magneten Magnetisieren und Entmagnetisieren Erdmagnetismus Statische Elektrizität Anschlussbedingungen im elektrischen Stromkreis Wirkungen von Elektrizität Wie fließt Strom? – Aufbau einer Modellvorstellung Elektromagnet, Elektromotor und Dynamo möglichst eigenständiges Erarbeiten innerhalb der Einheiten! Phänomen begegnen und untersuchen Erste Modellvorstellung: in Physik anerkannt und gleichzeitig leicht zu verstehen Lebensweltbezug Bindeglied: statische Elektrizität -> Anziehungskraft „stehender“ Stromteilchen (später fließender Strom im Stromkreis) [Gründe für Thematisierung s. S. 8] Elementare Erfahrungen des Phänomens „fließender Strom“ und erste handlungsorientierte Auseinandersetzung Schwerpunkt auf primäre Wirkungen Wärme und Magnetismus Aufbau einer Modellvorstellung von sich bewegenden, geladenen Teilchen Anwendung des Wissens in historisch bedeutsamen Erfindungen Gefahren des elektr. Stroms sind ebenfalls wichtig; sie sollten zu Beginn der Strom-Sequenz bereits im Rahmen einer Sicherheitsbelehrung genannt werden, sind aber in den entsprechenden Stunden erneut aufzugreifen und können erst mit wachsendem Fachwissen von den Schülern zunehmend durchdacht und verstanden werden.

3 Überblick Eigenschaften von Magneten Exkurs: Lernen über Modelle
Magnetisieren und Entmagnetisieren Erdmagnetismus Aufbau wie im Buch; Ausnahme: Exkurs über Modelle (im Buch im einleitenden Kapitel, S. 7) -> im Unterricht an der Stelle, an der es sich anbietet und in dem Umfang, der relevant ist -> hier für L ein bisschen umfangreicher Erst fachlicher Hintergrund für alle drei Kapitel -> später didaktische Hinweise 3

4 1. Eigenschaften von Magneten
Magnete und magnetisierte Gegenstände ziehen sich an oder stoßen sich ab. Metalle, die sich anziehen lassen: Eisen, Nickel und Kobalt Die magnetische Kraft wird auf die Bewegung von elektrischen Ladungen oder auf das magnetische Moment von Elementarteilchen zurückgeführt. Die magnetische Kraft wirkt auch außerhalb des Magneten  Magnetfeld Für die Kinder geht es zunächst nur um die wahrnehmbaren Eigenschaften von Magneten Eisen für Alltag und GS am relevantesten, z.B. Eisennägel Das magnetische Moment ist eine Eigenschaft von Stoffen; manche Stoffe (Magnete) haben diese Eigenschaft, andere nicht

5 1. Eigenschaften von Magneten
Das Magnetfeld kann durch Linien dargestellt werden. Die magnetische Kraft ist an den Polen am stärksten. N S

6 1. Eigenschaften von Magneten
Unterschiedliche Pole ziehen sich an: Gleichnamige Pole stoßen sich ab: N S N S

7 1. Eigenschaften von Magneten
Wird ein Magnet zersägt, entstehen wieder zwei Magnete mit je einem Nord- und einem Südpol: N S

8 1. Eigenschaften von Magneten
Vereinfacht kann man sich Magnete so vorstellen, als würden sie aus lauter „Kleinstmagneten“ bestehen: S N

9 1. Eigenschaften von Magneten
1.1 Die anziehende Kraft untersuchen: Forschender Einstieg: Stabmagnet und Eisenstab (KV1) Was wird angezogen? Welcher Stab zieht an? Wie weit reicht die anziehende Kraft? Ziehen alle Stellen des Stabes gleich stark an? Austausch im Gespräch, unterstützt durch kleine Versuche Vertiefung durch weitere Versuche / Spiele (KV 2-5) (evtl. im Buch mitblättern lassen oder Kopiervorlagen noch einmal hoch halten) Magnet und Eisenstab müssen äußerlich gleich aussehen! Austausch im Gespräch schon in PA, im Plenum Ggf. Kontroverse -> zu Belegen/Versuchen ermutigen Noch keine Merksätze! KV5 nur oben Materialien in Forscherecke auch in nächsten Tagen/ Wochen zur Verfügung stellen

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12 1. Eigenschaften von Magneten
1.2 Die abstoßende Kraft untersuchen: Forschender Einstieg: Zwei Stabmagnete (KV1) Austausch im Gespräch: abstoßende Kraft als neues Phänomen; Wiederholung von Erkennt-nissen aus erster Stunde Vertiefung durch weitere Versuche (KV 5+6)

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15 1. Eigenschaften von Magneten
1.3 Polarität kennenlernen: Magnetfeld untersuchen: Systematisches Erstellen von „Magnet(feld)bildern“(KV 7+8) Einführung des Begriffes „Pol“ als Ort der stärksten magnetischen Kraft Vertiefung durch weitere Versuche (evtl. weitere Magnetfeldbilder und KV 8 unten) Dass die Pole Dipolcharakter haben, kann von Schülern nicht selbst entdeckt werden Auch zwei Magnete zu einem zusammen fügen und Magnetbild erstellen

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17 1. Eigenschaften von Magneten
Individuelle Förderung und Differenzierung: Der Einstieg über freie Forschungssituationen bietet viel Anreiz, eigenen Ideen und Fragen nachzugehen und sich mit anderen auszutauschen. Die Lehrkraft unterstützt das Denken der Kinder, indem sie Begründungen einfordert, Widersprüche herausstellt, Übertragungen anregt, die Überprüfung einer Aussage einfordert, das Erkennen von Zusammenhängen anregt Ideen hervorhebt. Verweis auf allgemeinen Teil (Gesprächsführung) Die freien Forscheraufträge ermöglichen außerdem, einzelne Schüler oder Gruppen individ. zu betreuen; zusätzliches Materialangebot kann zu weiteren Überlegungen anregen und gezielte Partnerwechsel eingefahrene Rollen aufbrechen. Die Hilfekarten (z.B. KV1,3) können entweder bei der Lehrkraft geholt werden oder verdeckt ausliegen. -> S entscheiden, ob sie die Hilfekarte in Anspruch nehmen wollen

18 Exkurs: Lernen über Modelle
Was macht ein Modell aus? Ein Modell erfüllt einen bestimmten Zweck. Es ist ein Ersatzobjekt, das dabei hilft, bestimmte Aspekte des Originals in Bezug auf Struktur und Funktion besser zu verstehen. Ein Modell ist eine Vereinfachung des Originals. Es kann größer oder kleiner als das Original sein, umfassender oder eingeschränkter. Es können Merkmale des Originals fehlen und umgekehrt kann das Modell über Merkmale verfügen, die das Original nicht hat. [Allgemeines über Modellvorstellungen finden Sie im Buch „Individuelles Lernen im SU – Strom und Magnetismus“ auf S. 7f.] Mikelskis-Seifert & Euler, 2005 18

19 Exkurs: Lernen über Modelle
Welche Modelle gibt es? Gegenständliche Modelle Bildhafte Modelle Symbolische Modelle H2O Das Modell der Kleinstmagnete auf der vorherigen Folie wäre ein bildhaftes oder ikonisches Modell. Grygier, Günther & Kircher, 2007, S. 9ff. 19

20 Exkurs: Lernen über Modelle
Welche Modelle gibt es? In den Naturwissenschaften wird von „Modellvorstellungen“ gesprochen. Modellvorstellungen sind zusammen mit Wahrneh-mungen (Beobachtungen) die Grundlagen naturwissenschaftlicher Erkenntnisse. Überprüfung der Modellvorstellungen in Experimenten bei zahlreichen Bestätigungen auch „theoretisches Modell“ oder „Theorie“ Grygier, Günther & Kircher, 2007, S. 10 20

21 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
Wenn im Unterricht Modellvorstellungen verwendet werden, ist auch ein Verständnis des Modellbegriffs an sich notwendig. Dies kann in einem Unterricht über Modelle angebahnt werden. Ein Unterricht über Modelle kann zu einer bewussten und dauerhaften Unterscheidung von Erfahrungswelt und Modellwelt führen. betont den hypothetischen Charakter der konstruierten Modelle. (nutzt auch alternative Modellierungen und bewertet diese kritisch.) (Mikelskis-Seifert & Leisner, 2003)

22 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
Ferromagnetische Stoffe (wie Eisen, Cobalt und Nickel) ziehen sich untereinander normaler Weise nicht an. Durch einen Magneten können sie jedoch magnetisiert werden. Warum ist das so? Pierre-Ernest Weiss ( ) hat festgestellt, dass sich kleine Bereiche in den ferromagnetischen Stoffen wie Magnete verhalten (sog. Weiss`sche Bezirke). Vereinfacht kann man sich also auch diese Stoffe so vorstellen, als würden sie aus lauter „Kleinst-magneten“ bestehen.

23 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
Ferromagnetische Stoffe (wie Eisen, Cobalt und Nickel) ziehen sich untereinander normaler Weise nicht an. Durch einen Magneten können sie jedoch magnetisiert werden. Warum ist das so? Pierre-Ernest Weiss ( ) hat festgestellt, dass sich kleine Bereiche in den ferromagnetischen Stoffen wie Magnete verhalten (sog. Weiss`sche Bezirke). Vereinfacht kann man sich also auch diese Stoffe so vorstellen, als würden sie aus lauter „Kleinst-magneten“ bestehen.

24 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
Modellvorstellung der Elementar- (oder: Kleinst-) magnete in einem ferromagnetischen Stoff: Im ferromagnetischen Stoff hebt sich die magnetische Wirkung der Kleinstmagnete gegenseitig auf, da sie ganz unterschiedlich ausgerichtet sind.

25 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
Da sich Magnete gegenseitig anziehen, kann man mit einem Dauermagneten durch mehrmaliges Über-streichen eines ferromagnetischen Stoffes die Kleinst-magnete darin nach und nach gleich ausrichten. Diesen Vorgang nennt man Magnetisieren. archiv/inhalt_materialien/magnetismus1/magnetismusx/index.html

26 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
Beim Entmagnetisieren wird die gewonnene Ordnung der Elementarmagnete wieder zerstört. Dies geschieht beispielsweise bei Wärmeeinwirkung oder durch heftige Erschütterung.

27 2. Magnetisierung und Entmagnetisieren
Einstieg durch kognitiven Konflikt: Büroklammer hängt an magnetisiertem Nagel Forscherauftrag: Nagel magnetisieren (KV 9 oben) Versuch: Büroklammerkette (KV 9 unten) Schüler präsentieren Lösung und Erklärungs-ansätze im Gespräch Aufbau einer Modellvorstellung (KV 10+11) (Zeigekraft der Lehrkraft; Lesetext; Veranschaulichung; Spiel) Kognitiver Konflikt: Schüler sind überrascht, da Erwartung nicht mit Beobachtung übereinstimmt Forscherauftrag und Versuch auf KV 9 bilden einen kleinen Phänomenkreis; beide Male werden ferromagnetische Gegenstände magnetisiert (durch Überstreichen und durch Anhängen an den Pol des Magneten) Modellvorstellung im Gespräch, durch Infotext, eigene Recherche und/oder Bildkärtchen von KV11 -> Kärtchen als Puzzle für Schülerhand oder groß an TA Wichtig: Modellvorstellung nur hilfreiche Vorstellung -> keine Pfeile oder rot-grüne Minimagnete im Inneren des Materials! Spielerische Übung s. Abb. S.21

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29 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
Die Schüler erhalten vielfältige Anregungen zum Entmagnetisieren (KV 12) Mit Hilfe der aufgebauten Modellvorstellung ver-suchen die Schüler selbst eine Erklärung zu finden.  Visualisierung analog zum Magnetisierungsprozess

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31 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
Ausklang: „Elementarmagnetenspiel“ Schüler stehen mit ausgestreckten Armen durch-einander. Auf Kommando (z.B. ansteigendes Summen) wird „magnetisiert“  die Schüler richten sich in die gleiche Richtung aus Elementarmagnetenspiel: gespielte Analogie -> Auf Boden Umriss von Nagel oder Eisenstab mit Klebeband markieren Entmagnetisieren entsprechend darstellen -> Zuhörer Idee für Umsetzung? 

32 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren
Individuelle Förderung und Differenzierung: Die Stunden sind auf gemeinsames Experimentieren und Erarbeiten ausgelegt. Vorerfahrungen, Vorstellungen und Vorkenntnisse werden eingebracht, getestet und ggf. modifiziert. Das Entmagnetisieren kann auch als Forscherauftrag (mündlich) gegeben werden, so dass die KV 12 als Hilfe für Schüler ohne ausreichend eigene Ideen genutzt werden kann.

33 3. Erdmagnetismus Im flüssigen äußeren Erdkern steigt heißes Eisen bis zum kalten Erdmantel und sinkt wieder ab. Die Drehung der Erde versetzt das Eisen zusätzlich in Bewegung. Diese Bewegung von flüssigem Eisen um das feste Eisen im inneren Erdkern bewirkt ein riesiges Magnetfeld.

34 3. Erdmagnetismus Es ist also, als wäre ein riesiger Stabmagnet im Inneren der Erde. Ein frei beweglich aufgehängter Magnet richtet sich in diesem Magnetfeld nach N und S aus. Der nach N zeigende Pol heißt „Nord-pol“.

35 3. Erdmagnetismus Wenn der magnetische Nordpol der Kompass-nadel jedoch zum geographischen Nordpol zeigt, dann nur, weil in der Nähe des geografischen Nordpols ein magnetischer Südpol liegt! magnetischer Südpol magnetischer Nordpol S

36 3. Erdmagnetismus 3.1 Funktionsweise des Kompasses:
Phänomenbegegnung: Magnete pendelt sich in bestimmter Richtung ein (PA o. GA; KV 13) Erarbeitung einer Erklärung: in GA an verschie-denen Modellen (KV 14-16) Präsentation im Plenum: Erklärung warum und in welche Richtung der Kompass sich einpendelt  Erkenntnis: Modelle helfen, Phänomene zu erklären. KV 13: Magnet schwimmt oder hängt Der Schwerpunkt liegt diesmal auf der Zusammenarbeit, dem gemeinsamen Beobachten, Fragen, Experimentieren, Schlussfolgern, Arbeiten mit Modellen und Diskutieren Modelle helfen (auch Wissenschaftlern), Phänomene zu erklären.

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38 3. Erdmagnetismus 2. Die magnetischen Pole der Erde:
Anknüpfung: Kompass um Erdmodell, Ausrichtung im Magnetfeld  Welcher magnetische Pol muss im Norden der Erde sein, wenn sich der Nordpol der Kompassnadel dorthin ausrichtet? Überprüfen durch Öffnen des Modells Grenzen der Modellvorstellung Kein echter Riesenstabmagnet in Erde, aber gleiches Magnetfeld Weiterführung: Strömung elektrischer Ladung, Infotext auf KV 17

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40 3. Erdmagnetismus Individuelle Förderung und Differenzierung:
Die drei Modelle sprechen die Schüler unterschiedlich an (Schaubild, gegenständliches Modell, Computeranimation) und sollten auch später weiterhin zur Verfügung stehen. Förderung durch Präsentationen von Versuchen, Modellen und Plakaten vor der Klasse möglich. Weiterer Lesetext mit historischem Schwerpunkt (s. S. 27)

41 Literatur Basisliteratur: Ziegler, F., Grygier, P. & Hartinger, A. (Hrsg.) (2011): Individuelles Lernen im Sachunterricht – Strom und Magnetismus. Berlin: Cornelsen. Weitere Literatur: Grygier, P., Günther, J. & Kircher, E. (2007).  Über Naturwissenschaften lernen. Vermittlung von Wissenschaftsverständnis in der Grundschule. 2. Aufl. Hohen-gehren: Schneider Verlag. Mikelskis-Seifert, S. & Euler, M. (2005). Naturwissenschaftliches Arbeiten von Anfang an. Lernen durch Experimentieren und Modellieren. Praxis der Natur-wissenschaften – Chemie in der Schule, 4(54), 15–22. Mikelskis-Seifert, S. & Leisner, A. (2003). Das Denken in Modellen fördern. Ein Unterrichtsbeispiel zur Entwicklung von Teilchenvorstellungen. Unterricht Physik, 14(74), 32–34.