Ausgehend von Grundkenntnissen zu den Gesetzmäßigkeiten, mit denen der Kondensator und die Spule im elektrischen Stromkreis beschrieben werden, soll ein einfacher elektromagnetischer Schwingkreis mit einem harmonischen mechanischen Federpendel verglichen werden. Die entsprechenden Zusammenhänge werden mithilfe von Zeichnungen grafisch dargestellt und anschließend mathematisch anhand der zugehörigen Gleichungen ausgewertet. So kann sehr anschaulich gezeigt werden, dass beide Schwingungsarten strukturell identischen Gesetzmäßigkeiten folgen.
Analogien zwischen mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen
Unterrichtseinheit
In dieser Unterrichtseinheit wird anschaulich gezeigt, dass die Struktur aller Schwingungen in den meisten Fällen sehr gut mit der von mechanischen Schwingungen verglichen werden kann. Egal, ob es sich um Feder- oder Pendelschwingungen, Wasserwellen oder elektromagnetische Schwingungen handelt – sie folgen alle den gleichen Abläufen.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 3 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt
- 2 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Mit einer grafischen Darstellung wird der Ablauf einer Federschwingung gezeigt (Arbeitsblatt 1, Abbildung 1). Die Schüler und Schülerinnen beschreiben die Abbildung und den Ablauf. Anhand eines einfachen Versuches mit unterschiedlichen Federn die Bedeutung der Federhärte wird anschließend kurz wiederholt.
15 Minuten -
Erarbeitung I
Ebenfalls in Form eines Versuches (Arbeitsblatt 1, Abbildung 2) werden die Grundbedingungen für einen elektromagnetischen Schwingkreis vorgestellt und gemeinsam besprochen.
Zur Sicherung erstellen die Schüler und Schülerinnen als Hausaufgabe die Abläufe zeichnerisch, um das zuvor Gelernte zu festigen (Arbeitsblatt, Abbildungen 1 und 2).
30 Minuten -
Erarbeitung II
Die Ergebnisse der Hausaufgabe werden besprochen. Anschließend werden die einzelnen Phasen der beiden Schwingungsarten genau erläutert und verglichen (Folie oder Grafik und Arbeitsblatt 1 und 2).
40 -
Sicherung (Hausaufgabe)
Die Lernenden recherchieren im Internet die Bedeutung von Kondensator, Spule und Induktivität sowie Widerstand im Stromkreis als Wiederholung. Sollte im Unterricht keine Zeit mehr dafür sein, erledigen Die Lernenden diese Aufgabe zu Hause.
5 Minuten -
Vertiefung
Die zugehörigen Differentialgleichungen werden Schritt für Schritt hergeleitet und hinsichtlich ihrer Bedeutung besprochen (Arbeitsblatt 1 und 2).
35 Minuten -
Festigung
Die Gemeinsamkeiten beider Schwingungsarten werden herausgearbeitet und besprochen (Arbeitsblatt 1 und 2).
10 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Mit dieser Unterrichtseinheit werden den Lernenden die Gesetze und Zusammenhänge zwischen den einzelnen physikalischen Teilbereichen – wie etwa zwischen Mechanik und elektrischem Stromkreis – vorgestellt. Eine tiefergreifende Auseinandersetzung mit dieser Thematik bleibt auf jeden Fall der Kursphase der Sekundarstufe II vorbehalten.
Die Aufgaben werden in Einzel- und Gruppenarbeit erledigt, um auch die Teamarbeit zu fördern. Die Darstellung der Vorgänge wird grafisch auf einem Arbeitsblatt dargestellt, außerdem werden zur Veranschaulichung praktische Versuche im Unterricht durchgeführt.
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Unterrichtsmaterial "Elektromagnetische und mechanische Schwingungen" zum Download
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Mit diesem Arbeitsblatt erarbeiten die Lernenden die physikalischen Grundlagen von mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen und es werden die Gesetzmäßigkeiten anhand einer ausführlichen Übungsaufgabe hergeleitet.
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Mit diesem Arbeitsblatt erarbeiten die Lernenden die physikalischen Grundlagen von mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen und es werden die Gesetzmäßigkeiten anhand einer ausführlichen Übungsaufgabe hergeleitet.
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Hier werden die Lösungen zu den Übungsaufgaben und Fragestellungen ausführlich dargestellt.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen um die vielfältigen Zusammenhänge von mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen.
- können die für die Beschreibung beider Schwingungen notwendigen Gleichungen herleiten.
- kennen die Gemeinsamkeiten beider Schwingungsarten und können die unterschiedlichen Größen der jeweiligen Schwingungen miteinander vergleichen.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
- müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.
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