Ausgehend von Grundkenntnissen zu mechanischen Schwingungen und den Analogien zu einfachen elektrischen – theoretisch ungedämpften – Schwingkreisen wird den Schülerinnen und Schülern das Thema nähergebracht. Nach Einbeziehung des immer vorhandenen elektrischen Widerstandes erkennen die Lernenden sehr schnell, dass eine sich selbst überlassene elektromagnetische Schwingung nicht ungedämpft sein kann, sondern in Abhängigkeit von der Zeit abnehmen und gegen Null gehen wird.
Der gedämpfte elektromagnetische Schwingkreis
Unterrichtseinheit
In dieser Unterrichtseinheit werden elektromagnetische Schwingkreise thematisiert, die aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken sind: Sie werden in Smartphones, Musikanlagen, Fernsehern, Steuerungsanlagen und vielen weiteren Anwendungen benötigt und bilden die Grundlage für die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen, wie sie etwa für das Generieren von Telefonaten oder Fernsehbildern unabdingbar sind.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 3 bis 4 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt
- 2 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
In einer einführenden Diskussion einschließlich eines erläuternden Versuches besprechen die Lernenden mit der Lehrkraft den gedämpften Schwingkreis.
10 Minuten -
Erarbeitung
Nach Erstellung eines Schaltplans wird die Bedeutung des Widerstandes besprochen und aus der bereits bekannten ungedämpften Schwingung die Differentialgleichung der gedämpften Schwingung abgeleitet (Arbeitsblatt 1, Aufgabe 1a und b).
35 Minuten -
Vertiefung
Unter Anleitung der Lehrkraft wird die Differentialgleichung gelöst und daraus die Schwingungsdauer hergeleitet (Arbeitsblatt 1, Aufgabe 1c und d).
45 Minuten -
Ergebnisse herleiten
Nach Wiederholung des bisher Gelernten und der Besprechung von Spezialfällen bei gedämpften Schwingungen wird Aufgabe 2 (Arbeitsblatt 1) bearbeitet.
Gegebenenfalls zum Teil auch als Hausaufgabe zur Fertigstellung.
45 Minuten -
Besprechung der Hausaufgabe
Die noch offenen Fragen zur Hausaufgabe werden besprochen.
10 Minuten -
Festigung des Gelernten
Aufgabe 3 wird berechnet (Arbeitsblatt 1).
35 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Der gedämpfte elektromagnetische Schwingkreis
Die anspruchsvolle Unterrichtseinheit zum gedämpften Schwingkreis setzt gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse voraus. Dies bedeutet, dass dieses Thema zum gedämpften elektromagnetischen Schwingkreis nur im Rahmen der Kursphase der Sekundarstufe II behandelt werden kann.
Vorkenntnisse
Voraussetzungen für eine Beschäftigung mit dem gedämpften elektromagnetischen Schwingkreis sind – neben Grundkenntnissen zu mechanischen Schwingungen – Kenntnisse über Auflade- und Entladevorgänge bei Kondensatoren, über die elektromagnetische Induktion und die Lenz'sche Regel.
Didaktische Analyse
Die Behandlung des schwierigen Themas im Unterricht kann durchaus dazu führen, dass sich die Lernenden verstärkt mit dem Thema beschäftigen wollen, um technischen Geräte ihrer alltäglichen Lebenswelt etwas besser verstehen zu lernen.
Das Thema ist auch sehr gut dazu geeignet, die Bedeutung von Differentialgleichungen zur Erklärung und Berechnung von physikalischen Zusammenhängen besser zu durchschauen und zu verstehen.
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Unterrichtsmaterial "Der gedämpfte elektromagnetische Schwingkreis" zum Download
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Mithilfe dieses Arbeitsblattes werden gedämpfte elektromagnetische Schwingungen zunächst physikalisch beschrieben und erläutert und durch Fragestellungen und Übungsaufgaben ergänzt (hier im PDF-Format).
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Mithilfe dieses Arbeitsblattes werden gedämpfte elektromagnetische Schwingungen zunächst physikalisch beschrieben und erläutert und durch Fragestellungen und Übungsaufgaben ergänzt (hier im Word-Format).
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Hier finden Sie das entsprechende Lösungsblatt zu obigem Arbeitsblatt.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- können die Ursachen von gedämpften elektromagnetischen Schwingungen beschreiben und erläutern.
- kennen die verschiedenen Arten von gedämpften elektromagnetischen Schwingungen.
- können die zugehörige Differentialgleichung herleiten und anwenden.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet.
- können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen.
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 gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden diskutieren zu können.
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