In diesem Beitrag werden beispielhaft zwei Schaltungen vorgestellt, die es ermöglichen ungedämpfte Schwingungen zu erzeugen. Dabei handelt es sich um die "Rückkopplungsschaltung nach Meißner" zur Erzeugung von sinusförmigen elektromagnetischen Schwingungen im niederen und mittleren Frequenzbereich sowie um die "Dreipunktschaltung" als Erweiterung der Rückkopplungsschaltung zur Erzeugung hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen. Beiden Schaltungen ist gemeinsam, dass der jeweilige Schwingkreis aus einer Spule und einem Kondensator besteht.
Der ungedämpfte elektromagnetische Schwingkreis – Theorie und Beispiele
Unterrichtseinheit
Überlässt man nach einmaliger Aufladung einen elektromagnetischen Schwingkreis sich selbst, so entsteht – vor allem wegen der unvermeidlichen Ohmschen Reibung – eine gedämpfte Schwingung, deren Amplitude sehr schnell gegen null gehen wird. Für viele technische Anwendungen wie etwa Radiowellen oder Mikrowellen benötigt man aber möglichst ungedämpfte Schwingungen, bei denen der stets auftretende Energieverlust durch technische Lösungen ausgeglichen wird.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 2 bis 3 Unterrichtsstunden
- 2 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Zunächst werden kurz Bau- und Funktion von Triode und Transistor für die jeweilige Schaltung wiederholt.
15 Minuten -
Herleitung der Rückkopplungsschaltung
Anhand von Arbeitsblatt 01 und entsprechender Folien wird die genaue Funktionsweise der Rückkopplungsschaltung nach Meißner besprochen.
25 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe soll die Übungsaufgabe 3 a–c mittels der Differentialgleichung für den ungedämpften Schwingkreis gelöst werden.
5 Minuten -
Besprechung der Hausaufgabe
Die Hausaufgabe wird besprochen und ggf. korrigiert.
5 Minuten -
Herleitung der Dreipunktschaltung
Besprechung der Dreipunktschaltung (Arbeitsblatt 01 und 02) sowie ergänzend Übungsaufgaben 3 a–g.
40 Minuten -
Eventuell 3. Unterrichtsstunde
Wenn nötig, können in einer dritten Unterrichtsstunde der Lehrstoff und die Übungsaufgaben noch näher erläutert werden.
Didaktisch-methodischer Kommentar
Der ungedämpfte elektromagnetische Schwingkreis – Theorie und Beispiele
Die anspruchsvolle Unterrichtseinheit zum ungedämpften Schwingkreis setzt gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse voraus. Dies bedeutet, dass dieses Thema zum ungedämpften elektromagnetischen Schwingkreis nur im Rahmen der Kursphase der Sekundarstufe II behandelt werden kann.
Vorkenntnisse
Voraussetzungen für eine fundierte Beschäftigung mit dem ungedämpften elektromagnetischen Schwingkreis sind – neben Grundkenntnissen zu mechanischen Schwingungen – Kenntnisse über Auflade- und Entladevorgänge bei Kondensatoren, über die elektromagnetische Induktion und die Lenz'sche Regel sowie das Wissen über die Funktionsweise von Triode und Transistor.
Didaktische Analyse
Die Behandlung des anspruchsvollen Themas im Unterricht soll auch dazu führen, dass sich die Lernenden mit dem Aufbau und der Funktion von Geräten zur Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen näher beschäftigen wollen.
Das Thema ist auch sehr gut geeignet, die Bedeutung von Differentialgleichungen zur Erklärung und Berechnung von physikalischen Zusammenhängen den Schülerrinnen und Schülern näher zu bringen – nicht zuletzt in Hinblick auf andere noch ausstehende physikalische Herleitungen in der Kursphase.
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Unterrichtsmaterial "Der ungedämpfte elektromagnetische Schwingkreis" zum Download
- ungedaempfter-elektromagnetischer-schwingkreis-arbeitsblatt.pdf
Mit diesem Arbeitsblatt werden zwei mögliche Schaltungen zur Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen vorgestellt und anhand einer anspruchsvollen Übungsaufgabe zum näheren Verständnis der einzelnen Abläufe ergänzt (PDF-Version).
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Mit diesem Arbeitsblatt werden zwei mögliche Schaltungen zur Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen vorgestellt und anhand einer anspruchsvollen Übungsaufgabe zum näheren Verständnis der einzelnen Abläufe ergänzt (Word-Version).
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen zu den Fragestellungen und der Übungsaufgabe.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- können die Funktionsweise von Triode und Transistor in Hinblick auf die Abläufe in einem elektromagnetischen Schwingkreis beschreiben.
- wissen um die große Bedeutung von elektromagnetischen Schwingungen in vielen Bereichen des täglichen Lebens.
- können anspruchsvolle Übungsaufgaben zur mathematischen Beschreibung der elektromagnetischen Schwingungen mittels Differentialgleichungen bearbeiten und lösen.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet.
- können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
- setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.
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