Magnetismus – fachlicher Hintergrund und Unterrichtsvorschläge
Florian Ziegler
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Stiftung Bildungspakt Bayern
11.3.2013
http://www.philso.uni-augsburg.de/lehrstuehle/grundschuldid/downloads_skripten/lehrerfortbildung__gribs/
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Sequenzierung Strukturierung des umfangreichen und komplexen Themas: 1. Eigenschaften von Magneten 2. Magnetisieren und Entmagnetisieren 3. Erdmagnetismus 4. Statische Elektrizität 5. Anschlussbedingungen im elektrischen Stromkreis 6. Wirkungen von Elektrizität 7. Wie fließt Strom? – Aufbau einer Modellvorstellung 8. Elektromagnet, Elektromotor und Dynamo
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Überblick 1. Eigenschaften von Magneten Exkurs: Lernen über Modelle
2. Magnetisieren und Entmagnetisieren 3. Erdmagnetismus
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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 4
1. Eigenschaften von Magneten Das Magnetfeld kann durch Linien dargestellt werden. Die magnetische Kraft ist an den Polen am stärksten.
N
S
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1. Eigenschaften von Magneten Unterschiedliche Pole ziehen sich an: N
S
N
S
Gleichnamige Pole stoßen sich ab: N
S
S
N
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1. Eigenschaften von Magneten Wird ein Magnet zersägt, entstehen wieder zwei Magnete mit je einem Nord- und einem Südpol: S
N
N
S
N
S
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1. Eigenschaften von Magneten Vereinfacht kann man sich Magnete so vorstellen, als würden sie aus lauter „Kleinstmagneten“ bestehen:
N
S
N
S
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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) 9
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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 Erkenntnissen aus erster Stunde Vertiefung durch weitere Versuche (KV 5+6)
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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)
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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. 17
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)
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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 (1865-1940) 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. 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 (1865-1940) 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 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. 24
2. Magnetisieren und Entmagnetisieren Da sich Magnete gegenseitig anziehen, kann man mit einem Dauermagneten durch mehrmaliges Überstreichen eines ferromagnetischen Stoffes die Kleinstmagnete darin nach und nach gleich ausrichten. Diesen Vorgang nennt man Magnetisieren.
http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/ archiv/inhalt_materialien/magnetismus1/magnetismusx/index.html
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2. Magnetisieren und Entmagnetisieren Beim Entmagnetisieren wird die gewonnene Ordnung der Elementarmagnete wieder zerstört. Dies geschieht beispielsweise bei Wärmeeinwirkung oder durch heftige Erschütterung.
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2. Magnetisierung und Entmagnetisieren 1.1 Magnetisieren: Einstieg durch kognitiven Konflikt: Büroklammer hängt an magnetisiertem Nagel Forscherauftrag: Nagel magnetisieren (KV 9 oben) Versuch: Büroklammerkette (KV 9 unten) Schüler präsentieren Lösung und Erklärungsansätze im Gespräch Aufbau einer Modellvorstellung (KV 10+11) (Zeigekraft der Lehrkraft; Lesetext; Veranschaulichung; Spiel) 27
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2. Magnetisieren und Entmagnetisieren 2.2 Entmagnetisieren: Die Schüler erhalten vielfältige Anregungen zum Entmagnetisieren (KV 12) Mit Hilfe der aufgebauten Modellvorstellung versuchen die Schüler selbst eine Erklärung zu finden. Visualisierung analog zum Magnetisierungsprozess 29
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2. Magnetisieren und Entmagnetisieren 2.2 Entmagnetisieren: Ausklang: „Elementarmagnetenspiel“ Schüler stehen mit ausgestreckten Armen durcheinander. Auf Kommando (z.B. ansteigendes Summen) wird „magnetisiert“ die Schüler richten sich in die gleiche Richtung aus 31
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. 32
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. 33
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“. 34
3. Erdmagnetismus Wenn der magnetische Nordpol der Kompassnadel jedoch zum geographischen Nordpol zeigt, dann nur, weil in der Nähe des geografischen Nordpols ein magnetischer Südpol liegt!
magnetischer Südpol
magnetischer Nordpol
S 35
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 verschiedenen Modellen (KV 14-16) Präsentation im Plenum: Erklärung warum und in welche Richtung der Kompass sich einpendelt Erkenntnis: Modelle helfen, Phänomene zu erklären. 36
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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 38
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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) 40
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 Naturwissenschaften – 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.
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