Experiment

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Strom 2: Kann Wind Spannung erzeugen? (Schüleranleitung)

Experimentieranleitung für die Mittelschule in Bayern, 7. Klasse: Ausführliche Anweisungen und Fragen für Schülerinnen und Schüler zur Durchführung des zweiten Teilexperiments zu Strom.Die Schülerinnen und Schüler pusten mit unterschiedlicher Kraft auf einen Propeller (Motor) im Stromkreis mit einer und zwei LEDs (in Reihen- und Parallelschaltung). Sie messen die Spannung und halten ihre Ergebnisse in Tabellen fest.In der Anleitung werden zunächst die benötigten Geräte und Materialien gezeigt und genannt. Text und Bild erklären schrittweise die Vorbereitungen zum Experiment. Dann werden mehrere Aufgaben gestellt: Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre Vermutungen äußern, das Experiment durchführen und ihre Beobachtungen notieren.Hinweise und Ideen:• Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise in dieser Anleitung und in der zum Experiment gehörigen Lehrerinfo und besprechen Sie diese Hinweise mit den Schülerinnen und Schülern.• Bitte beachten Sie auch die für Ihre Schule geltenden Sicherheitsrichtlinien.

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Optik - Die Physik des Lichts

Sachinformation: Ausgehend von der Definition des Lichts wird prägnant Licht als Strahl, Licht als Welle und Licht als Strahlungsenergie dargestellt.Einführung in die Optik.Hinweise und Ideen:Sowohl für die Schüler, aber auch für die Lehrkraft zur Vorinformation konzipiert.

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A5 Inklusion: Eigenschaften von Solarzellen (Lehrerinfo)

Handreichung:erweiterte Lehrerinformation zur gleichnamigen ExperimentieranleitungDer Einsatz der Experimente erfolgt lehrplanrelevant, kontextorientiert sowie unter Angabe der entsprechenden Sicherheitsangaben. Alle notwendigen Angaben zum Einsatz des Experimentes im Unterricht werden hier übersichtlich beschrieben.• fachliche Grundlagen• Hinweise zur Durchführung


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Investitionskosten verschiedener Stromerzeugungsanlagen

Sachinformation:In einer Tabelle werden die Investitionskosten von Stromerzeugungsanlagen für fossile und regenerative Energieträger sowie Kernkraft verglichen.Beim Vergleich der Investitionskosten verschiedener Stromerzeugungsanlagen schneiden die regenerativen Stromerzeuger relativ schlecht ab. Hinweise und Ideen:Zusätzlich zu dieser Tabelle empfiehlt sich, den Vergleich der Stromerzeugungskosten in der Sachinformation ”Stromgestehungskosten fossil/regenerativ im Vergleich” anzusehen. Hier zeigt sich, dass regenerativer Strom inzwischen kostengünstig geworden ist.Hier könnte eine Diskussion beginnen, warum ein langfristig für Klima, Umwelt, Volkswirtschaft und auch für jeden einzelnen Bürger sinnvoller Wandel immer noch auf Ablehnung stößt.


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Abfälle und Emissionen beim Betrieb von Kraftwerken

Tabelle:Abfälle und Emissionen beim Betrieb von Kraftwerken nach Energieträgern aufgeschlüsselt.Die Tabelle gilt nur für die Kraftwerksanlagen selbst. Davorliegende Prozesse müssen extra betrachtet werden. Aufgeführt werden die prinzipiell möglichen Belastungen, unabhängig davon, wie weit sie durch technische Gegenmaßnahmen kompensiert werden. Die Punkte kennzeichnen die Belastung. Die Anzahl der Punkte bringt den Grad der Belastung im Vergleich der Energieträger untereinander zum Ausdruck, so dass sich innerhalb einer Zeile die Priorisierung der Energieträger nach Belastung ablesen lässt. Punkte in Klammern deuten auf Unterschiede für stark unterschiedliche Anlagen hin. Nicht alle Emissionen sind gleich Abfall. Bei der Entschwefelung entsteht Gips als Handelsware. Auch Asche und Schlacke können weitergenutzt werden.Hinweise und Ideen:Detailinformationen zum Thema findet man in der Sachinformation “Abfälle und Emissionen”, die u. a. technische Gegenmaßnahmen zur Kompensation von möglichen Belastungen aufzeigt.


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Physik und Funktion des Stirlingmotors

Infomodul (mit Video):Der Stirlingmotor ist die einfachste Form der Wärmekraftmaschine und erleichtert so das Verständnis der Thermodynamik.Der Stirlingmotor eignet sich besonders gut, das generelle Prinzip der Wärmekraftmaschine als technische Umsetzung eines thermodynamischen Kreisprozesses zu erklären. Die für einen Kreisprozess erforderlichen unterschiedlichen Temperaturniveaus sind beim Stirlingmotor ebenso klar ersichtlich wie die geschlossene Prozessführung. Ein Video zeigt einen Stirlingmotor in Betrieb. Der Aufbau und die Funktionsweise werden anhand von Schemazeichnungen erklärt. Aus dem p-V-Diagramm wird der ideale Wirkungsgrad abgeleitet und mit dem realen Wirkungsgrad verglichen. Das p-V-Diagramm des Stirling-Kreisprozesses trägt durch den Vergleich mit anderen Kreisprozessen (Otto, Diesel, Clausius-Rankine) dazu bei, andere Kolbenmaschinen (Ottomotor, Dieselmotor und Dampfmaschine) besser zu verstehen. Zum Schluss wird die Anwendung des Stirlingmotors, insbesondere bei der Nutzung regenerativer Energien, vorgestellt. Denn gerade in modernen Solarthermieanlagen wird der Stirlingmotor heute gerne zur Erzeugung von Strom eingesetzt.Hinweise und Ideen:Warum hat sich der Stirlingmotor als Antrieb für Kraftfahrzeuge nicht durchgesetzt?


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Wellenkraftwerk

Grafik, beschriftet:Schnitt durch ein Wellenkraftwerk mit Wells-Turbine.In einem Wellenkraftwerk wird die kinetische Energie der Meereswellen in elektrische Energie umgewandelt. Das Wellenkraftwerk z. B. arbeitet nach dem Prinzip einer oszillierenden Wassersäule: Ein trichterförmiges Dach deckt die Wasseroberfläche ab. Darin steigen die Wellen auf und ab, wobei die eingeschlossene Luft komprimiert und dekomprimiert wird. Die in dem Druckunterschied gespeicherte Energie wird über eine sog. Wells-Turbine und einen Generator in Strom umgewandelt. Das Besondere an der Wells-Turbine ist, dass - wenn sie einmal in Bewegung ist - sie die Drehrichtung beibehält, egal aus welcher Richtung sie durchströmt wird. Ein Wellenkraftwerk in Schottland versorgt bereits 50 Haushalte mit elektrischer Energie. Experten schätzen das nutzbare Energiepotenzial der Wellenkraft auf ein Terawatt - das entspricht etwa der Leistung von rund 1.400 konventionellen Kraftwerksblöcken. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis ist allerdings relativ schlecht, es wurden daher seit 2011 weltweit kaum weitere Wellenkraftwerke dieser Art gebaut. Hinweise und Ideen:Worin unterscheidet sich ein Wellenkraftwerk von einem konventionellen Wasserkraftwerk? Wie unterscheiden sich die verwendeten Turbinen in Aufbau und Funktion? Wie kommt es physikalisch zustande, dass sich die Wells-Turbine immer in dieselbe Richtung dreht? Wo auf der Welt gibt es optimale Bedingungen für Wellenkraftwerke? Wie funktioniert der modernste Typ von Meereskraftwerken nach dem “Seaflow” Prinzip?

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Welche Energie steckt in welchem Energieträger?

Tabelle:Übersicht, woher die Energie, die in den Primärenergieträgern gespeichert ist, kommt und welcher Energieform sie entspricht.Die Energie, die in den primären Energieträgern gespeichert ist, stammt aus unterschiedlichen Energiequellen: Der Hauptanteil stammt von der Sonne und ist in fossilen und vielen regenerativen Energieträgern in unterschiedlicher Form gespeichert. Im Primärenergieträger “Geothermie” steht die Restwärme des Erdkerns zur Verfügung. Die Energie im Gezeitenhub stammt aus der Rotationsenergie der Erde und die Energie in den nuklearen Energieträgern resultiert aus Prozessen in den Atomkernen bestimmter Elemente. Hinweise und Ideen:Die Schülerinnen und Schüler können überlegen, auf welchen Prozess sich alle Energiequellen letztendlich zurückführen lassen. Welche der Energiequellen sind in Zukunft von großer Bedeutung und warum? Das Beispiel mit dem Gezeitenhub ist didaktisch besonders wertvoll für den Physikunterricht, denn es scheint auf den ersten Blick ein Perpetuum mobile zu sein. Die Frage “Woher stammt die Energie eines Gezeitenkraftwerks?” ist mit “Aus dem Höhenunterschied des Wassers (m x g x h)!” nicht wirklich beantwortet. Zwar leuchtet jedem ein, dass die Hubarbeit der Mond geleistet hat. Doch woher hat er die Energie genommen? Was auf der einen Seite an Energie “gewonnen” wird, muss ja woanders “verloren” gehen. Richtig ist: Die Gravitation des Monds verschiebt die Wassermassen der Meere, was letztlich zu einer Abbremsung der Erdrotation führt. Die im Gezeitenkraftwerk gewonnene mechanische Energie stammt also letztlich aus dem Primärenergieträger “Rotationsenergie der Erde”.

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Energieträger regenerativ

Übersichtsgrafik: Abbildung der regenerativen Energieträger Sonne, Wind, Wasser, Erdwärme und Biomasse mit je einer exemplarischen Kraftwerkslösung.Regenerative Energien sind nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich, da sie sich sozusagen von selbst erneuern. Sie stellen aufgrund ihrer deutlich geringeren Werte bei der Kohlendioxidemission eine Alternative zu fossilen Energieträgern dar. Jeder regenerative Energieträger wird mit einer spezifischen Nutzung in Kraftwerken kombiniert dargestellt: Energieträger Sonne und Solarthermieanlage, Energieträger Wind und Windrad, Energieträger Wasser und Flusskraftwerk, Energieträger Erdwärme und Geothermiekraftwerk, Energieträger Biomasse und Biomassekraftwerk.Hinweise und Ideen:Die Schülerinnen und Schüler erhalten mit dem Schaubild einen Überblick über regenerative Energieträger. Gleichzeitig wird eine Verbindung zu den Energieumwandlungstechnologien hergestellt. Das Schaubild kann als Einstieg in das Thema regenerative Energien und gleichzeitig als Ausgangspunkt für eine Auseinandersetzung mit Energiequellen, Energieumwandlern sowie Umwelt und Ökologie dienen. Ausführliche Informationen findet man im Leitfaden “Regenerative Energien”.

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Energiequellen für elektrischen Strom

Schemagrafik:Übersicht über die Umwandlungspfade von verschiedenen Energiequellen hin zu elektrischem Strom.Um die in nuklearen, regenerativen und fossilen Energieträgern enthaltenen Energieformen für den Menschen nutzbar zu machen, müssen sie in eine andere Energieform umgewandelt werden, z. B. in elektrische Energie (“Strom”). Von den hier gezeigten Energieträgern ist bei Kernenergie, nachwachsenden und fossilen Brennstoffen sowie Geo- und Solarthermie eine direkte Umwandlung in elektrische Energie nicht möglich. Daher müssen mehrere Umwandlungsschritte hintereinandergeschaltet werden. Die beiden letzten Schritte sind die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie in der Turbine und die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie im Generator.Wasser- und Windkraft können direkt einen Generator antreiben und Photovoltaik erzeugt direkt elektrische Energie. Hinweise und Ideen:Sehr gut geeignet, um das Gesetz von der Erhaltung der Energie zu erläutern. Dass Energie nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden kann, ist den Schülern nicht selbstverständlich.