Zum Inhalt springen
Flache Illustration eines Stromkreises auf einem Holzbrett: eine Batterie, ein Kippschalter, rote und schwarze Kabel, zwei leuchtende Glühlämpchen und daneben ein Multimeter mit Messspitzen.

Natur und Technik · Deutschschweiz · Zyklus 3

Elektrischer Stromkreis: Spannung, Stromstärke, Widerstand

Eine Unterrichtsreihe für Natur und Technik im Zyklus 3 zu den Grundlagen der Elektrik. Die Schülerinnen und Schüler bauen geschlossene Stromkreise, zeichnen Schaltpläne und messen Stromstärke und Spannung mit dem Multimeter. Sie nehmen Kennlinien auf, leiten das Ohmsche Gesetz her und stellen Regeln für Serie- und Parallelschaltung auf. Zum Abschluss berechnen sie die elektrische Leistung von Haushaltsgeräten und erklären, wie Leitungsschutzschalter und FI-Schutzschalter schützen.

Schuljahre
8–9
Schultypen
Sekundarschule, Gymnasium
Umfang
9 Unterrichtsstunden
Fach
Natur und Technik
Region
Deutschschweiz
Als Kurs übernehmen

Mit einem kostenlosen Konto übernehmen Sie die Vorlage als eigenen Kurs.

Lernziele

  • Die Schülerinnen und Schüler bauen einfache Stromkreise, zeichnen sie mit Schaltzeichen und unterscheiden Leiter und Isolatoren.
  • Die Schülerinnen und Schüler erklären und zeigen mit einfachen Experimenten die Wärme-, Licht-, magnetische und chemische Wirkung des Stroms.
  • Die Schülerinnen und Schüler messen Stromstärke und Spannung mit dem Multimeter und bauen die Messgeräte korrekt ein.
  • Die Schülerinnen und Schüler nehmen Kennlinien auf, berechnen Widerstände und leiten das Ohmsche Gesetz her.
  • Die Schülerinnen und Schüler stellen Regeln für Serie- und Parallelschaltung auf und wenden Knoten- und Maschenregel an.
  • Die Schülerinnen und Schüler berechnen die elektrische Leistung von Geräten und erklären Schutzmassnahmen im Haushalt.

Bezug zum Lehrplan 21

Lehrplan 21 (Deutschschweiz), Fachbereichslehrplan Natur und Technik (mit Biologie, Chemie, Physik)

  • Kompetenzbereich: NT.5 Mechanische und elektrische Phänomene untersuchen
  • Kompetenz: NT.5.2 Die Schülerinnen und Schüler können Grundlagen der Elektrik verstehen und anwenden.
  • Kompetenzstufe: NT.5.2.a können erklären und mit einfachen Experimenten zeigen, dass der elektrische Strom verschiedene Wirkungen hat (z.B. Licht-, Wärme-, magnetische und chemische Wirkung).
  • Kompetenzstufe: NT.5.2.b können Veränderungen in Stromkreisen mithilfe geeigneter Messgeräte untersuchen und einfache Regeln aufstellen (z.B. mehr/weniger Lämpchen, Serie-/Parallelschaltung).
  • Kompetenzstufe: NT.5.2.c können die massgeblichen Grössen eines einfachen Stromkreises miteinander in Beziehung setzen und Gesetzmässigkeiten experimentell herleiten.
  • Kompetenzstufe: NT.5.2.d können die massgeblichen Grössen eines verzweigten Stromkreises miteinander in Beziehung setzen, Gesetzmässigkeiten experimentell herleiten sowie entsprechende Versuchsprotokolle anfertigen.

Ablauf

  1. Abschnitt 1

    Der einfache Stromkreis

    Geschlossener Stromkreis, Elektronen als Energietransporteure, Schaltzeichen, Leiter und Isolatoren, Wirkungen des Stroms, Sicherheit.

  2. Abschnitt 2

    Stromstärke und Spannung messen

    Wassermodell, Stromstärke in Ampere, Spannung in Volt, Amperemeter in Serie, Voltmeter parallel, Umgang mit dem Multimeter.

    • Lektion

      Stromstärke und Spannung messen

      Auf einer Batterie steht 1,5 V, an der Steckdose liegen 230 V, und die grossen Leitungen über die Alpen führen bis zu 380 000 V. Auf dem Ladegerät…

  3. Abschnitt 3

    Widerstand und Ohmsches Gesetz

    Widerstand als Verhältnis von Spannung und Stromstärke, Abhängigkeit von Länge, Querschnitt und Stoff, Kennlinien, ohmsche und nicht ohmsche Bauteile.

    • Lektion

      Widerstand und Ohmsches Gesetz

      Du schliesst nacheinander drei Bauteile an dieselbe Flachbatterie an: ein Lämpchen, einen langen dünnen Draht und einen kurzen dicken Draht. Das…

    • Aufgabe

      Kennlinie aufnehmen und auswerten

      Nimm die Kennlinie eines Widerstands oder Konstantandrahts und die eines Lämpchens auf (0 bis 6 V in Schritten von 1 V).

      1. Trage die Werte in eine Tabelle ein und zeichne beide Kennlinien in ein Diagramm.
      2. Berechne für jede Messung den Widerstand R = U : I.
      3. Entscheide begründet, welches Bauteil dem Ohmschen Gesetz gehorcht.
      4. Erkläre die Form der anderen Kennlinie.

  4. Abschnitt 4

    Serie- und Parallelschaltung

    Regeln für Stromstärke, Spannung und Widerstand in beiden Schaltungen, Knotenregel und Maschenregel, Steckdosenleiste.

    • Lektion

      Serie- und Parallelschaltung berechnen

      Bei manchen alten Lichterketten geht die ganze Kette aus, wenn ein einziges Lämpchen durchbrennt. In deinem Zuhause dagegen leuchtet die Küchenlampe…

    • Aufgabe

      Messreihe: Zwei Lampen, zwei Schaltungen

      Baue mit zwei gleichen Lämpchen nacheinander eine Serieschaltung und eine Parallelschaltung an derselben Stromquelle.

      1. Miss in jeder Schaltung die Stromstärke an drei Stellen und die Spannung an jeder Lampe und an der Quelle.
      2. Formuliere aus deinen Messwerten je eine Regel für Stromstärke und Spannung.
      3. Vergleiche die Helligkeit und erkläre sie mit deinen Messwerten.
      4. Schraube jeweils eine Lampe heraus und beschreibe, was passiert.

  5. Abschnitt 5

    Elektrische Leistung, Sicherheit im Haushalt und Selbsttest

    P = U · I, Stromstärken von Haushaltsgeräten, Leitungsschutzschalter, FI-Schutzschalter, Schutzleiter, Selbsttest zur Reihe.

    • Lektion

      Elektrische Leistung und Sicherheit: Selbsttest

      Am Sonntagmorgen läuft in der Küche der Wasserkocher, gleichzeitig die Kaffeemaschine und der Toaster. Plötzlich ist alles dunkel. Im…

    • Aufgabe

      Leistungsschilder zu Hause

      Suche zu Hause fünf elektrische Geräte und lies auf dem Typenschild die Leistung ab. Frage vorher um Erlaubnis und stecke kein Gerät aus, das gerade läuft.

      1. Berechne für jedes Gerät die Stromstärke bei 230 V.
      2. Schätze, wie lange jedes Gerät pro Woche läuft, und berechne die Energie in kWh.
      3. Welche zwei Geräte darf man nicht gleichzeitig an dieselbe Steckdosenleiste anschliessen, wenn diese höchstens 10 A verträgt? Begründe.

Hinweise für Lehrpersonen

Einordnung in den Lehrplan 21

Die Reihe bearbeitet NT.5.2 „Grundlagen der Elektrik verstehen und anwenden“: Wirkungen des elektrischen Stroms (a), Veränderungen in Stromkreisen mit Messgeräten untersuchen und Regeln für Serie- und Parallelschaltung aufstellen (b), Stromstärke, Spannung, Widerstand und Ohmsches Gesetz experimentell herleiten (c, Orientierungspunkt) und verzweigte Stromkreise mit Knoten- und Maschenregel beschreiben (d). Die elektrische Leistung verbindet die Reihe mit NT.4.1 (Leistung berechnen). Elektromotor und Generator (NT.5.2.e) sowie Schaltungen mit Dioden und Transistoren (NT.5.3) sind nicht Teil dieser Reihe. Sie passt ins 8. oder 9. Schuljahr. Die Zuordnung regelt Ihr Kanton.

Zeitplan (9 Lektionen)

LektionAbschnitt
1Geschlossener Stromkreis, Schaltzeichen, Leiter und Isolatoren, Wirkungen des Stroms
2–3Stromstärke und Spannung, Wassermodell, Messen mit dem Multimeter
4–5Widerstand, Kennlinien aufnehmen, Ohmsches Gesetz
6–7Serie- und Parallelschaltung, Knoten- und Maschenregel
8Elektrische Leistung, Sicherheit im Haushalt
9Selbsttest, Fehlerbesprechung

Sicherheit

  • Schülerversuche nur mit Batterien oder Netzgeräten mit Schutzkleinspannung. Es gelten die Weisungen Ihres Kantons und Ihrer Schule zum Experimentieren mit elektrischem Strom, insbesondere zur maximal zulässigen Spannung in Schülerversuchen.
  • Netzgeräte begrenzen, wenn möglich, den Strom. Lassen Sie Schaltungen vor dem Einschalten kontrollieren, vor allem jede Schaltung mit Amperemeter.
  • Lithium-Akkus (Handy, E-Bike, Powerbank) nicht in Versuchen verwenden, kein Kurzschluss von Batterien, auch nicht kurz.
  • Konstantandrähte und Glühlämpchen werden heiss. Nach dem Messen ausschalten.
  • Versuche an der 230-V-Steckdose führen ausschliesslich Lehrpersonen mit geeigneten, geprüften Geräten durch, zum Beispiel ein Energiemessgerät zwischen Steckdose und Wasserkocher.

Typische Fehlvorstellungen

  • Strom wird verbraucht. Die Messung vor und nach der Lampe in Lektion 1 (Aufgabe 8) widerlegt das. Verbraucht im Sinne von umgewandelt wird Energie.
  • Die Batterie liefert immer denselben Strom. Die Stromstärke hängt vom Widerstand im Kreis ab, die Batterie liefert (näherungsweise) eine feste Spannung.
  • Strom und Spannung sind dasselbe. Das Wassermodell trennt Druckunterschied und Durchfluss.
  • Die erste Lampe bekommt mehr Strom. In der Serieschaltung ist die Stromstärke überall gleich, die Reihenfolge spielt keine Rolle.
  • Alle Bauteile sind ohmsch. Die Kennlinie des Lämpchens in Lektion 3 zeigt die Temperaturabhängigkeit.

Differenzierung

  • Grundlegend: Schaltungen nach Foto nachbauen und in Schaltpläne übersetzen, Messwerte in vorbereitete Tabellen eintragen, Rechnungen mit ganzzahligen Werten.
  • Erweitert: Kennlinien selbst auswerten und Widerstand bestimmen, gemischte Schaltungen, Wechselschaltung entwerfen, Fehlersuche in vorbereiteten Schaltungen.
  • Die Simulation „Schaltkreis-Baukasten: Gleichstrom“ von PhET eignet sich für Klassen ohne genügend Material und für die Fehlersuche ohne Risiko.

Handlungsaspekte

Die Welt wahrnehmen: Wirkungen des Stroms beobachten. Sich die Welt erschliessen: messen, Kennlinien aufnehmen, Gesetzmässigkeiten herleiten. Sich in der Welt orientieren: Schaltungen im Haushalt erkennen. In der Welt handeln: sich und andere vor den Gefahren des elektrischen Stroms schützen.

Häufige Fragen

In welchem Schuljahr passt die Reihe?

Das Ohmsche Gesetz ist im Lehrplan 21 ein Orientierungspunkt von NT.5.2. Die Reihe ist für das 8. oder 9. Schuljahr gedacht. Lektion 1 und 2 eignen sich auch als Einstieg im 7. Schuljahr.

Welches Material brauche ich?

Pro Gruppe eine Flachbatterie oder ein Netzgerät mit Kleinspannung, zwei bis drei Lämpchen mit Fassung, einen Schalter, Kabel mit Krokodilklemmen, zwei Multimeter und einen Widerstand oder Konstantandraht. Fehlt Material, hilft die PhET-Simulation.

Wie viele Lektionen brauche ich?

Neun Lektionen mit allen Messversuchen. Ohne Kennlinienversuch und Messreihe reichen sechs bis sieben.

Wird die technische Stromrichtung oder die Elektronenrichtung verwendet?

Die Schaltpläne und Regeln verwenden die technische Stromrichtung von Plus nach Minus. Lektion 1 erklärt, dass sich die Elektronen in Metallen in die Gegenrichtung bewegen.

Quellen

Bildnachweise

  • Titelbild: KI-generiert
  • Schaltplan mit Batterie, Lampe, Amperemeter und Voltmeter. Das Amperemeter sitzt in der Leitung links, in Serie zur Lampe. Das Voltmeter ist mit zwei Leitungen an die beiden Anschlüsse der Lampe angeschlossen, also parallel.: Eigene Darstellung
  • Zwei Schaltpläne. Links Serieschaltung: Batterie, Amperemeter und zwei Lampen hintereinander in einem Kreis. Rechts Parallelschaltung: zwei Lampen auf zwei Zweigen zwischen zwei Knoten, das Amperemeter im gemeinsamen Teil.: Eigene Darstellung

Die Vorlage in Ihrem Kurs

Als Kurs übernehmen

Mit einem kostenlosen Konto übernehmen Sie die Vorlage als eigenen Kurs.