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Flache Illustration einer Alpenlandschaft: eine geschwungene Staumauer hält einen türkisfarbenen Bergsee zwischen verschneiten Gipfeln, eine Leitung führt hinunter zu einem kleinen Kraftwerk, im Tal stehen Strommasten.

Natur und Technik · Deutschschweiz · Zyklus 3

Energie und Energieumwandlung

Eine Unterrichtsreihe für Natur und Technik im Zyklus 3 zu Energie, mit der Wasserkraft der Schweiz als rotem Faden. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Energieformen und zeichnen Energieumwandlungsketten, wenden den Energieerhaltungssatz an und berechnen Wirkungsgrade. Sie berechnen Lage-, Bewegungs- und elektrische Energie am Beispiel der Grande Dixence, messen ihre eigene Leistung auf der Treppe und ordnen den Strommix und die Speicher der Schweiz ein.

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

  • Die Schülerinnen und Schüler benennen Energieformen und Energiewandler und stellen Energieumwandlungsketten schematisch dar.
  • Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Energieerhaltungssatz mit Beispielen, legen Systemgrenzen fest und erklären die Energieentwertung.
  • Die Schülerinnen und Schüler berechnen Wirkungsgrade und begründen, warum ein Perpetuum mobile unmöglich ist.
  • Die Schülerinnen und Schüler berechnen Lage-, Bewegungs- und elektrische Energie sowie Arbeit und Leistung und rechnen zwischen Joule und Kilowattstunden um.
  • Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Strommix und die Möglichkeiten der Energiespeicherung in der Schweiz und begründen Massnahmen zum sparsamen Umgang mit Energie.

Bezug zum Lehrplan 21

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

  • Kompetenzbereich: NT.4 Energieumwandlungen analysieren und reflektieren
  • Kompetenz: NT.4.1 Die Schülerinnen und Schüler können Energieformen und -umwandlungen analysieren.
  • Kompetenzstufe: NT.4.1.a können Vorgänge beschreiben, bei denen eine Energieform in eine andere Energieform umgewandelt wird (z.B. Verbrennung von Treibstoff, Verwertung der Nahrung im Körper, den Berg hinunterschlitteln, einen Backofen benutzen, eine Glüh-, Halogen- oder Energiesparlampe verwenden).
  • Kompetenzstufe: NT.4.1.b können Energieumwandlungsketten schematisch darstellen sowie Energieformen und -wandler benennen (z. B. Bewegungsenergie - Energiewandler Generator - elektrische Energie - Energiewandler Heizung - thermische Energie)
  • Kompetenzstufe: NT.4.1.c kennen die Bedeutung der Systemgrenzen bei der Beschreibung von Energieumwandlungsprozessen. können das Prinzip der Energieerhaltung beschreiben und mithilfe von Beispielen verdeutlichen.
  • Kompetenzstufe: NT.4.1.d können die umgewandelte Energie pro Zeit als Leistung experimentell erfassen und beschreiben (z.B. mechanische Leistung beim Treppensteigen als gewonnene Lageenergie pro Zeit, elektrische Leistung beim Wasserkochen als benötigte elektrische Energie pro Zeit). können die Arbeit als eine der massgeblichen Grössen im Prozess der Energieumwandlung identifizieren und beschreiben.
  • Kompetenzstufe: NT.4.1.e können in verschiedenen Situationen Lage-, Bewegungs- und elektrische Energie berechnen (z.B. verschieden schwere Steine werden in verschiedene Höhen gehoben, verschieden lange Laufzeiten von elektrischen Geräten). können mechanische und elektrische Leistung berechnen.
  • Kompetenz: NT.4.2 Die Schülerinnen und Schüler können Herausforderungen zu Speicherung, Bereitstellung und Transport von Energie beschreiben und reflektieren.
  • Kompetenzstufe: NT.4.2.b können mithilfe von Alltagsbeispielen zeigen, dass bei Energieumwandlungen fast immer ein Teil der Energie in thermische Energie umgewandelt wird.
  • Kompetenzstufe: NT.4.2.c können verschiedene Möglichkeiten der Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie benennen und beschreiben (z.B. Batterie, Schwungrad, Dynamo, Generatoren in Energiewerken).
  • Kompetenzstufe: NT.4.2.d können verschiedene Formen der Energiebereitstellung recherchieren und diese vergleichend analysieren. können den Wirkungsgrad von Energiewandlern vergleichen und bewerten (z.B. nicht nutzbare Energieformen, Inexistenz eines Perpetuum mobile).
  • Kompetenzstufe: NT.4.2.f können die Erkenntnisse über Energie in Alltagssituationen anwenden und im Umgang mit Energieressourcen reflektiert handeln.

Ablauf

  1. Abschnitt 1

    Energieformen und Energieumwandlungsketten

    Lage-, Bewegungs-, Spann-, elektrische, chemische, thermische und Strahlungsenergie, Energiewandler, Ketten vom Stausee bis zum Handy.

    • Lektion

      Energieformen und Energieumwandlungsketten

      Wenn du dein Handy am Abend einsteckst, kommt der Strom mit grosser Wahrscheinlichkeit zu einem guten Teil aus Wasserkraft. Irgendwo in den Alpen…

    • Aufgabe

      Energiekette eines Alltagsgeräts

      Wähle ein Gerät aus deinem Alltag, zum Beispiel E-Bike, Toaster, Gasgrill oder Powerbank. Zeichne die vollständige Energieumwandlungskette von der ursprünglichen Energiequelle bis zur genutzten Energieform. Beschrifte die Energieformen in Kästen und die Energiewandler an den Pfeilen. Markiere mit einer anderen Farbe, wo Wärme entsteht, die nicht genutzt wird.

  2. Abschnitt 2

    Energieerhaltung, Energieentwertung und Wirkungsgrad

    Energieerhaltungssatz, Systemgrenze, Entwertung zu Wärme, Wirkungsgrad, Perpetuum mobile.

  3. Abschnitt 3

    Lageenergie, Bewegungsenergie und elektrische Energie berechnen

    Formeln für Lage-, Bewegungs- und elektrische Energie, Kilowattstunde, Rechenbeispiele an der Grande Dixence.

  4. Abschnitt 4

    Arbeit und Leistung: der Treppenversuch

    Arbeit als übertragene Energie, Leistung in Watt, eigene Leistung beim Treppensteigen messen.

    • Lektion

      Arbeit und Leistung berechnen

      Zwei Schüler steigen dieselbe Treppe im Schulhaus hoch. Lea braucht 8 Sekunden, Tim schlendert und braucht 20 Sekunden. Beide sind gleich schwer…

    • Sicher messen

      Steig die Treppe zügig, aber ohne zu rennen, und halte dich am Geländer. Es ist kein Wettrennen. Wenn du deine Masse nicht angeben möchtest, rechne mit 50 kg.

    • Aufgabe

      Protokoll Treppenversuch

      Führe den Treppenversuch zu zweit durch und schreibe ein Protokoll mit Messwerten (Stufenhöhe, Anzahl Stufen, Zeit, Masse oder angenommene Masse).

      1. Berechne Höhe, Hubarbeit und Leistung.
      2. Vergleiche langsames und zügiges Steigen.
      3. Nenne zwei Messfehler und wie man sie verkleinern könnte.
      4. Wie viele LED-Lampen mit je 8 W könnte deine Leistung theoretisch betreiben?

  5. Abschnitt 5

    Energie in der Schweiz und Selbsttest

    Strommix 2024, Strom und Endenergie, erneuerbare und fossile Energieträger, Speicherung, typische Fehler, Selbsttest.

    • Lektion

      Strommix der Schweiz und Energiespeicher: Selbsttest

      Im Sommer schmilzt der Schnee in den Alpen, die Flüsse führen viel Wasser, und Solaranlagen liefern Strom bis spät am Abend. Die Schweiz exportiert…

    • Material

      Pumpspeicherkraftwerk Nant de Drance

      Nant de Drance SA, Lizenz: Alle Rechte vorbehalten, nur verlinkt

    • Aufgabe

      Ein Kraftwerk aus der Region

      Recherchiere ein Kraftwerk in deinem Kanton oder in deiner Nähe: ein Laufkraftwerk, Speicherkraftwerk, eine grosse Solaranlage oder ein Holzkraftwerk.

      1. Zeichne die Energieumwandlungskette.
      2. Gib Leistung und Jahresproduktion an und nenne die Quelle.
      3. Berechne, wie viele Haushalte mit je 4000 kWh pro Jahr damit rechnerisch versorgt werden.
      4. Nenne einen Vorteil und einen Nachteil des Kraftwerks für Mensch und Natur.

Hinweise für Lehrpersonen

Einordnung in den Lehrplan 21

Die Reihe bearbeitet den Kompetenzbereich NT.4 „Energieumwandlungen analysieren und reflektieren“. Aus NT.4.1 stammen das Beschreiben von Umwandlungen zwischen Lage-, Bewegungs-, elektrischer, chemischer und thermischer Energie (a), Energieumwandlungsketten mit Energieformen und Wandlern (b), Systemgrenzen und Energieerhaltung (c), Leistung und Arbeit (d) sowie das Berechnen von Lage-, Bewegungs- und elektrischer Energie und Leistung (e). NT.4.2 steuert Energieentwertung (b), Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie (c), erneuerbare und fossile Energieträger und den Wirkungsgrad samt Unmöglichkeit des Perpetuum mobile (d) sowie den reflektierten Umgang mit Energieressourcen (f) bei. NT.4.1.f (Fotosynthese und Zellatmung als Energieumwandlung) und NT.4.2.a (Wärmedämmung) sind nicht Teil dieser Reihe. Die Berechnungen (NT.4.1.e) gehören zu den höheren Kompetenzstufen, die Reihe passt deshalb ins 8. oder 9. Schuljahr. Die Zuordnung regelt Ihr Kanton.

Zeitplan (8 Lektionen)

LektionAbschnitt
1Energieformen, Energiewandler, Energieumwandlungsketten
2Energieerhaltung, Systemgrenze, Energieentwertung, Wirkungsgrad
3–4Lage-, Bewegungs- und elektrische Energie berechnen
5–6Arbeit und Leistung, Treppenversuch
7Strommix der Schweiz, Speicherung, Energiesparen
8Selbsttest, Recherche-Auftrag besprechen

Sicherheit

  • Treppenversuch: nicht rennen, Geländer benutzen, kein Wettkampf. Die Körpermasse ist ein sensibles Datum. Bieten Sie an, mit einem angenommenen Wert zu rechnen, und veröffentlichen Sie keine Ranglisten.
  • Wasserkocher und heisses Wasser nur unter Aufsicht, Kabel nicht über Tischkanten hängen lassen.
  • Für Energiemessgeräte zwischen Steckdose und Gerät gilt: nur geprüfte Geräte verwenden, nie an geöffneten Geräten messen. Es gelten die Weisungen Ihres Kantons und Ihrer Schule zum Umgang mit Netzspannung im Unterricht.

Typische Fehlvorstellungen

  • Energie wird verbraucht oder erzeugt. Bleiben Sie in der Fachsprache konsequent bei „umgewandelt“ und „entwertet“, die Alltagssprache darf daneben stehen.
  • Kraft, Energie und Leistung sind dasselbe. Die Treppe in Lektion 4 trennt Arbeit (gleich) und Leistung (verschieden).
  • Watt pro Stunde. Die Kilowattstunde ist ein Produkt aus Leistung und Zeit, keine Rate.
  • Hohe Geschwindigkeit, doppelte Energie. Das Quadrat in der Bewegungsenergie wird oft übersehen. Der Bremsweg-Vergleich in Lektion 3 hilft.
  • Speicherkraftwerke erzeugen Energie aus Wasser. Die Energie stammt aus der Sonne, die den Wasserkreislauf antreibt.

Differenzierung

  • Grundlegend: Energieketten mit Kärtchen legen, Rechnungen mit g ≈ 10 N/kg, Lösungen mit Rechenweg als Vorlage.
  • Erweitert: Rechnungen mit Wirkungsgrad über mehrere Wandler, Vergleich Laufkraftwerk und Speicherkraftwerk, Rechercheauftrag zu einem Kraftwerk der eigenen Region.
  • Die Simulation „Energie-Skatepark“ von PhET eignet sich für alle Niveaus, um Lage- und Bewegungsenergie mit und ohne Reibung zu vergleichen.

Handlungsaspekte

Die Welt wahrnehmen: Energieumwandlungen im Alltag erkennen. Sich die Welt erschliessen: Energie und Leistung messen und berechnen. Sich in der Welt orientieren: Strommix, Speicher und Versorgungssicherheit der Schweiz einordnen. In der Welt handeln: Sparmassnahmen begründen und umsetzen.

Häufige Fragen

In welchem Schuljahr passt die Reihe?

Die Rechnungen mit Lage-, Bewegungs- und elektrischer Energie gehören zu den höheren Kompetenzstufen von NT.4.1. Die Reihe ist deshalb für das 8. oder 9. Schuljahr gedacht. Lektion 1 und 2 funktionieren auch früher.

Wie viele Lektionen brauche ich?

Acht Lektionen. Wenn Sie den Treppenversuch und den Rechercheauftrag weglassen, reichen sechs.

Kann ich die Reihe auch ohne Formeln unterrichten?

Ja. Lektion 1, 2 und 5 kommen fast ohne Rechnen aus. Für leistungsschwächere Klassen können Sie in Lektion 3 und 4 mit g ≈ 10 N/kg und runden Zahlen arbeiten.

Wie aktuell sind die Zahlen zum Strommix?

Die Zahlen stammen aus der Schweizerischen Elektrizitätsstatistik 2024 des Bundesamts für Energie. 2024 war ein sehr nasses Jahr mit viel Wasserkraft. Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler die aktuellen Werte nachschlagen und vergleichen.

Quellen

Bildnachweise

  • Titelbild: KI-generiert
  • Lac des Dix mit Staumauer: Bild: Roland Zumbühl (Picswiss), CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons
  • Schema eines Speicherkraftwerks: links ein Stausee hinter einer Staumauer, eine Druckleitung führt den Hang hinunter zu einem Maschinenhaus mit Turbine und Generator. Die Fallhöhe h ist vom Wasserspiegel bis zur Turbine eingezeichnet.: Eigene Darstellung

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