Das Ohmsche Gesetz

Aktives Experimentieren eignet sich hier besonders, weil Schülerinnen und Schüler durch eigenes Messen und Beobachten das lineare Verhältnis zwischen Spannung, Strom und Widerstand direkt erleben. Die physikalischen Zusammenhänge werden so nachhaltiger verinnerlicht als durch theoretische Erklärungen allein.

• Klasse 8
• Physik 8: Kräfte, Energie und elektrische Welten
• 4 Aktivitäten
• 35 Min.–50 Min.

Lernziele

1. Berechnen Sie den elektrischen Widerstand eines ohmschen Leiters bei gegebener Spannung und Stromstärke.
2. Erklären Sie den linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke für einen metallischen Leiter anhand der Kennlinie.
3. Vergleichen Sie das Verhalten eines ohmschen Leiters mit dem einer Glühlampe hinsichtlich ihres Widerstands bei unterschiedlichen Spannungen.
4. Identifizieren Sie Bauteile, für die das Ohmsche Gesetz nicht gilt, und begründen Sie dies mit temperaturabhängigem Widerstand.

Forschungskreis

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Messstationen: Widerstandsvariation

Richten Sie drei Stationen ein: niedriger, mittlerer und hoher Widerstand bei konstanter Spannung von 3 V. Schüler messen den Strom mit Amperemeter, notieren Werte und prognostizieren den nächsten. Abschließend plotten sie I gegen R.

Vorbereitung & Details

Wie verändert sich der Stromfluss, wenn der elektrische Widerstand bei gleichbleibender Spannung erhöht wird?

Moderationstipp: Fordern Sie die Schüler auf, während der Messstationen Hypothesen zu notieren, wie sich der Strom bei Verdopplung des Widerstands verändern wird.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Quellenmaterialien

Materials: Quellensammlung, Arbeitsblatt zum Forschungszyklus, Leitfaden zur Fragestellung, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Forschungskreis

⏱ 50 Min.·Partnerarbeit

Kennlinien-Experiment: Spannungssweep

Schüler bauen einen Kreis mit festem Widerstand, variieren die Spannung von 0 bis 6 V in 1-V-Schritten und messen den Strom. Sie zeichnen die Kennlinie in ein Koordinatensystem und bestimmen die Steigung als 1/R. Diskutieren Sie Abweichungen bei hohen Spannungen.

Vorbereitung & Details

Wie lässt sich die Kennlinie eines metallischen Leiters experimentell ermitteln?

Moderationstipp: Lassen Sie die Gruppen beim Spannungssweep die Messwerte sofort in ein gemeinsames Koordinatensystem eintragen, um die Linearität sichtbar zu machen.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Quellenmaterialien

Materials: Quellensammlung, Arbeitsblatt zum Forschungszyklus, Leitfaden zur Fragestellung, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Forschungskreis

⏱ 40 Min.·Kleingruppen

Vergleichsmesse: Ohmsch vs. nicht-ohmsch

Gruppen testen einen festen Widerstand und eine Glühlampe bei gleicher Spannung. Sie messen Stromwerte, plotten beide Kennlinien und vergleichen die Linearität. Erklären Sie die Unterschiede durch Temperaturwirkung.

Vorbereitung & Details

Warum gilt das Ohmsche Gesetz nicht für alle elektrischen Bauteile?

Moderationstipp: Vergleichen Sie nach dem Experiment die Glühlampe und den Widerstand direkt nebeneinander und bitten Sie die Schüler, die Unterschiede in den Kennlinien zu benennen.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Quellenmaterialien

Materials: Quellensammlung, Arbeitsblatt zum Forschungszyklus, Leitfaden zur Fragestellung, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Forschungskreis

⏱ 35 Min.·Einzelarbeit

Berechnungs-Challenge: Kreisbau

Individuell entwerfen Schüler Kreise mit gegebenen R-Werten für Zielströme bei 9 V. Sie bauen auf, messen und passen an. Teilen Sie Erfolge in Plenum.

Vorbereitung & Details

Wie verändert sich der Stromfluss, wenn der elektrische Widerstand bei gleichbleibender Spannung erhöht wird?

Moderationstipp: Legen Sie für die Kreisbau-Challenge Wert auf saubere Schaltpläne, damit die Schüler die Zusammenhänge zwischen Widerstandswerten und Stromstärke nachvollziehen.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Quellenmaterialien

Materials: Quellensammlung, Arbeitsblatt zum Forschungszyklus, Leitfaden zur Fragestellung, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Selbstwahrnehmung

Dieses Thema unterrichten

Das Ohmsche Gesetz wird am besten durch schrittweises, experimentell gestütztes Lernen vermittelt. Vermeiden Sie es, die Formel vor den Messungen zu nennen – die Schüler sollen sie selbst aus ihren Daten ableiten. Nutzen Sie Alltagsbeispiele wie Fahrraddynamos oder Heizdrähte, um die Relevanz zu zeigen. Wiederholen Sie die Regel U = R · I mehrmals mit variierenden Zahlen, um sie zu festigen.

Was Sie erwartet

Am Ende der Einheit können die Schülerinnen und Schüler das Ohmsche Gesetz anwenden, Widerstandsänderungen im Stromkreis vorhersagen und ohmsche von nicht-ohmschen Bauteilen unterscheiden. Sie zeichnen Kennlinien selbstständig und begründen Abweichungen mit den Eigenschaften der Materialien.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während der Messstationen Widerstandsvariation, beobachten Sie, dass einige Schüler denken, der Strom bleibe trotz Widerstandsänderung gleich.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Nutzen Sie diese Station, um gezielt zu fragen: 'Misst ihr wirklich denselben Strom? Zeichnet die Werte auf und vergleicht.' Fordern Sie die Schüler auf, ihre Beobachtungen in die Formel U = R · I einzusetzen.

Häufige Fehlvorstellung

Während des Vergleichsexperiments Ohmsch vs. nicht-ohmsch, glauben manche Schüler, dass alle Bauteile dem Ohmschen Gesetz folgen.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lassen Sie die Schüler die Kennlinien vergleichen und fragen: 'Warum ist die Glühlampe-Kurve gekrümmt? Diskutiert in der Gruppe, wie Temperatur den Widerstand beeinflusst.' Heben Sie den Unterschied zwischen linearen und nicht-linearen Kennlinien hervor.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Berechnungs-Challenge Kreisbau, nehmen einige an, dass eine höhere Spannung immer zu einem proportional höheren Strom führt, unabhängig vom Widerstand.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lassen Sie die Schüler die Schaltung mit festem und variablem Widerstand testen. Fragen Sie: 'Was passiert mit dem Strom, wenn ihr den Widerstand erhöht? Schreibt die Formel auf und überprüft eure Vermutung mit den Messwerten.'

Ideen zur Lernstandserhebung

Lernstandskontrolle

Nach der Messstationen Widerstandsvariation erhalten die Schüler ein Arbeitsblatt mit einem einfachen Stromkreisdiagramm und drei Bauteilen. Sie sollen für jedes Bauteil eine Vermutung formulieren, ob es ohmsch ist, und ihre Antwort mit einem Stichwort aus den Experimenten begründen.

Kurze Überprüfung

Nach der Berechnungs-Challenge Kreisbau stellen Sie folgende Frage: 'Ein Verbraucher hat bei 6V einen Strom von 2A. Welchen Widerstand hat er? Was passiert mit dem Strom, wenn die Spannung auf 12V steigt?' Die Schüler notieren Rechnung und Erklärung auf einem Blatt.

Diskussionsfrage

Während des Vergleichsexperiments Ohmsch vs. nicht-ohmsch zeigen Sie die Kennlinien einer Glühlampe und eines Widerstands. Fragen Sie die Klasse: 'Was fällt euch beim Vergleich der Graphen auf? Erklärt den Unterschied mit dem Verhalten der Bauteile.' Leiten Sie die Diskussion zu Temperaturabhängigkeit und ohmschen Leitern.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie die Schüler auf, eine unbekannte Spannungsquelle zu kalibrieren, indem sie mit ihren Widerstandswerten den Strom messen und die Spannung berechnen.
• Geben Sie Schülern, die unsicher sind, ein vorbereitetes Tabellenblatt mit bereits berechneten Werten zum Abgleichen ihrer Messungen.
• Lassen Sie die Schüler eine selbstgebaute Widerstandsleiter entwerfen und deren Kennlinie aufnehmen, um die Proportionalität zu vertiefen.

Schlüsselvokabular

Elektrische Spannung (U)	Die Ursache für den elektrischen Stromfluss in einem Leiter, gemessen in Volt (V).
Elektrische Stromstärke (I)	Die Menge an elektrischer Ladung, die pro Zeiteinheit durch einen Leiter fließt, gemessen in Ampere (A).
Elektrischer Widerstand (R)	Der Widerstand eines Leiters gegenüber dem Stromfluss, gemessen in Ohm (Ω). Er beschreibt, wie stark der Stromfluss durch den Leiter behindert wird.
Ohmscher Leiter	Ein elektrischer Leiter, bei dem der Widerstand konstant bleibt, sodass Spannung und Stromstärke direkt proportional zueinander sind (U = R · I).
Kennlinie	Ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke für ein elektrisches Bauteil darstellt.