Strom erzeugt ein Magnetfeld
Jeder stromdurchflossene Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben. Zu einer Spule gewickelt, überlagern sich die Felder der Windungen: Außen gleicht das Feld dem eines Stabmagneten.
Projektstunde · Klasse 9
Der Elektromotor
Erst verstehen, dann bauen, messen und optimieren
Am Ende steht auf jedem Tisch ein selbst gebauter Gleichstrommotor, der sich dreht – und ein Messprotokoll, das belegt, wie lange und wie schnell. Der erste Teil klärt vorher, warum er sich überhaupt dreht.
Physik 4 bis 6 Unterrichtsstunden Film 3:29 min
Kein vollständiges Modul – ein Ausschnitt daraus
Dies ist kein vollständiges Modul, sondern ein Ausschnitt daraus: eine Projektstunde, die zu einem Modul der Reihe gehört und sich trotzdem einzeln unterrichten lässt. Ein Modul umfasst 36 Stunden in sechs Wochen und 25 Dokumente; diese Projektstunde umfasst vier bis sechs Stunden und fünf Dokumente mit zusammen 34 Seiten. Sie steht hier, weil sie zeigt, wie eine einzelne Einheit der Reihe aufgebaut ist – vom Film über den Fachtext bis zum gebauten und gemessenen Produkt.
Teil 1 · Einstieg
Der Film
Der Film eröffnet den ersten Teil, und zwar mit einem Beobachtungsauftrag: Die Klasse trägt in eine Tabelle ein, was zu sehen ist, und trennt dabei die Beobachtung von der Deutung.
„Der Elektromotor“ – der Einstiegsfilm des ersten Teils. Er liegt auf unserem eigenen Server; beim Aufruf dieser Seite wird nichts von einem anderen Anbieter geladen und erst ein Klick auf Abspielen startet die Übertragung.
Die fünf Szenen des Beobachtungsauftrags
Zu jeder Szene wird getrennt eingetragen, was zu sehen ist und wie es zu deuten ist.
- Ørsted, 1820
- Eine Kompassnadel dreht sich, sobald im Draht daneben Strom fließt.
- Die Spule mit Strom
- Die Felder der einzelnen Windungen überlagern sich: Die Spule bekommt einen Nord- und einen Südpol und zieht Eisen an.
- Lack ganz abgekratzt
- Der Strom fließt dauernd – die Spule dreht sich in die Gleichgewichtslage und bleibt hängen.
- Lack nur halb abgekratzt
- Der Strom fließt nur während einer halben Umdrehung. Die Spule läuft fortlaufend weiter.
- Das Karussell
- Einmal schubsen und loslassen hält es in Bewegung. Dauerschub würde bremsen.
Anschaulich im Film, anspruchsvoll in den Aufgaben
Der Film bleibt bewusst anschaulich und arbeitet mit dem Polmodell und dem Bild vom Karussell. Das Anspruchsniveau der Klassenstufe entsteht nicht im Film, sondern in den Aufgaben: Rechte-Hand-Regel, Drehmoment in Abhängigkeit von der Stellung, Kommutierung, Wirkungsgrad, Messreihe mit Mittelwert und Proportionalität – und zum Schluss die Kritik an genau den beiden Modellen, mit denen der Film angefangen hat.
Der Ablauf
Zwei Teile, je fünf Phasen
Die Reihenfolge ist verbindlich, die Zeiteinteilung nicht. Der erste Teil endet mit offenen Fragen, der zweite mit einem Motor und einem Protokoll.
Teil 1
Verstehen
Wie aus Strom Bewegung wird
-
1
Film
A1 – Film ansehen, Beobachtung und Deutung getrennt notieren
-
2
Fachtext
Fünf Abschnitte vom Magnetfeld bis zum Wirkungsgrad, dazu A2
-
3
Pflichtaufgaben
A3 bis A6: Pole, Bauteile, Stellungen, Erklärung
-
4
Sicherung
Vergleich mit dem Nachbarn, offene Fragen sammeln
-
5
Wahl und Vertiefung
A7 bis A10 und die Expertenaufgabe – mindestens zwei davon
Teil 2
Bauen, messen, optimieren
Entwickeln · testen · verbessern
-
1
Bauen
Arbeitsteilung im Zweierteam: Sockel (Schritte 1–4) und Spule (Schritte 5–11)
-
2
Zusammensetzen
Gemeinsam: Schritte 12 und 13, dann der Startcheck
-
3
Test 1
Messungen zu M1, S1 und S2, parallel das Protokoll
-
4
Optimierungsschleife
Schwachstelle benennen, eine Größe ändern, Test 2
-
5
Experiment
Drehrichtung umkehren (K1), aufräumen, abgeben
Einblicke ins Material
Was in den beiden Teilen tatsächlich drinsteckt
Die folgenden Abbildungen stammen unverändert aus dem Unterrichtsmaterial der Projektstunde.
Sechs Bauteile, sechs Ziffern, eine leere Spalte: Die Lernenden tragen selbst ein, welche Aufgabe jedes Teil hat.
Dieselbe Wicklung, entgegengesetzte Stromrichtung. Mit der Rechten-Hand-Regel ist zu bestimmen, wo jeweils Nord und Süd liegen.
Für jede der vier Stellungen ist zu entscheiden: Strom an oder aus? Und vor allem – warum.
Der Kern des ersten Teils in einem Bild: Eine Spule, die immer Magnet ist, bleibt stehen – wie eine Kompassnadel.
Dreizehn Bauschritte sind bebildert. Jede Maßangabe steht am Bild, nicht im Fließtext daneben.
Der Startcheck vor dem ersten Lauf – Drahtenden in den Löchern, Magnet mittig, nichts darf sich berühren.
Läuft er nicht, führen drei Fragen zur Ursache. Die häufigsten Fehler sind beidseitig geschliffene Enden, eine krumme Achse und ein Streifen ohne Kontakt.
Ein Ausschnitt, kein Ersatz.
Die Abbildungen stammen unverändert aus dem Arbeitsheft und dem Bauauftrag. Bewusst nicht gezeigt: die Grafiken aus den Lehrerhinweisen – sie enthalten die Lösungen. Das vollständige Material steht nicht zum Download bereit; Pilotschulen
erhalten es im Rahmen der Erprobung.
Teil 2 · Projektauftrag
Bauauftrag: ein Gleichstrommotor, der die Anforderungen erfüllt
Zweierteams arbeiten als Entwicklungsteam. Abgegeben werden am Ende der laufende Motor und das ausgefüllte Protokoll.
Die Anforderungsliste trennt drei Stufen. Muss-Anforderungen entscheiden, ob der Auftrag erfüllt ist; Soll-Anforderungen kennzeichnen eine gute, Kann-Anforderungen eine sehr gute Lösung. Zu jeder gehört ein Nachweis – nichts wird nach Augenmaß abgenommen.
| Nr. | Anforderung | Art | Nachweis |
|---|---|---|---|
| M1 | Der Motor läuft nach einmaligem Anstoßen mindestens 10 s ohne Hilfe. | muss | Stoppuhr |
| M2 | Die Spule dreht sich frei und berührt weder Magnet noch Batterie. | muss | Sichtprüfung |
| M3 | Der Sockel besteht aus Pappe; die Batterie liegt stabil zwischen den Lochstreifen. | muss | Sichtprüfung |
| S1 | Drehzahl mindestens 5 Umdrehungen pro Sekunde, als Mittelwert aus drei Messungen. | soll | Zeitlupenvideo, zählen |
| S2 | Der Motor läuft mindestens 60 s ohne Unterbrechung. | soll | Stoppuhr |
| K1 | Die Drehrichtung lässt sich nachweislich umkehren. | kann | Versuch, Beobachtung |
| K2 | Die Spule läuft ruhig und eiert kaum. | kann | Sichtprüfung |
Die Optimierungsschleife
Nach dem ersten Test benennt das Team die größte Schwachstelle, ändert genau eine Größe, begründet die Erwartung mit „weil“ und misst noch einmal. Bewertet wird die Durchführung, nicht der Messwert.
Gemessen wird dreifach
Der methodische Schwerpunkt von S1 ist nicht die Drehzahl selbst – einfache Modellmotoren liegen meist deutlich über fünf Umdrehungen pro Sekunde –, sondern die Dreifachmessung mit Mittelwert und Abweichung.
Differenzierung
Dieselben Aufgaben, mehr Gerüst
Das Arbeitsheft gibt es in zwei Fassungen. Beide haben dieselben Aufgaben unter denselben Nummern – beide Gruppen lassen sich deshalb gemeinsam besprechen.
Die Sprachstützenfassung enthält
- Einen entschachtelten Fachtext auf Niveau B1 mit Erklärungen in Klammern
- Einen Wortspeicher bei jeder einzelnen Aufgabe
- Vorgegebene Satzanfänge für die Antworten
- Dieselben Aufgabennummern wie die Standardfassung
Das Wortschatzheft
Ein eigenes Heft führt die Operatoren nach den drei Anforderungsbereichen ein – von „nennen“ über „erklären“ bis „beurteilen“, jeweils mit einem Beispiel aus genau dieser Projektstunde. Dazu der Fachwortschatz: Nomen mit Artikel und Plural, Verben in der dritten Person, Adjektive mit ihrem Gegenteil.
Wie ausführlich eine Antwort sein muss
Faustregel des Hefts: Anforderungsbereich I ist ein Wort oder ein Satz. Bereich II sind mehrere Sätze mit Fachbegriffen, bei Rechenaufgaben mit Formel, Rechnung und Einheit. Bereich III ist ein Urteil mit mindestens einer fachlichen Begründung.
Material
Was ein Zweierteam braucht
Alles für ein Zweierteam. Die Liste kommt ohne Fachhandel aus – bis auf den Kupferlackdraht, die Lochstreifen und den Magneten steckt der Rest in jedem Klassenraum.
Der Motor
2,5 bis 3 m Kupferlackdraht von etwa 0,5 mm Stärke, zwei Lochstreifen aus Metall mit mindestens sieben Löchern im Abstand von 1 cm, ein kleiner starker Neodym-Scheibenmagnet und eine Batterie der Größe AA.
Der Sockel
Stücke aus Wellpappe, Bastelkleber, Klebe- oder Isolierband, ein Gummiband und ein Wattestäbchen mit hohlem Kunststoffstiel.
Werkzeug und Messgeräte
Ein Rundstab von etwa 3 cm Durchmesser als Wickelhilfe, Schere, Lineal, Bleistift, feines Schleifpapier, ein wasserfester Stift, eine Stoppuhr und ein Smartphone mit Zeitlupenfunktion.
Vorbereitung mit Vorlauf
Lochstreifen und Magnete vorab bereitlegen und den Draht schon auf 2,5 bis 3 m ablängen. Ein fertiger Motor als Anschauungsobjekt hilft bei den Aufgaben zu den Bauteilen und den Stellungen.
Sicherheit
Neodym-Magnete sind sehr stark: Sie klemmen Finger ein, splittern und gehören nicht in die Nähe von Smartphones, Bankkarten oder Herzschrittmachern. Der Motor ist elektrisch fast ein Kurzschluss – Draht und Batterie werden warm, die Spule wird zwischen den Tests herausgenommen. Drahtenden sind spitz. Nur Batterien, niemals ein Netzteil und niemals die Steckdose.
Bewertung
Ein Vorschlag über 20 Punkte
Die Lehrerhinweise schlagen eine Bewertung über 20 Punkte vor. Sie ist ausdrücklich optional: Die Projektstunde lässt sich auch ohne Note unterrichten.
| Bestandteil | Punkte | Erhebung |
|---|---|---|
| M1 bis M3 erfüllt | 6 | je 2 Punkte |
| S1 und S2 erfüllt | 4 | je 2 Punkte |
| K1 und K2 erfüllt | 2 | je 1 Punkt |
| Messprotokoll | 3 | vollständig, Mittelwert und Abweichung korrekt |
| Optimierungsschleife | 3 | eine Variable, begründete Hypothese, Vergleich mit den Messwerten |
| Experiment zur Drehrichtung | 2 | Erklärung mit Fachbegriffen |
| Gesamt | 20 | optional – die Projektstunde läuft auch ohne Note |
Nicht der Maßstab eines Moduls.
Ein vollständiges Modul ab Klasse 7 bewertet über 161 Punkte in 47 Positionen
und weist die sprachliche Leistung getrennt aus. Diese zwanzig Punkte gelten
allein für die Projektstunde auf dieser Seite.
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Die Vormerkung ist unverbindlich. Es erfolgt keine Bestellung und keine Zahlung. Wir informieren Sie über Pilotphase, Preis und möglichen Verkaufsstart.