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1.2.2Lehrplankoordination in den naturwissenschaftlichen FächernPhysik:Vorwissen aus der Klassenstufe 7: Einen Schwerpunkt der Klassenstufe bildet dieUnterrichtseinheit „Mechanische Grundbegriffe: Kraft, Arbeit, Energie und Leistung“.Der Begriff Energie wird als Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten, eingeführt.Diese Fähigkeit gehobener Körper, gespannter Federn oder bewegter Körper wird inVersuchen demonstriert. Die Schülerinnen und Schüler lernen folgende Energieformen kennen: Lage- oder Höhenenergie, Bewegungsenergie, Spannenergie, Wärmeenergie.Besonders deutlich wird der Unterschied zwischen den physikalischen Größen Arbeitund Energie herausgearbeitet: Arbeit ist ein Vorgang, Energie charakterisiert den Zustand eines Körpers, die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Gleichzeitig wird aber derenge Zusammenhang zwischen beiden Größen betont: Um einem Körper Energie zuverleihen, muss Arbeit verrichtet werden, ein Körper, der Energie besitzt, kann Arbeitverrichten.Beide Größen werden in gleichen Einheiten gemessen.In Versuchen zum Maxwellschen Rad, am Feder- bzw. Fadenpendel oder mit derRamme erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass die Formen der mechanischenEnergie ineinander umwandelbar sind. Sie werden in diesem Zusammenhang auchauf die Wärmeenergie hingewiesen.Von den Energieumwandlungen ausgehend wird der Satz von der Erhaltung der Energie erarbeitet (Energie kann weder geschaffen noch vernichtet werden). Hier werdenhauptsächlich mechanische Energieformen und die durch Reibung entstehende Wärmeenergie betrachtet.1.2.3Mathematische AspekteFür die Thematik relevante Vorkenntnisse:Die Mathematik hat im Unterricht des Wahlpflichtfachs dienende Funktion. Dort, woes um Quantifizierung und funktionale Abhängigkeiten geht, müssen mathematischeKenntnisse und Fertigkeiten eingesetzt werden. Da das Thema „Energie" zu denschwierigeren Themen des Lehrplans gehört, empfiehlt es sich, es in der 8. Klassenstufe zu behandeln. Dadurch können auch mathematische Fähigkeiten, die in der 7.Klassenstufe erlernt worden sind, angewandt werden. Das sind unter anderem die fürdas Thema relevanten Unterrichtsstoffe:Î Vorwissen:Auf welche mathematischen Fähigkeiten und Fertigkeiten kann man im Wahlpflichtfach zurückgreifen? Bruchrechnen: Das Rechnen mit gemeinen Brüchen und mit Dezimalbrüchen istThema der Orientierungsstufe. Umgang mit Größen: Der Umgang mit den geläufigen Längen, Flächen- und Volumen- und Zeitmaßen wird bereits in Grundschule und Orientierungsstufe geübt. Prozentrechnung: Die Grundaufgaben der Prozentrechung werden im 7. Schuljahr eingeführt, die grafische Veranschaulichung (leider) erst im 8. Schuljahr.4

Letzteres bedeutet, dass mit der Fachlehrerin bzw. dem Fachlehrer für Mathematik Absprachen getroffen werden müssen. Zuordnungen zwischen Größenbereichen: In der Orientierungsstufe wurdendie Grundkenntnisse zur Darstellung von Tabellen und Diagrammen vermittelt. Im7. Schuljahr lernen die Kinder proportionale und antiproportionale Zuordnung vonGrößen und deren Darstellung im Koordinatensystem kennen.Beschreibende Statistik: Im 8. Schuljahr geht es um die Erhebung und Aufbereitung statistischer Daten, um statistische Kennwerte (Stichprobe, arithmetischesMittel, Zentralwert) und um die Auswertung und Beurteilung statistischer Daten.Evtl. müssen die Schülerinnen und Schüler in die Mittelwertberechnung eingeführtwerden. Auch hier ist eine Absprache mit den Mathematiklehrerinnen und -lehrernunumgänglich.1.2.4Experimente und UnterrichtsgängeDie Handlungsorientierung ist im Unterricht des Wahlpflichtfaches MathematikNaturwissenschaften eines der wichtigsten Prinzipien. Durch einfache Versuche, denSelbstbau von Geräten und durch die originale Begegnung vor Ort erfassen dieSchülerinnen und Schüler einerseits die Thematik intensiv (langfristiger Lernerfolg),andererseits werden sie zum umweltverantwortlichen Handeln angeregt.Der Fachlehrerin bzw. dem Fachlehrer bleibt es überlassen, für welche und wie vieleExperimente er sich im Einzelnen entscheidet.Bei der experimentellen Arbeit geht es vor allem um: Eigenständiges Arbeiten der Schülerinnen und Schüler mit möglichst einfachenGeräten und Versuchsaufbauten Einüben von Experimentiertechniken Vertraut machen mit verschiedenen Untersuchungsmethoden Auswertung und kritische Diskussion von VersuchsergebnissenIm Themenbereich „Energie“ kommt das „klassische“ naturwissenschaftliche Experiment zur systematisch-empirischen Beantwortung einer Fragestellung (Hypothesenbildung, Planung, Durchführung und Auswertung eines Experiments) kaum zum Zuge. Vielmehr geht es hier um angeleitetes, dann aber möglichst selbstständiges Untersuchen von natürlichen Vorgängen.Bei „Modellexperimenten“ (Heizung, Speicherkraftwerk, Sonnenkollektor) muss besonders darauf geachtet werden, dass die Schülerin oder der Schüler das Modellnicht vorbehaltlos mit den Naturgegebenheiten gleichsetzt. Die Verallgemeinerungam eingesetzten „Modellexperiment“ erfordert eine Konfrontierung der Versuchsergebnisse mit dem natürlichen Objekt. Den Schülerinnen und Schülern dieser Altersstufe fällt es z. T. noch sehr schwer, von der konkreten Versuchsanordnung zu abstrahieren. Diese Tatsache deutet darauf hin, dass die Gefahr besteht, dass die Schülerin oder der Schüler das Experiment mit der Natur vorbehaltlos gleichsetzt und sichdadurch fehlerhafte Vorstellungen aneignet.5

Selbstverständlich ist jeder Versuch vor seiner „unterrichtlichen Verwendung“ von derLehrerin oder dem Lehrer selbst zu erproben. Dabei ist ein mehrmaliges Durchführeneines Experimentes erforderlich, um mit großer Sicherheit alle wesentlichen technischen Besonderheiten zu erfassen, die für den Versuchsablauf entscheidend sind.Außerschulische Lernorte„Die Unterrichtsgegenstände sollen möglichst unmittelbar von den Schülerinnen undSchülern erfahren werden. Eine originale Begegnung mit den Phänomenen in derUmwelt der Jugendlichen steht im Vordergrund und erfordert oftmals eine Verlagerung des Lernortes aus der Schule.“ 2Exkursionen sind daher wichtiger Bestandteil des Unterrichts. Die Organisation desUnterrichts in Doppelstunden und ein schulnaher Untersuchungsort sind Voraussetzung. Günstig kann die Festlegung des Wahlpflichtunterrichts in den letzten beidenUnterrichtsstunden am Vormittag sein, weil dann die Möglichkeit besteht, auch einmal über die Mittagszeit hinaus den Unterricht zu verlängern.Der Unterrichtsgang muss gut vorbereitet werden, soll die zur Verfügung stehendeZeit effektiv genutzt werden. Die Lehrerin oder der Lehrer muss (mindestens) eineVorexkursion machen, um sich vor Ort darüber Klarheit zu verschaffen, welche Arbeitsaufgaben für den geplanten Unterricht in Frage kommen. Er muss entscheiden,welche Inhalte bereits in der Schule vorher besprochen und welche nach der praktischen Arbeit im Gelände in der Schule vertiefend behandelt werden müssen.Auch die zeitlichen Probleme, die immer wieder Schwierigkeiten bereiten (z. B. Wegzum Untersuchungsort), können so im Vorfeld eingeschätzt und bei der Planung berücksichtigt werden.In Abhängigkeit vom Schulstandort und den Angeboten der regionalen Energieversorger bestehen vielfältige, kostenlose oder zumindest kostengünstige Möglichkeiten,außerschulische Lernorte oder Experten in den Unterricht einzubeziehen, z. B. Laufkraftwasserwerke, Windkraftanlagen, Biogasanlagen, Photovoltaikanlagen oder einWärmekraftwerk.Folgende Aspekte sollten bei der Vorbereitung berücksichtigt werden: Eine zumindest mittelfristige Planung: Bei starker Nachfrage - vor allem der kostenlosen Angebote - sind Anmeldungen z. T. mehrere Monate vor dem geplantenUnterrichtsgang erforderlich. Eine umfassende Absprache mit Kollegen: Durch Unterrichtsgänge im Wahlpflichtfach ist in der Regel der reguläre Unterrichtsablauf in mehreren Klassenempfindlich gestört. Ein intensives Vorgespräch mit den außerschulischen Partnern: Ist der außerschulische Lernort für die Altersstufe geeignet? Ist der außerschulische Partnerals Experte in der Lage, seine Erläuterungen klassenstufengemäß anzubieten?2Lehrplan Wahlpflichtfach Mathematik-Naturwissenschaften (Klassen 7 und 8) Realschule, Mainz 1999, S. 76

2Der Unterricht2.1Einführung in die ThematikDer Energiebegriff ist innerhalb des naturwissenschaftlichen Unterrichts von großerBedeutung. Aufbauend auf den Vorkenntnissen des Physikunterrichts der Klassenstufe 7 verfolgt die Unterrichtseinheit „Energie und Energieträger" deshalb das Ziel,das Verständnis des Energiebegriffes zu festigen und zu vertiefen. Wenn die Schülerinnen und Schüler somit einen weiteren Schritt unternehmen, den Energiebegriff imnaturwissenschaftlichen Sinne zu verstehen, werden sie zunehmend in die Lage versetzt, sich an Alltagsdiskussionen zum Thema zu beteiligen und Aussagen und Entscheidungen kritisch zu bewerten.Der Energiebegriff spielte in den Anfängen der Menschheit vor allem im Hinblick aufeine gesicherte, heute immer stärker unter dem Gesichtspunkt einer umweltverträglichen Energieversorgung eine bedeutende Rolle.Über lange Zeiträume war der Mensch alleine auf die Muskelkraft angewiesen um zuüberleben. Erst mit der Nutzbarmachung des Feuers (um 300.000 v. Chr.) wird erunabhängiger von den unmittelbaren Umweltgegebenheiten. Er kann sich wärmen,die Ernährung vielfältiger gestalten, in der Bronze- und Eisenzeit neue Stoffe unddamit Gegenstände gewinnen und nutzen. Die Menschen nutzen also zunächst dieEnergie, um ihr Überleben zu sichern.Als Quelle mechanischer Energie wird erst Jahrhunderte später die Muskelkraft derMenschen oder die seiner Tiere ergänzt durch Wind und Wasser (Segelschiffe, Mühlen).Eine grundlegende Umwälzung bahnt sich im 18. Jahrhundert durch die Erfindung derDampfmaschine an. Sie vergrößert die Unabhängigkeit von der Umwelt, da man bei derErzeugung mechanischer Energie nicht mehr an Wasser und Wind gebunden ist,Brennstoffe sind nun transportabel. Der Mensch setzt die Energie immer stärker ein, umsich von körperlicher Arbeit zu entlasten und den Wohlstand zu vergrößern.Mittlerweile sind die Menschen, sowohl in den Industrie- als auch in den Entwicklungsländern, ohne eine sichere und ausreichende Energieversorgung nicht mehrexistenzfähig. Die Herstellung und Nutzung von Gütern, das Dienstleistungsangebotund die Befriedigung immer höherer Komfortbedürfnisse bedingen einen immer höheren Energiebedarf.Diese Entwicklung hat aber auch negative Folgen. Die Energienutzung zeigt Auswirkungen auf die Umwelt, z. B. durch den Ausstoß Luft belastender Stoffe. Eine wichtige Aufgabe besteht demzufolge heute darin, die vorhandenen Energieträger so einzusetzen, dass nicht nur die Zweckerfüllung und die Wirtschaftlichkeit, sondern auchdie Umweltverträglichkeit gewährleistet werden.2.2Energie und Energieträger2.2.1Energieträger und Energiequellen - BegriffsklärungenLerninhalte Die Nutzung der Energie sicherte früher das Überleben des Menschen. Der Mensch nutzt heute die Energie, um sich von körperlicher Arbeit zu entlastenund um seinen Wohlstand zu vergrößern.7

Ohne sichere und ausreichende Energieversorgung sind die Menschen heutenicht mehr existenzfähig. Die Energienutzung belastet zunehmend die Umwelt. Die Schülerinnen und Schüler beobachten und beschreiben Vorgänge, die unterEinsatz von Energie ablaufen.Hinweise zur unterrichtlichen UmsetzungAls Einstieg in die Unterrichtseinheit bieten sich Materialien an, die die Bedeutungdes Energieeinsatzes für die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft verdeutlichen (M1, M2).Die Analyse des ausgewählten Materials kann in die Frage münden, welche Bedeutung die Nutzung von Energieträgern heutzutage für jede einzelne Schülerin und jeden einzelnen Schüler hat. Die Schülerinnen und Schüler reflektieren in dieser Unterrichtsphase ihr eigenes Verhalten und erstellen nach der Vorlage (M3) eine Liste derGegenstände, mit denen sie im Tagesverlauf Energie umsetzen. Sie überlegen weiter, welchen Nutzen ihnen der Einsatz der Energie bringt bzw. welche Energieträgerihnen überhaupt erst den Einsatz dieser Geräte ermöglichen. Die Tabelle wird aufFolie oder an der Tafel vorgegeben und in Kleingruppen ergänzt.Vermutlich werden die Schülerinnen und Schüler überrascht sein, dass sie häufigerEnergieträger nutzen als sie vermuteten. Folgende Überlegungen können im Unterrichtsgespräch vertieft werden: Welche Gegenstände werden täglich, einmal in der Woche, nur einmal im Monatoder seltener gebraucht? Welche Gegenstände sind dringend erforderlich (Herd .), lediglich wünschenswert (Radio .) oder sogar überflüssig (Speiseeiszubereiter .)?Als vertiefende Hausaufgabe bietet es sich an, dass die Schülerinnen und SchülerVerwandte, Bekannte oder Nachbarn befragen, welche Geräte in ihren Haushaltenzum Einsatz kommen, die auf den Einsatz von Energieträgern angewiesen sind (M4).Die Liste kann von den Schülerinnen und Schülern beliebig erweitert werden.Bei der anschließenden Auswertung der Fragebogen können die Schülerinnen undSchüler den Computerraum nutzen. Die Einzelwerte können z. B. tabellarisch erfasst(Anwendungsprogramm Excel) und in Diagrammen umgesetzt werden (Beispiel M5).Interessant erweist sich in diesem Zusammenhang auch ein Vergleich der Befragungsgebiete der Schülerinnen und Schüler (städtischer oder eher ländlicher Raum).Die Einstiegsphase bietet dem unterrichtenden Kollegen eine Chance, die Lernvoraussetzungen abzuklären und zu sichern. Bei der Arbeit mit den ausgewählten Materialien und während des Unterrichtsgespräches zeigen die Schülerinnen und Schüler,inwieweit es ihnen möglich ist, auf Vorkenntnisse aus dem Physikunterricht des 7.Schuljahres zurückzugreifen bzw. wo es fachliche Lücken gibt. Unter Berücksichtigung der gemachten Erfahrungen kann dann der Kollege entscheiden, ob er zurWiederholung, Sicherung oder Festigung grundlegender Begriffe eine Auswahl derangebotenen Materialien einsetzt.8

M1: Energie früher und heute9

M2: Werbematerialien für elektrische Geräte, Maschinen .10

M3: Ergänze die Tabelle!Trage in der linken Spalte möglichst viele Geräte/Gegenstände/. ein, die du im Tagesverlauf nutzt und in denen Energie umgesetzt wird. Ergänze in der mittleren Spalte, welchen Nutzen dir diese Geräte bringen und in der rechten Spalte, wodurch dieerforderliche Energie zur Verfügung gestellt wird.„Komfort rund um die Uhr“GegenständeDurch die Nutzung wird .Die benötigte Energie liefert .LampeDurchlauferhitzerHeizungSchulbusLicht gespendetWasser erwärmtelektrischer Stromelektrischer StromErdgas, Heizöl, elektr. StromDiesel, Erdgas11

M4: Fragebogen zum Einsatz ausgewählter GeräteBefragung am in(Datum)(Stadt, Stadtteil, Ort)Anzahl der befragten Haushalte: Das Interview führte:GerätAnzahl der NennungenElektro- oder GasherdElektrische ernsehgerätKühlschrankGefriertruhe oder -schrankSpülmaschineElektrische KüchenmaschineToasterAllesschneider (Brot, Käse, Elektrischer DosenöffnerStereoanlageComputerKaffeemaschine12

M5: Ergebnisse einer Befragung in Koblenz (April 2002), Teil 1Befragung am 23.4.2002 in KoblenzBefragte ktroherdMikrowelleCD-PlayerKühlschrankElektrische 98Verfügbare MikrowelleCD-PlayerKühlschrankElektrische �hltruheAnzahl der Geräte8060402001Art der Geräte13

M6: Ergebnisse einer Befragung in Udenhausen (April 2002), Teil 2Befragung in UdenhausenBefragte oherdMikrowelleCD-PlayerKühlschrankElektrische fügbare ikrowelleCD-PlayerKühlschrankElektrische �hltruheAnzahl der Geräte60504030201001Art der Geräte14

2.2.2Physikalische GrundbegriffeLerninhalteSicherung und Festigung physikalischer FachbegriffeHinweise zur unterrichtlichen UmsetzungAufbauend auf den Grundlagen des Physikunterrichtes der Klassenstufe 7 kann mandurch die ausgewählten Materialien das Vorwissen der Schülerinnen und Schüler sichern bzw. vertiefen. Im Mittelpunkt stehen dabei die Begriffe Lage- bzw. Höhenenergie, Bewegungsenergie und Wärmeenergie. Geeignet sind u. a. Versuche zurRamme, zur Schwingung am Fadenpendel oder zum Maxwellschen Rad (M1).Bei der Entscheidung für das Maxwellsche Rad bietet es sich an, dass zum Einstiegeine Schülerin oder ein Schüler die Funktionsweise des Jo-jo demonstriert. Die Mitschülerinnen und -schüler beobachten den Versuch und beschreiben ihn.Ein Demonstrationsexperiment zum Maxwellschen Rad schließt sich an. Zwei Lernende stellen den Versuch vor. Die Mitschülerinnen und Mitschüler beobachten undbeschreiben die Energieumwandlung. Nach der Ausgabe des Arbeitsblattes wird dieEnergieumwandlung am Maxwellschen Rad mit Hilfe der vorgegebenen Fachbegriffeschriftlich festgehalten (M2).MaterialienM1: Energieumwandlung am Maxwellschen Rad(Arbeitsblatt für Schülerinnen und Schüler)Beispiel: Maxwellsches RadFachbegriffe: Hubarbeit - Beschleunigungsarbeit - ReibungsarbeitLageenergie - Bewegungsenergie - Wärmeenergie15

M2: LösungBeim Aufrollen des Rades wird Hubarbeit verrichtet. ÖSie wird als Lageenergie gespeichert. ÖAuf Grund der Erdanziehungskraft wird Beschleunigungsarbeit verrichtet, gleichzeitigwird Reibungsarbeit verrichtet, ÖDadurch wird die Lageenergie in Wärme- und Bewegungsenergie umgewandelt. ÖAm Rad wird Hubarbeit verrichtet, gleichzeitig wird Reibungsarbeit verrichtet. ÖDie Bewegungsenergie wird in Lageenergie und Wärmeenergie umgewandelt. ÖAuf Grund der Erdanziehungskraft .Der Vorgang läuft so lange weiter, bis die ursprünglich vorhandene Lageenergie inWärmeenergie umgewandelt worden ist.16

Energieträger und EnergieformenLerninhalte Einfache Versuche durchführen Den Energiebegriff anhand beobachtbarer Wirkungen sichern oder vertiefen Vorgänge beobachten und beschreiben, die unter Einsatz von Energie ablaufen Ausgewählten Beispielen die entsprechenden Energieformen zuordnenHinweise zur unterrichtlichen UmsetzungDie Schülerinnen und Schüler werden in Kleingruppen eingeteilt. Sie erhalten die benötigten Materialien und die Anleitung zur Versuchsdurchführung (M1 - M4). Nachder Versuchsdurchführung halten sie ihre Beobachtung auf dem Arbeitsblatt fest. ImUnterrichtsgespräch stellen die jeweiligen Gruppen ihre Versuche vor. Gemeinsamwird dann die Übersicht (M5) erstellt. Als Alternative oder als ergänzende Sicherungkann man die Übersicht (M6) einsetzen. Die Bilder werden vorgegeben. Die Schülerinnen und Schüler ergänzen die Tabelle in Einzel-, Partner- oder Gruppenarbeit(M7).MaterialienM1Gas bzw. eine Kerze erwärmt WasserVersuchBenötigte Materialien:Dickwandiges Reagenzglas, Wasser, Gummistopfen, Glycerin, Gasbrenner oderKerzeVersuchsdurchführung:Fülle das Reagenzglas etwa 1 cm hoch mit Wasser,bestreiche den Gummistopfen mit Glycerin und verschließe damit das Reagenzglas nicht zu fest. Erhitzedas Wasser bis zum Sieden.Beachte: Halte das Reagenzglas beim Erwärmen so,dass es nicht auf die Mitschülerinnen und Mitschülerzeigt.Beobachtung:17

M2: Erwärmtes Wasser schmilzt EiswürfelBenötigte Materialien:Wasser, Gasbrenner, Kerze, 2 Bechergläser, Dreifuß, Drahtnetz, Eiswürfel, StreichholzLege das Drahtnetz auf den Dreifuß und stelle den Gasbrenner unter das Drahtnetz.Fülle ein Becherglas zur Hälfte mit Wasser und stelle es auf das Drahtnetz. Erwärmedas Wasser mit dem Gasbrenner. Fülle in der Zwischenzeit einige Eiswürfel in daszweite Becherglas. Gieße das heiße Wasser über die Eiswürfel.Lege das Drahtnetz auf den Dreifuß und stelle die Kerze unter das Drahtnetz. Fülle einige Eiswürfel in ein Becherglas und stelle es auf das Drahtnetz. Zünde die Kerze an.Beobachtung:M3: Eine Glühlampe, die man mit einer Batterie verbindet, leuchtet aufBenötigte Materialien:Batterie, Kabel, Schalter, GlühlampeBaue einen einfachen Stromkreis auf aus Batterie, Schalter und Glühlampe. Fertigeeine Schaltskizze an. Schließe den Schalter.Beobachtung:M4: Mit einem Magneten kann man magnetisierbare Kleinteile auflesenVersuchBenötigte Materialien:Magnet, Büroklammern, kleine Nägel, Schrauben, sonstige KleinteileVerteile die Büroklammern, Nägel, Schrauben . auf dem Tisch. Bewege den Magneten einige Zentimeter über die Gegenstände hinweg.Beobachtung:18

M5: Energieträger im AlltagEinsatz von EnergieEnergieträgerKerze oder Gasbrenner erwärmt Wasser im Kerzenwachs oderReagenzglasErdgasErwärmtes Wasser schmilzt EiswürfelBatterie betreibt GlühlampeMagnet sammelt Büroklammern und NägelaufEnergieformChemische EnergieWarmes WasserWärmeenergieStromElektrische EnergieMagnetfeldMagnetische Energie19

M6: Energie im AlltagAufgabe:Die B

Informationen den Wirkungsgrad berechnen und die Ergebnisse bewerten . Projektvorschläge: . - Solarthermieanlage - Photovoltaikanlage - Windkraftanlage - Biogasanlage (Erkundungsgänge, Experten in der Schule) - Energieumwandlungs- techniken . 2 . z. B. Motoren, Heiz- und Kraftw