Energie

In dieser Episode erkunden die Charaktere das Konzept der Energie, während sie ein Theaterstück über den Entwurf einer Energie-Supermaschine vorbereiten. Während sie verschiedene Aspekte des Stücks besprechen, stoßen sie auf reale Fragen zu Energieumwandlungen, -erhaltung und -verlust. Ihr Dialog führt sie zu der Frage, ob Energie „verbraucht“ werden kann und wie wir zwischen nützlicher und nicht nützlicher Energie unterscheiden können. Durch die Auseinandersetzung mit historischen Experimenten und konzeptionellen Diskussionen verfeinern sie nach und nach ihr Verständnis von Energie als verbindendes Prinzip in verschiedenen Bereichen der Physik, Chemie und Biologie.

Diese Episode und die dazugehörigen Lehrmaterialien sollen den Schülern helfen, ein qualitatives Verständnis für die Erhaltung und Dissipation von Energie zu entwickeln. Durch angeleitete Diskussionen, historische Perspektiven und praktische Aktivitäten werden die Schüler erkennen, dass Energie immer erhalten bleibt, aber je nach System und Verwendungszweck weniger nützlich sein kann.

Das Konzept der Energie stellt gut dokumentierte Herausforderungen im naturwissenschaftlichen Unterricht der Sekundarstufe dar. Zu diesen Schwierigkeiten tragen mehrere Faktoren bei:

Die abstrakte Natur von Energie – Energie ist nicht direkt beobachtbar, was es für Schüler schwierig macht, sie zu begreifen.

Die Mehrdeutigkeit von „Energie“ – Der Begriff wird in der Alltagssprache auf verschiedene Weise verwendet, was zu Verwechslungen zwischen seiner wissenschaftlichen und umgangssprachlichen Bedeutung führt.

Disziplinäre Perspektiven – Energie wird in verschiedenen Fächern (Physik, Biologie, Geographie usw.) eingeführt, oft mit unterschiedlichen Definitionen und Anwendungen.

Schwierigkeiten bei der Systemidentifizierung – Schüler haben Schwierigkeiten, zwischen einem System und seiner Umgebung zu unterscheiden, was die Energieanalyse erschwert.

Diese Schwierigkeiten tragen zu häufigen Missverständnissen bei, darunter:

Falsche Identifizierung von Energie – Schüler verwechseln Energie häufig mit Kraft, Leistung oder Temperatur.

Falsche Interpretation der Energieerhaltung – Viele glauben, dass Energie „verbraucht“ oder „verloren“ geht, anstatt umgewandelt zu werden.

Alternative Vorstellungen von Energie (Watts, 1983; Trumper, 1993):

Anthropologische Sichtweise – Energie wird nur mit Lebewesen in Verbindung gebracht.

Substanzielle Sichtweise – Energie wird als greifbare Substanz behandelt, die sich wie ein Brennstoff verbraucht.

Ziel dieser Episode ist es, diese Missverständnisse zu beseitigen, indem die Energieerhaltung und die Energieübertragung entlang einer Energiekette hervorgehoben werden, während gleichzeitig der Unterschied zwischen Energie, die mit physischen Veränderungen verbunden ist, die je nach Perspektive des Beobachters „nützlich“ oder „nicht nützlich“ sind, hervorgehoben wird.

In dieser Episode werden verschiedene Schlüsselkonzepte vorgestellt, die als energiebezogene Konzepte bezeichnet werden können.

1. Um in Energiebegriffen zu denken, ist es wichtig, zunächst die Konzepte des physikalischen Zustands und der Veränderung zu definieren. Der physikalische Zustand eines Objekts oder Systems besteht aus messbaren Variablen wie Position, Geschwindigkeit oder Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt. Eine Veränderung tritt auf, wenn mindestens eine dieser Variablen zwischen einem Anfangs- und einem Endzustand variiert.

2. Ein qualitativer Ansatz zur Energie hilft dabei, ein intuitives Verständnis zu entwickeln: Verschiedene Ausgangszustände können manchmal zu derselben Veränderung führen, d. h. sie haben eine gleichwertige Fähigkeit, diese Transformation zu erzeugen. Beispielsweise kann ein Glas Wasser durch viele verschiedene Mechanismen auf die gleiche Temperatur erhitzt werden (durch Reibung, durch Kompression, durch Sonneneinstrahlung, durch Erhitzen in einem Ofen usw.). Diese Gleichwertigkeit ermöglicht es Wissenschaftlern, das Konzept der Energie als Maß für die Fähigkeit, Veränderungen zu erzeugen, einzuführen. Mit diesem Rahmen wird Energie zu einem Werkzeug, um verschiedene Transformationen zu vergleichen und ihre Beziehungen zu verstehen.

3. Die Energieübertragung kann auch als Kette von Veränderungen verstanden werden. Im Alltag treten Veränderungen selten isoliert auf; vielmehr löst eine Transformation eine andere aus (dies kann mit den Goldberg-Maschinen veranschaulicht werden). Obwohl Energie keine physische Substanz ist, die sich von einem Ort zum anderen bewegt, hilft die Sprache der „Energieübertragung“, diese Prozesse auf vereinfachte Weise zu beschreiben. Dieses konzeptionelle Werkzeug ermöglicht Diskussionen über Energiespeicherung und Energieübertragung und erleichtert die Verfolgung von Transformationen in komplexen Systemen.

4. Die Geschwindigkeit der Energieübertragung spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Frage, wie Veränderungen eintreten. Je nach Leistung der Energiequelle kann dieselbe Umwandlung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgen. So dauert das Schmelzen eines Schokoriegels unter einer schwachen Glühbirne viel länger als unter einer stärkeren. Dies veranschaulicht die Bedeutung der Leistung – der Geschwindigkeit, mit der Energie übertragen wird – bei der Analyse von Energieketten und Effizienz.

5. Bei der Betrachtung von Energieumwandlungen ist es je nach Kontext sinnvoll, zwischen nützlichen und nicht nützlichen Veränderungen zu unterscheiden. Bei einer Glühbirne ist das sichtbare Licht eine nützliche Veränderung, während die Erwärmung der Glühbirne keine nützliche Veränderung ist. Ähnlich verhält es sich bei einem Toaster, bei dem die gewünschte Veränderung die Temperaturerhöhung des Brotes ist, während das emittierte rote Licht eine unbeabsichtigte Folge ist. Physiker bezeichnen das Phänomen der abnehmenden Nutzenergie entlang einer Energiekette als degradierung der energie.

6. Die Degradierung der Energie ist eine natürliche Folge aller Umwandlungen in der Natur. Jedes Mal, wenn Energie zur Erzeugung einer Veränderung verwendet wird, verringert sich die Fähigkeit des Systems, weitere nützliche Umwandlungen zu erzeugen. Das bedeutet, dass die Menge an verfügbarer Energie, die zur Durchführung beabsichtigter Veränderungen zur Verfügung steht, mit der Zeit abnimmt, da sie in weniger nützliche Formen zerfällt.

7. Wenn Energie degradiert wird, warum halten dann einige Veränderungen um uns herum unbegrenzt an? In diesen Fällen muss zusätzliche Energie aus externen Quellen in das System eingebracht werden, um diese Verluste auszugleichen. Dies geschieht beispielsweise in vielen biogeochemischen Kreisläufen, wie dem Kohlenstoff- oder Wasserkreislauf, da das Energiesystem der Erde durch die kontinuierliche Energiezufuhr der Sonne aufrechterhalten wird. Ohne diese externe Quelle würde die Fähigkeit, großflächige Veränderungen aufrechtzuerhalten, abnehmen.

8. Trotz der Degradierung der Energie bleibt die gesamte Energiemenge erhalten. Wenn man alle Energieübertragungen, einschließlich der nützlichen und nicht nützlichen, messen würde, bliebe der Gesamtwert konstant. Zur Veranschaulichung dieses Konzepts wird ein historischer Ansatz verwendet, der sich auf Joule's Schaufelrad-Experiment konzentriert, das zeigte, dass Wärme keine Substanz, sondern eine Form von Bewegung ist. Dieses Experiment spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Konzepts der Energieerhaltung, auch wenn Joule selbst es nicht in diesen Begriffen formulierte. In der Praxis kann die Reduzierung von Energieverlusten durch effiziente Prozesse jedoch dazu beitragen, nützliche Umwandlungen zu maximieren. Durch die Steigerung der Effizienz können wir den Anteil der Energie kontrollieren, der für gewünschte Veränderungen verfügbar bleibt.

9. An dieser Stelle stellt sich eine wichtige Frage: Wenn die gesamte Energiemenge erhalten bleibt, aber in einer Energiekette die gesamte Menge an nutzbarer Energie in jedem Schritt abnimmt, wohin geht dann der „Rest“ der Energie? Wenn sich die Energie entlang einer Kette verschlechtert, wird sie in der Regel als Wärme, Schall oder mikroskopische Bewegungen von Partikeln an die Umgebung abgegeben. Diese abgegebene Energie ist zwar noch im System vorhanden, aber es wird immer schwieriger, sie für weitere nützliche Arbeiten zu nutzen. Das Verständnis dieses Konzepts hilft den Schülern zu verstehen, warum eine kontinuierliche Energiezufuhr notwendig ist, um komplexe Prozesse in natürlichen und technologischen Systemen aufrechtzuerhalten.

10. Um die in einer Energiekette übertragene Energiemenge darzustellen, können Sankey-Diagramme verwendet werden. Dabei handelt es sich um eine Art Flussdiagramm, bei dem die Breite der Pfeile proportional zum dargestellten Fluss ist. Sankey-Diagramme können einerseits zur Visualisierung des Energieeinsatzes verwendet werden, der für den Betrieb eines oder mehrerer Systeme (Lampen, Fahrzeuge, Heizung usw.) erforderlich ist. Mit anderen Worten: die Verteilung der von dem/den System(en) erzeugten Energie aus der eingehenden Energie (insbesondere, was für den Betrieb des Systems tatsächlich „nützlich“ ist und was aus einer Degradierung der eingehenden Energie resultiert, die als „nutzlose Energie“ bezeichnet wird). Das Sankey-Diagramm hat den Vorteil, dass es die Mengen der ein- und ausgehenden Energie anzeigt, und gemäß dem Prinzip der Erhaltung muss die Summe der Breiten der eingehenden Pfeile gleich der Summe der Breiten der ausgehenden Pfeile sein.

1842 stellte der deutsche Arzt Robert Mayer den Wert des mechanischen Wärmeäquivalents vor. Er ging von dem Prinzip aus, dass „jede Ursache ihrer Wirkung entspricht“. Wie hat er dies genutzt? Indem er Wasser in einem Gefäß kräftig umrührte, beobachtete er, dass der einzige Effekt darin bestand, dass die Temperatur des Wassers anstieg. Er sagte dann, dass die Bewegung die Ursache und die daraus resultierende Wärme die Wirkung sei. Er postulierte, dass „etwas“, das mit mechanischer Einwirkung verbunden ist, gleich „etwas“ sein sollte, das mit der erzeugten Wärme verbunden ist. Dann führte er einen neuen Begriff ein. Er nannte die Ursache „Kraft“ und die Wirkung „Kraft“. Da er von der Idee ausging, dass „Ursache = Wirkung“, dann „Kraft = Kraft“, sagte er, dass „Kraft“ nicht variiert. Da sie nicht variiert, sagte er, dass die Kraft erhalten bleibt. Wie konnte er argumentieren, dass die Kraft erhalten bleibt, obwohl die beiden beobachteten Phänomene sehr unterschiedlich sind (die mechanische Wirkung des Rührens des Wassers und die Wärme, wie durch den Anstieg der Wassertemperatur belegt)? Um diese Erhaltung zu begründen, fügte Mayer die Idee hinzu, dass die „Kraft“ „umgewandelt“ wird. So wird eine Form von „Kraft“ (Bewegung) in eine andere Form (Wärme) umgewandelt. Diese Eigenschaften von Mayers „Kraft“ – „Kraft“ ist unzerstörbar und umwandelbar – wurden für Energie übernommen. Dies zeigt sich im Prinzip der Energieerhaltung: Energie wird weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt.

Im Jahr 1843 führte Joule, ein junger Mann, der Experimente als Hobby durchführte, ein Experiment durch, um zu beweisen, dass Wärme keine Substanz, sondern eine Art von Bewegung ist. Zu dieser Zeit wurde Wärme tatsächlich als etwas Materielles betrachtet, das mit einem Objekt verbunden ist. Wenn zwei Objekte interagierten, konnte sich die Gesamtwärmemenge nicht ändern. Um zu beweisen, dass dies falsch ist, musste gezeigt werden, dass diese Gesamtmenge in manchen Situationen variieren kann. Genau das zeigte er in seinen Experimenten, bei denen die Temperatur mit der mechanischen Einwirkung anstieg und die Gesamtwärmemenge nicht konstant war.

Um dies zu beweisen, musste lediglich gezeigt werden, dass die „Wärmemenge“ in einem Phänomen variieren kann. Warum? Wenn sie variieren kann, kann es sich nicht um eine Substanz handeln. Wenn es sich nicht um eine Substanz handelte, musste es sich nach damaligem Stand der Wissenschaft um Bewegung handeln. Die Experimente zeigten, dass die Wärmemenge variierte, also musste Wärme eine Art von Bewegung sein. Er fragte sich, ob es eine Proportionalität zwischen der im Experiment angewandten mechanischen Aktion und der erzeugten Wärme gab. Um diese Frage zu beantworten, führte er dieselben Experimente durch und bestimmte das, was wir das mechanische Wärmeäquivalent nennen. Zwischen 1845 und 1850 führte er Experimente durch – die Schaufelrad-Experimente –, um das mechanische Wärmeäquivalent genauer zu bestimmen.

Abbildung 2. Originaldiagramm von Joules Experiment.

1851 führte Thomson (später Lord Kelvin) den Begriff „Energie“ in die Wärmelehre ein. Das Wort existierte bereits im Lexikon und bedeutete „Aktivität“. Die Bedeutung von Energie änderte sich im Laufe der Zeit. So begann sie, die Ansätze von Mayer und Joule zu subsumieren, als hätten beide dasselbe getan. Sie waren sich über das mechanische Wärmeäquivalent einig, unterschieden sich jedoch in der Interpretation der Phänomene. Mayer behauptete nicht, dass Wärme Bewegung sei, sondern dass es sich um „eine Form von (Kraft-)Energie“ handele. In den 1880er Jahren kamen verschiedene britische Wissenschaftler auf die Idee, dass Energie eine „reale Sache ist, die sich im Raum bewegt“, und seit dieser Zeit haben wir immer noch die Vorstellung, dass Energie übertragen wird. Die Entwicklung des Konzepts ging weiter und wurde verwirrend. Der Nobelpreisträger Richard Feynman sagte in den 1960er Jahren: „Es ist wichtig zu erkennen, dass wir in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist“ (Feynman et al., 1963, Sect. 4–1). Heutzutage stellen sich viele Physiker immer noch die Frage: Was genau ist Energie?

Aus diesem Grund konzentriert sich der in dieser Ressource vorgeschlagene konzeptionelle Ansatz nicht auf die Definition von Energie, sondern auf ihre operative Verwendung zur Beschreibung, Vorhersage und Erklärung von Naturphänomenen um uns herum in Bezug auf Energieübertragung, Energieerhaltung und Degradierung der Energie.

Voraussetzungen

Wie im vorherigen Abschnitt besprochen, ist es nicht notwendig, eine formale Definition von Energie zu haben, bevor man sich mit dem Comic befasst, da diese Definition umstritten ist und zu einer abstrakten und bedeutungslosen Aussage führen kann. Im Gegensatz dazu können Schüler einfache physikalische Größen wie Temperatur oder Bewegung verwenden, um intuitiv mit dem Energiebegriff zu arbeiten, z. B. „je höher die Temperatur, desto mehr Energie“, „je höher die Geschwindigkeit, desto mehr Energie“ usw. Wenn wir diese Argumentation intuitiv anwenden, gehen wir davon aus, dass wir im Laufe des Lernprozesses wahrscheinlich auf Missverständnisse und Verwirrung in Bezug auf Energie stoßen werden (siehe Abschnitt „Standpunkt der Schüler“ oben). Diese Missverständnisse – wie z. B. die Vorstellung, dass Energie eine greifbare Substanz ist, die Überzeugung, dass Energie verloren geht, anstatt umgewandelt zu werden, oder das Missverständnis von nützlicher und nicht nützlicher Energie – werden auftauchen, wenn sich die Schüler mit dem Comic und den Aktivitäten beschäftigen.

Die Aufgabe des Comics und der begleitenden Aktivitäten besteht darin, den Schülern dabei zu helfen, sich mit diesen Missverständnissen auseinanderzusetzen und schrittweise ein kohärentes Energiemodell auf der Grundlage wissenschaftlicher Schlüsselideen zu erstellen (siehe Abschnitt „Konzeptueller Ansatz“ oben). Durch das Verfolgen der Geschichte und das Nachdenken über energiebezogene Situationen sollen die Schüler von einem intuitiven, aber falschen Verständnis zu einer strukturierten und wissenschaftlich fundierten Konzeptualisierung von Energie gelangen. Die Diskussionen und Experimente dienen als Gerüst, um diese konzeptionelle Entwicklung zu leiten.

Praktische Aktivitäten zur Förderung der Diskussion

Eine effektive Möglichkeit, das Verständnis der Schüler für Energieeinsparung zu vertiefen, sind praktische Experimente, bei denen sie reale Energieumwandlungen beobachten und analysieren können. Ein einfaches, aber aufschlussreiches Experiment besteht darin, Kugeln aus verschiedenen Materialien und Größen aus derselben Höhe fallen zu lassen. Durch sorgfältiges Beobachten und Besprechen der Ergebnisse werden die Schüler feststellen, dass die Energie der fallenden Kugel auf den Sand und die Umgebung übertragen wird, was beim Aufprall zu einem Temperatur- und Geräuschanstieg führt. Dieses Experiment dient als konkrete Demonstration der Äquivalenz von Energie in verschiedenen Ausgangszuständen: Das Fallenlassen einer doppelt so schweren Masse entspricht dem Fallenlassen einer doppelt so hohen Masse.

Eine weitere spannende Aktivität besteht darin, historische Versuche zum Verständnis von Perpetua Mobilia zu untersuchen. Die Schüler analysieren Entwürfe aus verschiedenen Epochen und ermitteln, warum solche Maschinen letztlich scheitern. Diese Diskussion hebt die Prinzipien der Energiedissipation und Entropie hervor und stärkt das Verständnis dafür, dass Energieumwandlungen immer mit einem gewissen Verlust für die Umgebung verbunden sind, typischerweise in Form von Wärme. Durch die kritische Untersuchung, warum Perpetua Mobilia unmöglich sind, entwickeln die Schüler ein tieferes Verständnis für die Gesetze der Thermodynamik.

Modellierung mit visuellen Darstellungen

Die Verwendung von Sankey-Diagrammen hilft bei der Visualisierung von Energieübertragungen in verschiedenen Systemen. Schüler können verschiedene reale Energieszenarien analysieren, z. B. einen Automotor oder eine Hausheizung, und herausfinden, wie Energie durch diese Prozesse fließt. Durch die Unterscheidung zwischen nutzbarer und verlorener Energie können Schüler über Effizienz nachdenken und darüber, wie wichtig die Optimierung des Energieverbrauchs in den Bereichen Ingenieurwesen und Umweltwissenschaften ist. Dieser Ansatz ermutigt sie, über theoretische Konzepte hinauszudenken und zu überlegen, wie Energieeinsparung auf technologische Fortschritte und Nachhaltigkeitsbemühungen angewendet werden kann.

Verknüpfung mit sozialwissenschaftlichen Themen (SSI)

Um die Diskussion über Energie weiter in einen Kontext zu setzen, können Schüler aktuelle sozialwissenschaftliche Themen im Zusammenhang mit Energieerzeugung und -verbrauch untersuchen. Eine Möglichkeit hierfür ist die Untersuchung globaler Trends des Energieverbrauchs und die Analyse realer Daten zum Energieverbrauch in verschiedenen Ländern und Wirtschaftssektoren. Dieser Ansatz ermöglicht es den Schülern zu verstehen, wie sich der Energiebedarf im Laufe der Zeit entwickelt hat und welche Herausforderungen mit der Vereinbarkeit von Energiebedarf und Nachhaltigkeit verbunden sind.

Eine damit zusammenhängende Diskussion kann sich auf Energieeffizienz konzentrieren und darauf, wie technologische Fortschritte zur Optimierung des Energieverbrauchs beitragen. Durch die Betrachtung von Fallstudien, wie z. B. energieeffiziente Geräte, Elektrofahrzeuge oder verbesserte Dämmtechniken, können die Schüler die praktischen Anwendungen der Energieeinsparung bewerten. Dies fördert das kritische Denken darüber, wie Wissenschaft und Technik zur Lösung energiebezogener Herausforderungen beitragen.

Schließlich können sich die Schüler an Debatten oder Projekten beteiligen, in denen die Umweltauswirkungen verschiedener Energiequellen diskutiert werden. Durch den Vergleich erneuerbarer und nicht erneuerbarer Energien können sie die Vor- und Nachteile verschiedener Energieerzeugungsmethoden abwägen. Diese Diskussion kann zu einer Erkundung der Rolle von Politik und Innovation bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft führen. Durch die Verknüpfung des Energiekonzepts mit realen Problemen erhalten die Schüler eine umfassendere Perspektive auf seine Bedeutung über den Physikunterricht hinaus und fördern ein interdisziplinäreres und angewandteres Verständnis des Themas.

Zur Unterstützung und Erweiterung des Lernens der Schüler stehen verschiedene ergänzende Ressourcen zur Verfügung. Sie können diese Aktivitäten in einem bearbeitbaren Dokument herunterladen.

Dokument 1: Kurzes Energiekonzept-Inventar

Dieses kurze Inventar besteht aus Multiple-Choice-Fragen, die darauf abzielen, die bereits vorhandenen Vorstellungen und möglichen Fehlvorstellungen der Schüler zum Thema Energie zu ermitteln. Dieses Bewertungsinstrument behandelt Themen wie potentielle Gravitationsenergie, Energieübertragung und -erhaltung und hilft Pädagogen, Bereiche zu identifizieren, die weiterer Klärung bedürfen, und ermöglicht es den Schülern, ihren konzeptionellen Fortschritt im Laufe der Zeit zu verfolgen.

Dokument 2: Wissenschaftliche Fragen, die nach dem Lesen des Comics beantwortet werden sollen

Diese Ressource enthält eine Reihe von Fragen, die erst beantwortet werden sollen, nachdem die Schüler den Comic gelesen haben. Die Fragen regen die Schüler dazu an, über Schlüsselkonzepte wie Energieerhaltung und -umwandlung nachzudenken, während sie direkte Verbindungen zur Geschichte herstellen. Sie fördern auch kritisches Denken, indem sie die Schüler auffordern, physikalische Phänomene zu erklären und Energieflüsse durch Diagramme darzustellen.

Dokument 3: Untersuchung, wie Objekte im Sand versinken

Diese praktische Aktivität untersucht die Beziehung zwischen der Masse eines Objekts, der Fallhöhe und der Tiefe, in der es im Sand versinkt. Durch das Experimentieren mit verschiedenen Variablen können die Schüler die Gleichwertigkeit verschiedener Ausgangszustände analysieren, um den gleichen Effekt zu erzielen. Die Ressource bietet strukturierte Untersuchungsschritte, Vorhersagen und Möglichkeiten zur Datenanalyse.

Dokument 4: Verständnis der Energiedissipation durch Sankey-Diagramm

Die Aktivität in Dokument 4 beschäftigt sich mit der Analyse der Energiedissipation durch die Verwendung von Sankey-Diagrammen. Durch die Visualisierung von Energieflüssen in verschiedenen Systemen untersuchen die Schüler, wie Energie zwischen nutzbarer Energie und dissipierter Energie aufgeteilt wird. Dieser Ansatz ermutigt sie, die Effizienz kritisch zu bewerten und die Prinzipien der Energieeinsparung zu verstehen. Durch verschiedene Übungen werden sie Sankey-Diagramme modifizieren und interpretieren, um verschiedene reale Szenarien widerzuspiegeln, und ihnen dabei helfen, die Auswirkungen der Energiedissipation und die Bedeutung der Optimierung des Energieverbrauchs zu verstehen.

Dokument 5: Untersuchung von Perpetuum Mobile

Diese Ressource fordert die Schüler dazu auf, Videos kritisch zu untersuchen, die angeblich Perpetuum Mobiles zeigen. Durch die Analyse mechanischer Wechselwirkungen und die Identifizierung von Quellen externer Energiezufuhr setzen sich die Schüler mit wissenschaftlichen Argumenten auseinander, um die Machbarkeit von Perpetuum Mobiles zu widerlegen. Die Aktivität betont den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und zeigt auf, warum die Energieabgabe verhindert, dass Maschinen ohne externe Energiequelle unbegrenzt laufen.

Dokument 6: Video eines angeblichen getriebebasierten Perpetuum Mobile

Dieses Video zeigt ein mechanisches System, das angeblich unbegrenzt ohne externe Energiequelle funktioniert. Der Mechanismus besteht aus miteinander verbundenen Zahnrädern, Hebeln und rotierenden Elementen, die die Bewegung scheinbar von selbst aufrechterhalten. Durch die Analyse der wirkenden Kräfte können die Schüler jedoch kritisch beurteilen, warum eine Perpetuum mobile nach den Gesetzen der Thermodynamik unmöglich ist. Das Video dient als Hilfsmittel zur Identifizierung versteckter Energiezufuhr, Reibungsverluste und Energiedissipation in mechanischen Systemen.

Dokument 7: Video eines vermeintlichen Perpetuum Mobile auf Wasserbasis

Dieses zweite Video zeigt ein wasserbetriebenes System, das sich scheinbar ohne externe Energiezufuhr weiterbewegt. Der Aufbau besteht aus einem kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom, der durch Rohre und Räder fließt und einen endlosen Energiekreislauf suggeriert. Die Schüler werden ermutigt, die Komponenten zu analysieren, die Rolle der Schwerkraft zu hinterfragen und zu ermitteln, warum Energieverluste durch Reibung und Widerstand ein echtes Perpetuum Mobile unerreichbar machen. Durch die Dekonstruktion der im Video gemachten Behauptungen entwickeln sie ein besseres Verständnis für Energieerhaltung und -verlust.

Die folgende Unterrichtssequenz ist so konzipiert, dass sie das Lesen des Comics mit strukturierten Aktivitäten verbindet, die den Schülern helfen, ihr Verständnis von Energiekonzepten zu analysieren und zu verfeinern. Die Sequenz erstreckt sich über zwei Unterrichtsstunden und umfasst Diskussionen, praktische Aktivitäten und Bewertungen zur Festigung des Gelernten.

Erste Unterrichtsstunde (1 Stunde)

Individueller Fragebogen – Dokument 1 (20 Minuten)

Die Schüler beantworten zunächst einen individuellen Fragebogen, der dazu dient, ihr Vorwissen zu ermitteln und mögliche Missverständnisse im Zusammenhang mit Energie aufzudecken. Diese diagnostische Aktivität, die in Dokument 1 enthalten ist, ermöglicht es den Schülern, sich mit Schlüsselkonzepten auseinanderzusetzen, bevor sie mit dem Comic vertraut gemacht werden. Der Lehrer sammelt und überprüft die Antworten, um die folgenden Diskussionen anzupassen.

Individuelles Lesen (20 Min.)

Die Schüler lesen den Comic dann einzeln, sodass sie sich ohne vorherige Erklärung mit der Handlung und den wissenschaftlichen Themen vertraut machen können. Sie werden ermutigt, sich Notizen zu verwirrenden Aspekten oder überraschenden Erkenntnissen zu machen, auf die sie beim Lesen stoßen. Der Comic dient dazu, Energiekonzepte schrittweise einzuführen, sodass sich die Schüler auf natürliche Weise mit den Ideen auseinandersetzen können.

Aktivitäten nach dem Lesen – Dokument 2 (20 Min.)

Nach dem Lesen führen die Schüler strukturierte Aktivitäten auf der Grundlage von Dokument 2 durch, das Leitfragen enthält, die sie dazu anregen, über die im Comic vorgestellten Schlüsselkonzepte nachzudenken. Diese Aktivitäten sollen einen Rahmen für die Diskussion einiger der im Comic enthaltenen Konzepte bieten. Die Schüler arbeiten in kleinen Gruppen, um ihre Antworten zu vergleichen, bevor sie an einer von der Lehrkraft geleiteten Klassendiskussion teilnehmen.

Zweite Unterrichtsstunde (1 Stunde)

Experiment: Untersuchen, wie Gegenstände im Sand versinken – Dokument 3 (20 Minuten)

Die Schüler nehmen an einem praktischen Experiment mit Dokument 3 teil, bei dem es darum geht, wie Objekte unterschiedlicher Masse und Fallhöhe im Sand versinken. Sie führen Experimente durch, indem sie verschiedene Objekte fallen lassen und die Tiefe messen, in die sie sinken, und ihre Beobachtungen aufzeichnen. Ziel ist es, diese experimentellen Ergebnisse mit dem Konzept der Energieübertragung in Verbindung zu bringen und zu verdeutlichen, wie kinetische Energie beim Aufprall auf andere Objekte übertragen wird. Der Lehrer leitet eine Diskussion, um die Idee der Gleichwertigkeit verschiedener Zustände, die dieselbe Veränderung bewirken, zu verknüpfen.

Sankey-Diagramm – Dokument 4 (20 Min.)

Die Schüler rufen das Sankey-Diagramm auf, das bereits im Comic vorgestellt wurde, eine visuelle Darstellung von Energieübertragungen in einem System. Anhand von Dokument 4 analysieren sie verschiedene Beispiele und ermitteln, wie Energie durch verschiedene Prozesse fließt. Der Schwerpunkt liegt auf der Unterscheidung zwischen nutzbarer und verlorener Energie, wobei das Konzept der Degradierung der Energie und Energieeffizienz in realen Anwendungen vertieft wird.

Analyse von Perpetuum Mobile – Dokument 5, 6 und 7 (20 Min.)

Die Schüler sehen sich Videos von vermeintlichen Perpetuum Mobile an und analysieren diese. Sie nutzen ihr Verständnis von Energieerhaltung und Degradierung der Energie, um kritisch zu bewerten, warum solche Maschinen nicht unbegrenzt funktionieren können. Durch diese Aktivität vertiefen sie ihr Verständnis des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und der Unmöglichkeit, ein System zu schaffen, das ohne kontinuierliche Energiezufuhr läuft. Anschließend wird in der Klasse diskutiert, um die Mechanismen in den Videos zu dekonstruieren und zu verdeutlichen, warum bei der Energieübertragung immer ein gewisser Verlust an umgebende Objekte oder Systeme entsteht.

Optionale Erweiterungen

Für Klassen mit mehr verfügbarer Zeit oder für eine tiefere Auseinandersetzung können zusätzliche Aktivitäten integriert werden:

Diskussion über globale Energie: Die Schüler untersuchen Daten zum weltweiten Energieverbrauch und diskutieren die Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit.

Vergleich von Energieübertragungen: Anhand von Beispielen aus der Praxis bewerten die Schüler die Effizienz in verschiedenen Systemen und wie Technologie darauf abzielt, den Energieverbrauch zu optimieren.

Debatte über Energieverbrauch und -effizienz: Die Schüler beteiligen sich an einer strukturierten Debatte darüber, ob Energieeffizienzmaßnahmen in der Industrie und in Haushalten verpflichtend sein sollten.

Bächtold, M., Munier, V., Guedj, M., Lerouge, A., & Ranquet, A. (2014). Quelle progression dans l'enseignement de l'énergie de l'école au lycée? Une analyse des programmes et des manuels. Recherches en Didactique des Sciences et des Technologies, 10. https://doi.org/10.4000/rdst.932

Bächtold, M., & Guedj, M. (2014). Quelle progression dans l'enseignement de l'énergie de l'école au lycée? Recherches en Didactique des Sciences et des Technologies, 10, 63–94.

Bächtold, M. (2021). Einführung des Schaufelradversuchs von Joule in den Energieunterricht: Warum und wie? Foundations of Science, 26(4), 791–805. https://doi.org/10.1007/s10699-020-09664-2

Coelho, R. L. (2024). On Joule's paddle wheel experiment in textbooks. Physics Education, 59(2). https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6552/ad2104

Lawrence, I. (2007). Teaching energy: Thoughts from the SPT11–14 project. Physics Education, 42(4), 402–406. https://doi.org/10.1088/0031-9120/42/4/011

Goldring, H., & Osborne, J. (1994). Students' difficulties with energy and related concepts. Physics Education, 29, 26–31.