Unterrichtsstunde 3.5: Wie kann man mit Sonnenenergie Wasser erwärmen?
| Autor/inn/en: | |
| Publikation: | 12.4.2011 |
| Lernstufe: | 3 |
| Ziele: |
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| Angestrebte Kenntnisse: |
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| Schwerpunkt: | Naturwissenschaften und Technologie |
| Wortschatz: | Sonnenenergie, Sonnenkollektoren, Wasserboiler |
| Dauer: | 1 Stunde 30 Minuten (mit einer einstündigen Pause in der Mitte) |
| Material: |
Für die Klasse (für die 3 folgenden Unterrichtsstunden):
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| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Pädagogische Anmerkung
Das Thema "erneuerbare Energien" in Haus und Wohnung ist sehr vielfältig. Es bieten sich zahlreiche Untersuchungsgegenstände für den Unterricht an: das Licht der Sonne (Erzeugung von Elektrizität mit Solarzellen [Fotovoltaik]), die wärmende Wirkung der Sonne (Sonnenkollektoren, Wasserboiler, Solarkocher), Windkraft, Biogas usw. Im vorliegenden Projekt wird die Thematik nur teilweise behandelt: In den drei folgenden Unterrichtsstunden geht es lediglich um die wärmende Wirkung der Sonne. Die Erkundung eines mit Sonnenenergie betriebenen Wasserboilers hat folgende Vorzüge:
- Das Funktionsprinzip ist für die Schüler/innen nicht zu kompliziert.
- Ein Wasserboiler ist wirklichkeitsnah: Was im Unterricht gebaut wird, kommt "tatsächlichen", im Handel erhältlichen thermischen Solaranlagen ziemlich nahe.
- Mit dieser Untersuchung wird eine typisch wissenschaftliche Vorgehensweise praktiziert: das getrennte Betrachten und Variieren einzelner Parameter (Farbe, Material, Form, Dämmung usw.).
Einstiegsfrage
Der/die Lehrer/in fragt die Kinder (bzw. fragt sie noch einmal, falls die Frage früher schon gestellt wurde), ob man Wasser mit Sonnenenergie erwärmen kann. Die meisten antworten mit Ja. Die Aufmerksamkeit richtet sich dann auf das "Wie". "Wie lässt sich Wasser mit Sonnenenergie erwärmen?"
Untersuchung
Die Schüler/innen bilden Gruppen und folgen der Anweisung: "Denkt euch eine Anordnung aus, mit der man zeigen kann, wie Wasser von der Sonne erwärmt wird."
Abb. 1: Kinderzeichnung 1 – Wie kann man Wasser mit Sonnenenergie
erwärmen?
(5. Klasse von Emmanuelle Wilgenbus, Antony, Frankreich)
Abb. 2: Kinderzeichnung 2 – Wie kann man Wasser mit Sonnenenergie
erwärmen?
(2./3. Klasse von Isabelle Salier und Muriel Levresse, Straßburg, Frankreich)
Gemeinsame Erörterung
Die Vorschläge werden gemeinsam erörtert. Der/die Lehrer/in hebt die wichtigen Parameter in den Vorschlägen der einzelnen Gruppen hervor. Manche denken zum Beispiel, dass man schwarze Farbe verwenden sollte, weil "Schwarz Wärme anzieht". Andere schlagen Lupen oder Spiegel vor, um "Sonnenstrahlen zu sammeln". Wieder andere sind der Meinung, dass ein Metallbehälter geeigneter sei, weil er sich besser erwärmt als Plastik. Am Ende richtet sich die Aufmerksamkeit auf folgende Parameter:
- Die Form: Ist ein kompakter Behälter besser geeignet als ein großflächiger?
- Die Menge: Erwärmt man besser eine geringe Wassermenge oder gleich eine große?
- Die Farbe: Meist wird Schwarz vorgeschlagen, aber manche Schüler/innen meinen, dass Silber ("wie beim Spiegel"), manchmal auch Rot ("die Farbe des Feuers") besser wären. Auch an transparente Behälter wird gedacht ("weil sie Licht durchlassen").
- Das Material: Metall oder Plastik, was wird schneller warm?
- Offen oder geschlossen: Sollte der Behälter geschlossen sein? Falls ja, sollte der Deckel durchsichtig sein oder nicht?
- Die Dämmung: Wird das Wasser besser erwärmt, wenn man die Wände des Behälters mit einem Dämmstoff versieht, damit "die Wärme nicht über die Seiten entweichen kann"?
Pädagogische Anmerkung
Es ist nicht schlimm, wenn den Schüler/inne/n nicht all diese Parameter klar sind. Sie werden sich in der folgenden Unterrichtsstunde noch einmal mit ihrer Bedeutung auseinandersetzen können, wenn es darum geht, die effizienteste Methode zu finden, um Wasser mit Sonnenenergie zu erwärmen.
Untersuchung mit Experiment
Die/der Lehrende sollte darauf achten, dass jedem/jeder Schüler/in die Schwierigkeit klar ist, die die Vielfalt der Parameter mit sich bringt. Ändert man mehrere Parameter gleichzeitig (indem man zum Beispiel einen silberfarbenen Metallbehälter mit einem durchsichtigen Plastikbehälter vergleicht), kommt man zu keinem Schluss (ist die Farbe oder das Material der Grund für ein anderes Ergebnis?). Also muss jeder Parameter einzeln geprüft werden.
Jede Gruppe nimmt sich einen – und nur einen – Parameter zur Prüfung vor. Sie erarbeitet ein Versuchsprotokoll und füllt einen "Bestellzettel" aus für die Materialien, die sie verwenden möchte. Wenn dann die/der Lehrende das Ganze gutgeheißen hat (der Protokollentwurf muss klar der Fragestellung entsprechen und der Bestellzettel muss sich auf die verfügbaren Materialien beschränken), beginnen die Gruppen mit dem Versuch.
Das Wetter muss natürlich mitspielen, die Sonne muss scheinen! Die Dauer der "Bestrahlung" hängt u. a. vom Ort, der Jahreszeit, dem Wetter und der Uhrzeit ab. Man sollte realistischerweise eine Stunde einplanen. Wichtig ist, dass alle Gruppen gleichzeitig mit dem Versuch beginnen und ihn gleichzeitig beenden. In der Zwischenzeit kann sich die Klasse mit etwas anderem beschäftigen.
Abb. 2: Wie hängt die Erwärmung von folgenden Faktoren ab?
- der Farbe des Gefäßes,
- ob das Gefäß offen oder geschlossen ist (Styropor),
- ob das Gefäß offen oder geschlossen ist (Metall),
- der Dicke der Wasserschicht,
- dem Material des Gefäßes,
- der Form des Gefäßes.
Gemeinsame Erörterung und Schlussfolgerung
Die Schüler/innen erkunden, wie groß der Einfluss der einzelnen Parameter ist. Die/der Lehrende ordnet die Ergebnisse in Form einer Tabelle, etwa wie folgt:
| Form des Behälters | Offen oder geschlossen |
Wasser- menge |
Material | Farbe | Dämmung |
|---|---|---|---|---|---|
| großflächig: 24°C | offen: 22°C | 10 cl: 25°C | Plastik: 22°c | Schwarz: 25°C | Nein: 24°C |
| kompakt: 22°C | geschlossen (Deckel transparent): 26°C | 20 cl: 24°C | Metall: 24°C | Weiß: 21°C | Ja (Wolle): 25°C |
| geschlossen (Deckel nicht transparent): 23°C | 30 cl: 23°C | Glas: 24°C | Silberfarben: 25°C | ||
| Transparent: 21°C |
Tab. 1: Ergebnisse der 5. Klasse (CM2) von Christine Blaisot, Le Mesnil-Esnard, Frankreich
Die Klasse zieht aus den Versuchen den Schluss, dass sich Wasser mit Sonnenstrahlen erwärmen lässt und erkennt auch, auf welche Parameter man achten sollte, damit die Sonnenenergie möglichst effizient genutzt wird.
