MINT lernen

Wasserkreislauf-Modell

Zwei Aufgaben dazu, wie weit der Vergleich mit dem Wasser trägt – und wo er reißt.

1

Übersetzen in beide Richtungen

AFB I–II

Im Wasserkreislauf-Modell wird der Stromkreis durch einen geschlossenen Rohrkreislauf ersetzt: Eine Pumpe treibt das Wasser an, es fließt durch Rohre, treibt ein Wasserrad an und kehrt zur Pumpe zurück. Ein Ventil kann den Kreislauf unterbrechen, eine Engstelle im Rohr bremst die Strömung.

  1. Ordnen Sie den fünf Bauteilen des Wasserkreislaufs jeweils das entsprechende Bauteil des Stromkreises zu.
  2. Geben Sie für den Druck der Pumpe, den Wasserstrom und die Engstelle jeweils die entsprechende elektrische Größe mit Formelzeichen und Einheit an.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Gehen Sie den Kreislauf einmal in Fließrichtung durch: Was treibt an, was leitet weiter, was wandelt um, was schaltet?
Hinweis zu Aufgabe b)
Drei Größen, drei Formelzeichen, drei Einheiten – ohne Erläuterung.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Pumpe → Batterie (Quelle).
Rohr → Leitung/Kabel.
Wasserrad → Lampe (Verbraucher).
Ventil → Schalter.
Engstelle im Rohr → Widerstand.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Druck der Pumpe → elektrische Spannung \(U\), Einheit Volt (V).
Wasserstrom (Wassermenge je Zeit) → elektrische Stromstärke \(I\), Einheit Ampere (A).
Engstelle im Rohr → elektrischer Widerstand \(R\), Einheit Ohm (\(\Omega\)).

2

Wo das Modell reißt

AFB II–III

Nach dem Versuch fasst eine Gruppe zusammen: „Die Pumpe erzeugt das Wasser, so wie die Batterie den Strom erzeugt.“ Eine andere Gruppe hält dagegen: „Dann müsste ein Rohr, das man aufschneidet, doch weiter Wasser liefern – und ein durchtrenntes Kabel weiter Strom.“

Im nächsten Schritt soll das Modell genutzt werden, um die Reihenschaltung zweier Lampen zu erklären.

  1. Vergleichen Sie Wasserkreislauf und Stromkreis hinsichtlich der Kriterien Antrieb, Erhaltung und Sichtbarkeit.
  2. Überprüfen Sie die Aussage der ersten Gruppe.
  3. Bewerten Sie, wie gut sich das Wasserkreislauf-Modell eignet, um die Reihenschaltung zweier Lampen zu erklären.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Arbeiten Sie die drei Kriterien nacheinander ab. „Sichtbarkeit“ meint: Was kann man im Modell beobachten, was im Stromkreis nicht?
Hinweis zu Aufgabe b)
Prüfen Sie die Aussage an einer einfachen Gegenprobe: Was passiert im offenen Rohr – und was im offenen Stromkreis?
Hinweis zu Aufgabe c)
Nennen Sie zuerst, was das Modell hier gut zeigt, dann seine Grenzen, und ziehen Sie ein Urteil mit Kriterium: Für welchen Zweck ist das Modell geeignet, für welchen nicht?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Antrieb: Die Pumpe erzeugt einen Druckunterschied, die Batterie eine Spannung. Beide setzen etwas in Bewegung, das schon da ist – Wasser bzw. Ladungsträger.

Erhaltung: In beiden Kreisläufen bleibt die durchfließende Menge erhalten: Der Wasserstrom ist an jeder Stelle des Rohrkreises gleich groß, ebenso die Stromstärke im unverzweigten Stromkreis. Verbraucht wird in beiden Fällen nur Energie.

Sichtbarkeit: Hier endet die Ähnlichkeit. Wasser kann man sehen, auffangen und in einem offenen Rohr auslaufen lassen; Ladungsträger nicht. Außerdem läuft Wasser aus einem offenen Rohr weiter – der Stromkreis dagegen kommt bei jeder Unterbrechung sofort ganz zum Erliegen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die Aussage ist falsch. Die Pumpe erzeugt kein Wasser, sondern setzt vorhandenes Wasser in Bewegung; ohne Wasser im Kreislauf würde sie leer laufen. Genauso erzeugt die Batterie keine Ladung: Die Ladungsträger stecken bereits im Metall der Leitungen.

Prüfung an der Gegenprobe: Die zweite Gruppe hat recht, dass ein durchtrenntes Kabel keinen Strom liefert – hier trägt das Modell allerdings nicht, denn Wasser läuft aus einem offenen Rohr sehr wohl weiter. Der Grund ist, dass der Stromkreis geschlossen sein muss, während Wasser auch ohne Kreislauf strömen kann. Das ist eine der Grenzen des Modells.

Richtig ist: Pumpe und Batterie liefern beide den Antrieb (Druck bzw. Spannung), nicht den Stoff.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Was das Modell hier gut leistet: Zwei Wasserräder hintereinander im selben Rohr machen unmittelbar einsichtig, dass durch beide derselbe Wasserstrom fließen muss – ebenso wie die Stromstärke in der Reihenschaltung überall gleich ist. Auch dass sich der Druck der Pumpe auf beide Räder aufteilt, entspricht der Aufteilung der Spannung.

Grenzen: Der Unterschied zwischen Druck und Wasserstrom bleibt für viele schwer greifbar; Rohrreibung, Höhenunterschiede und Trägheit des Wassers haben im Stromkreis keine Entsprechung; und die Vorstellung eines auslaufenden Rohres führt beim offenen Stromkreis in die Irre.

Urteil: Für den Einstieg in die Reihenschaltung ist das Modell gut geeignet – es erklärt Erhaltung der Stromstärke und Aufteilung der Spannung anschaulich. Als Grundlage für genaue Aussagen taugt es nicht; jede Modellaussage muss am Experiment geprüft werden. Ein Modell ist eine Verstehenshilfe, kein Beweis.