Teach-Lektion
Wann leuchtet eine LED?
Verändere die Spannung, beobachte eine echte grüne LED und untersuche den Strom mithilfe von Spannungsmessungen am Widerstand.
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Lernziele
Anhand von sechs Messungen den Zusammenhang zwischen Versorgungsspannung und berechnetem LED-Strom untersuchen.
Kamerabeobachtungen, elektrische Messungen und Schätzungen unterscheiden.
Vorschau der Lernaktivität
Inhalt der Aktivität
Nur Vorschau. In einer Unterrichtssitzung können Lernende Antworten ausfüllen und ihre Arbeit bei der Lehrkraft einreichen.
Mehr als nur an oder aus
5 min
Die kleine Kontrollleuchte eines Ladegeräts wirkt einfach: Sie leuchtet oder bleibt dunkel. Doch was passiert, wenn ihre Versorgungsspannung steigt? Du untersuchst eine grüne LED mit einem unveränderten Vorwiderstand von 1 kΩ und vergleichst das Kamerabild mit einer elektrischen Messung.
Vermute vor dem Öffnen von Hive, wie sich Stromstärke und sichtbares Licht zwischen 1 und 5 V verändern. Begründe deine Vermutung; sie muss sich nicht als richtig erweisen.
Untersuche das Leuchten
18 min
Verstehe die Schaltung
Die Laborschaltfläche öffnet eine fertig verdrahtete Schaltung auf echter Hardware. Ein Zweig ist ein Strompfad mit einem Widerstand und einer LED. Die LED besitzt eine Anode (A) und eine Kathode (K); ihre Ausrichtung ist bereits festgelegt. Öffne die Registerkarte der Gleichspannungsversorgung, um die positive Versorgungsspannung abzulesen oder einzustellen, und Multimeter, um die Spannung abzulesen. Starte nach jeder Änderung eine Messung und warte, bis Messwert und Fotos des Geräteaufbaus aktualisiert sind. Eine geänderte Einstellung allein liefert noch kein neues Ergebnis. Für die Tastaturbedienung fokussierst du den Spannungsregler: Links/Rechts ändert die Schrittweite, Auf/Ab den Wert. Prüfe vor der Messung die angezeigte Spannung.
Das Multimeter misst die Spannung am Widerstand, bezeichnet mit $V_R$. Notiere VDC in Volt; teile eine Anzeige in mV durch 1 000. Zum Beispiel sind 240 mV = 0,240 V. Zeigt das Gerät uV (Mikrovolt, µV) an, teile durch 1 000 000: 300 uV = 0,000300 V. Bei einem Widerstand von 1 kΩ gilt $I\,\text{(mA)}=V_R\,\text{(V)}$. Damit berechnest du die Stromstärke aus der gemessenen Spannung und dem angegebenen Widerstand.
Beobachte die echten LEDs auf den Kamerafotos. Das geschätzte Leuchten in der Zeichnung veranschaulicht das letzte Ergebnis und ist keine Lichtmessung; schalte es beim Vergleich mit den Kamerabildern aus. Ist eine LED wegen Blendung nicht eindeutig erkennbar, lautet die Beobachtung Unklar, nicht unbedingt aus. Im Geräteaufbau gibt es außerdem Statusleuchten. Ist die LED der Schaltung nicht eindeutig zu erkennen, lasse Schaltung und Spannung unverändert und starte die Messung erneut. Warte auf aktualisierte Messwerte und Kamerafotos und betrachte die LED noch einmal. Notiere in deinen schriftlichen Antworten kurz den ersten und den wiederholten Messwert sowie eine mögliche Änderung der Sichtbarkeit; trage das Ergebnis der Wiederholung in die Tabelle ein. Bleibt die LED unklar, wähle Unklar. Orientiere dich nicht an einer anderen Leuchte und wiederhole nicht so lange, bis das erwartete Ergebnis erscheint.
Lies den Gerätenamen unter jedem Ergebnis: Aufeinanderfolgende Messungen können von verschiedenen physischen Hive-Geräten stammen. Kleine Unterschiede können deshalb auf unterschiedliche Bauteile zurückgehen. Ein als frühere Aufzeichnung gekennzeichnetes Ergebnis ist keine unabhängige neue Messung.
Schütze die Schaltung
Lasse die vorbereitete Verdrahtung und die Widerstände unverändert. Verwende nur die positive 0–5-V-Versorgung, in dieser Aufgabe zwischen 1 und 5 V. Schließe eine LED niemals direkt an die Versorgung an. Verändere die anderen Spannungsversorgungen und den Funktionsgenerator nicht. Das Messgerät ist bereits parallel zu einem Widerstand angeschlossen: Lasse es im Modus Gleichspannung, niemals im Strom- oder Widerstandsmessmodus.
Lies die Spannung am Widerstand ab, um die Stromstärke in diesem Zweig zu berechnen. A und K kennzeichnen die LED-Anschlüsse.
Vor der Messung
Vor der Messung. Das Messgerät liegt parallel zum Widerstand. Erkläre in eigenen Worten, was es misst und wie du daraus die Stromstärke durch die LED berechnen kannst. Prüfe deine Überlegung anhand der Erklärung oben, bevor du das Labor öffnest.
Grüne LED öffnen
Grüne LED öffnen
Öffne unten die Schaltung mit der grünen LED. Sie startet bei 1 V; das Messgerät liegt parallel zum 1-kΩ-Widerstand.
Gehe die sechs Spannungseinstellungen in der Ergebnistabelle der Reihe nach durch und ändere nur die positive Versorgung. Starte bei jeder Einstellung eine Messung.
Stelle für den letzten Messwert die positive Versorgung wieder auf 3 V und lasse alles andere unverändert. Notiere das neue Ergebnis, ohne eine exakte Übereinstimmung zu erwarten.
Beende die Hive-Sitzung, sobald die Tabelle vollständig ist.
In einer Unterrichtssitzung verfügbar
Ergebnisse
Fülle sechs Zeilen der Reihe nach aus: 1, 2, 3, 4, 5 V und anschließend erneut 3 V. Trage nach jeder Messung V_R in Volt ein, berechne I in mA und wähle eine Kamerabeobachtung. Die letzte Zeile wiederholt 3 V; lasse zusätzliche Zeilen leer.
| Durchgang | Versorgungsspannung V | Spannung am Widerstand V | Berechnete Stromstärke mA | Kamerabeobachtung |
|---|---|---|---|---|
Erkläre deine Ergebnisse
12 min
Verwende deine erste Zeile bei 3 V. Gib die Stromstärke in mA an und zeige, wie du sie aus V_R und 1 kΩ berechnet hast.
Wie veränderte sich die Stromstärke mit steigender Versorgungsspannung? Belege deine Erklärung mit zwei Tabellenzeilen und prüfe, ob gleiche Spannungsschritte von 1 V zu gleichen Stromänderungen führten.
Vergleiche deine beiden Zeilen bei 3 V. Was kannst du damit überprüfen? Warum beweisen weder ein dunkles Kamerabild noch die Zeichnung allein, dass die Stromstärke genau null ist?
Eine Kontrollleuchte ist auf einem Foto kaum zu erkennen. Welche elektrische Größe würdest du prüfen, bevor du entscheidest, dass kein Strom fließt? Wie würdest du sie hier bestimmen?
Abgeben
Verlasse Hive nach allen Messungen und kehre hierher zurück. Markiere die Laborarbeit als erledigt, überprüfe alle Tabellenzeilen und Pflichtantworten und gib die Aufgabe ab.
Aus dieser Vorschau eine Unterrichtssitzung machen
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