Ohmsches Gesetz: Unterrichtsplan mit virtuellem Labor

Dieser Unterrichtsplan zum Ohmschen Gesetz nutzt ein kostenloses virtuelles Labor, damit alle Lernenden in einer Unterrichtsstunde Stromstärke, Spannung und Widerstand messen können, ohne eine Kiste Messgeräte, die wegen eines losen Kabels null anzeigen. Die Lernenden sagen voraus, erheben Daten, tragen die Stromstärke gegen die Spannung auf, bestimmen den Widerstand aus der Steigung und testen dann, was bei veränderlichem Widerstand geschieht. Alles ist einsatzbereit: Lernziele, Vorbereitung, Vorhersagefragen, eine Aktivität Schritt für Schritt mit Messtabellen und den Werten, die die Lernenden erhalten sollten, Diskussionsfragen mit Antworten, eine Erweiterung zu Reihen- und Parallelschaltung und Ideen zur Differenzierung. Alle Zahlen stammen aus dem eigenen Modell der Simulation.

Die Stunde im Überblick

• Stufe: Klassen 8–10 (Alter 13–16), Naturwissenschaften oder Einführung in die Physik.
• Zeit: eine Unterrichtsstunde von 50–60 Minuten, plus eine optionale Erweiterung von 20 Minuten.
• Vorwissen: Strom als Fluss von Ladung, Spannung als Antrieb durch eine Batterie, Strom- und Spannungsmesser, Lesen eines Graphen.
• Format: Paare an Laptops, Tablets oder Smartphones, oder die ganze Klasse mit einem Beamer.
• Simulation: Ohmsches Gesetz – Spannung, Stromstärke und Widerstand. Erweiterung: Gleichstromkreise bauen.

Lernziele

Am Ende der Stunde können die Lernenden:

1. festhalten, dass bei einem festen Widerstand die Stromstärke direkt proportional zur Spannung ist.
2. festhalten, dass bei fester Spannung die Stromstärke umgekehrt proportional zum Widerstand ist.
3. ein Stromstärke-Spannungs-Diagramm zeichnen und den Widerstand aus seiner Steigung bestimmen (Steigung = 1/R).
4. U = R · I nutzen, bei Bedarf umgestellt, und zwischen Ampere und Milliampere umrechnen.
5. (Erweiterung) Stromstärke und Spannung in Reihen- und Parallelschaltungen messen.

Was die Simulation leistet

Die Simulation zeigt einen einfachen Stromkreis: eine Reihe von Zellen zu je 1,5 V, einen Widerstand und einen Strommesser. Zwei Regler legen die Spannung fest, 0,1–9,0 V in Schritten von 0,1 V, und den Widerstand, 10–1000 Ω in Schritten von 1 Ω. Die Stromstärke wird als I = U/R berechnet und in Milliampere mit einer Dezimalstelle angezeigt. Die Standardwerte sind 4,5 V und 500 Ω, die 9,0 mA ergeben.

Ein paar Details, die Sie vor dem Unterricht kennen sollten:

• Schreibweise. Die Simulation schreibt die Spannung als U, wie es im deutschsprachigen Raum üblich ist. Manche Lehrbücher, vor allem englischsprachige, schreiben V = IR. Sagen Sie den Lernenden, dass es dieselbe Größe ist.
• Visuelle Hinweise. Die Buchstaben in U = I · R wachsen und schrumpfen mit ihren Werten, für jede 1,5 V erscheint eine Zelle (bis zu sechs Zellen), der Widerstand erhält mehr „Störstellenpunkte“, wenn R steigt, und die Ladungen bewegen sich schneller, wenn die Stromstärke wächst.
• Werte eintragen. Werte eintragen fügt die aktuellen Werte U, R und I einer Tabelle hinzu und trägt den Punkt in einem Diagramm von I (mA) gegen U (V) ein. Die Tabelle fasst 10 Zeilen; die elfte verdrängt die älteste. Tabelle leeren leert sie.
• Diagrammskala. Das eingebaute Diagramm reicht von 0 bis 1000 mA, Stromstärken von wenigen Milliampere liegen also dicht an der Achse. Deshalb verwendet diese Stunde kleine Widerstände von 10 bis 200 Ω.

Material und Vorbereitung vor dem Unterricht

Material: ein Gerät pro Paar (oder ein Beamer), die Messtabellen unten auf Papier, Millimeterpapier oder eine Tabellenkalkulation und ein Taschenrechner.

Vorbereitung (10 Minuten, einmalig):

1. Öffnen Sie die Simulation und stellen Sie U = 1,5 V und R = 20 Ω ein.
2. Klicken Sie auf Teilen und erstellen Sie für jede Klasse einen Link, zum Beispiel „Naturwissenschaften · 4. Stunde“. Der Link legt diese Startwerte fest, sodass alle Lernenden am selben Punkt beginnen.
3. Optional: Fügen Sie auf dem Tab Fragen die drei Vorhersagen unten als „Vorher, als Vorhersage“ hinzu und setzen Sie das Häkchen bei Nach der Simulation noch einmal fragen. Die Simulation bleibt gesperrt, bis sich jede Schülerin und jeder Schüler festlegt. Warum das funktioniert, lesen Sie im Leitfaden Vorhersagen, beobachten, erklären.
4. Veröffentlichen Sie den Link oder öffnen Sie ihn im Präsentationsmodus und zeigen Sie den QR-Code.

Ablauf der Stunde

1. Einstieg und Vorhersagen (8 Minuten)

Projizieren Sie die Simulation mit den Standardwerten und ziehen Sie den Spannungsregler langsam hinauf und hinunter. Fragen Sie die Lernenden, was ihnen an den bewegten Ladungen und am Buchstaben I auffällt. Dann legen sie sich auf drei Vorhersagen fest, auf Papier oder am Link:

• P1. „Die Spannung an einem Widerstand verdoppelt sich von 3,0 V auf 6,0 V. Die Stromstärke … halbiert sich / bleibt gleich / verdoppelt sich / vervierfacht sich.“
• P2. „Die Spannung bleibt bei 6,0 V, und der Widerstand ändert sich von 20 Ω auf 60 Ω. Die Stromstärke … verdreifacht sich / bleibt gleich / fällt auf ein Drittel / fällt um 40 mA.“
• P3. „Sagen Sie die Stromstärke in mA für 9,0 V an 10 Ω voraus.“

Rechnen Sie mit „fällt um 40 mA“ von Lernenden, die subtraktiv denken, und mit 0,9 bei P3 von Lernenden, die das Umrechnen in Milliampere vergessen. Die Antworten lauten: verdoppelt sich, fällt auf ein Drittel und 900 mA.

2. Stromstärke und Spannung: Daten erheben (15 Minuten)

Die Paare lassen R = 20 Ω und stellen U auf jeden Wert der Tabelle, wobei sie jedes Mal Werte eintragen drücken. Dann ändern sie R auf 50 Ω und wiederholen das. Damit füllt sich die Tabelle der Simulation mit genau 10 Zeilen. Die Lernenden übertragen jeden Messwert in ihre eigene Tabelle, denn die eingebaute Tabelle verwirft alte Zeilen. Die letzte Spalte ist für Sie; lassen Sie sie auf der Schülerkopie leer.

R (Ω)	U (V)	Angezeigte Zellen	I (mA)	Erwartetes I (mA)
20	1,5	1		75,0
20	3,0	2		150,0
20	4,5	3		225,0
20	6,0	4		300,0
20	7,5	5		375,0
50	1,5	1		30,0
50	3,0	2		60,0
50	4,5	3		90,0
50	6,0	4		120,0
50	7,5	5		150,0

Die Simulation berechnet I = U/R genau, die Messwerte sollten also bis auf die letzte Stelle übereinstimmen. Wenn die Zahlen eines Paars abweichen, liegt der Regler fast immer einen Schritt neben dem Zielwert. Am Computer klicken Sie auf einen Regler und nutzen die Pfeiltasten für Einzelschritte.

Bitten Sie die Paare, zwei Muster aufzuschreiben. Gute Antworten: „Wenn sich U verdoppelt, verdoppelt sich I“ und „Mit 50 Ω ist die Stromstärke immer 2,5-mal kleiner als mit 20 Ω.“

3. Stromstärke gegen Spannung auftragen (10 Minuten)

Die Lernenden tragen I (mA) auf der senkrechten Achse gegen U (V) auf der waagerechten Achse auf, mit beiden Widerständen in einem Diagramm. Eine Skala von 0–400 mA eignet sich gut. Das eigene Diagramm der Simulation zeigt dieselben Punkte, zusammengedrückt am unteren Rand einer Achse von 0–1000 mA.

Beide Punktmengen bilden Geraden durch den Ursprung. Bestimmen Sie nun die Steigungen:

• 20 Ω: Steigung = 375,0 mA ÷ 7,5 V = 50 mA/V = 0,050 A/V. Dann 1 ÷ 0,050 = 20 Ω.
• 50 Ω: Steigung = 150,0 mA ÷ 7,5 V = 20 mA/V = 0,020 A/V. Dann 1 ÷ 0,020 = 50 Ω.

Der Kerngedanke: Die Steigung eines I-U-Diagramms ist 1/R, eine steilere Gerade bedeutet also einen kleineren Widerstand. Lernende, die die Steigung vor dem Kehrwert in A/V umrechnen, erhalten den Widerstand genau zurück. Lernende, die das Umrechnen vergessen, erhalten 0,02 oder 0,05 Ω, ein nützlicher Fehler zum Besprechen.

4. Stromstärke und Widerstand (8 Minuten)

Die Paare drücken auf Tabelle leeren, stellen U = 6,0 V ein und tragen die Stromstärke für jeden Widerstand ein. Erwartete Werte:

R (Ω)	10	20	30	60	100	200
I (mA)	600,0	300,0	200,0	100,0	60,0	30,0
I × R (V)	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0	6,0

Lassen Sie die Lernenden die letzte Zeile selbst ergänzen (zuerst mA in A umrechnen). Das Produkt ist immer 6,0 V: Stromstärke und Widerstand sind umgekehrt proportional. Prüfen Sie P2: Von 20 Ω auf 60 Ω fällt die Stromstärke von 300 mA auf 100 mA, auf ein Drittel, nicht um 40 mA.

5. Abschlusscheck (5 Minuten)

Drei kurze Fragen, auf Papier oder als Zahlenfragen am Link:

• „In einem Stromkreis liegen 7,2 V an 40 Ω. Wie groß ist die Stromstärke?“ Antwort: 180 mA (± 1 akzeptieren).
• „Eine Schülerin misst 4,8 V und 160 mA. Wie groß ist der Widerstand?“ Antwort: 30 Ω. Die Lernenden können es prüfen: 4,8 V und 30 Ω ergeben 160,0 mA.
• „Welcher Widerstand ergibt bei 5,0 V eine Stromstärke von 250 mA?“ Antwort: 20 Ω.

Der Leitfaden zur formativen Leistungsbewertung zeigt, wie Sie diese so einrichten, dass sie automatisch geprüft und klassenübergreifend verglichen werden.

Diskussionsfragen und Antworten

Nutzen Sie diese mit der ganzen Klasse nach Schritt 4.

1. Warum geht das I-U-Diagramm durch den Ursprung? Ohne Spannung gibt es keinen Antrieb, also keine Stromstärke. Bei festem Widerstand ist die Stromstärke proportional zur Spannung, und ein proportionales Diagramm ist eine Gerade durch den Ursprung.
2. Was sagt Ihnen eine steilere Gerade? Einen kleineren Widerstand. Die Steigung ist 1/R: Die Gerade für 20 Ω steigt um 50 mA pro Volt und die für 50 Ω nur um 20 mA pro Volt.
3. Stellen Sie 3,0 V mit 20 Ω ein, dann 6,0 V mit 40 Ω. Was fällt Ihnen auf? Beide ergeben 150 mA. Eine Verdopplung von U und R lässt die Stromstärke unverändert, weil I = U/R.
4. Wird die Stromstärke im Widerstand verbraucht? Nein. Die Stromstärke ist in einem einfachen Stromkreis überall gleich. Der Widerstand verringert die Stromstärke im ganzen Stromkreis, nicht nur danach. Die Erweiterung lässt die Lernenden das mit zwei Strommessern testen.
5. Welche größte Stromstärke kann dieser Stromkreis haben? 9,0 V an 10 Ω ergeben 900 mA. Ein echter Widerstand von 10 Ω würde heiß: Er setzt P = U · I = 9,0 × 0,9 = 8,1 W um.

Kehren Sie dann zu den Vorhersagen zurück. Wenn Sie den Link genutzt haben, öffnen Sie Antworten ansehen und zeigen Sie die Spalten „Vorhersage“ und „Danach“ nebeneinander. Die Lernenden sehen gern, wie viele ihre Meinung geändert haben, besonders bei P2.

Erweiterung: Reihen- und Parallelschaltung mit dem Gleichstromkreis-Baukasten

Wechseln Sie für eine zweite Stunde oder für schnelle Lernende zum Baukasten für Stromkreise. Auf seinem Bildschirm Einführung ist jede Batterie 9 V und jeder Widerstand und jede Lampe 10 Ω, sodass die Zahlen direkt an die Simulation zum Ohmschen Gesetz anknüpfen: 9,0 V an 10 Ω ergaben dort 900 mA.

Die Lernenden bauen jede Schaltung aus dem Kasten links auf, tippen dann auf ein Bauteil, um seine Spannung und Stromstärke zu sehen, oder ziehen Spannungs- und Strommesser aus der Ablage. Um Bauzeit zu sparen, legen Sie auf einem Link die Anfangsschaltung „Zwei Lampen in Reihe“ oder „Zwei Lampen parallel“ fest.

Schaltung (9-V-Batterie, je 10 Ω)	Stromstärke durch die Batterie	Stromstärke in jedem Bauteil	Spannung an jedem Bauteil
Ein Widerstand	900 mA	900 mA	9,00 V
Zwei in Reihe	450 mA	450 mA	4,50 V
Zwei parallel	1,80 A	900 mA	9,00 V

Fragen, die Sie stellen können:

• „Zwei Widerstände von 10 Ω in Reihe verhalten sich wie ein Widerstand von welchem Wert?“ 20 Ω: 9 V ÷ 0,45 A. Prüfen Sie es in der Simulation zum Ohmschen Gesetz: 9,0 V und 20 Ω ergeben 450,0 mA.
• „Zwei parallel verhalten sich wie was?“ 5 Ω: 9 V ÷ 1,8 A. Das liegt unter dem Minimum von 10 Ω der Simulation zum Ohmschen Gesetz, eine gute Erinnerung daran, dass ein paralleler Zweig den Gesamtwiderstand senkt.
• „Setzen Sie den Strommesser vor den ersten und hinter den zweiten Widerstand. Was sehen Sie?“ Dieselben 450 mA, was Diskussionsfrage 4 beantwortet.

Auf dem Bildschirm Labor können die Lernenden Werte selbst einstellen. Ein Widerstand von 10 Ω und einer von 20 Ω in Reihe an 9 V ergeben 300 mA, mit 3,00 V und 6,00 V an ihnen: Der größere Widerstand erhält den größeren Anteil der Spannung. Dieselben beiden Widerstände parallel ziehen 900 mA und 450 mA, insgesamt 1,35 A.

Differenzierung

Unterstützung:

• Geben Sie die Messtabelle mit bereits ausgefülltem U und R, sodass die Lernenden nur die Stromstärke ablesen und eintragen.
• Nutzen Sie in Schritt 2 nur die Reihe mit 20 Ω.
• Geben Sie Satzanfänge: „Wenn sich die Spannung verdoppelt, …“
• Bilden Sie Paare, in denen eine Person die Regler bedient und die andere protokolliert, und tauschen Sie dann für Schritt 4.

Herausforderung:

• Bestimmen Sie R aus der Steigung, bevor Sie es am Regler ablesen, und erklären Sie, warum das Umrechnen von mA in A wichtig ist.
• Sagen Sie die ganze Tabelle aus Schritt 4 mit I = U/R voraus, bevor Sie messen.
• Setzen Sie auf dem Bildschirm Labor des Baukastens ein Häkchen bei Echte Lampen (Widerstand steigt bei Erwärmung), messen Sie die Stromstärke einer Lampe bei zwei Spannungen und erklären Sie, warum ihr I-U-Diagramm keine Gerade ist.
• Erkunden Sie den Innenwiderstand mit dem Ohmschen Gesetz für den geschlossenen Stromkreis.

Lernende mit Deutsch als Zweitsprache: Die Simulation gibt es in sechs Sprachen. Erstellen Sie einen zweiten Link in der Sprache der Lernenden, damit ihnen die Beschriftungen vertraut sind, während das Gespräch im Unterricht auf Deutsch bleibt.

Zuordnung zu Standards

Diese Stunde passt zu typischen Einheiten zur Elektrizität in der Sekundarstufe zu Stromstärke, Spannung und Widerstand, etwa dem Thema Elektrizität im GCSE Physics (Großbritannien) oder einem einführenden Physikkurs der Oberstufe. Die NGSS (US-Standards für die Naturwissenschaften) haben keine eigene Leistungserwartung zum Ohmschen Gesetz, wir behaupten also keine. Die Stunde übt drei NGSS-Praktiken: Untersuchungen planen und durchführen, Daten analysieren und interpretieren sowie Mathematik und algorithmisches Denken einsetzen.

Für einen vollständigen Versuchsbericht lesen Sie So erstellen Sie eine virtuelle Laboraktivität. Weitere Ideen zu Stromkreisen finden Sie in Ideen für interaktiven Physikunterricht.

Häufige Fragen

Warum verwendet die Simulation U statt V für die Spannung?

U ist das übliche Formelzeichen für die Spannung im deutschsprachigen Raum und in großen Teilen Europas. Das Gesetz ist dasselbe: U = R · I und V = IR beschreiben denselben Zusammenhang. Sagen Sie es den Lernenden, bevor sie beginnen.

Warum werden die Stromstärken in Milliampere angezeigt?

Bei Widerständen bis 1000 Ω liegen die meisten Stromstärken weit unter einem Ampere. Milliampere halten die Zahlen lesbar. Erinnern Sie die Lernenden daran, dass 1 A = 1000 mA ist, bevor sie einen Widerstand berechnen.

Können die Lernenden diese Stunde auf Smartphones durchführen?

Ja. Die Lernenden öffnen den Link ohne Konto, und die Regler funktionieren auf Touchscreens. An einem Tablet oder Laptop lassen sich genaue Werte leichter treffen und die Tabelle leichter lesen.

Zeigt die Simulation nichtohmsche Bauteile?

Nein. Ihr Widerstand gehorcht immer dem Ohmschen Gesetz. Für ein Bauteil, dessen Widerstand sich ändert, nutzen Sie die Option Echte Lampen auf dem Bildschirm Labor des Baukastens für Stromkreise.