Reihen- und Parallelschaltung: Unterrichtsentwurf mit Labor

Dieser Unterrichtsentwurf zu Reihen- und Parallelschaltung nutzt ein kostenloses virtuelles Labor, damit jedes Paar in einer Unterrichtsstunde Stromkreise bauen, unterbrechen und messen kann, mit Messgeräten, die nie leer werden. Die Lernenden finden heraus, warum die Stromstärke in einer Reihenschaltung überall gleich ist, warum jeder parallele Zweig die volle Batteriespannung bekommt und warum ein zusätzlicher Zweig die Batterie stärker belastet. Sie erhalten Ziele, Vorbereitung, Vorhersagen, die Messwerte, die die Lernenden erhalten sollten, ein Set mit fünf Fragen für den Klassenlink, eine Vertiefung und Differenzierung. Jede Zahl stammt vom Schaltungslöser der Simulation selbst.

Wenn Ihre Klasse U = R·I selbst noch braucht, unterrichten Sie zuerst den Unterrichtsentwurf zum ohmschen Gesetz. Diese Stunde baut darauf auf.

Die Stunde im Überblick

• Stufe: Klassen 8–10 (13–16 Jahre), Physik oder Naturwissenschaften.
• Zeit: eine Stunde von 55–60 Minuten, plus eine optionale Vertiefung von 20 Minuten.
• Vorwissen: Stromstärke, Spannung und Widerstand, U = R·I, Milliampere.
• Form: Paare an Laptops oder Tablets, oder die ganze Klasse mit einem Projektor.
• Simulationen: Gleichstromkreise bauen. Vertiefung: Ohmsches Gesetz – zwei Widerstände in Reihe.

Lernziele

Am Ende der Stunde können die Lernenden:

1. Feststellen, dass die Stromstärke an jeder Stelle einer Reihenschaltung gleich ist.
2. Feststellen, dass sich die Spannungen an Bauteilen in Reihe zur Batteriespannung addieren.
3. Feststellen, dass parallele Zweige jeweils die volle Batteriespannung bekommen und sich die Zweigströme zur Batteriestromstärke addieren.
4. Den Gesamtwiderstand zweier Widerstände in Reihe (R₁ + R₂) und parallel (1/R = 1/R₁ + 1/R₂) berechnen.
5. Erklären, warum parallele Lampen heller leuchten als dieselben Lampen in Reihe.

Was die Simulation macht

Der Baukasten ist ein freies Steckbrett mit zwei Bildschirmen.

• Einführung: Ziehen Sie Drähte, Batterien, Widerstände, Lampen und Schalter aus dem Kasten auf das Brett. Jede Batterie hat 9 V, und jede Lampe und jeder Widerstand hat 10 Ω. Tippen Sie auf ein Bauteil, um Spannung U, Stromstärke I und Leistung P zu sehen. Ein Spannungsmesser und ein Strommesser liegen in der Ablage unter dem Kasten.
• Labor: Tippen Sie auf ein Bauteil und stellen Sie seinen Wert mit einem Regler ein: Batterien 0–120 V, Lampen und Widerstände 0–120 Ω, in Schritten von 0,5. Unter Erweitert stellen Sie den Innenwiderstand der Batterie ein.

Die Einstellung Anfangsschaltung lädt auf beiden Bildschirmen eine fertige Schaltung: „Batterie, Schalter und Lampe“, „Zwei Lampen in Reihe“, „Zwei Lampen parallel“ oder „Widerstand in Reihe mit zwei parallelen Lampen“. Das spart Aufbauzeit.

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

• Die Anzeigen haben drei signifikante Stellen. Stromstärken unter 1 A erscheinen in Milliampere, zum Beispiel 450 mA, größere in Ampere, zum Beispiel 1,80 A.
• Die Helligkeit folgt der Leistung. Lampen leuchten heller, wenn P = I²R wächst.
• Der Spannungsmesser hat ein Vorzeichen. Er zeigt das Potenzial der roten Messspitze minus das der schwarzen. Ist eine Anzeige negativ, vertauschen Sie die Spitzen.

Material und Vorbereitung vor dem Unterricht

Material: ein Gerät pro Paar (oder ein Projektor), die Datentabellen unten auf Papier und ein Taschenrechner.

Vorbereitung (10 Minuten, einmalig):

1. Öffnen Sie die Simulation und stellen Sie im Feld Startwerte darunter Anfangsschaltung auf „Zwei Lampen in Reihe“.
2. Klicken Sie auf Teilen und erstellen Sie für jede Klasse einen Link, zum Beispiel „Physik · 2. Stunde“. Der Link legt diese Anfangsschaltung fest.
3. Optional: Geben Sie auf dem Tab Fragen das Fragenset unten ein und hängen Sie es an den Link. Die beiden Vorhersagen sperren die Simulation, bis jede Person sich festgelegt hat. Warum das funktioniert, lesen Sie im Leitfaden zu Vorhersagen, Beobachten und Erklären.
4. Posten Sie den Link, oder öffnen Sie ihn im Präsentationsmodus und zeigen Sie den QR-Code.

Die Lernenden ändern die Anfangsschaltung später selbst im selben Feld. Eine Änderung baut beide Bildschirme neu auf und führt zurück zum Tab Einführung.

Ablauf der Stunde

1. Einstieg und Vorhersagen (8 Minuten)

Projizieren Sie die Simulation mit Anfangsschaltung auf „Batterie, Schalter und Lampe“. Tippen Sie auf die Lampe: Sie zeigt U = 9,00 V und I = 900 mA. Tippen Sie auf den Schalter, um ihn zu öffnen und zu schließen, während die Klasse zusieht, wie die Elektronen stehen bleiben und wieder losfließen.

Bitten Sie dann um zwei Vorhersagen, auf Papier oder am Link:

• V1. „Zwei gleiche Lampen kommen an dieselbe Batterie, erst in Reihe, dann parallel. Wann leuchten sie heller?“
• V2. „Zwei Lampen sind parallel geschaltet. Sie fügen eine dritte Lampe als weiteren Zweig hinzu. Steigt die Stromstärke durch die Batterie, sinkt sie oder bleibt sie gleich?“

Viele erwarten, dass die Batterie eine feste Stromstärke liefert, und sagen daher bei V1 gleiche Helligkeit und bei V2 „sinkt“ voraus. Korrigieren Sie noch niemanden.

2. Reihenschaltung: ein Weg, geteilte Spannung (12 Minuten)

Die Paare öffnen den Link („Zwei Lampen in Reihe“). Sie tippen jede Lampe an, lesen die Anzeigezeile „Strom durch Batterie 1“ ab und ziehen dann den Strommesser auf drei verschiedene Drähte. Schließlich legen sie beide Spitzen des Spannungsmessers erst an jede Lampe, dann an beide Lampen zusammen.

Messung	Erwarteter Wert
Stromstärke durch die Batterie	450 mA
Stromstärke in Lampe 1 und Lampe 2	je 450 mA
Strommesser an einem beliebigen Draht	450 mA
Spannung an jeder Lampe	4,50 V
Spannung an beiden Lampen	9,00 V
Leistung jeder Lampe	2,02 W

Fragen Sie: „Wird der Strom von der ersten Lampe verbraucht?“ Nein: 450 mA vor, zwischen und nach den Lampen. Die Spannung wird aufgeteilt: 4,50 V + 4,50 V = 9,00 V.

Ziehen Sie dann eine Lampe zurück in den Kasten, um sie zu entfernen. Die andere Lampe erlischt, und die Stromstärke fällt auf null. Eine Lücke unterbricht den einzigen Weg.

3. Parallelschaltung: volle Spannung, geteilter Strom (12 Minuten)

Im Feld Startwerte stellen die Paare Anfangsschaltung auf „Zwei Lampen parallel“ und wiederholen die Messungen.

Messung	Erwarteter Wert
Stromstärke durch die Batterie	1,80 A
Stromstärke in jeder Lampe	900 mA
Strommesser am Draht neben der Batterie	1,80 A
Strommesser an einem Zweig	900 mA
Spannung an jeder Lampe	9,00 V
Leistung jeder Lampe	8,10 W

Jede Lampe verhält sich, als wäre sie allein an der Batterie: 9,00 V und 900 mA, wie die einzelne Lampe im Einstieg. Die Zweigströme addieren sich: 900 mA + 900 mA = 1,80 A. Entfernen Sie nun eine Lampe. Die andere bleibt mit 900 mA an, und die Batteriestromstärke fällt auf 900 mA zurück.

Prüfen Sie V1. Parallele Lampen sind heller, weil jede 8,10 W umsetzt, das Vierfache der 2,02 W einer Lampe in Reihe. Prüfen Sie V2 genauso: Ein dritter Zweig zieht weitere 900 mA, sodass die Batteriestromstärke auf 2,70 A steigt. Schnelle Paare können diesen dritten Zweig aus dem Kasten bauen, um es zu sehen.

4. Verschiedene Widerstände auf dem Bildschirm Labor (14 Minuten)

Die Paare öffnen den Tab Labor, wo dieselbe Anfangsschaltung wartet. Sie tippen eine Lampe an, stellen ihren Widerstand mit dem Regler ein und lesen alle Werte erneut ab. Für die parallelen Zeilen ändern sie die Anfangsschaltung und öffnen den Tab Labor erneut.

Schaltung (9-V-Batterie)	Batteriestromstärke	Lampe 1	Lampe 2
Reihe, 10 Ω und 20 Ω	300 mA	3,00 V, 300 mA	6,00 V, 300 mA
Parallel, 10 Ω und 20 Ω	1,35 A	9,00 V, 900 mA	9,00 V, 450 mA
Reihe, 20 Ω und 40 Ω	150 mA	3,00 V, 150 mA	6,00 V, 150 mA

Bitten Sie die Paare um zwei Muster. Gute Antworten: „In Reihe nimmt der größere Widerstand den größeren Anteil der Spannung, im gleichen Verhältnis“ und „Parallel nimmt der größere Widerstand den kleineren Anteil der Stromstärke.“

Bestimmen Sie dann den Gesamtwiderstand aus den Batteriewerten:

• Reihe: 9 V ÷ 0,300 A = 30 Ω, also 10 Ω + 20 Ω.
• Parallel: 9 V ÷ 1,35 A ≈ 6,67 Ω, was zu 1/R = 1/10 + 1/20 passt.

Der Kerngedanke: Ein paralleler Zweig fügt einen Weg hinzu, daher ist der Gesamtwiderstand kleiner als der kleinste Zweigwiderstand. Deshalb stieg die Batteriestromstärke bei V2.

5. Eine gemischte Schaltung (6 Minuten)

Stellen Sie Anfangsschaltung auf „Widerstand in Reihe mit zwei parallelen Lampen“ und kehren Sie zum Tab Einführung zurück. Bitten Sie die Paare, die Werte vorherzusagen, bevor sie tippen:

• Die beiden parallelen Lampen wirken wie 5 Ω, also ist der Gesamtwiderstand 10 Ω + 5 Ω = 15 Ω.
• Batteriestromstärke: 9 V ÷ 15 Ω = 600 mA. Der Widerstand führt alle 600 mA und nimmt 6,00 V auf.
• Jede Lampe bekommt die übrigen 3,00 V und führt 300 mA.

Die Simulation bestätigt es, und die dunkleren Lampen zeigen, dass sie die Spannung jetzt mit dem Widerstand teilen.

6. Abschlusskontrolle (5 Minuten)

Nutzen Sie die Fragen 3–5 des Sets unten. Öffnen Sie dann Antworten ansehen und zeigen Sie die Spalten Vorhersage und Nachher für V1 und V2 nebeneinander.

Fragenset für diese Stunde

Geben Sie diese Fragen auf dem Tab Fragen der Simulation ein. Vorgeschlagene Anleitung für Schüler: „Nutze die Einstellung Anfangsschaltung im Feld unter der Simulation. Tippe ein Bauteil an, um seine Spannung und Stromstärke abzulesen.“

1. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen

• Frage: „Zwei gleiche Lampen kommen an dieselbe Batterie, erst in Reihe, dann parallel. Wann leuchten sie heller?“
• Optionen: In Reihe / Parallel (richtig) / In beiden gleich / Das hängt davon ab, welche Lampe näher an der Batterie ist
• Erklärung: „Parallel bekommt jede Lampe die volle Spannung von 9 V, führt 900 mA und setzt 8,10 W um. In Reihe teilen sich die Lampen die 9 V, jede bekommt also 4,50 V, die Stromstärke beträgt nur 450 mA, und jede Lampe setzt etwa 2 W um. Die Helligkeit folgt der Leistung, daher sind die parallelen Lampen heller.“

2. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen

• Frage: „Zwei Lampen sind parallel an eine 9-V-Batterie angeschlossen. Sie fügen eine dritte gleiche Lampe als weiteren Zweig hinzu. Die Stromstärke durch die Batterie …“
• Optionen: steigt (richtig) / sinkt / bleibt gleich / fällt auf null
• Erklärung: „Jeder Zweig bekommt die vollen 9 V und zieht 900 mA, egal was die anderen Zweige tun. Zwei Zweige ziehen 1,80 A, drei ziehen 2,70 A. Jeder neue Zweig ist ein weiterer Weg, daher sinkt der Gesamtwiderstand und die Batteriestromstärke steigt.“

3. Zahl · Nach der Simulation

• Frage: „Nutze auf dem Bildschirm Labor die Schaltung Zwei Lampen in Reihe. Stelle eine Lampe auf 10 Ω und die andere auf 20 Ω. Wie groß ist die Spannung an der 20-Ω-Lampe?“
• Antwort: 6,00, Toleranz ± 0,05, Einheit V
• Erklärung: „Der Gesamtwiderstand beträgt 30 Ω, also ist die Stromstärke überall 9 V ÷ 30 Ω = 300 mA. Die 20-Ω-Lampe nimmt 0,300 A × 20 Ω = 6,00 V auf und die 10-Ω-Lampe 3,00 V. Der größere Widerstand bekommt den größeren Anteil, und beide ergeben zusammen 9 V.“

4. Zahl · Nach der Simulation

• Frage: „Nutze jetzt Zwei Lampen parallel mit denselben Werten, 10 Ω und 20 Ω. Wie groß ist die Stromstärke durch die Batterie?“
• Antwort: 1,35, Toleranz ± 0,02, Einheit A
• Erklärung: „Beide Zweige bekommen die vollen 9 V. Der 10-Ω-Zweig führt 900 mA und der 20-Ω-Zweig 450 mA. Die Batterie liefert beide: 0,90 A + 0,45 A = 1,35 A. Das Paar wirkt also wie ein einzelner Widerstand von 6,67 Ω, kleiner als jeder der beiden.“

5. Kurzantwort · Nach der Simulation

• Frage: „Erkläre, warum zwei parallele Widerstände einen kleineren Gesamtwiderstand haben als jeder Widerstand allein.“
• Akzeptierte Antworten (optional): *weg*, *pfad*
• Musterantwort: „Ein paralleler Zweig gibt dem Strom einen weiteren Weg. Die Batterie drückt dieselbe Spannung durch jeden Weg, die Stromstärken addieren sich, und der Gesamtstrom ist größer als durch einen Widerstand allein. Eine größere Stromstärke bei gleicher Spannung bedeutet einen kleineren Gesamtwiderstand.“

Die Fragen 1 und 2 sind die Vorhersagen, die nach der Simulation noch einmal gestellt werden, damit die Lernenden vergleichen können. Der Leitfaden zur formativen Bewertung erklärt, wie Sie die Ergebnisse über mehrere Klassen hinweg lesen.

Vertiefung: Spannungsteilung und eine reale Batterie

Zwei Widerstände in Reihe (10 Minuten). Die Simulation mit Widerständen in Reihe gibt I = U/(R1 + R2), U1 und U2 für eine Quelle und zwei Widerstände aus. Die Lernenden stellen die Werte im Feld Startwerte ein. Mit den Standardwerten U = 12 V, R1 = 10 Ω und R2 = 20 Ω zeigt sie I = 0,400 A, U1 = 4,00 V und U2 = 8,00 V.

Fordern Sie die Paare heraus, bei U = 9 V genau U1 = 3,00 V zu erreichen. Eine Lösung: R1 = 15 Ω und R2 = 30 Ω ergeben I = 0,200 A, U1 = 3,00 V und U2 = 6,00 V. Jedes Paar, bei dem R2 doppelt so groß ist wie R1, funktioniert, das ist die Spannungsteilerregel in Aktion.

Innenwiderstand (10 Minuten). Stellen Sie auf dem Bildschirm Labor des Baukastens Innenwiderstand der Batterie unter Erweitert auf 1 Ω. Mit einer 10-Ω-Lampe sinkt die Stromstärke auf 818 mA und die Klemmenspannung der Batterie auf 8,18 V. Bei „Zwei Lampen parallel“ liefert die Batterie 1,50 A, und jede Lampe bekommt nur 7,50 V. Fragen Sie: „Warum macht ein zusätzlicher Zweig die Lampen jetzt dunkler?“ Die größere Stromstärke verliert mehr Spannung in der Batterie selbst.

Differenzierung

Unterstützung:

• Geben Sie die Tabellen mit ausgefüllten Messnamen aus, sodass die Lernenden nur ablesen und eintragen.
• Lassen Sie Schritt 4 und die gemischte Schaltung weg; vergleichen Sie nur gleiche Lampen in Reihe und parallel.
• Geben Sie Satzanfänge vor: „In einer Reihenschaltung ist die Stromstärke …“ und „In einer Parallelschaltung bekommt jede Lampe …“

Erweiterung:

• Finden Sie den einzelnen Widerstand, der die gemischte Schaltung ersetzen könnte (15 Ω), stellen Sie ihn auf dem Bildschirm Labor ein und bestätigen Sie, dass die Batteriestromstärke dieselben 600 mA beträgt.
• Haken Sie auf dem Bildschirm Labor Echte Lampen (Widerstand steigt bei Erwärmung) an, stellen Sie eine 10-Ω- und eine 20-Ω-Lampe in Reihe und erklären Sie, warum die Spannungen nicht mehr genau 3,00 V und 6,00 V betragen.

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

Zuordnung zu Standards

Diese Stunde passt in die Einheit zur Elektrizität in der Sekundarstufe I im Fach Physik oder Naturwissenschaften. Die US-Standards NGSS haben keine eigene Leistungserwartung zu Reihen- und Parallelschaltungen, daher behaupten wir keine. Die Stunde übt aber „Planning and Carrying Out Investigations“ und „Analyzing and Interpreting Data“.

Für ein vollständiges Versuchsprotokoll lesen Sie Eine Aktivität im virtuellen Labor erstellen. Weitere Ideen für diese Einheit finden Sie unter Ideen für interaktiven Physikunterricht, und für allgemeine Abläufe unter interaktive Simulationen im Unterricht nutzen.

Häufige Fragen

Warum zeigen die Lampen in Reihe 2,02 W und nicht 2,03 W?

Die Drähte und die Batterie erhalten einen winzigen Widerstand, damit der Löser nie durch null teilt. Dadurch liegt die Stromstärke einen Bruchteil unter 450 mA, und die Leistung rundet auf 2,02 W. Stromstärke und Spannung zeigen weiterhin 450 mA und 4,50 V.

Wie verhindere ich, dass die Lernenden Kurzschlüsse bauen?

Das müssen Sie nicht. Ein Kurzschluss setzt nur einen virtuellen Draht in Brand und zeigt eine Warnung. Nutzen Sie ihn, um Sicherungen zu erklären, die die Lernenden auf dem Bildschirm Labor hinzufügen können.

Können die Lernenden das auf Smartphones machen?

Ja. Die Lernenden öffnen den Link ohne Konto, und Tippen und Ziehen funktionieren auf Touchscreens. Auf kleinen Bildschirmen bleiben Sie bei den Anfangsschaltungen, statt aus dem Kasten zu bauen.