Die Lernenden stellen ein Becherglas mit sehr heißem Wasser auf den Thermogenerator und messen die entstehende Spannung im 200-mV-Bereich des Multimeters. Während das Wasser abkühlt, protokollieren sie Spannung und Wassertemperatur in einer Tabelle und stellen fest, dass die Thermospannung mit der sinkenden Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Peltierelements abnimmt. Warum nur die Oberseite erwärmt werden darf, begründen sie mit den in Reihe geschalteten p- und n-leitenden Halbleiterbrücken. Aus ihrer Messreihe leiten sie Möglichkeiten ab, die Thermospannung zu steigern, etwa durch zusätzliches Kühlen des U-förmigen Halteprofils.

Die Lernenden betreiben den Thermogenerator in umgekehrter Richtung: Sie legen 1,5 V an, messen mit dem in Reihe geschalteten Multimeter die Stromstärke und kontrollieren alle fünf Minuten die Temperatur des kalten Wassers im aufgesetzten Becherglas. Nach dem Vertauschen der Anschlüsse wiederholen sie die Messung und beobachten, dass sich nun die zuvor erwärmte Seite abkühlt. Die Temperaturdifferenz zwischen Oberseite und U-Profil führen sie auf die Stärke des Stroms durch die Kontaktstellen der Halbleiter zurück. Ihre Erkenntnisse zum Peltier-Effekt übertragen sie auf Kühlboxen, die ohne Kompressor und Kühlflüssigkeit auskommen.

Die Lernenden verbinden den Thermogenerator direkt mit dem Mikromotor und bringen den Motor allein mit der Wärme eines Becherglases voll sehr heißem Wasser zum Laufen. Nach dem Umpolen beobachten sie, dass sich die Drehrichtung umkehrt. Mit dem parallel geschalteten Multimeter vergleichen sie die Generatorspannung mit und ohne angeschlossenen Motor und bemerken einen kurzen Spannungsabfall beim Zuschalten der Last. Dass der Motor nach dem Entfernen des Becherglases noch eine Weile weiterläuft, erklären sie mit der nur langsam abnehmenden Temperaturdifferenz im Peltierelement.

Die Lernenden belasten das beleuchtete Solarmodul mit einem Stellwiderstand, den sie vom Höchstwert 100 Ω in etwa gleichen Stromschritten bis zum Kurzschluss verringern. Für jede Einstellung erfassen sie Spannung und Stromstärke, tragen die Wertepaare in eine Wertetabelle ein und zeichnen daraus die Ausgangskennlinie des Moduls. Die Kennlinie zeigt eine über weite Bereiche nahezu konstante Spannung, die nach Überschreiten der maximalen Belastung stark abfällt. Aus dem Diagramm folgern sie, dass eine optimale Leistungsabgabe die Anpassung des Belastungswiderstands voraussetzt.

Die Lernenden füllen zwei Reagenzgläser blasenfrei mit Wasser, stülpen sie im Wasserzersetzungsapparat über die Elektroden und legen nach Zugabe von verdünnter Schwefelsäure eine Spannung von 5 V an. Über den Elektroden steigen Gasbläschen auf, und nach etwa zehn Minuten vergleichen sie die Füllstände in den beiden Gläsern. Die Wanderung der Wasserstoffionen zur Katode und der Sauerstoffionen zur Anode deuten sie als Umwandlung elektrischer in chemische Energie. Ausgehend von der Gewinnung von Wasserstoff bewerten sie Möglichkeiten, Energie ohne Leitungen zu transportieren und zu speichern.

Die Lernenden bauen aus dem Kupfer-Zink-Elektrodenpaar und verdünnter Schwefelsäure im Becher des Wasserzersetzungsapparats eine einfache Batterie und schließen den empfindlichen Mikromotor direkt daran an. Beim Eintauchen der Elektroden läuft der Motor an, bleibt aber nach kurzer Betriebsdauer stehen. Sie verfolgen die Umwandlung von chemischer über elektrische in mechanische Energie und erklären das Nachlassen mit stofflichen Veränderungen an den Elektroden, durch die die Spannung absinkt. Daraus leiten sie ab, welche Leistungsaufnahme ein Verbraucher an einer solchen Energiequelle höchstens haben darf.

Die Lernenden laden einen NiMH-Akkumulator 15 Minuten lang mit dem Ladegerät, setzen ihn in den Stecksockel ein und betreiben damit den Mikromotor. Im Unterschied zur Flüssigkeitsbatterie wird diese Spannungsquelle zunächst durch Zufuhr elektrischer Energie aufgeladen. Die stofflichen Veränderungen der Elektroden beim Laden und Entladen beschreiben sie als umkehrbaren elektrochemischen Prozess, in dem Energie gespeichert und wieder abgegeben wird. Abschließend wägen sie Vor- und Nachteile von Akkumulatoren als ortsunabhängige Energiespeicher mit begrenzter Kapazität kriteriengeleitet gegeneinander ab.

Die Lernenden montieren ein leicht drehbares Schaufelrad an einem Haltebügel und gießen Wasser aus unterschiedlichen Höhen auf die Schaufeln. In einem zweiten Durchgang treiben sie das Rad mit dem Strahl einer Spritze an, deren Kolben sie einmal langsam und einmal schnell eindrücken. Sie stellen fest, dass größere Fallhöhe und stärkerer Kolbendruck die Drehzahl erhöhen, und deuten das Anheben des Bechers als Speicherung potentieller Energie, die beim Herabfallen des Wassers in kinetische Energie übergeht. Abschließend übertragen sie ihre Beobachtungen auf den Antrieb eines Rades von unten durch strömendes Wasser und auf das Prinzip der Turbine.

Die Lernenden richten eine motorgetriebene Luftschraube senkrecht nach oben aus und lassen einen aufgeblasenen Luftballon im erzeugten Luftstrom etwa 30 cm über der Luftschraube schweben. Anschließend neigen sie die Motorachse an der Doppelmuffe schrittweise zur Seite und beobachten, dass der Ballon trotz seiner Gewichtskraft im schrägen Luftstrom gehalten wird, bis er ab einem bestimmten Neigungswinkel herunterfällt. Den Effekt erklären sie mit dem Überdruck unter und dem Unterdruck über dem umströmten Ballon. Dabei trennen sie die beobachtete Lage des Ballons klar von ihrer Deutung als Gleichgewicht aus Auftriebskraft und Gewichtskraft.

Die Lernenden befestigen einen Elektromotor mit Luftschraube auf einem Messwagen, der frei auf der Profilschiene rollt. Sie erhöhen die Motorspannung langsam von 1,5 auf 4 V und beobachten, wie der erzeugte Luftstrom den Wagen in Bewegung setzt; nach dem Umpolen des Motors fährt der Wagen in die Gegenrichtung. So erschließen sie das Rückstoßprinzip und die Abhängigkeit der Fahrtrichtung von der Drehrichtung der Luftschraube. Die Kette von der elektrischen Energie über Rotations- und Strömungsenergie bis zur Bewegungsenergie des Wagens stellen sie übersichtlich als Blockschema dar.

Die Lernenden richten einen um etwa 45° geneigten Reflektor so im Sonnenlicht aus, dass seine Brennlinie genau durch ein waagerecht gehaltenes, mit Wasser gefülltes Reagenzglas verläuft. Im Abstand von fünf Minuten beobachten sie den Flüssigkeitsstand im aufgesetzten Glasrohrwinkel und messen die Wassertemperatur mit dem Thermometer. Dabei erfahren sie, dass der Reflektor auch die Wärmestrahlung des Sonnenlichts bündelt, und grenzen seine linienförmige Bündelung von der punktförmigen eines Parabolspiegels ab. Ausgehend von der erforderlichen Sonnenscheindauer beurteilen sie, an welchen Standorten die direkte Nutzung der Sonnenwärme technisch sinnvoll ist.

Die Lernenden legen etwa fünf Minuten lang die Hand auf die Oberseite des Thermogenerators und verfolgen dabei die Anzeige des Multimeters im 200-mV-Bereich. Schon die Körperwärme, die durch Wärmeleitung zu den Kontaktstellen der Halbleiterbrücken gelangt, erzeugt eine messbare Thermospannung. Sie begründen, warum nur die Oberseite berührt werden darf, und ordnen feste und flüssige Stoffe als Wärmeleiter ein. Dabei erklären sie die Funktion des Thermogenerators als empfindlichen Sensor, mit dem sich auch kleine Wärmemengen nachweisen lassen.

Die Lernenden richten die Stirnfläche des Thermogenerators mithilfe von Stativstab und Doppelmuffe direkt auf eine optische Lampe aus. Sie betreiben die Lampe nacheinander mit 6, 9 und 12 V und lesen jeweils die Thermospannung am Multimeter ab, die mit zunehmender Strahlungsleistung ansteigt. Anders als bei der Wärmeleitung gelangt die Energie hier berührungslos als Strahlung zum Peltierelement. Zusätzlich untersuchen sie, wie sich der Abstand zur Strahlungsquelle auf die Messwerte auswirkt, und leiten daraus Hinweise für einen verbesserten Messaufbau ab.

Die Lernenden verbinden einen Elektromotor am Stab über zwei Experimentierkabel mit dem Mikromotor und drehen die Achse des Elektromotors von Hand. Sie variieren Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit und beobachten, dass sich die Scheibe des Mikromotors je nach Drehsinn in die eine oder andere Richtung bewegt. Daraus folgern sie, dass der handbetriebene Motor durch Induktion als Generator arbeitet und die aufgewandte mechanische Energie über elektrische Energie wieder in Bewegung umgesetzt wird. Die Bezeichnung „Motor“ für diese Energiequelle hinterfragen sie fachsprachlich und unterscheiden präzise zwischen Motor- und Generatorbetrieb.

Die Lernenden koppeln die Achsen zweier Elektromotoren mit einem Schlauch, sodass der an die Spannungsquelle angeschlossene Motor den zweiten als Generator antreibt. Am Generator betreiben sie zuerst eine LED und danach eine Glühlampe, während sie die Antriebsspannung von 1,5 auf 4 V erhöhen. Schrauben sie die Glühlampe bei voller Drehzahl kurz heraus, laufen beide Maschinen schneller, weil die Belastung über die mechanische Kopplung auf den Antrieb zurückwirkt. Aus dieser Beobachtung leiten sie begründet ab, warum ein Leerlauf des Generators bei konstanter Antriebsspannung vermieden werden sollte.

Die Lernenden stellen zwei Elektromotoren mit Luftschrauben hintereinander auf: Der an die Spannungsquelle angeschlossene Motor erzeugt einen Luftstrom, der die Luftschraube des zweiten Motors antreibt. Dieser arbeitet als Windgenerator und versorgt eine LED im Stecksockel, deren Helligkeit sie bei unterschiedlichen Drehzahlen des Gebläses vergleichen. Sie erkennen, dass die Leistungsabgabe von Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Profil der Rotorblätter abhängt. Für die schwankende Leistung realer Windkraftanlagen entwickeln sie begründete Lösungsvorschläge wie die Zwischenspeicherung in Akkumulatoren.

Die Lernenden schließen einen Elektromotor mit Luftschraube direkt an das Solarmodul an und richten dessen Oberfläche im Sonnenlicht rechtwinklig zur Einstrahlung aus. Beschatten sie das Modul mit der Hand, wird die Luftschraube langsamer oder bleibt stehen. Die Spannungsentstehung erklären sie mit der Trennung von Ladungsträgerpaaren am p-n-Übergang der vier in Reihe geschalteten Solarzellen und ordnen die erzeugte Spannung als Gleichspannung ein. Im Vergleich mit der Wärmegewinnung im Sonnenkollektor begründen sie, warum die Photovoltaik als indirekte Nutzung der Sonnenenergie gilt.

Die Lernenden beleuchten das Solarmodul mit einer optischen Lampe und bestimmen zunächst die Leerlaufspannung bei voller Ausleuchtung aller vier Zellen. Dann decken sie eine Zelle mit dem Schirm ab und messen anschließend mit dem als Strommesser geschalteten Multimeter die Kurzschlussstromstärke. Aus der Messreihe für Lampenspannungen von 3, 6, 9 und 12 V arbeiten sie heraus, dass sich die Leerlaufspannung kaum ändert, während die Kurzschlussstromstärke nahezu proportional zur Beleuchtung ansteigt. Die Wirkung der abgedeckten Zelle deuten sie mithilfe der Reihenschaltung der Solarzellen im Modul.

Die Lernenden betreiben einen Mikromotor direkt am Solarmodul, das von einer optischen Lampe beleuchtet wird. Sie vertauschen die Anschlüsse am Modul und beobachten, dass sich die Drehrichtung des Motors umkehrt. Anschließend verändern sie den Abstand zwischen Lampe und Modul sowie die Lampenspannung von 6 über 9 bis 12 V und nutzen die Drehgeschwindigkeit des Motors als Anzeige für die Lichtintensität. Indem sie jeweils nur eine Größe gezielt verändern, sichern sie den Zusammenhang ab, dass die Drehzahl mit zunehmender Beleuchtungsstärke steigt.

Die Lernenden schwenken das von der Lampe beleuchtete Solarmodul aus der senkrechten Lage auf etwa 30°, 45° und 60° und beobachten die Drehgeschwindigkeit des angeschlossenen Mikromotors. Anschließend messen sie für dieselben Winkel die Kurzschlussstromstärke. Ausgehend von der Modulfläche von 64 cm² berechnen sie mit dem Kosinus des Neigungswinkels die jeweils wirksame Fläche gegenüber der Lampe und vergleichen deren Verhältnis mit dem der gemessenen Ströme. Daraus begründen sie, warum Solarmodule in der Praxis möglichst senkrecht zur einfallenden Strahlung ausgerichtet werden.

Die Lernenden verbinden das Solarmodul direkt mit dem Thermogenerator und richten das Modul rechtwinklig zum Sonnenlicht aus. Nach etwa drei Minuten prüfen sie durch Berühren von Oberseite und U-förmigem Halteprofil, ob ein Temperaturunterschied entstanden ist. Sie erkennen, dass die Spannung des Solarmoduls unter der üblichen Betriebsspannung des Thermogenerators liegt und der Kühleffekt daher erst nach einer kurzen Vorlaufzeit spürbar wird. Die Kette aus Strahlungsenergie, elektrischer Energie und Wärmetransport beschreiben sie als zweistufige Energieumwandlung und erklären, warum die Polung festlegt, welche Seite sich abkühlt.

Die Lernenden tauchen ein Kupfer-Zink-Elektrodenpaar zunächst in reines Wasser und stellen am Multimeter fest, dass keine Spannung anliegt. Erst nachdem sie vorsichtig etwa 5 ml verdünnte Schwefelsäure zugegeben haben, zeigt das Messgerät eine Spannung an. Diese erklären sie mit den unterschiedlichen Potentialen von Zink- und Kupferelektrode gegenüber dem Elektrolyten und beobachten Veränderungen an den Elektrodenoberflächen. Den Vergleich beider Messungen nutzen sie als Kontrollexperiment, mit dem sie den Elektrolyten als notwendige Bedingung für die elektrochemische Spannung belegen.