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Programmieren für technische Aufgaben – Technische Formeln in Code umsetzen

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Einleitung

Programmieren für technische Aufgaben – Technische Formeln in Code umsetzen

Zielgruppe: Technische Ausbildung, insbesondere Elektrotechnik, Mechatronik, Automatisierungstechnik und Fachinformatik.

Dauer: Sechs kurze Lerneinheiten mit insgesamt etwa 70 Minuten Lernzeit. Zusätzliche Projekt- und Transferaufgaben nach Bedarf.

Lernziel: Du überträgst technische Formeln in Python, kontrollierst Einheiten, überprüfst bekannte Ergebnisse und visualisierst fiktive Berechnungsdaten.

Ausbildungsfall: Ein virtueller 12-V-Prüfstand enthält einen idealisierten ohmschen Widerstand von 24 Ohm. Du programmierst einen Rechner für Stromstärke und elektrische Leistung.

Sicherheitsregel: Arbeite nur lokal mit fiktiven Daten. Verwende keine fremden Netze, Produktivanlagen, Zugangsdaten oder Kundendaten. Übertrage keine Testdaten an externe Dienste. Die Beispiele steuern keine Hardware.

Bild: Vereinfachter Stromkreis mit Spannungsquelle und Widerstand. Quelle: Wikimedia Commons.

Video: Lehrerschmidt – Das ohmsche Gesetz.

Dein Lernweg

Einheit	Lerninhalt	Lernprodukt
1	Technische Formeln verstehen	Handrechnung
2	Einheiten kontrollieren	Einheitentabelle
3	Formeln programmieren	Python-Rechner
4	Ergebnisse testen	Automatische Tests
5	Daten visualisieren	Diagramm
6	Interaktiv experimentieren	Lokales Testlabor

Voraussetzungen: Grundrechenarten und erste Kenntnisse über Variablen. Benötigt wird Python 3.8 oder neuer. Alle Programme verwenden ausschließlich die Python-Standardbibliothek.

Lerneinheit 1: Technische Formeln verstehen

Lernzeit: 8 Minuten

Das ohmsche Gesetz

Für einen idealen ohmschen Widerstand mit konstantem Widerstandswert gilt:

$I = \frac{U}{R}$

Größe	Zeichen	Einheit
Spannung	U	Volt
Stromstärke	I	Ampere
Widerstand	R	Ohm
Leistung	P	Watt

Merkhilfe: In der Abbildung bezeichnet V die Spannung; in diesem Kurs verwenden wir dafür U.

Die elektrische Leistung berechnest Du mit:

$P = U \cdot I$

Für einen konstanten ohmschen Widerstand folgt außerdem:

$P = \frac{U^{2}}{R}$

Der Ausbildungsfall

Fiktive Eingabedaten:

Spannung: 12 V

Widerstand: 24 Ω

Handrechnung:

$I = \frac{12 V}{24 Ω} = 0,5 A$

$P = 12 V \cdot 0,5 A = 6 W$

Bekannte Sollwerte: 0,5 A und 6 W.

Merke: Diese Ergebnisse werden später unabhängig als Testreferenz verwendet. Das Modell gilt bei konstantem Widerstand. Temperaturabhängigkeiten und andere reale Bauteileigenschaften sind nicht enthalten.

Mini-Auftrag: Berechne die Werte für 6 V bei unverändertem Widerstand.

Feedback: 0,25 A und 1,5 W sind richtig. Die halbierte Spannung halbiert bei konstantem Widerstand den Strom, die Leistung sinkt auf ein Viertel.

Lerneinheit 2: Einheiten kontrollieren

Lernzeit: 8 Minuten

SI-Einheiten und Vorsätze

Technische Formeln benötigen zusammenpassende Einheiten.

Schreibweise	Umrechnung	Bedeutung
1 kΩ	1000 Ω	Kilo bedeutet tausendfach
0,024 kΩ	24 Ω	Widerstand im Ausbildungsfall
1 A	1000 mA	Milli bedeutet ein Tausendstel
0,5 A	500 mA	Strom im Ausbildungsfall

Dimensionskontrolle:

$\frac{V}{Ω} = A$

$V \cdot A = W$

Die Dimensionskontrolle hilft Dir, falsche Formeln zu erkennen. Sie erkennt aber nicht jeden falschen Zahlenwert.

Bild: Formelbeziehungen zwischen Spannung, Strom, Widerstand und Leistung.

Video: Ohm's Law and Power Explained Simply!

Der typische Einheitenfehler

Falsch:

r_ohm = 0.024

Richtig:

r_kohm = 0.024
r_ohm = r_kohm * 1000

Warum? Der eingegebene Wert bezeichnet Kiloohm, die Formel erwartet Ohm.

Mini-Auftrag: Erkläre, warum eine Verwechslung der Einheiten kΩ und Ω den berechneten Strom um den Faktor 1000 verändern kann.

Feedback: Da der Widerstand im Nenner steht, führt ein tausendfach zu kleiner eingesetzter Widerstand zu einem tausendfach zu großen Stromwert.

Lerneinheit 3: Technische Formeln in Python

Lernzeit: 12 Minuten

Dein erster technischer Rechner

Erstelle lokal die Datei formeln.py.

import math

def berechne(u_volt, r_kohm):
    """Ideales ohmsches Bauteil: V, kOhm -> A, W."""
    if any(type(x) not in (int, float)
           for x in (u_volt, r_kohm)):
        raise ValueError("Zahlen in V und kOhm erwartet")

    if not all(math.isfinite(x)
               for x in (u_volt, r_kohm)):
        raise ValueError("Endliche Zahlen erforderlich")

    if u_volt < 0 or r_kohm <= 0:
        raise ValueError(
            "U >= 0 V und R > 0 kOhm erforderlich"
        )

    r_ohm = r_kohm * 1000

    if r_ohm <= 0 or not math.isfinite(r_ohm):
        raise ValueError("R ausserhalb des Rechenbereichs")

    i_ampere = u_volt / r_ohm
    p_watt = u_volt * i_ampere

    if not all(math.isfinite(x)
               for x in (i_ampere, p_watt)):
        raise ValueError("Ergebnis ausserhalb des Rechenbereichs")

    return i_ampere, p_watt

if __name__ == "__main__":
    strom, leistung = berechne(12, 0.024)
    print(f"I = {strom:.3f} A = {strom * 1000:.0f} mA")
    print(f"P = {leistung:.3f} W")

Starte lokal:

python3 formeln.py

Unter Windows kannst Du stattdessen gegebenenfalls den Befehl py verwenden.

Erwartete Ausgabe:

I = 0.500 A = 500 mA
P = 6.000 W

Den Code verstehen

Python	Technische Bedeutung
u_volt	Eingangsspannung in Volt
r_kohm	Eingangswiderstand in Kiloohm
r_kohm * 1000	Umrechnung nach Ohm
u_volt / r_ohm	Stromberechnung
u_volt * i_ampere	Leistungsberechnung
return	Rückgabe der Ergebnisse
ValueError	Ungültige Eingabe zurückweisen

Wichtig: Die Variablennamen machen Einheiten erkennbar. Python-Zahlen enthalten selbst jedoch keine physikalische Einheit. Eine falsch bezeichnete, aber numerisch gültige Eingabe kann deshalb unentdeckt bleiben.

Video: Python Funktionen – Definition und Aufruf.

Mini-Auftrag: Ergänze eine zusätzliche Ausgabe der Stromstärke in Milliampere.

Feedback: Multipliziere den Stromwert in Ampere mit 1000, weil ein Ampere genau 1000 Milliampere entspricht.

Lerneinheit 4: Ergebnisse automatisch testen

Lernzeit: 12 Minuten

Prüfen statt vermuten

Ein Softwaretest vergleicht das tatsächliche Ergebnis mit einem vorher festgelegten Sollwert.

Ein guter Testfall enthält Eingabe, erwartetes Ergebnis und ein überprüfbares Kriterium.

Spannung	Widerstand	Strom	Leistung
12 V	0,024 kΩ	0,5 A	6 W
6 V	0,024 kΩ	0,25 A	1,5 W
24 V	0,024 kΩ	1 A	24 W
0 V	0,024 kΩ	0 A	0 W
12 V	0 kΩ	Fehler	Keine Berechnung

Die Sollwerte stammen aus dem idealen physikalischen Modell und können durch Handrechnung überprüft werden.

Automatische Unit-Tests

Erstelle neben formeln.py die Datei test_formeln.py.

import math
import unittest
from formeln import berechne

class FormelnTest(unittest.TestCase):
    def test_referenz(self):
        i, p = berechne(12, 0.024)
        self.assertTrue(
            math.isclose(i, 0.5, rel_tol=0, abs_tol=1e-12)
        )
        self.assertAlmostEqual(p, 6.0)

    def test_nullspannung(self):
        self.assertEqual(
            berechne(0, 0.024), (0.0, 0.0)
        )

    def test_halbe_spannung(self):
        self.assertEqual(
            berechne(6, 0.024), (0.25, 1.5)
        )

    def test_doppelte_spannung(self):
        self.assertEqual(
            berechne(24, 0.024), (1.0, 24.0)
        )

    def test_fehler(self):
        for daten in (
            (12, 0),
            (12, -0.024),
            (-12, 0.024),
            (float("nan"), 0.024),
            (float("inf"), 0.024),
            (12, "24")
        ):
            with self.subTest(daten=daten):
                with self.assertRaises(ValueError):
                    berechne(*daten)

if __name__ == "__main__":
    unittest.main()

Ausführung im lokalen Übungsordner:

python3 -m unittest -v

Erwartung: Fünf Testmethoden werden erfolgreich abgeschlossen; die letzte prüft mehrere ungültige Eingaben.

Warum math.isclose? Gleitkommazahlen können kleine Rundungsabweichungen enthalten. Hier ist die absolute Toleranz bewusst klein gewählt. Bei Messwerten müssen Toleranzen fachlich begründet werden und dürfen nicht beliebig Fehler verdecken.

Video: Python Tutorial – Code testen mit Unittest.

Ein Fehlerexperiment

Ersetze ausschließlich in einer Kopie des Übungsprogramms:

r_ohm = r_kohm * 1000

durch:

r_ohm = r_kohm / 1000

Starte die Tests erneut.

Feedback: Der Referenztest muss fehlschlagen, weil die Umrechnung falsch ist. Das Beispiel zeigt, weshalb bekannte Sollwerte eine wichtige Qualitätskontrolle darstellen. Stelle anschließend die richtige Umrechnung wieder her.

Lerneinheit 5: Berechnungsdaten visualisieren

Lernzeit: 10 Minuten

Zusammenhang zwischen Spannung und Strom

Bei unverändertem Widerstand von 24 Ω ist die Stromstärke proportional zur Spannung.

Bild: Lineare Strom-Spannungs-Kennlinie eines idealen ohmschen Widerstands.

Unsere fiktiven Daten:

U in V	I in A	P in W	Strom als Balken
0	0,000	0,000
3	0,125	0,375	■
6	0,250	1,500	■■
9	0,375	3,375	■■■
12	0,500	6,000	■■■■

Ein Quadrat entspricht 0,125 A. Die Balken zeigen die berechnete Stromstärke, nicht die elektrische Leistung.

Dein eigenes lokales Textdiagramm

Erstelle diagramm.py im selben Ordner.

from formeln import berechne

print(" U/V   I/A     P/W      I-Balken (# = 0,125 A)")

for u in (0, 3, 6, 9, 12):
    i, p = berechne(u, 0.024)
    print(
        f"{u:>4}  {i:>5.3f}  {p:>6.3f}      "
        f"{'#' * round(i / 0.125)}"
    )

Ausführung:

python3 diagramm.py

Beobachte: Der Strom wächst bei konstantem Widerstand linear. Die Leistung wächst dagegen quadratisch mit der Spannung.

Mini-Auftrag: Erweitere die Datenreihe auf 24 V.

Feedback: Der Strom beträgt dann 1 A und die Leistung 24 W. Gegenüber 12 V verdoppelt sich der Strom, während sich die Leistung vervierfacht.

Lerneinheit 6: Isoliertes interaktives Testlabor

Lernzeit: 15 Minuten

Sichere lokale Arbeitsumgebung

Verwende einen eigenen Übungsordner, auf den keine produktiven Systeme angewiesen sind.

Für stärkere Isolation kannst Du eine ausdrücklich für die Ausbildung freigegebene virtuelle Maschine ohne Netzwerkverbindung verwenden. Ein normaler Python-Prozess und auch eine virtuelle Python-Umgebung sind für sich genommen keine Sicherheitssandbox.

Die folgenden zwei Übungen verwenden ausschließlich lokale Programmdateien und fiktive Zahlen. Sie benötigen keine Netzwerkbibliotheken und keine externen Python-Pakete.

Testumgebung A: Interaktive Python-Konsole

Starte im Übungsordner:

python3 -i formeln.py

Probiere in der Python-Konsole:

berechne(12, 0.024)
berechne(6, 0.024)
berechne(0, 0.024)
berechne(12, 0)

Erwartete Rückgaben:

(0.5, 6.0)
(0.25, 1.5)
(0.0, 0.0)
ValueError

Die letzte Eingabe muss kontrolliert abgewiesen werden.

Testumgebung B: Lokaler interaktiver Eingabedialog

Erstelle konsole.py.

from formeln import berechne

print("Lokaler Test mit fiktiven Daten. q beendet.")

while True:
    roh = input("Spannung in V (oder q): ").strip()

    if roh.lower() == "q":
        break

    try:
        u = float(roh.replace(",", "."))
        r = float(
            input("Widerstand in kOhm: ")
            .replace(",", ".")
        )
        i, p = berechne(u, r)
        print(
            f"Strom: {i * 1000:.1f} mA; "
            f"Leistung: {p:.3f} W"
        )
    except ValueError as fehler:
        print(f"Ungueltige Eingabe: {fehler}")

Start:

python3 konsole.py

Teste nacheinander:

12 V und 0,024 kΩ: Erwarte 500 mA und 6 W.
6 V und 0,024 kΩ: Erwarte 250 mA und 1,5 W.
12 V und 0 kΩ: Erwarte eine Fehlermeldung.
q: Beende den Dialog.

Feedback: Die Eingabevalidierung verhindert bestimmte ungültige Berechnungen, beispielsweise eine Division durch null. Sie kann jedoch nicht erkennen, ob ein numerisch gültiger Widerstand versehentlich in der falschen Einheit eingegeben wurde.

Grenzen des technischen Modells

Bild: Kennlinien verschiedener elektrischer Bauteile. Nicht alle zeigen einen linearen Zusammenhang.

Ein idealisierter ohmscher Widerstand ist ein einfaches Modell. Beispielsweise können Dioden oder temperaturabhängige Bauteile andere Kennlinien besitzen.

Transferfrage: Warum darfst Du ein für einen idealen Widerstand korrekt getestetes Programm nicht ungeprüft für andere Bauteile verwenden?

Feedback: Ein erfolgreicher Programmtest belegt nur, dass die geprüften Anforderungen erfüllt werden. Er bestätigt nicht automatisch, dass das physikalische Modell für jedes reale Bauteil geeignet ist.

Gestufte Lernhilfen

Hilfe 1: Den richtigen Ansatz finden

Frage Dich zunächst, welche Größe gesucht ist, welche Größen bekannt sind und ob die Einheiten zusammenpassen.

Hilfe 2: Die Formel einsetzen

Für Stromstärke verwendest Du $I = U / R$ . Für die Leistung gilt $P = U \cdot I$ . Rechne Kiloohm vor der Division in Ohm um.

Hilfe 3: Den Code gezielt prüfen

Kontrolliere die Eingaben, die Umrechnung mit dem Faktor 1000, die Rechenoperatoren und den Rückgabewert. Vergleiche danach mit einer unabhängigen Handrechnung.

Hilfe 4: Fehler systematisch suchen

Prüfe zuerst die Einheiten, dann die Formel, danach Grenzwerte und schließlich die Ausgabe. Verwende immer einen eindeutig bekannten Sollwert.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Stromstärke fließt im Modell bei 12 Volt und 24 Ohm? (0,5 Ampere) (!2 Ampere) (!24 Ampere) (!288 Ampere)

Wie viele Ohm entsprechen 0,024 Kiloohm? (24 Ohm) (!0,024 Ohm) (!240 Ohm) (!24000 Ohm)

Wie groß ist die Leistung bei 12 Volt und 0,5 Ampere? (6 Watt) (!0,5 Watt) (!12 Watt) (!24 Watt)

In welcher Einheit erwartet die Python-Funktion den Eingangswiderstand? (Kiloohm) (!Ohm) (!Milliampere) (!Volt)

Was liefert die Funktion bei null Volt und einem positiven Widerstand? (Null Ampere und null Watt) (!Ein Ampere und ein Watt) (!Immer eine Fehlermeldung) (!Sechs Watt)

Was geschieht bei einem Widerstandswert von null? (Die Eingabe wird abgewiesen) (!Der Strom wird automatisch null) (!Die Leistung beträgt immer sechs Watt) (!Der Widerstand wird auf ein Ohm gesetzt)

Welche Funktion eignet sich zum Erkennen nicht endlicher Python-Zahlen? (isfinite) (!print) (!input) (!range)

Welches Ergebnis gehört zu 24 Volt und 0,024 Kiloohm? (1 Ampere und 24 Watt) (!0,5 Ampere und 12 Watt) (!2 Ampere und 48 Watt) (!24 Ampere und 1 Watt)

Warum sind Testfälle mit bekannten Sollwerten sinnvoll? (Sie können Fehler in Berechnungen aufdecken) (!Sie ersetzen jede physikalische Modellprüfung) (!Sie verhindern sämtliche Hardwarefehler) (!Sie machen Einheiten überflüssig)

Welche Vorgehensweise ist für das Übungslabor richtig? (Nur fiktive Daten lokal verwenden) (!Produktionsgeräte ungefragt ansteuern) (!Kundendaten an Lernplattformen übertragen) (!Fremde Netze auf Schwachstellen prüfen)

Memory

Finde jeweils den passenden Begriff.

Spannung	Volt
Stromstärke	Ampere
Widerstand	Ohm
Leistung	Watt
Kilopräfix	Tausendfach
Millipräfix	Tausendstel
Grenzfall	Randwert
Unittest	Automatischer Modultest

Drag and Drop

Ordne die Schritte der Berechnung ihrer jeweiligen Funktion zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Eingabe R in Kiloohm	Einheitenvertrag
Multiplikation mit tausend	Umrechnung in Ohm
Division U durch R	Strombestimmung
Produkt U mal I	Leistungsbestimmung
Soll-Ist-Vergleich	Testergebnis prüfen

Kreuzworträtsel

Spannung	Welche elektrische Größe wird in technischen Formeln mit U bezeichnet?
Ampere	Welche SI-Einheit gehört zur elektrischen Stromstärke?
Widerstand	Welche elektrische Größe wird durch das Formelzeichen R dargestellt?
Leistung	Welche elektrische Größe wird mit P bezeichnet?
Funktion	Wie heißt eine benannte wiederverwendbare Rechenroutine in Python?
Testfall	Wie heißt eine festgelegte Eingabe mit vorab bestimmtem Sollwert?

LearningApps

Mit der folgenden Suche findest Du ergänzende Aufgaben zum Thema. Verwende dort keine realen Mess-, Anlagen- oder Kundendaten.

Lückentext

Das ohmsche Gesetz beschreibt einen linearen Zusammenhang bei konstantem

im betrachteten Bereich.

Die elektrische Spannung wird in

angegeben.

Die Stromstärke wird in

angegeben.

Der elektrische Widerstand wird in

angegeben.

Die Einheit der elektrischen Leistung heißt

im internationalen Einheitensystem.

Ein Widerstand von 0,024 Kiloohm entspricht

Ohm.

Vor der Stromberechnung wird der Kiloohmwert mit

multipliziert.

Bei 12 Volt und 24 Ohm beträgt die Stromstärke

Ampere.

Die elektrische Leistung hat im Ausbildungsfall den Wert

Watt.

Das Python-Schlüsselwort

gibt Ergebnisse einer Funktion zurück.

Die Standardbibliothek stellt für automatische Modultests das Modul

bereit.

Nicht endliche Zahlen lassen sich mithilfe der Funktion

erkennen.

Eine Eingabe mit null Kiloohm wird

und nicht berechnet.

Bei doppelter Spannung und konstantem Widerstand steigt die

auf das Vierfache.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines idealen ohmschen Widerstands ist eine

durch den Ursprung.

Für das Übungslabor verwendest Du ausschließlich

Datensätze.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben im eigenen lokalen Übungsordner. Die Schwierigkeitsstufen entsprechen Basis, Anwendung und Transfer.

Leicht

Basis – Einheitenkarte: Erstelle eine selbst gestaltete Lernkarte mit Volt, Ampere, Ohm, Watt, Kilo und Milli. Feedback: Die Karte ist richtig, wenn die Einheiten zu den Größen und die Vorsätze zu ihren Faktoren passen. Dies verhindert typische Umrechnungsfehler.
Basis – Handrechnung: Berechne Strom und Leistung für 12 V und 24 Ω ohne Programm. Feedback: 0,5 A und 6 W stimmen, weil sich die Ergebnisse direkt aus dem ohmschen Gesetz und der Leistungsformel ergeben.
Basis – Code erklären: Markiere in formeln.py die Eingaben, die Einheitenumrechnung, die Berechnungen und die Rückgabe. Feedback: Die vier Schritte müssen erkennbar sein, damit andere Auszubildende den Rechenweg nachvollziehen können.
Basis – Sollwerttabelle: Erstelle für 0 V, 6 V und 12 V eine Tabelle mit erwarteten Ergebnissen. Feedback: Die korrekten Ströme sind 0 A, 0,25 A und 0,5 A, weil der Widerstand in allen drei Fällen konstant bleibt.

Standard

Anwendung – Einheitenfalle: Programmiere eine zusätzliche Ausgabe in Milliampere und überprüfe sie am Referenzfall. Feedback: 500 mA sind korrekt, weil 0,5 A mit 1000 multipliziert werden müssen.
Anwendung – Parameterstudie: Berechne Strom und Leistung für 3 V, 6 V, 9 V und 12 V mit demselben Widerstand. Feedback: Der Strom steigt gleichmäßig, während die Leistungszuwächse größer werden. Ursache ist die quadratische Abhängigkeit der Leistung von der Spannung.
Anwendung – Fehlertest: Ergänze einen automatischen Test für einen negativen Widerstand und dokumentiere die Reaktion. Feedback: Der Test soll ValueError erwarten, weil negative Widerstände außerhalb des festgelegten Modells liegen.
Anwendung – Eigenes Diagramm: Erzeuge ein Textdiagramm mit veränderter Balkenskalierung und erkläre Deine Wahl. Feedback: Die Skalierung ist sinnvoll, wenn Balkenlängen und Amperewerte übereinstimmen und der Maßstab angegeben ist.

Schwer

Transfer – Fehlermutation: Verändere absichtlich die Umrechnung von Kiloohm nach Ohm und untersuche, welche Tests anschlagen. Feedback: Ein guter Referenztest erkennt die Mutation, weil die berechneten Ergebnisse nicht mehr mit der unabhängigen Handrechnung übereinstimmen.
Transfer – Toleranzkonzept: Entwirf ein begründetes Toleranzkonzept für simulierte gerundete Messwerte und unterscheide es von der Gleitkommatoleranz. Feedback: Die Begründung ist tragfähig, wenn Messauflösung und fachliche Anforderungen berücksichtigt werden, statt große Abweichungen pauschal zu akzeptieren.
Transfer – Modellgrenzen: Untersuche eine typische nichtlineare Kennlinie anhand einer Fachquelle und erkläre, warum das vorhandene Programm dafür ungeeignet ist. Feedback: Entscheidend ist die Erkenntnis, dass der bisherige konstante Widerstand bei nichtlinearen Bauteilen keine allgemeingültige Modellannahme ist.
Transfer – Erklärvideo: Gestalte ein kurzes Bildschirmvideo oder eine bebilderte Dokumentation zum lokalen Rechenprogramm, zu einem Testfehler und dessen Korrektur. Feedback: Der Lernnachweis ist gelungen, wenn Eingabeeinheiten, Sollwerte, Fehlerursache und Korrektur nachvollziehbar gezeigt werden. Verwende ausschließlich eigene und fiktive Inhalte.

Lernkontrolle

Bearbeite die folgenden Transferaufgaben mit Begründung und dokumentiere Deinen Lösungsweg.

Einheitenargument: Begründe mithilfe der Einheiten, warum U dividiert durch R eine Stromstärke und U multipliziert mit I eine Leistung ergibt. Erkläre auch, welche Fehler die Dimensionsanalyse nicht erkennen kann.
Abhängigkeitsanalyse: Erläutere rechnerisch, warum bei unverändertem Widerstand eine Verdoppelung der Spannung eine Vervierfachung der Leistung verursacht.
Fehlerdiagnose: Ein Programm gibt im Referenzfall einen Strom von 0,0005 A aus. Finde eine mögliche Ursache und entwirf einen Test, der sie eindeutig sichtbar macht.
Unabhängige Referenz: Erkläre, weshalb der erwartete Testwert nicht einfach mit derselben möglicherweise fehlerhaften Funktion berechnet werden darf.
Gültigkeitsprüfung: Beurteile, unter welchen Modellbedingungen der programmierte Rechner brauchbar ist und wann zusätzliche technische Informationen erforderlich werden.
Teststrategie: Entwerfe eine kleine Teststrategie mit Normalfall, Grenzfall, ungültiger Eingabe und Plausibilitätskontrolle. Begründe die Auswahl.
Sicheres Testen: Vergleiche ein isoliertes lokales Testlabor mit dem ungeprüften Einsatz eines Programms an einer realen Anlage. Begründe die zusätzlichen Sicherheits- und Freigabeanforderungen.

Lernnachweis

Für einen vollständigen Lernnachweis reichst Du folgende selbst erstellte Arbeitsergebnisse ein:

Technische Beschreibung: Darstellung des fiktiven Ausbildungsfalls und der zugrunde liegenden Modellannahmen.
Einheitenkontrolle: Dokumentierte Umrechnungen und mindestens eine Dimensionsprüfung.
Lauffähiges Programm: Die lokal ausführbare Datei formeln.py mit benannten Eingabeeinheiten und kontrollierter Fehlerbehandlung.
Unabhängige Sollwerte: Mindestens drei per Hand überprüfte Referenzberechnungen.
Testprotokoll: Automatisch ausgeführte Tests mit Normalfall, Grenzfall und ungültiger Eingabe.
Datenvisualisierung: Ein selbst erstelltes Diagramm mit Wertetabelle und beschrifteter Skala.
Fehleranalyse: Dokumentation eines absichtlich eingeführten und anschließend korrigierten Rechenfehlers.
Transferreflexion: Fachlich begründete Erklärung der Modellgrenzen und der sicheren Testbedingungen.

Bewertung: Entscheidend sind fachliche Richtigkeit, nachvollziehbare Einheiten, reproduzierbare Ergebnisse, aussagekräftige Tests, verständliche Dokumentation und der verantwortungsvolle Umgang mit Testumgebungen.

OERs zum Thema

Wikipedia: Ohmsches Gesetz

Wikipedia: Python

Fachliche Quellen

Physikalisch-Technische Bundesanstalt: Die gesetzlichen Einheiten in Deutschland – SI-Einheiten und Vorsätze.
Wikipedia: Ohmsches Gesetz – Zusammenhang von Spannung, Stromstärke und konstantem Widerstand.
Wikipedia: Elektrische Spannung – elektrische Leistung und Formelzusammenhänge.
Offizielle Python-Dokumentation: unittest – automatische Modultests.
Offizielle Python-Dokumentation: math – isclose und isfinite.
Offizielles Python-Tutorial – Programmiergrundlagen.

Mediennachweise und Nutzungsrechte

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Bilddatei	Urheber	Lizenz
Basic electric circuit.svg	Andreas B Mundt	CC BY-SA 3.0
Ohm's law triangle.svg	Wikimedia Commons, gemeinfreie Fassung	Gemeinfrei laut Commons
Ohm's Law Pie chart.svg	Matt Rider	CC BY-SA 3.0
Ohmic resistance.svg	Chetvorno	CC0 1.0
FourIVcurves.svg	Sbyrnes321	CC0 1.0

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Die Python-Beispiele wurden für diesen Lernkurs mit fiktiven Werten erstellt. Sie benötigen weder Netzverbindungen noch externe Datenquellen.