LUFTDRUCK 2. Klasse. Versuche mit der Vakuumpumpe. von Christoph Neuhold,

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1 LUFTDRUCK 2. Klasse Versuche mit der Vakuumpumpe von Christoph Neuhold, Die Versuche wurden am & am im WS 2001/02 durchgeführt. 1

2 Inhaltsverzeichnis: 1. Einleitung 1.1 Was soll vermittelt werden? 1.2 Quellen 2. Versuche 2.1 Gewicht der Luft 2.2 Magdeburger Halbkugeln 2.3 Luftballon 2.4 Erdnusspackung 2.5 Apfel 2.6 Schwedenbombe 2.7 Klingel 3. Luftpumpen 4. Anhang: Beschreibung der Vakuumpumpe 2

3 1.Einleitung: In der 2.Klasse, also dem ersten Jahr Physikunterricht, sind die Schüler im allgemeinen noch wissbegieriger als in den darauffolgenden Jahren. Jedoch stehen dem Physikunterricht immer wieder Mittel zur Verfügung diesen Elan nicht zu verlieren. Zum einen kann man sämtliche Kapitel in unmittelbarer Nähe zum Alltag bringen, zum anderen durch ausgewählte Versuche erstens die Stunde auflockern oder zweitens ein Thema einführen oder erläutern und dadurch sollte es möglich sein nach ausgereifter Diskussion die Physik als Wissenschaft einzuführen ohne große Motivationsverluste hinnehmen zu müssen. Beim Kapitel Luftdruck sind sehr gute Experimente möglich, die meines Erachtens sowohl als Einführungs- als auch als Erläuterungsversuche herzunehmen sind. 1.1 Was soll vermittelt werden? Bei den Versuchen mit der Vakuumpumpe gilt es im großen und ganzen vier wichtige Fakten zu vermitteln: 1.) dass die Luft überhaupt ein Gewicht und eine Masse hat und dadurch überhaupt erst entsteht. 2.) dass dieser eine sehr große Kraft bewirken kann 3.) dass man die einfache Umkehrung untereinander sieht (sprich: einmal von außen wirken lässt (Magdeburger Halbkugeln), das andere Mal von innen wirken lässt (Schwedenbombe,..)) 4.) dass der Schall sich nur in Materie und nicht im Vakuum ausbreiten kann 1.2 Quellen: - Physik (Gollenz-Konrad-Breyer) 2.Klasse - Physik 2 (Sexl-Raab-Streruwitz) - Versuchsmappe im Praktikumsraum - Neuer Lehrplan Physik 3

4 2. Die Versuche: Es wurden insgesamt sieben unterschiedliche Versuche mit der Vakuumpumpe durchgeführt, wobei der fünfte Versuch, welcher jener mit dem schrumpeligen Apfel unter der Glocke aufgrund der Jahreszeit, sprich es war kein solcher Apfel aufzutreiben, beinahe zu scheitern drohte. Doch durch mehrmaliges Evakuieren konnte man diesem Stück Obst zumindest leichte Falten zufügen und somit der Versuch veranschaulicht werden. Allerdings sind hierzu dadurch keine Photos vorhanden, da der Effekt abgelichtet nicht zu erkennen gewesen wäre. 4

5 2.1 Das Gewicht der Luft Materialien: Vakuumpumpe, Glaskolben mit Hahnrohr, Balkenwaage mit Gewichten Beschreibung: Wir saugen aus einem mit einem Hahnrohr verschlossenen Glaskolben von 100cm3 Rauminhalt die Luft ab. Nun wägen wir ihn auf einer Balkenwaage ab und bringen diese ins Gleichgewicht. Danach öffnen wir den Hahn und lassen Luft einströmen und hören ein Zischen. Ergebnisse und Hinweise: Die Waage zeigt ein Übergewicht für die Waagschale mit dem Kolben. Durch neuerliches Abwägen kamen wir zu dem Ergebnis: 1l Luft hat 1,15g. (Glaskolben: vorher 212g, nachher 213,15g). Genaue Messungen ergeben 1,293g. Der Glaskolben ist mit äußerster Vorsicht zu behandeln. Abbildungen: Erklärung des Experiments und der Auswahl: Dem Lehrplan nach wissen die Schüler bereits um den Aufbau der Gase aus Molekülen bescheid, doch ist die Vorstellung, dass diese wenn auch nur sehr geringe - Masse und Gewicht haben, nicht sehr ausgeprägt. In diesem Experiment wird dies bewiesen werden durch das Abwiegen von dem wohl bekanntesten Gas, der Luft. 5

6 2.2 Magdeburger Halbkugeln: Materialien: Vakuumpumpe, Magdeburger Halbkugeln Beschreibung: Man erzeugt im Inneren der beiden luftdicht schließenden Halbkugeln mittels Schlauch, der an die Pumpe angeschlossen ist, einen luftleeren Raum. Ergebnisse: Man konnte trotz größter Anstrengungen die beiden Halbkugeln nicht trennen, jedoch konnte man sie gegeneinander Verdrehen ein Beweis, dass sie nicht aneinander geklebt sind. Ließ man wieder Luft einströmen, fielen sie von selbst auseinander. Abbildung: Erklärung des Experiments und der Auswahl: Wir pumpen die Luft innerhalb der beiden Kugeln ab und dadurch wirkt der Luftdruck von außen auf die Kugelschalen ein und dieser ist wie man zeigen kann sehr groß. Nach Wiedereinströmenlassen der Luft herrschen innen und außen wieder derselbe Druck und dadurch fallen sie wieder auseinander. Dies ist ein historischer Versuch (siehe weiter unten), der die Wirkung des Luftdrucks eindrucksvoll zeigt. 6

7 2.2.1: Geschichtliches zu den Magdeburger Halbkugeln: Otto von Guericke ( ) war deutscher Physiker und Bürgermeister von Magdeburg. Er führte diesen Versuch 1654 auf dem Reichstag zu Regensburg im Beisein des Kaisers Ferdinand III. vor. Es war 16 Pferden nicht möglich die evakuierten Kugeln zu trennen und wie er wieder Luft einließ fielen sie von selbst auseinander. Kein Wunder, dass man für eine solche Vorführung sehr viel Applaus erntet. 7

8 2.3 Der Luftballon: Materialien: Luftballon, Klebestreifen, etwas Faden, Vakuumpumpe Beschreibung: Man bläst den Luftballon etwas auf und klebt ihn an einer Schnur an die Glocke der Vakuumpumpe, danach evakuiert man. Ergebnisse & Hinweise: Der Ballon dehnt sich aus, lässt man wieder Luft einströmen schrumpft er auf Normalgröße. Man muß darauf achten, dass der Ballon nicht das Absaugloch verstopft und dass er nicht platzt. Abbildungen: Erklärung des Experiments und der Auswahl: Nicht Evakuiert herrscht innen und außen der selbe Druck. Durch das Absaugen der Luft bläst er sich durch den Überdruck, der dann im Ballon herrscht, quasi von selbst auf. Mit einfachen Materialien kann man hier großartig die Wirkung von Überdruck vorstellen und gewaltiges Erstaunen hervorrufen. 8

9 2.4 Die Erdnusspackung: Materialien: vakuumdicht-verpackte Erdnüsse, Vakuumpumpe Beschreibung: Man legt die Verpackung unter die Glocke und beginnt abzusaugen. Ergebnisse & Hinweise: Je mehr man absaugt, desto mehr bläst sich die Verpackung auf, lässt man wieder Luft einströmen, geht die Verpackung wieder in den Originalzustand zurück. Aufpassen, dass die Packung nicht platzt! Abbildung: Erklärung des Experiments und der Auswahl: Zwischen den Erdnüssen befinden sich noch Luftreservoirs, die jedoch einen gegen den normalen Außenluftdruck geringen Druck erzeugen, jedoch ist er genügend groß, um im Vakuum die Verpackung zum Aufblähen zu bringen. Wiederum ein sehr unerwartetes Ergebnis, da vakuumdicht-verpackt eigentlich anderes verspricht. 9

10 2.5 Der Apfel: Materialen: runzeliger Apfel, Vakuumpumpe Beschreibung: Man legt den Apfel unter die Glocke und evakuiert. Ergebnisse & Hinweise: Der Apfel verliert seine Falten und glänzt in voller Pracht. Man achte darauf, dass des Apfels Haut nicht beschädigt ist. Hat man keinen verschrumpelten Apfel, kann man einem schönen durch mehrmaliges Evakuieren Falten verpassen. Abbildung: Fehlanzeige Erklärung des Experiments und der Auswahl: Der äußere Luftdruck bewirkt die Falten, ist er nicht mehr vorherrschend gibt es auch keine Falten mehr. Ein sehr netter und positiver Versuch, der die Schüler sicherlich zum Grübeln bringt, über wie man diese neue Erkenntnis nun in der Gesellschaft einsetzen kann (z.b. die moderne Anti- Falten-Creme). 10

11 2.6 Die Schwedenbombe unter der Glaskuppel Materialien: Vakuumpumpe, nicht beschädigte Schwedenbombe, Behälter Beschreibung: Man gibt die Schwedenbombe in den Behälter und saugt die Luft ab. Ergebnisse & Hinweise: Durch das Evakuieren brach die Hülle unter dem Druck des sich aufblähenden Schaumes. Ließ man wieder Luft einströmen fiel er in sich zusammen in eine gatschige Masse. Immer die Schwedenbombe in ein Behältnis stellen um Verunreinigungen zu vermeiden! Abbildungen: Erklärung des Experiments und der Auswahl: Die Schaum enthält Löcher mit Luft. Bei normalem äußerem Luftdruck unterscheidet sich der innere nicht von dem äußeren, fällt dieser jedoch weg entsteht ein Überdruck, der die Bombe aufblähen lässt. Ein Klassiker! 11

12 2.7 Die Klingel im Vakuum Materialien: batteriebetriebene Klingel, Batterie, Klebestreifen, Vakuumpumpe Beschreibung: Befestigung der Klingel mittels Klebestreifen an der Glaskuppel, Stromzufuhr, man evakuiere; Ergebnisse & Hinweise: Bei fortschreitender Evakuierung ist von der Klingel, fast gar nichts mehr zu hören, beim Einströmenlassen der Luft wird es wieder lauter. Klingel nicht auf den Boden der Pumpe legen! Abbildungen: Fehlanzeige Erklärung des Experiments und der Auswahl: Schallwellen benötigen Materie um sich fortzupflanzen. Der leise Ton, der gehört wird, wird durch die Aufhängung, wo sich der Schall natürlich fortpflanzen kann, hervorgerufen. Ein lebensnahes Beispiel zur Vorführung, dass sich Schall im Vakuum nicht ausbreiten kann. 12

13 3. Luftpumpen Um den Luftdruck in einem Fahrrad- oder Autoreifen zu erhöhen oder in einer Glasglocke zu verringern, verwendet man Luftpumpen. Je nach Verwendungszweck unterscheidet man Verdichtungs- oder Verdünnungsluftpumpen. Verdichtungsluftpumpen: (Bsp.: Fahrradpumpe und Blasbalg) Sie besteht aus einem Pumpenstiefel und einem Kolben mit einer Lederkappe. Diese wird beim Raschen Verdichten fest an die Wand gedrückt, wodurch ein Entweichen der Luft nach oben verhindert wird. Die verdichtete Luft wird über den Pumpschlauch und das Fahrradventil in den Fahrradreifen gepresst. Beim Zurückziehen des Kolbens wirkt die Lederkappe als Einlassventil, sodaß neuerlich Luft in den Raum unterhalb des Kolbens einströmen kann. Das Ausströmen der Luft aus dem Fahrradreifen verhindert das Fahrradventil. Eine andere Verdichtungsluftpumpe ist der Blasbalg, den es in den verschiedensten Ausführungen gibt. Wir finden ihn in ähnlicher Form bei Ziehharmonikas, bei Orgeln, in Schmieden usw. Maschinen zur Luft- und Gasverdichtung werden Kompressoren genannt. Sie finden bei Presslufthämmern, Kühlschränken u.ä. Verwendung. 13

14 Verdünnungsluftpumpen: (Bsp.: Kolbenluftpumpe &Kapselluftpumpe) Die Kolbenluftpumpe ist ein Erfindung von dem bereits weiter oben genannten Otto von Guericke. Sie besteht in ihrer älteren Ausführungen aus einem Pumpenrohr (dem Stiefel), in dem sich der Kolben bewegt, dem Dreiweghahn und einem Teller, auf den eine starkwandige Glasglocke, der Rezipient, luftdicht aufgesetzt wird. Um Luft aus dem abgeschlossenen Raum unter der Glocke abzusaugen, wird der Hahn in die Stellung a) gebracht und der Kolben emporgezogen. Dann wird der Hahn um 90 Grad in die Stellung b) gedreht und der Kolben niedergedrückt. Die abgesaugte Luft strömt aus dem Pumpenstiefel ins Freie. In der Stellung c) kann nach dem Versuch wieder Luft in den Raum unter der Glocke eingelassen werden. Die rotierende Kapselluftpumpe wurde vom deutschen Physiker Wolfgang Gaede erfunden. Sie wird von einem Elektromotor angetrieben und hat die Kolbenluftpumpe weitgehend ersetzt. 4. Anhang: Beschreibung der Vakuumpumpe: 14

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