Stationsunterricht im Physikunterricht der Klasse 10

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1 Oranke-Oberschule Berlin (Gymnasium) Konrad-Wolf-Straße Berlin Frau Dr. D. Meyerhöfer Stationsunterricht im Physikunterricht der Klasse 10 Experimente zur spezifischen Wärmekapazität von Körpern Berlin, Februar 2002

2 Stationsunterricht im Physikunterricht der Klasse 10 Information für die Schüler In 3 Stunden des Physikunterrichts der Klasse 10 werden die folgenden Experimente im Stationsbetrieb vorbereitet und durchgeführt. 1. Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser mit Hilfe einer Heizspirale 2. Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität einer Flüssigkeit 3. Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität eines festen Körpers 4. Bestimmung des Wirkungsgrades einer Heizplatte unter Verwendung der Erwärmung von Wasser Bei den Experimenten werden folgende Geräte und Hilfsmittel verwendet, nutzen Sie die Fachbegriffe bei der Zusammenstellung dieser Geräte und Hilfsmittel! Heizplatte Heizwendel Spannungsmesser Kabel für die Heizplatte Stromversorgungsgerät Stromstärkemesser Thermometer Kabel Wasser Rührer Waage unbekannte Flüssigkeit Kalorimetergefäß mit Becherglas und Deckel Fliespapier Messzylinder Kupferkrampe Uhr mit Sekundenzeiger Zu jedem Experiment ist ein Protokoll anzufertigen. Die Anleitungen für die Experimente bleiben am Arbeitsplatz, in der Stunde wird das gesamte Experiment vorbereitet, durchgeführt und ausgewertet. Das Protokoll soll so gestaltet werden, dass ein Außenstehender das Experiment nachvollziehen kann. Es soll das Folgende enthalten sein: Name, Vorname Zusammenarbeit mit: Datum der Durchführung des Experiments Thema oder Aufgabenstellung Aufstellen einer Vermutung Experimentieraufbau und Durchführung des Experiments Geräte und Hilfsmittel: Es sind alle Geräte und Hilfsmittel zu notieren, auch Kleinigkeiten. Aufbau: Der Aufbau kann in Worten oder durch eine beschriftete Skizze beschrieben werden. Der Aufbau muss so beschrieben sein, dass er nachvollzogen werden kann. Durchführung: Beschrieben wird, wie bei der Durchführung des Experiment vorgegangen wird. Beobachtungen und Messergebnisse Beobachtungen sind sorgfältig zu notieren. Messergebnisse sollen in der Regel in einem Messprotokoll in Tabellenform erfasst werden. Dabei sind die gemessenen physikalischen Größen und ihre Maßeinheiten aufzunehmen. Auswertung Die Auswertung des Experiments erfolgt entsprechend der Aufgabenstellung und der z.t. vorgegebenen Formeln. Häufig kann ein Diagramm gezeichnet werden. Die Fragen sind zu beantworten, aufgestellte Vermutungen mit dem Ergebnis zu vergleichen. Fehlerbetrachtung Da jede Messung mit Fehlern behaftet ist (zufällige und systematische Fehler), sind mögliche Fehlerquellen zu nennen, die das Messergebnis beeinflussen. Individuelle Fehler sollten dabei von vorn herein ausgeschlossen werden (z.b. Ich habe falsch abgelesen. ).

3 Fachliche Voraussetzungen Aus dem vorangegangenem Unterricht sind Ihnen die wesentlichen Voraussetzungen für die Durchführung der Experimente bekannt: - Durch die Zuführung von Energie wird ein Körper erwärmt. Die Energie kann in Form von Wärme oder von elektrischer Energie zugeführt werden. - Die einem Körper zugeführte Wärmeenergie (Wärmemenge) kann durch die Formel Q = m. c. ϑ bestimmt werden, wobei m die Masse des Körpers ist, c die spezifische Wärmekapazität des verwendeten Materials und ϑ die Temperaturdifferenz zwischen den Messungen vor und nach der Erwärmung. - Die spezifische Wärmekapazität ist eine stoffabhängige physikalische Größe, die angibt, wie viel Energie einem Körper von 1 kg Masse zugeführt werden muss, damit der Körper um 1 Kelvin (1 K) erwärmt wird. Die Maßeinheit von c ist kj. kg -1. K Wird einer Flüssigkeit elektrische Energie zugeführt, kann diese bei Verwendung einer Heizplatte mit der Formel W = P. t berechnet werden (P ist die Leistung der Heizplatte, sie ist auf der Heizplatte angegeben, t ist die Zeit in der Wärme zugeführt wird). - Elektrische Energie kann auch mit einer Heizwendel zugeführt werden; dann gilt W = U. I. t. Dabei sind U und I die Spannung und Stromstärke an der Heizwendel und t die Zeit, in der die Heizwendel die Flüssigkeit erwärmt. - Die Masse m einer Flüssigkeit kann unter Verwendung des Volumens V und der Dichte ρ nach der Formel m = ρ. V berechnet werden. - Bei den Experimenten werden Energien miteinander verglichen und daraus die unbekannten Größen bestimmt. Um Wärmeverluste möglichst gering zu halten, wird beim Experimentieren ein Kalorimetergefäß aus Aufbauteilen verwendet. Es besteht aus einem Aluminiumgefäß, einem Becherglas, einem durchbrochenen Deckel und einem Rührer. Beachten Sie, dass alle Teile des Kalorimetergefäßes Wärme aufnehmen, das gilt auch für das Thermometer. Kalorimetergefäß

4 Aufgabe 1: Unter Verwendung der elektrischen Energie W = U. I. t einer elektrischen Heizwendel und der Messung der Zeit t, in der eine bestimmten Wassermasse m erwärmt wird, soll die spezifische Wärmekapazität c W des Wassers bestimmt werden. Durchführung 1. Messen Sie eine Wassermasse von 100 g ab und füllen Sie es in das Becherglas im Kalorimetergefäß mit Deckel. 2. Bestimmen Sie die Anfangstemperatur des Wassers. 3. Bauen Sie die Schaltung mit der Heizspirale entsprechend nebenstehender Skizze auf. Verwenden Sie eine Spannung von etwa 6 V! Messen Sie die Spannung und die Stromstärke. 4. Erwärmen Sie das Wasser 5 Minuten unter ständigem vorsichtigem Umrühren und messen Sie die Endtemperatur des Wassers! 5. Bestimmen Sie durch Energievergleich der elektrischen E- nergie und der zugeführten Wärmemenge die spezifische Wärmekapazität c W des Wassers! 6. Wo liegen die Ursachen, dass der Wert nicht genau mit dem Wert aus dem Tafelwerk übereinstimmt? 7. Fertigen Sie ein Protokoll an, das den Nachvollzug des Experiments ermöglicht.

5 Aufgabe 2: Bestimmen Sie die spezifische Wärmekapazität einer unbekannten Flüssigkeit durch den Vergleich der Wärmemengen, die einer Wassermasse und einer Masse der unbekannten Flüssigkeit in gleichen Zeiten zugeführt wird. Durchführung 1. Messen Sie eine Wassermasse von 100 g ab und füllen Sie es in das Becherglas im Kalorimetergefäß mit Deckel. 2. Bestimmen Sie die Anfangstemperatur des Wassers. 3. Bauen Sie die Schaltung mit der Heizspirale entsprechend nebenstehender Skizze auf. Verwenden Sie eine Spannung von etwa 12 V! 4. Erwärmen Sie das Wasser mit der Heizspirale 5 Minuten unter ständigem vorsichtigem Umrühren und bestimmen Sie die Endtemperatur des Wassers! 5. Die unbekannte Flüssigkeit hat eine Dichte von ρ = 0,83 g. cm - ³. Welche Masse muss die Flüssigkeit haben, wenn das Volumen 100 ml betragen soll? Messen Sie nun 100 ml der unbekannten Flüssigkeit ab und füllen Sie diese in das Becherglas im Kalorimeter mit Deckel. 6. Erwärmen Sie die Flüssigkeit mit der Heizspirale 5 Minuten unter ständigem vorsichtigem Umrühren und bestimmen Sie die Endtemperatur! Verwenden Sie dieselbe Spannung wie in Bestimmen Sie aus dem Vergleich der den beiden Flüssigkeiten zugeführten Wärmemengen die spezifische Wärmekapazität des Spiritus! (Spezifische Wärmekapazität des Wassers: c W = 4,186 kj. kg -1. K -1 ) 8. Welche Wärmeverluste treten beim Experiment auf? 9. Fertigen Sie ein Protokoll an, das den Nachvollzug des Experiments ermöglicht.

6 Aufgabe 3: Bestimmen Sie die spezifische Wärmekapazität eines Metallkörpers (Kupferkrampe). Durchführung: 1. Messen Sie mit Hilfe der Waage die Masse der Kupferkrampe! 2. Bringen Sie eine beliebige Menge Wasser in einem Becherglas mit der Kochplatte zum Sieden und legen Sie den Metallkörper in das Gefäß, so dass er vollständig vom Wasser bedeckt ist. 3. Lassen Sie das Wasser etwa 3 Minuten sieden, damit der Metallkörper die Temperatur des Wassers annimmt. Die Siedetemperatur wird mit 100 o C angenommen! 4. Ein zweites Gefäß, wird mit 100 g kaltem Wasser gefüllt und in das Kalorimetergefäß gestellt. Die Temperatur und die Masse des Wassers werden gemessen. 5. Der Metallkörper aus dem siedenden Wasser wird nach kurzem Abtrocknen nun in das Gefäß mit kaltem Wasser gelegt und die Temperaturerhöhung des kalten Wassers gemessen. 6. Durch den Vergleich der Wärmemengen, die dem kalten Wasser zugeführt wurde und der Wärmemenge, die vom Metallkörper abgegeben wurde, kann die spezifische Wärmekapazität des Metallkörpers bestimmt werden. (Spezifische Wärmekapazität des Wassers: c W = 4,186 kj. kg -1. K -1 ) 7. Wo liegen die Ursachen, dass der Wert der spezifischen Wärmekapazität des verwendeten Kupfers nicht genau mit dem Wert aus dem Tafelwerk übereinstimmt? 8. Fertigen Sie ein Protokoll an, das den Nachvollzug des Experiments ermöglicht.

7 Aufgabe 4: Bestimmen Sie den Wirkungsgrad einer Kochplatte! Verwenden Sie die Formel zur Bestimmung der elektrischen Energie W = P. t und die Formel zur Bestimmung der vom Wasser aufgenommenen Wärmemenge Q = m. c. W ϑ. Durchführung: 1. Lesen Sie die Leistung an der Kochplatte ab. 2. Heizen Sie die vorliegende Kochplatte 5 Minuten vor. 3. Verwenden Sie eine Wassermasse von 150 g und füllen diese in das Becherglas mit Deckel. Messen Sie die Anfangstemperatur des Wassers! 4. Erwärmen Sie das Wasser 5 Minuten unter ständigem vorsichtigem Umrühren mit der Heizplatte. 5. Bestimmen Sie die elektrische Energie und die Wärmemenge, die das Wasser aufgenommen hat. 6. Berechnen Sie den Wirkungsgrad η als Quotient aus abgegebener und zugeführter Energie. 7. Fertigen Sie ein Protokoll an, das den Nachvollzug des Experiments ermöglicht.

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