PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM

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1 PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM WS 2000/2001 Protokoll zum Thema WÄRMELEHRE Petra Rauecker

2 INHALTSVERZEICHNIS Klasse Unterstufe Seite Ausdehnung der Stoffe bei Erwärmung Seite Eichung einer Thermometerskala Seite Bimetallstreifen Seite Wärmeleitung Seite Wärmeströmung Seite Klasse Unterstufe Seite Wärmeleitung verschiedener Stoffe Seite Wärmestrahlung Seite Kältemischung Seite 24 Petra Rauecker -2-

3 2. Klasse Unterstufe 1.1. Ausdehnung der Stoffe beim Erwärmen Durch zahlreiche Beobachtungen und Versuche hat man herausgefunden, daß sich beim Erwärmen und Abkühlen das Volumen der Körper ändert. Versuch 1: Mit diesem Versuch soll gezeigt werden, daß sich das Volumen der Körper beim Erwärmen und Abkühlen ändert. Metallkugel Ring Der Durchmesser des Ringes sollte so groß sein, daß die Kugel vor dem Erwärmen noch hindurch fällt. Nach dem Aufbau erwärmt man die Kugel. Hier wird man feststellen, daß die Kugel nicht mehr durch den Ring geht. Wartet man anschließend einige Zeit, so fällt sie wieder durch. Das Volumen der hat sich also beim Erwärmen vergrößert und beim Abkühlen wieder verkleinert. Der Zeitaufwand zum Aufbauen dieses Versuches ist relativ gering. Jedoch ist er sehr anschaulich. Petra Rauecker -3-

4 Auch der nächste Versuch ist meiner Meinung sehr gut für die 2. Klasse Unterstufe geeignet. Dieser Versuch zeigt, daß sich auch Flüssigkeiten beim Erwärmen ausdehnen. Versuch 2: Glaskolben Gefärbtes Wasser Den Glaskolben, mit einem engen Hals, mit z.b.: gefärbten Wasser füllen. Den Stand der Flüssigkeit markieren. Nun wird die Flüssigkeit im Kolben erwärmt. Dabei wird man ein Steigen des Flüssigkeitsspiegels beobachten. Der Flüssigkeitsspiegel sinkt wieder beim Abkühlen. Hier sieht man, daß die Erwärmung oder Abkühlung einer Flüssigkeit ebenfalls eine Volumsänderung mit sich bringt. Normalerweise wird das Volumen beim Erwärmen größer und beim Abkühlen kleiner. Bei diesem Versuch muß man darauf achten, daß das Wasser gut gefärbt ist, damit es die Schüler in der letzten Reihe auch noch sehen können. Der Versuch gelingt um so besser je enger der Kolbenhals ist. Da hier die Änderung der Flüssigkeitshöhe besser wahrnehmbar ist. Petra Rauecker -4-

5 Bei Gasen erfolgt ebenfalls eine Ausdehnung beim Erwärmen, was folgender Versuch zeigt. Versuch 3: Glaskolben Becherglas Wasser Da an einem mit Luft gefüllten Glaskolben angeschlossene Rohr ins Wasser eintauchen. Anschließen mit den Handflächen erwärmen. Hier beobachtet man, daß sehr bald Luftblasen aufsteigen. D.h.: Luft entweicht aus dem Kolben. Entfernt man die Hände so steigt im Rohr Wasser empor. Aus diesem Versuch sieht man, daß sich Gase schon bei geringfügiger Erwärmung stark ausdehnen. Das Volumen verkleinert sich beim Abkühlen. Dies ein sehr einfacher Handversuch, den die Schüler auch selber ausprobieren können. Der Zeitaufwand für den Aufbau ist sehr gering. Es wäre besser, wenn die Schüler es auch selber ausprobieren können. Das einzige Problem bei diesem Versuch ist die Sichtbarkeit. Petra Rauecker -5-

6 1.2. Eichung einer Thermometerskala Da Ziel dieses Versuches ist es ein nicht markiertes Thermometer zu skalieren. Hier wird zuerst der Eispunkt ermittelt und anschließend der Siedepunkt. 2 Stativfüße 1 Stativstange l = 250mm 1 Stativstange l = 750mm 1 Doppelmuffe PASS 1 Doppelmuffe 1 Stativring 1 Isolierstiel 1 Becherglas 400 ml 1 Drahtnetz 1 Thermometer (ungraduiert) 1 Rollmaßband 1 Glasstab 1 Bunsenbrenner Behälter mit Eiswürfel Zündhölzer Filzstift Wasser Petra Rauecker -6-

7 Ablauf: a) Ermittlung des Eispunktes: Das Becherglas etwa zur Hälfte mit Eisstücken und Wasser füllen und auf das Drahtnetz stellen. Das Thermometer in das Wasser eintauchen, daß die Flüssigkeitskugel vollständig mit Eisstücken und Wasser umgeben ist. Anschließend rühre man das Eiswasser um und beobachte das Thermometer. Bleibt die Flüssigkeitssäule unverändert markiere man ihn mit einem Filzstift. b) Ermittlung des Siedepunktes. Das Eisgemisch wegschütten und zur Hälfte wieder mit Wasser füllen. Anschließend das Thermometer eintauchen. Nun zünde man den Brenner an und schiebe ihn unter das Becherglas. Siedet das Wasser und bleibt der Stand der Flüssigkeitssäule unverändert markiere man wieder deren Höhe. Den Brenner abdrehen. c) Zeichnen der Thermometerskala: Hier nimmt man das Thermometer heraus und teile den Abstand zwischen den beiden Markierungen von Eispunkt und Siedepunkt in 10 gleiche Teile. Hierbei wird der Eispunkt mit 0 C und der Siedepunkt mit 100 C bezeichnet. Anschließend kannst du deine Körpertemperatur messen. Beim Versuch b.) dauert es relativ lange bis das Wasser siedet. Man sollte darauf achten das man nicht zuviel Wasser nimmt. Während das Wasser zu sieden beginnt, kann man einen anderen Versuch aufbauen, oder mit dem Stoff weitermachen. Da sonst die Gefahr droht, daß die Schüler unruhig werden. Petra Rauecker -7-

8 1.3. Bimetallstreifen Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei verschiedenen Metallen mit verschiedener Wärmeausdehnung, z.b.: Eisen und Messing. Bei Erwärmung dehnen sich die beiden Metalle verschieden stark aus. Bei Abkühlung kehrt das Bimetall wieder in die ursprüngliche Lage zurück. Bimetalle werden z.b. als Thermostate verwendet. Mit diesem Versuch kann man die Ausdehnung bei Erwärmung sehr gut Veranschaulichen. Auch kann man diesen Versuch den Schülern selber ausprobieren lassen. Teelicht, Kerze Bimetallstreifen Hier sind die Stativstangen nicht notwendig. Man kann den Bimetallstreifen auch in der Hand halten. Auch kann man sich den Bimetallstreifen schnell selber machen. Dazu braucht man nur einen Streifen Papier und einen gleich großen Streifen Aluminium. Den Papierstreifen und Aluminiumstreifen einfach mit Uhustick zusammenkleben. Petra Rauecker -8-

9 Die Kerze oder das Teelicht anzünden und den Bimetallstreifen darüber halten. Anschließend beobachte man sein Verhalten. Lösche die Kerze aus und beobachte wieder sein Verhalten. Wie man hier schön sieht wird sich der Bimetallstreifen nach oben biegen, wenn man ihn auf der Seite des Messings erwärmt. Petra Rauecker -9-

10 1.4. Wärmeleitung Was versteht man unter Wärmeleitung? Wird eine Stelle eines festes Körpers erhitzt, so schwingen die Teilchen zunächst an dieser Stelle stärker. Diese stärkere Bewegung wird dann von Teilchen zu Teilchen weitergeleitet. Die Wärme wird von einer Stelle höherer Temperatur zu einer Stelle niederer Temperatur übertragen. Geht Wärme durch einen Körper hindurch, so spricht man von Wärmeleitung. Voraussetzung für die Wärmeleitung ist ein Temperaturunterschied. Hier wird auch zwischen guten und schlechten Wärmeleitern unterschieden. Hält man einen Metallstab z.b. aus Kupfer mit dem einen Ende in eine Flamme, so wird das andere Ende bald unerträglich heiß. Ein brennendes Streichholz dagegen kann man so lange in der Hand halten, bis die Flamme fast die Finger erreicht hat. Versuch 4: Mit diesem Versuch soll die Wärmeleitung Veranschaulicht werden. Kupferstab Wachskügelchen Bunsenbrenner Petra Rauecker -10-

11 Ein Kupferdraht wird an einem Ende eingespannt. Anschließend werden Wachskügelchen daran geklebt und am freien Ende erwärmt. Dabei wird beobachtet, daß die Kügelchen nacheinander abfallen. Die Kügelchen bleiben nur so lange am Stab kleben, bis sich die Temperatur an der jeweiligen Stelle so weit erhöht hat, daß das Wachs schmilzt. Ihr Abfallen zeigt also, daß die Wärme im Metallstab von Teilchen zu Teilchen fortschreitet. Was als Wärmeleitung bezeichnet wird. Petra Rauecker -11-

12 Mit dem nächsten Versuch soll die Leitfähigkeit zwischen Kupfer und Eisen verdeutlicht werden. Versuch 5: Eisenstab Kupferstab Wachskügelchen Bunsenbrenner Versuch 4 kann man mit zwei gleichlangen und gleichdicken Stäben aus Eisen und Kupfer wiederholen. Beobachtet man die Wachskügelchen vom Kupferstab und Eisenstab, so stellt man fest, daß sie vom Kupferstab früher herunterfallen als vom Eisenstab. Das Kupfer leitet also besser als das Eisen. Bei beiden Versuchen kann man statt den Wachskügelchen auch die Stäbe mit einem Thermofarbstoff bestreichen, dessen Farbe sich bei einer bestimmten Temperatur ändert. Am Fortschreiten des Farbumschlages kann man die Ausbreitung der Wärme erkennen. Beide Versuche sind sehr anschaulich. Hier sollte man darauf achten, daß die Stäbe mit den Kugeln gut sichtbar sind. Petra Rauecker -12-

13 1.5. Wärmeströmung Was versteht man unter Wärmeströmung? Luft dehnt sich bei Erwärmung aus und wird daher leichter. Genauer: Mit der Ausdehnung nimmt die Dichte ab. Die wärmere Luft steigt auf: Und es entsteht eine Wärmeströmung nach oben. Auch erwärmte Flüssigkeits- oder Gasschichten sind leichter als ihre Umgebung und steigen daher auf. Es entsteht eine selbständige Wärmeströmung. Die Wärmeenergie wird dabei durch die bewegte Flüssigkeit oder das bewegte Gas transportiert. In Flüssigkeiten (Gasen) dehnen sich die heißeren Teile aus. Dadurch werden sie leichter und steigen auf. Beim Abkühlen ziehen sie sich zusammen und werden schwerer. Dabei sinken sie nach unten. Versuch 6: Dieser Versuch soll die Wärmeströmung in Flüssigkeiten veranschaulichen. Rechteckrohr Wasser Kaliumpermanganat Bunsenbrenner 2 Stativfüße 2 Doppelmuffen Petra Rauecker -13-

14 Das Rechecksrohr bis oben mit Wasser füllen. Anschließend mit dem Bunsenbrenner erwärmen. Beginnt sich das Wasser zu bewegen gibt man etwas Kaliumpermanganat hinzu. Dabei kann man beobachten wie sich das bewegt. Das Kaliumpermanganat darf nicht mit den Fingern hineingegeben werden, da es sehr stark färbt. Das Wasser sollte auch relativ rasch wieder ausgeleert werden, da sich sonst Niederschläge bilden können. Das Rohr anschließend auswaschen und mit Preßluft ausblasen. Petra Rauecker -14-

15 Versuch 7: Ziel dieses Versuches ist es die Wärmeströmung von Luft zu veranschaulichen. Zwillingsdrähte Magnetleiste (von einem alten Kühlschrank) Nadel Tixo Druckknopf zur Reibungsfreien Lagerung Mit der Schere wird die Spirale sorgfältig entlang der dicken Linie ausgeschnitten. Die gekennzeichnete Mitte wird durchstochen, so daß ein Loch von ca. 1,5mm Durchmesser entsteht. Darin wird das als Lager dienende Druckknopf montiert. Wobei das Loch nach unten zeigen sollte. Nun wird die Spirale leicht und gleichmäßig zu der zu der gezeichneten Form gebogen. Petra Rauecker -15-

16 Der durchsichtige Schutzschlauch über der Lagernadel am Halter wird soweit abgeschnitten, daß die Nadelspitze 4 bis 5 mm über das Schlauchende hinausragt. Nun wird der Halter am Heizkörper befestigt und die Spirale auf die Nadel gesetzt. Man achte auf senkrechte Stellung der Nadel und genügend freien Raum ringsum, damit die Spirale frei drehen kann. Mit diesem Versuch kann man jederzeit zeigen, wie stark geheizt wird. Da sie dank Magnethalter an jedem Heizkörper montierbar ist. Dies ist ein einfacher Handversuch, den die Schüler auch zu hause selber durchführen können. Der Zeitaufwand ist nur einmal etwas größer, da man es sich selber basteln kann. Petra Rauecker -16-

17 2. 3. Klasse Unterstufe 2.1. Wärmeleitung verschiedener Stoffe Versuch 8: Ziel dieses Versuches ist es, die Leitfähigkeit verschiedener Stoffe zu überprüfen und festzustellen welcher ein guter und welcher ein schlechter Leiter ist. Teelöffel aus verschiedenen Stoffen Glas Butter Erbsen Heißes Wasser Teelöffel in ein Glas geben. Erbsen mit Hilfe von Butter an die Löffelenden haften. Anschließend heißes Wasser in das Glas einfüllen. Mit diesem Versuch kann man die Leitfähigkeit verschiedener Stoffe überprüfen. Es ist ein einfacher Handversuch, der sehr anschaulich ist. Er ist nicht sehr zeitaufwendig. Petra Rauecker -17-

18 Versuch 9: Dieser Versuch soll zeigen, daß Luft ein schlechter Wärmeleiter ist. Bunsenbrenner Streichholz Den Bunsenbrenner anzünden. Anschließend das Streichholz in die nähe des Bunsenbrenners halten, wie am Bild gezeigt wird. Das Ergebnis, das Zündholz wird nicht entzündet. Daraus folgt, daß Luft ein sehr schlechter Wärmeleiter ist. Auch bei diesem Versuch gilt, daß der Zeitaufwand gleich Null ist, aber anschaulich. Hier sollte man darauf achten, daß man das Zündholz nicht zu weit an die Flamme hält. Sonst ist der ganze Effekt weg. Petra Rauecker -18-

19 2.2. Wärmestrahlung Wärmestrahlung ist eine Infrarot Strahlung. Jeder Körper sendet nicht nur Strahlung aus, er nimmt auch jederzeit Strahlung auf. Die Strahlung selbst ist weder kalt noch warm. Erst durch die Aufnahme der Strahlung erwärmt sich ein Körper. Schwarze, matte Körper nehmen mehr Strahlung als blanke, glänzende Körper auf. Sie geben aber auch mehr Strahlung ab. Wärmestrahlen können wie Lichtstrahlen umgelenkt, zurückgeworfen oder gebündelt werden. Für die letzte Aussage gibt es einen einfachen Handversuch. Versuch 10: Dieser Versuch soll zeigen, daß Lichtstrahlen gebündelt werden können. Hohlspiegel Buch Den Spiegel hält man in die Sonne. Das Buch wird vor den Spiegel gehalten. Hier kann man einen hellen Fleck auf dem Buch beobachten. Dieser Versuch ist nicht zeitaufwendig. Der einzige Nachteil dieses Versuches ist, daß er nur bei Sonnenschein durchführbar ist. Diesen Versuch können die Schüler selber ausprobieren. Da sie es dann besser sehen können. Petra Rauecker -19-

20 Versuch 11: Material. Hohlspiegel Plastilin Zündhölzer Aufbau. Den Hohlspiegel in die Sonne halten und das Plastilin mit den Zündhölzern vor den Spiegel halten. Mann kann nun nach einiger zeit ein Entzünden der Zündhölzer beobachten. Die Ursache für dieses Ergebnis ist die Wärmestrahlung. Dieser Versuch ist nur im Freien durchführbar. Und nur wenn Sonnenschein ist. Vorteil ist, daß er schnell und einfach zum Aufbauen ist und trotzdem relativ eindrucksvoll. Auch dieser Versuch ist ein Handversuch, den die Schüler selber durchführen können. Petra Rauecker -20-

21 Versuch 12: Mit diesem Versuch soll verdeutlicht werden, daß die Wärmestrahlung nicht auf alle Stoffe gleich stark wirkt. 2 Styropor Tassen (Verpackungsmaterial für Obst und Fleisch) 2 Thermometer Aluminiumfolie Schwarzes und weißes Papier Durchsichtige Folie Die Thermometer von der Seite in die Tassen stecken. Anschließend gegen eine Wärmequelle halten (Sonne, Lampe). Während des Versuches die Neigung verändern, und die Temperatur der beiden Thermometer beobachten. In eine Tasse die Aluminiumfolie und das schwarze Papier geben. Anschließend die Temperatur der beiden Thermometer einige Zeit beobachten. Dabei wird man feststellen, daß die Temperatur des Thermometers über dem schwarzen Papier höher ist. Anschließend eine Tasse mit Folie abdecken und die Thermometer weiter beobachten. Auch bei diesem Versuch gilt, daß er schnell und einfach zum Aufbauen ist. Auch hier ist es am Besten, daß die Schüler den Versuch selber durchführen. In zweier oder Vierer Gruppen, damit sie es gut beobachten können. Petra Rauecker -21-

22 Versuch 13: Ziel dieses Versuches ist zu zeigen, daß die Wärmestrahlung nicht alle Stoffe durchdringen kann. Lampe Blatt Papier Schalte ich eine Lampe ein und halte meine Hand vor die Lampe, so verspüre ich Wärme. Gebe ich jedoch einen undurchsichtigen Gegenstand zwischen meine Hand und der Lampe, so wird die verspürende Wärme wesentlich geringer sein. Petra Rauecker -22-

23 Versuch 14: Dieser Versuch soll, genau wie Versuch 13, zeigen, daß Wärmestrahlung nicht jeden Körper durchdringen kann. Undurchsichtiger Gegenstand z.b.: Löffel Durchsichtige Glasscheibe Wärmepapier Wärmequelle a) Halte einen undurchsichtigen Gegenstand z.b.: Löffel zwischen eine Wärmequelle und ein Wärmepapier. Beobachte wie sich das Wärmepapier dabei verändert. b) Halte eine durchsichtige Glasscheibe zwischen eine Wärmequelle und ein Wärmepapier. Beobachte wie sich das Wärmepapier dabei verändert. Hier wird man feststellen, daß manche Stoffe Wärmestrahlen durchlassen und manche nicht. Daraus folgt, daß sich Wärmestrahlen geradlinig ausbreiten. Dies ist wieder ein einfacher Handversuch der nicht viel Zeit zum Aufbauen benötigt. Das einzige Problem, was sich bei diesem Versuch stellen kann, ist die Sichtbarkeit. Petra Rauecker -23-

24 2.3. Kältemischung: Bei der Kältemischung wird das Salz mit Eis (Schnee) vermischt, wobei sich das Salz auflöst. Beim Auflösen eines festen Stoffes in einer Flüssigkeit schieben sich die Teilchen des flüssigen Körpers zwischen die Teilchen des festen Stoffes und lockern dadurch die Köhäsionskräfte und zerstören den Kristallaufbau. Bei diesem Vorgang wird Wärme verbraucht. Im Winter wird durch das Streuen von Salz auch eine Kältemischung erzeugt. Warum im Winter Salz gestreut wird soll der nachstehende Versuch erläutern. Versuch 15: Eis oder Schnee Salz Becherglas Thermometer Aufbau. Es werden drei Teile Eis oder Schnee mit einem Teil Salz vermischt. Anschließend wird gewartet bis das Eis Salz - Gemisch breiig oder flüssig geworden it. Dann bestimmt man die Temperatur. Mit diesem Versuch kann man je nach Salzgehalt eine Temperatur bis zu 20 C erreichen. Das starke Absinken der Temperatur in einer Kältemischung hat 2 Ursachen. 1) Das Salz wird aufgelöst, dabei wird Lösungswärme verbraucht. 2) Das Eis schmilzt, dabei wird Schmelzwärme verbraucht. Auch dieser Versuch ist schnell und einfach aufzubauen. Petra Rauecker -24-

25 Mit diesem Versuch kann man auch erklären warum man im Winter Salz streut, wenn es eisig ist. Hier muß man wieder auf die Sichtbarkeit achtgeben. Die Schüler kann man ausprobieren lassen, wieviel Salz man benötigt um die Temperatur stark zu reduzieren. Das einzige Problem, was hier noch auftreten kann ist, daß es eine gewisse Zeit brauchen wird, daß das Eis geschmolzen ist. Petra Rauecker -25-