Wärmelehre Experimente mit Spaß

Transkript

1 Schulversuchspraktikum Physik WS 00/01 Protokoll: Wärmelehre Experimente mit Spaß Magdalena Schauer Versuchsdatum: Praktikumpartnerin: Rauecker Petra

2 Inhaltsverzeichnis: Einleitung Seite 3 Handversuche 1.Kalt Warm Seite 4 2.Wasser, die etwas andere Flüssigkeit Versuch 1 Seite 5 Versuch 2 Seite 6 Versuch3 Seite 7 3.Alles dehnt sich Versuch 1 Seite 8 Versuch 2 Seite 9 4.Nicht alles leitet Seite 10 5.Auf die Strömung kommt es an Versuch 1 Seite 12 Versuch 2 Seite 13-2-

3 Einleitung: Wir haben unsere Handversuche aus dem Buch: Werner Rentzsch Experimente mit Spaß WÄRME heraus gesucht. Es handelt sich dabei nur um Handversuche, die für die Unterstufe geeignet sind und um Versuche, die die Schüler leicht selber zu Hause nachvollziehen können. Das Buch ist leicht verständlich geschrieben, die Versuche sind so erklärt, dass man sie gleich versteht und selber nachbasteln oder nachbauen kann. Es ist sehr interessant einmal einen andere Art von Physikversuchen kennen zu lernen. Im Unterricht sollten auch Handversuche immer wieder eingebaut werden. Gerade für die Unterstufe ist es sicher sehr auflockernd für den Unterricht; und die Schüler bekommen einen ganz anderen Bezug zur Physik. Physik ist plötzlich etwas was man auch selber machen kann. Der Stoff der mit den Versuchen verknüpft ist so sicher leichter zu merken. Eine Möglichkeit die Versuche im Unterricht einzubauen ist, man macht so eine Art Lernzirkel. Das heißt man baut verschieden Stationen mit versch. Handversuche auf, und die Schüler müssen, dann jeweils in Gruppen von Station zu Station wandern und den Versuch selber aufbauen und z.b.: in ein Form von Protokoll oder mit Hilfe von Arbeitsblättern das Gesehene physikalisch erklären. Der Stoff zu den Versuchen sollte vorher natürlich durchgemacht werden. Der Lernzirkel trägt so zur besseren Verständnis und zur Festigung des Wissens der Schüler bei. Natürlich sind nicht alle Versuche aus diesen Buch für so ein Einbauung im Unterricht geeignet, da es bei manchen viel zu lange dauern würde diese aufzubauen und meiner Meinung nach, die Handhabung mancher Geräte für die Unterstufe noch zu kompliziert ist. Ansonsten war es sehr lustig mit diesem Buch zu arbeiten, und ich kann den Gebrauch dieses Buches im Unterricht nur wärmstens empfehlen. -3-

4 Handversuche: 1. Kalt - Warm: So löst sich Zucker schnell Brownsche Bewegung: Overheadprojektor 2 Bechergläser ( ca. 250 ml) 2 Würfelzucker heißes Wasser (Brenner) Ein Becherglas mit ca. 3cm hoch kaltem Wasser und ein Becherglas mit gleichviel heißem Wasser (ca. 80 C) stellt man auf den Overheadprojektor. Nun legt man gleichzeitig je einen Zuckerwürfel in die Mitte jedes der beiden Bechergläser und beobachtet. Im heißen Wasser löst sich der Zuckerwürfel sehr schnell, kleine Stückchen werden weggeschleudert und nach kurzer Zeit ist der Würfel zerfallen. Im kalten Wasser erkennt man erst nach einiger Zeit leichte Auflösungserscheinungen am Würfelrand. Die Wassermoleküle im heißen Wasser bewegen sich schneller. Unter Brownscher Molekularbewegung versteht man die zitternde Bewegung kleiner Teilchen in Wasser oder anderen Flüssigkeiten bzw. auch in Gasen. Die Bewegung wird mit wachsender Temperatur größer. Benannt ist sie nach dem Botaniker Brown der 1827 erstmals diese Erscheinung beobachtete. Noch ein paar Hinweise Das Wasser muss heiß genug sein. In der Anleitung steht 80 C, d.h. das Wasser muss vorher mit dem Bunsenbrenner erwärmt werden. Das heiße Wasser aus der Leitung ist wahrscheinlicher zu kalt, um den Effekt schön sehen zu können. VORSICHT beim Umgang der Schüler mit den Bunsenbrenner. Ansonsten ist es aber ein sehr guter Versuch, der die Teilchenbewegung in heißen Flüssigkeiten sehr gut wiederspiegelt. Da ein Overhead auch normalerweise in jeden Physiksaal und in jedem Klassenzimmer vorhanden ist kann der Versuch auch schnell aufgebaut und gezeigt werden oder die Schüler führen in selber durch. Eine ungewöhnliche Anwendung des Overheads, die den Schülern sicher Freude bereitet. -4-

5 2.Wasser, die etwas andere Flüssigkeit: Versuch 1: Die Unterschichtung Anomalie des Wassers Stativ und Stativmaterial großes Reagenzglas (3 cm Durchmesser) Glasrohr Trichter, der in das Glasrohr passt Becherglas rot gefärbtes heißes Wasser (Leitung) Eiswasser Das Reagenzglas wird ca. zwei Drittel mit heißen rotgefärbten Wasser gefüllt. Das Reagenzglas wird nun vorsichtig eingespannt. Versuchsaufbau siehe auch Abbildung. Man steckt nun ein Glasrohr mit einem Glastrichter hinein und schüttet vorsichtig Eiswürfelwasser durch den Trichter. Das kalte, farblose Wasser sammelt sich unter dem roten an diesen Vorgang nennt man Unterschichten. Es beruht darauf, dass kaltes Wasser eine größere Dichte hat als heißes Wasser. Noch ein paar Hinweise: Das Eiswürfelwasser muss ebenso wie das heiße gefärbte Wasser vorher vorbereitet werden, damit man beim Versuch möglichst kaltes Wasser dem möglichst heißen Wasser unterschichten kann Das kalte Wasser muss unbedingt sehr langsam eingegossen werden, da es sonst zu Verwirbelung kommt, und das Wasser sich durchmischt. Wenn man anstatt des Glasrohrs einen Trichter nimmt so kann man versuchen, diesen am Ende etwas abzuschrägen damit man das kalte Wasser am Rand des Reagenzglases einfliesen lassen kann. Dieser Versuch braucht mit Sicherheit etwas mehr Fingerspitzengefühl. Wenn er dann einmal klappt ist es ein ganz empfehlenswerter Versuch. -5-

6 Versuch 2: Glas im Socken Wärmespeichervermögen von Wasser/Isolierung Kleine Thermosflasche 2 gleichgroße Gläser Ein Socken Thermometer Küchenmessbecher Heißes Wasser (Leitung) Ein Trinkglas wird in einen Socken gesteckt- der überstehende Rand wird umgeschlagen. Man stellt die drei Gefäße nebeneinander und füllt gleichviel heißes Wasser ein. Die Temperatur sollt in allen drei Gefäßen ungefähr gleich sein, ansonsten sollte man versuchen durch zugeben von heißen oder kalten Wasser, die Temperatur auszugleichen. Man legt sich nun eine kleine Liste an und schreibt die drei Ausgangstemperaturen, der jeweiligen Gefäße auf. Nach einer halben Stunde misst man erneut und notiert. Danach misst man noch zweimal nach je einer halben Stunde. Die Temperaturabnahmen erfolgt in den drei Gefäßen verschieden stark. Am langsamsten fällt die Temperatur in der Thermosflasche und am schnellsten im ungeschützten Glas. Das Sockenglas liegt im Mittelfeld. Flüssigkeiten können durch entsprechende Wärmeisolierung länger warm bzw. kalt gehalten werden. Noch ein paar praktische Hinweise: Es ist zwar nicht unbedingt notwendig mit gleichen Ausgangstemperaturen zu arbeiten, da ja die Temperaturdifferenz leicht berechnet werden kann, aber aus Gründen der Übersicht und Anschaulichkeit lohnt sich die Mehrarbeit zu Beginn des Versuchs sicher Die Ausgangstemperatur soll min. 50 C betragen, damit die Temperaturunterschiede möglichst deutlich zu sehen sínd. Die Ableszeiten können natürlich auch verkürzt werden(z.b. auf ¼ Stundenabstand) kommt man in die Nähe der Zimmertemperatur, ändern sich die Werte nur mehr sehr langsam. Die Werte können auch in ein Diagramm in versch. Farben eingetragen werden. (x- Achse/Zeit, y-achse/temperatur), auf diese Art und Weise wird dieser Versuch noch anschaulicher. -6-

7 Versuch 3: Der schwebende Eiswürfel Kältemischung Joghurtbecher Eiswürfel Zündholz Salzstreuer Man legt einen Eiswürfel auf einen Joghurtbecher und darauf ein Zündhölzchen. Nun streut man vorsichtig wenig Salz auf das Hölzchen und wartet ein wenig Jetzt fasst man das Hölzchen und hebt es mit dem Eiswürfel Der Grund dafür ist, dass das Eis an der Oberfläche durch das Salz leicht auftaut und unter dem Hölzchen zufriert. Mit Kältemischungen aus Salz und Eis kann man den Gefrierpunkt herabsetzen; dies geschieht durch die Schmelzwärme beim Schmelzen des Eises und durch die Lösungswärme beim Auflösen des Salzes Die Wärme wird dem Gemisch entzogen und diese kühlt daher ab. Praktische Hinweise: Nur wenig Salz aufstreuen das Salz soll ja nicht unter das Hölzchen bzw. den Faden kommen Besonders nett wirkt der Versuch bei der Verwendung eines Salzstreuers aus einem Kinderkaufmannsladen. Ein ganz einfache praktische Anwendung dieses Effekts wird im Winter auf den Strassen gemacht. Durch das Streuen von Salz wird bei Temperaturen unter 0 C die Bildung von Eis verhindert. Dieser Versuch kann auch noch variiert werden indem man anstatt des Zündholz einen Wollfaden nimmt. Dieser Versuch ist allerdings etwas Schwieriger, man sollte nur vorsichtig an dem Faden ziehen -7-

8 Versuch 4: Bodenlos Wasser wird auf Papier erwärmt Geöffnete Konservendose Butterbrotpapier (Pergamentpapier) Gummiringerl Schere Kerze Unterstellgläschen oder Klötzchen Der Boden einer offenen leeren Konservendose wird mit Butterbrotpapier überspannt. Das Papier wird am besten mit mehren Gummirringerln fixiert. Die überstehenden Papiereste werden mit der Schere weggeschnitten. In die Dose füllt man ca. 1 cm hoch Wasser und stellt sie derart auf zwei Gläschen oder Klötzchen. WICHTIG ist das bei brennender Kerze, die Kerzenflamme den Papierboden gerade nicht berührt. Das Wasser in der Dose erhitzt sich ohne dass das Papier zu brennen beginnt. Die zugeführte Wärme wird dazu verwendet, das Wasser aufzuheizen die Entzündungstemperatur von Papier wird nicht erreicht. Praktische Hinweise Aufpassen, der Rand der Dose sollt möglichst glatt sein, am besten die Dose schon vor dem Gebrauch sicher präparieren. Man soll bei der Größe der Gläser oder Klötzchen sich vorher überlegen wie man den Versuch aufbaut. Als Kerze eignen sich besonders gut Teelichter, da dann als Unterstellgläser kleinere Trinkgläser verwendet werden können. Einziges wirkliches Problem bei diesen Versuch ist aber, dass man die Dose wirklich dicht mit dem Butterbrotpapier abschließt. Mehrere Gummiringerl sollten auf jeden Fall verwendet werden. Der Versuch ist für die Schüler sicher sehr interessant, da diese sicher mit einem anderen Versuchsergebnis rechnen würden. -8-

9 3.Alles dehnt sich Versuch 1 : Die Wunderspirale Modell für Bimetallwirkung Alufolie Schreibpapier Klebestick 2 Trinkhalme Schere Kerze Bleistift Ein ca. DIN A 5 großes Schreibpapier wird mit Kleber vom Stift eingestrichen und mit Alufolie möglichst faltenfrei bestrichet. Nach dem Trocknen schneidet man der Länge nach etwa 1 cm breite Streifchen ab und rollt sie über einem runden Bleistift zu Röllchen. Bei einem Röllchen soll die Aluminiumseite außen sein und beim Zweiten die Papierseite. Die beiden Röllchen werden mit Klebstoff am den beiden geknickten Trinkhalmen befestigt. Nun hält man die Röllchen hintereinander in einigem Abstand über die brennende Kerze. Das Röllchen mit dem Aluminium außen dreht sich zusammen, das zweite Röllchen wird größer. Beim Erwärmen dehnt sich Metall aus, und es kommt zu einer Wirkung wie beim Bimetall - die Krümmung erfolgt in der dem sich stärker ausdehnenden Stoff entgegengesetzten Seite. Einige praktische Hinweise: Die Röllchen sollten nicht zu lange zugeschnitten werden, da sonst der Vorgang des Auf- bzw. Abrollens nicht mehr so schön beobachtet werden kann Beim Beschichten mit dem Handballen von der Mitte weg die Alufolie glattstreichen - wie beim Tapezieren Die Röllchen nicht zu nahe über die Kerzenflamme halten. Durch die starke Wärmeströmung (und Wärmestrahlung) kann das Röllchen zerstört werden. -9-

10 Versuch 2: Die Innenhaut Volumsänderung von Gasen 1,5 l Petflasche oder Rundkolben Luftballon Heißes Wasser (Leitung) Eiswürfelwasser Das Gefäß wird mit heißem Wasser ausgespült. Nun lässt man einen Luftballen in die Flasche oder den Kolben hängen und stülpt ihn über den äußeren Gefäßrand. Man stellt die Flasche nun in Gefäß mit Eiswürfelwasser und der Luftballon wird sich nun aufblasen. Die warme Luft im Gefäß zieht sich zusammen und der äußere Luftdruck bläst den Ballon auf. Praktische Hinweise Der Versuch kann auch ohne das Eiswürfelwasser durchgeführt werden. Ich würde dessen Gebrauch jedoch sehr empfehlen, da sich der Luftballon viel schöner aufbläst. Keine 2 Liter-PET-Flaschen verwenden - diese halten den Luftdruck nicht aus und implodieren. Laborglaskolben können ev. Auch mit der Brennerflamme statt mit heißem Wasser erwärmt werden. -10-

11 4.Nicht alles leitet Das Thermofenster Wärmeleitung von Gasen und Feststoffen 3 gleichgroße Marmeladegläser 6 kleine Glasscheiben (nicht zu dick) Gummischlauch Schere Butter Messer Heißes Wasser Drei gleich große Gläser werden nebeneinander gestellt und in gleicher Höhe (ca. ¾ der Glashöhe) mit dem Schreiber markiert. Von einem Gummischlauch werden 12 gleiche dicke Gummistückchen abgeschnitten. Vor die Gläser legt man die Glasabdeckungen. 1.Glas: 1 Scheibe; 2.Glas: 2 Scheiben mit dazwischen 4 Gummistückchen; 3. Glas: 3 Scheiben mit zweimal Zwischenraum. Aufbau siehe auch Abbildung. Auf die oberste Glasscheibe gibt man jeweils ein Stückchen feste Butter. Nun füllt man in die Gläser gleich hoch heißes Wasser (Markierung!) und gibt schnell alle drei Abdeckungen auf die Gläser. Nach kurzer Zeit beginnt die Butter am Einfachglas zu schmelzen; beim Doppelglas dauert es schon ziemlich lange, bis die Butter zu schmelzen beginnt, während beim Dreifachglas keine Veränderung zu beobachten ist. Glas und Luft sind schlecht Wärmleiter. Wasser dient nur als Wärmequelle. -11-

12 Einige praktische Hinweise: Anstatt der Gummistückchen kann man auch kleine Plastellinkügelchen verwenden allerdings ist darauf zu achten das diese alle ungefähr die gleiche Größe haben. Dieser Versuch sollt man unbedingt durchführen wenn man Wärmeleitung bespricht, außerdem kann man ganz leicht praktischen Bezug finden und zwar bei der Wärmeisolierung bei Fenstern: EINFACHFENSTER: Eine einfache Glasschicht ist ein schwacher Wärmeschutz. Einfachfenster wurden früher häufig beim WC verwendet Im Winter war bei dem ungeheizten Raum eine längere Verweildauer unmöglich. DOPPELFENSTER: Dies bieten schon einen besseren Schutz. Früher gab es äußere und innere Fensterflügel. Heute sind bei Verbundfenstern die beiden Glasscheiben häufig schon luftdicht verbunden DREIFACHFENSTER: Einen besonders guten Schutz ergeben diese Fenster. Zusätzlich ist au stark befahrenen Strassen auch die dadurch bewirkte Schalldämmung mehr als erwünscht. -12-

13 5.Auf die Strömung kommt es an Versuch 1:Die Zentralheizung Wärmekreislauf von Wasser Stativ und Stativmaterial Geschlossenes Glasrohr mit einer Öffnung Brenner Kaliumpermanganat Ein geschlossenes Glasrohr wird mit Wasser gefüllt und leicht geneigt im Stativ eingespannt. Nun erwärmt man auf einer Seite vorsichtig mit dem Brenner bis das Wasser an dieser Stelle die ersten Dampfblasen bildet. Man wirft dann einen Kaliumpermanganatkristall ein. Der Kristall löst sich leicht im Wasser und bildet in Strömungsrichtung des Wassers eine lila Spur. Einige praktische Hinweise: VORSICHT im Umgang mit dem Brenner Das Kaliumpermanganat auch äußerst vorsichtig behandeln da es von der Haut nicht mehr abwaschbar ist. Hat man keinen Kristall zur Verfügung gibt man etwas Pulver man besten vorsichtig mit einem Löffel in das Glasgefäß. Weiters ist darauf zu achten, dass das Glasrohr unbedingt vorsichtig eingespannt wird, und auch auf jeden Fall vorsichtig erwärmt Bruchgefahr Der Versuch soll beendet werden, wenn eine geschlossene rote Färbung entstanden ist. Man braucht dazu gar nicht viel Farbe hineingeben. Es ist auf jeden Fall ein schöner Versuch der auch für die Schüler ganz hinten im Klassenzimmer gut zu sehen sein wird. Natürlich kann der Versuch auch ohne weitere Umstände von den Schülern selbst durchgeführt werden. Es gelten dann eben die üblichen Vorsichtsmaßnahmen, wie aufpassen beim Umgang mit dem Bunsenbrenner und das Glasrohr nur vorsichtig einspannen. -13-

14 Versuch 2: Wie von Geisterhand Wärmeströmung in Gasen Teebeutel Feuerzeug Feuerfeste Unterlage Die Klammer aus den Teebeutel vorsichtig öffnen und den Teebeutel ausleeren. Man erhält so eine Papierröhre. Diese stellt man nun aufrecht auf eine feuerfeste Unterlage. Das Papier wird nun am oberen Rand (ev. An zwei gegenüberliegenden Seiten) entzündet. Die Flamme brennt nach unten die entstehende Asche beginnt durch die Wärmeströmung aufzusteigen. Einige praktische Hinweise: Türen und Fenster sollten geschlossen werden keine Zugluft im Raum! Vorsichtig der Teebeutel hebt dann erst ab wenn er schon fast nacht unten verbrannt ist. -14-