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2 SACHUNTERRICHT NATURBEZOGENE PERSPEKTIVE III IV Experimente Schwimmen und Sinken von Leena Bröll und Thomas Zahn Mit physikalischen Experimenten üben die Schülerinnen und Schüler zum einen das wissenschaftliche Arbeiten, zum anderen erforschen sie die Phänomene unserer Umwelt. Fotos: Leena Bröll/Thomas Zahn Abb. 1: Das selbst gebastelte Überlaufgefäß. Schwimmen und Sinken stellt einen eher schwierigen Themenkomplex für den Unterricht in der Grundschule dar, denn es spielt eine sehr abstrakte Größe eine zentrale Rolle: die Dichte, eine Größe, die als Quotient aus Masse und Volumen definiert ist zwei weitere Begriffe, die im Grundschulunterricht kaum verinnerlicht werden können. Macht es dennoch Sinn, sich mit dieser Thematik auseinanderzusetzen? Welche Erkenntnisse und Fertigkeiten können Grundschülern bei diesem Thema besser als bei anderen vermittelt werden? Durch die beschriebene Unterrichtseinheit können folgende Schlüsselkompetenzen besonders gut erarbeitet werden: Einfache Experimente mit und ohne Anleitung durchführen, beobachten und dokumentieren. Erscheinungen der belebten und unbelebten Natur und die Erfahrungen mit ihr gezielt wahrnehmen und dokumentieren. Phänomene der belebten und unbelebten Natur beschreiben und begrifflich erfassen. Naturerfahrungen miteinander vergleichen und ordnen, Regelmäßig keiten aufspüren und in anderen Kontexten wiedererkennen. Fragen zu Naturphänomenen stellen. Bei den vorgestellten Versuchen muss wie bei allen Experimenten genau beobachtet und exakt gearbeitet werden. Versuchsvorschriften müssen gelesen und in aktives Handeln umgesetzt werden, was Lesekompetenz von Seiten der Schülerinnen und Schüler erfordert. Darüber hinaus werden in diesem Fall jedoch auch quantitative Zusammenhänge durch Vergleich bestimmter Größen erfasst und formuliert. In dieser Einheit wird der Zusammenhang von zahlenmäßig erfassten Größen mit Naturphänomenen erkannt, ohne dass gerechnet werden muss. Dadurch kommt es nicht zu einer Überforderung der Kinder. Eine Mathematisierung und mathematische Darstellung naturwissenschaftlicher Sachverhalte wird durch den Schritt von der rein qualitativen zur quantitativen Betrachtung vorbereitet. Der Übergang in eine weiterführende Schule kann besser gelingen, wenn quantitatives Denken in den Naturwissenschaften bereits in diesem frühen Stadium eingeübt wird und die mathematische Beschreibung der Natur, wie sie später vor allem in der Physik zunehmend eine Rolle spielen wird, schon ansatzweise erkannt werden kann. Ausgehend von Tatsachen und mit Gegenständen, die den Schülern aus ihrer Lebensumwelt bekannt sind, werden neue Zusammenhänge und Strukturen erforscht und formuliert. Das Prinzip des naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinns kann im Kleinen nachvollzogen werden. Die im Folgenden beschriebene Einheit ist für den Unterricht in der dritten oder vierten Klasse empfohlen, ein ausreichendes Abstraktions Seite 42 Praxis Grundschule

3 vermögen ist bei den Kindern in diesem Alter bereits vorhanden. Einfache Experimente zum Schwimmen und Sinken werden oft bereits in der ersten oder zweiten Klasse durchgeführt, darauf kann jetzt mit erhöhter Komplexität aufgebaut werden. Die Experimente Vorbereitungen Im Vorfeld muss ein Überlaufgefäß hergestellt werden (siehe Abb. 1). Dazu benötigt man einen großen Jogurtbecher (500 ml) und einen Strohhalm. In den Jogurtbecher bohrt man oben ein Loch, sodass der Strohhalm gerade hindurchpasst. Von dem Strohhalm schneidet man ein Stück ab. Dieses muss man an einem Ende schräg anschneiden, sodass ein Ablauf entsteht. Das so präparierte Strohhalmstück kann nun durch das Loch im Becher gesteckt werden. Erster Versuch Vergleich Masse eines Körpers Masse des verdrängten Wassers (siehe S. 45) Ergebnis: Im ersten Teil des Versuchs stellt man fest, dass das verdrängte Wasser schwerer ist als die leere Plastikflasche. Die Flasche schwimmt deshalb auf dem Wasser. Im zweiten Teil sieht man, dass die mit Sand gefüllte Flasche schwerer ist als das verdrängte Wasser. Deshalb geht die Flasche unter. Mit den Schülern kann im Heft daraufhin ein Merksatz festgehalten werden: Ein Gegenstand schwimmt, wenn er leichter ist als das Wasser, das er verdrängt. Ein Gegenstand sinkt, wenn er schwerer ist als das Wasser, das er verdrängt. Weiterführend kann verbal erarbeitet werden, dass ein Gegenstand, der gleich schwer ist wie das von ihm verdrängte Wasser, schweben würde. Dies zu erreichen ist aber sehr schwer, deshalb sieht man im Alltag mehr oder weniger nur die Phänomene Schwimmen und Sinken. Zweiter Versuch Das Volumen entscheidet über Schwimmen oder Sinken (siehe S. 46) Erklärung: Die in der zerknüllten Alufolie enthaltene Luft vergrößert das Volumen, sodass der Gegenstand so viel Wasser verdrängt, dass er schwimmt. In einem weiteren Schritt sollen die Schülerinnen und Schüler versuchen, die zerknüllte Alufolie zum Sinken zu bringen, ohne sie wieder aufzufalten. Wenn die Alufolie mit einem Hammer luftleer geklopft wird, dann geht sie unter. Erklärung: Das Volumen wird kleiner, die Folie verdrängt weniger Wasser. Dritter Versuch Die Form des Körpers und die Art, wie er auf dem Wasser liegt, entscheidet, wie viel Wasser verdrängt wird (siehe S. 46) Ergebnis: Die Knetkugel geht unter. Um zu erreichen, dass die Knete nicht untergeht, kann man z. B. ein schiffsähnliches Schälchen formen. Erklärung: Das Knetschiffchen schwimmt auf der Wasseroberfläche, da es durch seine Form so viel Wasser verdrängt, dass die Masse des verdrängten Wassers größer ist als die Masse des Schiffchens (ein Großteil des verdrängten Wassers wird durch Luft ersetzt). Genau aus dem Grund können Schiffe auch schwimmen. Sobald aber Wasser in den Hohlraum eindringt, gehen Schiffe unter. Anzeige Ë Ë Ë Ë Ë NEU! Praxis Grundschule Seite 43

4 SACHUNTERRICHT NATURBEZOGENE PERSPEKTIVE III IV Experimente Fünfter Versuch: das Ei im Vergleich mit Salzwasser und das Ei im Vergleich mit Leitungswasser. Vierter Versuch Veranschaulichung des Begriffs Dichte (siehe S. 47) Hinweis: Handelsübliches Kochsalz enthält meist einen Zusatz (Trennmittel), der das Feuchtwerden und Verklumpen verhindert und der auf der Verpackung angegeben ist. Für die nachfolgenden Versuche eignet sich Trennmittel E 535, da dieser Stoff vollständig wasserlöslich ist und die Beobachtungen nicht beeinträchtigt. Trennmittel Calciumcarbonat ist nicht geeignet. Ergebnis: Die Seite mit dem Salzwasserbecher ist schwerer und die Balkenwaage neigt sich entsprechend. Erklärung: Salzwasser hat eine größere Dichte als Wasser (Dichte von konzentrierter Salzlösung p = 1,15 g/ ml, Dichte von Wasser p = 1 g/ml). Mit den Schülern kann ein Merksatz wie folgt erarbeitet werden: Wenn man jeweils gleiche Mengen, z. B. 1 Liter Salzwasser und Leitungswasser miteinander vergleicht, sieht man, dass Salzwasser schwerer ist als Leitungswasser. Der Chemiker sagt dazu: Salzwasser hat eine größere Dichte als Leitungswasser. Der Begriff Menge ist sehr unpräzise, wird aber durch das Beispiel 1 Liter verdeutlicht. Der Begriff Volumen/Rauminhalt wird vermieden, da er nicht aus der Alltagswelt der Grundschüler stammt. Fünfter Versuch Die Dichte der Flüssigkeit entscheidet über Schwimmen oder Sinken (siehe S. 48) Ergebnis: Nach ca Löffeln Salz kann man beobachten, dass das Ei anfängt zu schweben und schließlich an der Wasseroberfläche schwimmt. Erklärung: Die Dichte des Eis liegt zwischen der Dichte von Salz- und Leitungswasser. In Leitungswasser sinkt das Ei deshalb auf den Boden. Indem man dem Wasser Salz zuführt, wird die Dichte kontinuierlich erhöht, sodass das Ei am Ende schwimmt. Überprüfung zur Vertiefung: Man kann erneut die Balkenwaage zur Hand nehmen und die in Versuch 3 gewonnenen Erkenntnisse überprüfen. Das Ei ist schwerer als das von ihm verdrängte Leitungswasser (und geht deshalb in Leitungswasser unter), es ist aber leichter als das von ihm verdrängte Salzwasser (und schwimmt deshalb im Salzwasser). l Fachwissen für Lehrer : eine kurze Erinnerung Ob ein Gegenstand in einer Flüssigkeit (in unseren Versuchen entweder Leitungswasser oder Salzwasser) nach unten sinkt oder nach oben steigt, kann nach dem Gesetz von Archimedes vorhergesagt werden. Befindet sich der Körper in der Flüssigkeit, so verdrängt er einen Teil dieser Flüssigkeit. Das Volumen der verdrängten Flüssigkeit ist identisch mit dem Volumen des Körpers, wenn dieser vollständig untergetaucht ist. Um zu entscheiden, ob der Körper das Bestreben haben wird, nach oben zu steigen oder nach unten zu sinken, muss man die Masse des Körpers mit der der verdrängten Flüssigkeit vergleichen. Ist die Masse des Körpers kleiner, wird er nach oben steigen, ist sie größer, wird er sinken. Dies wird durch die in den Naturwissenschaften häufig benutzte Größe Dichte erfasst, welche die Masse bezogen auf ein bestimmtes Volumen angibt. Besitzt ein Stoff beispielsweise eine Dichte von 2 g/cm 3, so bedeutet dies, dass 1 cm 3 davon die Masse 2 g besitzt. Das Schwimmverhalten eines Körpers kann dadurch verändert werden, dass entweder die Dichte des Körpers verändert wird oder die Dichte der Flüssigkeit, in welcher er sich befindet (vgl. Versuche 2 und 5). Da in den beschriebenen Versuchen stets gleiche Volumina verglichen werden, kann anstatt mit der Dichte auch fachlich völlig richtig mit der wesentlich anschaulicheren Masse (oder auch dem Gewicht) argumentiert werden. Ein Problem stellt der Sachverhalt dar, wenn Gegenstände untersucht werden, die aus mehreren Stoffen bestehen. Bei solchen möglichen Schwimmkörpern müsste man eine durchschnittliche Dichte definieren. Da nun bei den Versuchen Stoffportionen gleicher Volumina untersucht und nur Massenvergleiche angestellt werden, wird dieses Problem umgangen. Dennoch werden die Kinder auch für diese Problematik sensibilisiert: Bei dem Versuch Auswirkung der Veränderung des Volumens für Schwimmen und Sinken spielen die Lufteinschlüsse in einer zusammengeknüllten Alufolie eine entscheidende Rolle. Die Autoren Leena Bröll ist Realschullehrerin und Doktorandin im Fachbereich Didaktik der Chemie der PH Freiburg. Dr. Thomas Zahn ist Akademischer Oberrat in der Abt. Chemie in der Pädagogischen Hochschule Freiburg. Lesen Sie weiter Themenschwerpunkt: Kinderleichte Experimente In: Grundschule, Heft 3/2006 Bestellen Sie Ihr Exemplar telefonisch unter 05 31/ oder per an oder online unter Seite 44 Praxis Grundschule

5 Schwimmen oder Sinken 1 COPY Schwimmer oder Sinker? Das brauchst du: Überlaufgefäß Plastikflasche mit Deckel Sand 2 Plastikbecher Balkenwaage So wird der Versuch durchgeführt: Stelle einen Becher unter den Abfluss des Überlaufgefäßes. Fülle das Überlaufgefäß mit Wasser. Das zu viel eingefüllte Wasser läuft durch den Abfluss wieder raus. Schütte es weg. Stelle den leeren Becher wieder unter den Abfluss. Nimm die Plastikflasche und verschließe sie fest. Drücke sie unter die Wasseroberfläche. Pass aber auf, dass deine Finger so wenig wie möglich in das Wasser tauchen. Wenn aus dem Überlaufgefäß nichts mehr überläuft, kannst du die Plastikflasche wieder herausnehmen. Stelle die Flasche mit einem Becher auf die eine Seite der Waage, den Becher mit dem übergelaufenen Wasser auf die andere. Notiere deine Beobachtungen. Fülle die Flasche mit Sand und wiederhole den Versuch. Was kannst du beobachten? Die leere Falsche ist als das Wasser, deshalb sie. Die Flasche mit Sand ist als das Wasser, deshalb sie. Merke: Praxis Grundschule Seite 45

6 COPY Schwimmen oder Sinken 2 Was haben Schwimmen und Sinken mit Luft zu tun? Das brauchst du: 2 Stücke Alufolie Wasserwanne Knetstange Hammer So wird der erste Versuch durchgeführt: Knülle ein Stück Alufolie zu einer Kugel zusammen. Tauche die glatte Alufolie und die Kugel unter Wasser und lass beide unter Wasser los. Was kannst du beobachten? Zusatzaufgabe für kluge Forscher: Versuche jetzt, die Alukugel auch zum Sinken zu bringen. Du darfst sie aber nicht auseinanderfalten. So wird der zweite Versuch durchgeführt: Forme aus der Knetstange eine Kugel und lege sie auf die Wasseroberfläche. Sie geht unter. Was kannst du machen, damit die Knete nicht untergeht? Seite 46 Praxis Grundschule

7 Schwimmen oder Sinken 3 COPY Die Dichte was ist das? Das brauchst du: 2 Plastikbecher 1/2 Liter Wasser Salz Esslöffel Balkenwaage So wird der Versuch durchgeführt: Gib acht Esslöffel Salz in den halben Liter Wasser und rühre vorsichtig so lange um, bis sich alles gelöst hat. Stelle die Plastikbecher auf je eine Seite der Balkenwaage. Fülle einen Becher mit Leitungswasser und einen mit dem Salzwasser. Was kannst du beobachten? Merke: Praxis Grundschule Seite 47

8 COPY Schwimmen oder Sinken 4 Das schwimmende Ei? Das brauchst du: großes Glas Salz Ei Esslöffel So wird der Versuch durchgeführt: Fülle das Glas mit Wasser (nicht ganz voll). Lege das Ei vorsichtig in das Glas. Gib nun fünf Löffel Salz in das Wasser und rühre vorsichtig um, bis sich alles aufgelöst hat. Das Ei darf nicht kaputtgehen. Gib weiter löffelweise Salz dazu und rühre. Beobachte dabei das Ei. Was kannst du beobachten? Seite 48 Praxis Grundschule

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