Inhalt VORSCHAU. Thermische Energie als Energieform 31 Was verstehen wir unter Wärme und Kälte? 32 Heizen mit Kälte? 34

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1 Inhalt Seite Vorwort Winterliches weltweit Weihnachten in verschiedenen Hauptstädten der Welt 6 Jährlicher Temperaturverlauf in verschiedenen Hauptstädten der Welt 8 Warum es auf der Erde Jahreszeiten gibt 12 Länder des ewigen Winters - Das Polargebiet 13 Wenn das Eis der Pole schmilzt - Die Zukunft der Eisbären 18 Wenn der Winter ausfällt 19 Weiße Weihnacht in Deutschland - Ein Wintermärchen? 20 Kalt oder warm? Die Temperatur als physikalische Größe Eiskalte Fehlersuche im Durcheinander der Begriffe 21 Aufbau und Funktion eines Flüssigkeitsthermometers 23 Das Fieberthermometer früher und heute 24 Vor Kälte krümmen und vor Hitze biegen - Das Bimetallthermometer 26 Die Temperaturskalen nach Celsius, Fahrenheit und Kelvin 27 Eiskalte Berechnungen 28 Rätsel rund um die Temperaturmessung 30 Thermische Energie, Wärme und Kälte Thermische Energie als Energieform 31 Was verstehen wir unter Wärme und Kälte? 32 Heizen mit Kälte? 34 Wärme und Energie im Winter - Rätsel 35 Aggregatzustandsänderungen Überblick über die Aggregatzustandsänderungen 36 Schnee, Eis und Raureif - frostige Werke der Natur 37 Winter im Kühlschrank 38 Schnee aus der Schneekanone 39 Wärme durch Frost? 40 Eiskalter Test rund um den Schnee 41 Seite 3

2 Inhalt Seite 5 Verhalten der Körper beim Erwärmen und Abkühlen Körper dehnen sich bei Erwärmung aus - und bei Frost...? 42 Wächst der Eifelturm? 44 Das Bübchen auf dem Eise und die Fische darunter 46 Frost sprengt Wärmetransport Auf welchen Wegen wandert die Wärme? 48 Der Golfstrom als natürliche Warmwasserheizung Europas 49 Wärme halten - Kälte stoppen 50 Winterfest machen Checkliste 51 Rätsel rund um den Frost 52 Lösungen Seite 4

3 Vorwort Liebe Kollegen und Kolleginnen, wenn in den letzten Schulwochen des alten Jahres, insbesondere kurz vor den Weihnachtsferien, die Lernfreude der Schüler ermüdet, könnte die Arbeit mit vorliegenden winterlichen Kopiervorlagen zur Motivation des Lernens im Physikunterricht der Mittelstufe beitragen. Mit Einstimmung auf den Winter soll das Grundwissen aus der Wärmelehre gefestigt werden; gleichzeitig aber auch der fachübergreifende Aspekt zu geograischen Betrachtungen über Länder des ewigen Winters, Spiegelungen der Jahreszeiten in den Ländern entsprechend ihrer Lage zum Äquator, der Nutzen des Golfstroms und die Auseinandersetzung mit Problemen des Klimawandels realisiert werden. Auch praktische Bezüge zu Winterfreuden und Winterleiden wie Schlaglöcher und geplatzte Rohren werden hergestellt, denn Ausdehnung der Stoffe erfolgt nicht nur bei Wärmezufuhr, sondern auch bei Frost, wie es die Anomalie des Wassers zeigt. Welche Formen des Wärmetransportes es gibt, wo sie erwünscht oder unerwünscht in Erscheinung treten und dementsprechend gefördert oder verhindert werden müssen, ist Inhalt vieler Seiten. Selbstverständlich geht es nicht ohne Arbeit mit Fachbegriffen, Gesetzen der Wärmeausdehnung, physikalischen Größen und Maßeinheiten - verpackt in Zuordnungsübungen, Tests in Quizform und Rätsel. Da allerdings sowohl die Betrachtung winterlicher Phänomene, Betrachtungen zur Temperaturmessung nach verschiedenen Skalen und zu unterschiedlichen Messverfahren als auch der Aufruf zu praktischen und alltäglichen Maßnahmen in Vorbereitung des Winters überwiegen, eignen sich die Kopiervorlagen nicht nur ausschließlich für den Physikunterricht, sondern auch zum allgemeinbildenden Einsatz in Vertretungsstunden und zum fachfremden Unterricht. Viel Erfolg bei der Bildungsarbeit mit vorliegenden Arbeitsmaterialien sowie freudige Einstimmung auf den Winter wünscht Ihnen der Kohl Verlag und Bedeutung der Symbole: Einzelarbeit Barbara Theuer PA Partnerarbeit GA Arbeiten in kleinen Gruppen Seite 5 GA Arbeiten mit der ganzen Gruppe

4 1 Winterliches weltweit Weihnachten in verschiedenen Hauptstädten der Welt Aufgabe 1: Ordne den Hauptstädten die entsprechenden Länder, die Durchschnittstemperaturen im Dezember und die geographischen Koordinaten zu und trage die Informationen unten ein. (Hinweis: Beachte auch die Temperaturtabellen und Diagramme auf den Seiten 8, 9 und 11!) -3,4 C max. Bukarest N 26 6 O 18 C max. Russland Neuseeland -8,9 C min. -2,6 C min S W N O 3,8 C max. 19,6 C max. 9 C min S O Ecuador Rumänien 13,2 C min. Hauptstadt von Hauptstadt von geographische Breite geographische Breite Temperaturen im Dezember Maximum Minimum Moskau Hauptstadt von geographische Breite Temperaturen im Dezember Wellington Temperaturen im Dezember Maximum Minimum Quito Hauptstadt von geographische Breite Temperaturen im Dezember Maximum Minimum Seite 6 Maximum Minimum

5 1 Winterliches weltweit Monatliche Durchschnittstemperaturen für Quito Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Juni Juli Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. max. Temperatur in C min. Temperatur in C mittlere Temperatur in C 13 Messwerte entnommen aus: de.wikipedia.org/wiki/quito Aufgabe 6: Zeichne auf der Weltkarte den Äquator farbig nach und markiere Quito. Aufgabe 7: Berechne jeweils den Mittelwert aus monatlichem Temperaturmaximum und Temperaturminimum (siehe Beispiel für Januar) und trage die Werte in die Tabelle ein! Zeichne dann ein entsprechendes Temperaturdiagramm für den Verlauf der monatlichen mittleren Durchschnittstemperaturen in Quito. Hinweis: Für die Darstellung des Temperaturverlaufes eignen sich bevorzugt Säulendiagramme. Zeichne auf Millimeterpapier, schneide die Diagramme sauber aus und klebe sie in dein Heft. Aufgabe 8: Beschreibe den Temperaturverlauf in Quito während eines Jahres in Sätzen in dein Heft. Vergleiche mit dem Temperaturverlauf in Moskau. Seite 9

6 1 Winterliches weltweit Aufgabe 20: 18 Begriffe rund um das Polargebiet und seine Phänomene haben sich im eisigen Gestöber von Buchstaben versteckt. Finde sie und schreibe sie unten auf. E D A K G M Y L G Ö B E I I A V P Q S U X A E M I T T E R N A C H T S S O N N E M L A J H I L E X W U T B P C A L F O S N O R D P O L A R M E E R G H D A Q R J E V K Y O C I N U I T O T P N Z R B D R R A T S L P U O Z G V R E Ä E X L C P I A B I D A N T A R K T I S K E O I H O E E I S F R C H J O U X A Ü Q Y R C X L V T S U A T W E R T Z U I D G E R H N A Q M P O L A R N A C H T Z P F I Z T E R N U P I N G U I N M J K L O D S E V W K T B F L K O B N O R D P O L A B E W U R C R E I S B Ä R V A F U Y Q V E X U S E Y A K Z T C N E S Ü D P O L A R K R E I S S Ü D P O L A R M E E R V F G M Ü R S U Im Buchstabengestöber eiskalt aufgespürt: Seite 17

7 1 Winterliches weltweit Weiße Weihnacht in Deutschland Ein Wintermärchen? Aufgabe 26: Schreibe einen kleinen Text zum Thema. Dabei sollen meteorologische Fakten, Sorgen um die Zukunft der Menschheit, aber auch deine Wünsche und Hoffnungen eine Rolle spielen. Vielleicht beginnst du mit... Es war einmal Seite 20

8 3 Thermische Energie, Wärme und Kälte Thermische Energie als Energieform Aufgabe 1: Lies den untenstehenden Informationstext. Schreibe deine Fragen in die Felder. Endlich hat der Winter Einzug gehalten. Das Thermometer zeigt genau 0 C und es hat die ganze Nacht geschneit. Die Schüler nutzen eine Freistunde, um auf dem Schulhof einen Schneemann zu bauen. In der folgenden Physikstunde erarbeitet der Lehrer mit den Schülern einen Fragekatalog, mit dem Ziel, einen physikalischen Steckbrief des Schneemanns zu erarbeiten. Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Sie ist Teil der inneren Energie. Die thermische Energie wird in Joule (Einheitenzeichen J) gemessen. Die thermische Energie E th eines Stoffes ist von seiner Masse, seiner absoluten Temperatur T, welche in Kelvin gemessen wird, sowie vom Stoff abhängig, was sich in seiner speziischen Wärmekapazität c einer Stoffkonstante ausdrückt. Eine Wärmezufuhr steigert die mittlere kinetische Energie der Teilchen (Atome oder Moleküle) und damit die thermische Energie, eine Wärmeabfuhr verringert sie. Thermische Energie ist also kinetische Energie, aber mit dem Merkmal der ungeordneten Bewegung vieler Teilchen. Ist die kinetische Energie aller Moleküle eines Stoffes gleich Null, so ist, da m und c stets größer als Null sind, seine Temperatur am absoluten Nullpunkt. Die Kelvin-Temperaturskala verwendet diesen als Bezugspunkt. Obwohl es einen Zusammenhang zwischen thermischer Energie und Temperatur eines Stoffes gibt, dürfen diese beiden Größen nicht verwechselt werden. Aufgabe 2: Welche anderen Energieeinheiten kennst du? Notiere in dein Heft. Seite 31

9 3 Thermische Energie, Wärme und Kälte Was verstehen wir unter Wärme und Kälte? Kommen zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen (Symbol T) zusammen, so gleichen sich ihre Temperaturen durch Wärmeaustausch an. Dabei geht jedoch ohne zusätzliche Hilfe niemals thermische Energie vom Körper niedrigerer Temperatur zum Körper höherer Temperatur über. Die Angleichung erfolgt so lange, bis keine Temperaturdifferenz zwischen den Körpern mehr auftritt. Dieser Vorgang wird als Wärmeaustausch oder Wärmeübertragung bezeichnet. Wärme ist eine Prozessgröße, während thermische Energie eine Zustandsgröße ist. Das Symbol für die Wärme ist Q, sie wird in Joule gemessen. Kälte ist gleichbedeutend mit einem Mangel an Wärme. Aufgabe 3: a) Lies den Informationstext. Beschreibe einen praktischen Sachverhalt, bei welchem die physikalischen Begriffe thermische Energie und Wärme vorkommen. Kälte b) Kälte ist keine physikalische Größe. Dennoch spüren wir sie im Winter. Beschreibe einen Sachverhalt, bei welchem Kälte im physikalischen Sinn eine Rolle spielt. Seite 32

10 9 Die Lösungen 1 Aufgabe 6: X Q Aufgabe 7: Graphische Darstellung der monatlichen Durchschnittstemperaturen in Quito (1 auf der waagerechten Achse für Monat Januar 2 auf der waagerechten Achse für Monat Februar usw.) Aufgabe 8: Die Mittelwerte der Monatstemperaturen bewegen sich in Quito zwischen 13 C und 14 C; sind also im Verlauf eines Jahres nahezu konstant, während die Temperaturen in Moskau stark zwischen Monatsmitteltemperaturen von -9,5 C und 18,5 C schwanken. Aufgabe 9: mittlere Temperatur in C Monatliche Durchschnittstemperaturen für Quito Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Juni Juli Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. 13,0 13,5 13,5 14,0 13,5 13,0 13,0 13,5 13,5 14,0 13,0 13,5 Beide Städte liegen etwa gleich weit vom Äquator entfernt. Bukarest nördlich und Wellington südlich des Äquators. Deshalb sind auch die Jahreszeiten verschoben. Bukarest Wellington Aufgabe 10: Seenähe oder Binnenland, Höhe über dem Meeresspiegel Seite 55

11 9 Die Lösungen 2 Kalt oder warm? - Die Temperatur als physikalische Größe Aufgabe 1: Temperatur, T Wärme, Kälte Q Kelvin, 1 K Thermische Energie, E Grad Celsius, 1 C Joule, 1 J Grad Fahrenheit, 1 F Kilowattstunde, 1kWh Aufgabe 2: Aufgabe 3: Temperatur: schnell, Nullpunkt, Bewegung, Celsius Thermische Energie: Bewegung, Joule Wärme: Temperatur, Temperatur Kälte: Wärme a) Brettchen, Glasröhrchen, Temperaturskala, Thermometerlüssigkeit b) Allgemein gilt: Körper dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Die Ausdehnung der Thermometerlüssigkeit kann in dem Glasröhrchen nur linear erfolgen. Es erfolgt eine Messgrößenwandlung von der Temperatur in die Länge der Flüssigkeitssäule. Aufgabe 4: Aufgabe 5: c) Grad Celsius, Grad Fahrenheit, Kelvin - Bei Temperaturen unter 0 C erstarrt das Wasser. - Wegen der Anomalie des Wasser versagt im Bereich zwischen 0 C und 4 C das Prinzip Körper ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Die Anomalie des Wassers besteht darin, dass Wasser bei 4 C seine kleinste Dichte hat und sich folglich sowohl bei Erwärmung über 4 C als auch bei Abkühlung unter 4 C ausdehnt. Somit würde die Thermometerlüssigkeit bei Abkühlung unter 4 C wieder steigen - das Messprinzip versagt. Der Gefrierpunkt von Quecksilber liegt bei -38 C Messbereich eines Quecksilberthermometers: -30 C bis +350 C. Aufgabe 6: - Der Messbereich reicht mindestens von 35 C bis 42 C. - Eine Ablesegenauigkeit von 0,1 C ist erforderlich. Begründung: - Die Körpertemperatur eines Menschen unterschreitet allgemein 35 C nicht und steigt nicht über 42 C - Eine empindliche Messung auf Zehntel Grad genau ist erforderlich, da bereits Temperaturänderungen von einigen Zehntel Grad Aussagen über den Gesundheitszustand zulassen. Aufgabe 7: A Die Temperatur liegt unter 34,7 C, was bedeutet, dass das Thermometer keinen Kontakt zum menschlichen Körper hatte. B Das Thermometer zeigt eine Körpertemperatur von 36,6 C an. C Das Thermometer zeigt eine erhöhte Körpertemperatur von 37,7 C an. Aufgabe 8: Aufgabe 9: Aufgabe 10: Aufgabe 11: Aufgabe 12: Quecksilber - besitzt einen nahezu temperaturunabhängigen Wärmeausdehnungskoefizienten - benetzt das Glas des Thermometerröhrchens nicht - garantiert als Thermometerlüssigkeit präzise Messungen - hat den Gefrierpunkt bei -38 C und den Siedepunkt bei 350 C - ist giftig - Die Quecksilbersäule reagiert sehr langsam auf Temperaturänderungen. Deshalb dauert das Fiebermessen relativ lange (mindestens 5 Minuten), was bei Kleinkindern Schwierigkeiten mit sich bringt. - Glasthermometer sind zerbrechlich. - Wenn ein Fieberthermometer zerbricht, tritt giftiges Quecksilber aus. Vorteile: unzerbrechlich, keine giftigen Inhaltsstoffe, kleine Messdauer, Ende der Messung bei erreichter Maximaltemperatur wird durch ein akustisches Signal angezeigt Nachteil: keine Funktion ohne oder bei verbrauchter Batterie Bimetallthermometer sind unzerbrechlich und robust; sie vertragen hohe Temperaturen. Wärmeausdehnung, Metalle, Temperatur, Krümmung, Stärke, Skala, Bimetallschalter, Sensorelement, Temperaturänderung, Temperatureinsatzbereich, Backofenthermometer Grad Celsius Einheitenzeichen C Gefrierpunkt von Wasser bei Normaldruck 0 - Temperatur 273,15 K 32 F Kevin Einheitenzeichen K Absoluter Nullpunkt, bei dem die Teilchen keine Bewegung mehr zeigen 0 - Temperatur - 273,15 C F Grad Fahrenheit Einheitenzeichen F Gefrierpunkt von Wasser bei Normaldruck (als zweite Festlegung) 0 - Temperatur C K Seite 58