VORANSICHT I/B. Luft ist nicht nichts! Der Luftdruck. Der Beitrag im Überblick. 21. Der Luftdruck 1 von 20. Dr. Henrike Schieferdecker, Bonn

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1 1 von 20 Luft ist nicht nichts! Der Luftdruck Dr. Henrike Schieferdecker, Bonn Wie bekommt man das Ei in die Flasche? Warum lässt sich trotz Verwendung eines Trichters kein Wasser in eine leere Flasche füllen? Und was passiert eigentlich mit einem Schokokuss im Vakuum? Um diese und ähnliche Fragen zu klären, schlüpfen Ihre Schüler in die Rolle eines Moderatorenteams und geben wissenschaftlich fundierte Antworten auf verblüffende Experimente rund um das Thema Luftdruck. Ein physikalisches Alltagsphänomen im Rahmen einer Wissensshow allgemeinverständlich erklärt! Der Beitrag im Überblick Fotos: H. Schieferdecker Klasse: 7 oder 8 Dauer: Ihr Plus: 1 Doppelstunde + 2 Einzelstunden ü Die Schüler schlüpfen in die Rolle eines Moderatorenteams Hohe Motivation ü Hoher Alltagsbezug ü Durchführung und Erklärung verblüffender Handexperimente ü Binnendifferenzierung durch unterschiedlich komplexe Experimente und durch variable Verwendung von Tippkarten und Musterlösungen Inhalt: Die Schüler machen sich die Existenz des Luftdrucks als Ursache verschiedener Alltagsphänomene bewusst. Sie führen einfache Handexperimente nach Anleitung durch. Sie machen sich zum Experten für ihr Experiment. Sie versetzen sich in die Lage, alle Experimente unter Verwendung von Fachvokabular erklären zu können.

2 2 von 20 Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Fachliche Hintergrundinformation Luft ist ein Gasgemisch, das zu 78 % aus Stickstoff (N 2 ), 21 % aus Sauerstoff (O 2 ), 0,04 % aus Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und ca. 1 % aus Edelgasen besteht. Unter dem Luftdruck versteht man den Druck, den die Gewichtskraft F G der Luftmoleküle der Erdatmosphäre auf die Erdoberläche ausübt. Da Luft kompressibel ist, nimmt der Luftdruck anders als der Schweredruck in nicht kompressiblen Flüssigkeiten mit der Höhe exponentiell ab. Der mittlere Luftdruck auf Meereshöhe beträgt Pa = 1013,25 hpa = 101,325 kpa. Didaktisch-methodische Hinweise Luft ist zentraler Bestandteil unserer Lebenswelt. Ohne sie wäre nicht nur das Leben, so wie wir es kennen, unmöglich. Auch viele Alltagsphänomene (Wetter, Vogellug) und technische Anwendungen (Saugnäpfe, Sprühlaschen, Staubsauger, ) beruhen auf dem Luftdruck bzw. Luftdruckunterschieden. Anders als den Schweredruck im Wasser nehmen wir den Luftdruck, da wir ihm ständig ausgesetzt sind, normalerweise nicht wahr. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, sich vor der Betrachtung quantitativer Aspekte, die z. B. Ursache für verschiedene Wetterphänomene sind, das Phänomen Luftdruck als solches bewusst zu machen. Hierzu gibt es eine ganze Reihe von verblüffenden Experimenten, die zum großen Teil auf Druckunterschieden zwischen dem äußeren Luftdruck und einem relativ gesehenen Unterdruck in einem Gefäß beruhen. Dieser relative Unterdruck ist entweder natürlich vorhanden ( Die starke Karte, M 10/M 11) oder wird durch eine Vakuumpumpe ( Der Schokokuss im Vakuum, M 5), durch Abkühlung ( Das Ei in der Flasche, M 8 und Der Kerzenaufzug, M 6) oder durch Verbrauch von Luftmolekülen im Rahmen einer chemischen Reaktion ( Der Kerzenaufzug, M 6) erzeugt. In einem weiteren Versuch verhindert der Luftdruck das Eindringen von Wasser in ein luftdicht verschlossenes Gefäß ( Der verstopfte Trichter, M 3). Alleine die Durchführung dieser einfachen, aber verblüffenden Experimente ist für die Schüler äußerst motivierend. Ziel der Unterrichtssequenz ist es aber nicht alleine, sich mithilfe der verschiedenen Experimente den Luftdruck bzw. Luftdruckunterschiede als Ursache der gemachten Beobachtungen bewusst zu machen. Darüber hinaus sollen Ihre Schüler lernen, die Versuche fachsprachlich korrekt zu erklären. Um dieses Ziel zu erreichen, wird von den Schüler ein Wissensmagazin simuliert. Vorbild hierfür ist das Wissensmagazin Kopfball, in dem Zuschauer-Fragen zu Alltagsphänomenen anschaulich und wissenschaftlich korrekt erklärt werden ( Ablauf Zu Beginn der Stunde zeigen Sie eine kurze Videosequenz aus diesem Wissensmagazin, in der es um die Frage geht, was passiert, wenn man einen Luftballon in lüssigen Stickstoff taucht ( Zunächst wird eine Frage aufgeworfen ( Was passiert eigentlich, wenn ), dann wird das Experiment durchgeführt ( Ich probier s aus ) und zum Schluss wird das beobachtete Phänomen wissenschaftlich erklärt ( Wie kann das sein? ). Diese Video-Sequenz motiviert Ihre Schüler zum einen für ihre Aufgabe, als Moderatoren bzw. Wissenschaftler Alltagsphänomene wissenschaftlich zu erklären. Zum anderen veranschaulicht der Video-Spot die Struktur sowohl der Erarbeitungs- als auch der Sicherungsphase (vgl. M 1). Die Farbfolie M 2 dient einem Brainstorming zum Thema Luftdruck. In der Erarbeitungsphase, die in arbeitsteiliger Gruppenarbeit erfolgt, äußern Ihre Schüler zunächst Vermutungen zu ihrem Experiment. Hierdurch werden sie angeleitet, sich ihre

3 4 von 20 Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 3, F 4, F 5 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen erkennen durch Reaktivierung eigener Vorerfahrungen oder Erklärung durch die Mitschüler oder die Lehrkraft, dass Luft einen Druck ausübt, der im konkreten Fall dazu führt, dass der Luftballon zusammengedrückt wird, Anforderungsbereich II, III F 2, F 3, E 6 entwickeln Hypothesen zum Ergebnis des von ihnen durchzuführenden Experiments, II, III E 7 F 2, E 1, K 1 E 1, K 2 K 1, K 2 K 6 überprüfen ihre Hypothesen, indem sie das Experiment nach Anleitung durchführen, beschreiben und erklären eigenständig oder unter Verwendung von Tippkarten das Ergebnis des Experiments, vergleichen die eigene Erklärung mit einer Musterlösung, planen und strukturieren die Vorstellung vor der Klasse, stellen das von ihnen bearbeitete Experiment vor der Klasse vor und erklären physikalische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache sach- und adressaten gerecht, F 1, F 3, F 4, F 5, K 1 wenden das zuvor erworbene Wissen auf unterschiedliche neue Sachverhalte an und erklären die gezeigten Experimente unter Verwendung der Fachsprache der Physik, II II, III I, II II II II, III E 4, E 9 vergleichen die Höhe von Luftdruck und Schweredruck der Flüssigkeitssäule in einem Wasserglas, indem sie beide Größen zunächst abschätzen und dann berechnen. II Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 33.

4 6 von 20 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch (SW-)Fo = (Schwarz-Weiß-)Folie! Wenn Sie ein Experiment an zwei Gruppen vergeben, sollten die Materialien jeweils doppelt vorhanden sein. M 1 SW-Fo Ist Luft nichts? Luft ist nicht nichts! Einstiegsfolie r Video: Luftballon in Flüssig-Stickstoff M 2 Fo Ist Luft nichts? Luft ist nicht nichts! Brainstorming M 3 Ab, SV Der verstopfte Trichter V: 5 min D: 15 min r Unterteil Gaswaschflasche (oder Flasche mit engem Hals) r passender Stopfen mit Loch r Trichter mit sehr engem Auslauf r ggf. Knete zum Abdichten r Messbecher mit Wasser r Auffangschale M 4 Ab Tippkarten und Musterlösungen zu M 3 und M 5 M 5 Ab, SV Der Schokokuss im Vakuum V: 5 min D: 15 min r Schokoküsse r Vakuumbehälter mit Deckel M 6 Ab, SV Der Kerzenaufzug V: 5 min D: 15 min r Suppenteller r Teelicht (58 mm Durchmesser) r Streichhölzer r Vakuumpumpe r Hohes, gerades Glas r Wasser r Schutzbrillen M 7 Ab Tippkarten und Musterlösungen zu M 6 und M 8 M 8 Ab, SV Das Ei in der Flasche V: 5 min D: 15 min r Flasche mit engem Hals: Glasmilchflasche oder Weinkaraffe r Schutzbrillen r Schutzhandschuhe M 9 LEK Luft ist nicht nichts! Lernerfolgskontrolle M 10 Ab, SV M 11 Ab V: 5 min D: 5 min Die starke Karte Expertenaufgabe r hohes, gerades Glas mit Wasser (randvoll) Die starke Karte Tippkarte r Wasserbad mit Eiswürfeln r Ei, hart gekocht und gepellt r Wasserkocher für heißes Wasser r Karteikarte oder alte Spielkarte Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 18. Zeitlicher Ablauf Doppelstunde für den Einstieg und die Durchführung der Experimente Trichter, Schokokuss, Kerzenaufzug und Ei in der Flasche Einzelstunde für die Präsentation der Experimente Einzelstunde für die Lernerfolgskontrolle und das Experiment Starke Karte

5 7 von 20 M 1 Ist Luft nichts? Luft ist nicht nichts! Einstiegsfolie WISSENSSHOW??? Ist Luft nichts??? Um diese Frage zu beantworten, gehen wir folgendermaßen vor: 1. Vermutungen erfragen Was passiert eigentlich, wenn 2./3. Versuch durchführen und beschreiben Wir probieren s aus! 4. Erklärungen geben / mit Musterlösung vergleichen Wie kann das sein? 5. Die Präsentation vorbereiten Wählt hierzu eine(n) Moderator(in) eine(n) Experimentator(in) eine(n) Wissenschaftler(in) und natürlich immer: Sicherheitshinweise beachten! DANGER

6 8 von 20 M 2 Ist Luft nichts? Luft ist nicht nichts! Brainstorming Aufgabe Beschreibe, was du auf den Abbildungen siehst. Nutze in deinen Erklärungen den Begriff Luftdruck. Fotos: H. Schieferdecker

7 9 von 20 M 3 Der verstopfte Trichter Was passiert eigentlich, wenn man versucht, über den Trichter Wasser in die Flasche zu füllen? Tauscht euch vor der Durchführung des Versuchs über eure Vermutungen aus. Falls ihr nicht weiterkommt, nutzt die Tippkarte. Schülerversuch Vorbereitung: 5 min Durchführung: 15 min Materialien r Unterteil Gaswaschflasche (oder Flasche mit engem Hals) r passender Stopfen mit Loch r Trichter mit sehr engem Auslauf Versuchsaufbau und -durchführung r ggf. Knete zum Abdichten r Messbecher mit Wasser r Auffangschale Überprüft den Trichter zunächst auf seine Durchlässigkeit, indem ihr über dem Waschbecken ein wenig Wasser durch den Trichter laufen lasst. Setzt dann den Stopfen mit dem Trichter auf die leere Flasche. Benutzt gegebenenfalls Knete zum Abdichten. Gießt vorsichtig Wasser in den Trichter. Achtet dabei darauf, dass nichts überläuft! Versuchsbeobachtung Beschreibt eure Beobachtung. H. Schieferdecker Erklärung Versucht, das Ergebnis mit eigenen Worten zu erklären. Verwendet dabei den Begriff Luftdruck. Einigt euch auf eine gemeinsame Erklärung und schreibt diese auf einen Zettel. Überprüft eure Erklärung mithilfe der Musterlösung und korrigiert sie wenn nötig. Den Zettel mit der korrigierten Erklärung könnt ihr bei der Präsentation als Spickzettel verwenden. Präsentation Bereitet die Präsentation des Experiments vor der Klasse vor. Bestimmt hierzu, wer in eurer Gruppe die folgenden Rollen übernimmt: Moderator/in Experimentator/in Wissenschaftler/in

8 10 von 20 M 4 Tippkarten und Musterlösungen zu M 3 und M 5 Der verstopfte Trichter Die leere Flasche ist nicht leer wie ein Vakuum (= luftleerer Raum), sondern mit Luft gefüllt. Der verstopfte Trichter Musterlösung Die leere Flasche ist nicht leer wie ein Vakuum (= luftleerer Raum), sondern mit Luft gefüllt. Damit Wasser in die Flasche fließen kann, muss diese Luft aus der Flasche entweichen können. Da der Stopfen die Flasche verschließt, kann sie das nur durch den engen Auslauf des Trichters, der jedoch von einer Wassersäule verschlossen ist. Der Druck der in der Flasche eingeschlossenen Luft verhindert also, dass Wasser eindringen kann. Der Schokokuss im Vakuum Im Eiweißschaum des Schokokusses ist Luft eingeschlossen. Der Schokokuss im Vakuum Musterlösung Durch das Abpumpen der Luft entsteht ein Unterdruck im Vergleich zu dem Luftdruck, unter dem die Luft im Eiweißschaum des Schokokusses eingeschlossen wurde. Die in den Eiweißschaumbläschen eingeschlossene Luft kann sich durch den geringer werdenden Gegendruck ausdehnen und drückt den Schokokuss auseinander. Foto: H. Schieferdecker Foto: H. Schieferdecker

9 11 von 20 M 5 Der Schokokuss im Vakuum Was passiert eigentlich, wenn... man mit der Pumpe die Luft aus dem Behälter entfernt? Tauscht euch vor der Durchführung des Versuchs über eure Vermutungen aus. Falls ihr nicht weiterkommt, nutzt die Tippkarte. Schülerversuch Vorbereitung: 5 min Durchführung: 15 min Materialien r Vakuumbehälter mit Deckel r Vakuumpumpe r Schokoküsse Versuchsaufbau und -durchführung Setzt den Schokokuss in den Vakuumbehälter, verschließt ihn mit dem Deckel und pumpt mit der Vakuumpumpe Luft aus dem Behälter. Versuchsbeobachtung Beschreibt eure Beobachtung. Foto: H. Schieferdecker Erklärung Versucht, das Ergebnis mit eigenen Worten zu erklären. Verwendet dabei den Begriff Luftdruck. Einigt euch auf eine gemeinsame Erklärung und schreibt diese auf einen Zettel. Überprüft eure Erklärung mithilfe der Musterlösung und korrigiert sie wenn nötig. Den Zettel mit der korrigierten Erklärung könnt ihr bei der Präsentation als Spickzettel verwenden. Präsentation Bereitet die Präsentation des Experiments vor der Klasse vor. Bestimmt hierzu, wer in eurer Gruppe die folgenden Rollen übernimmt: Moderator/in Experimentator/in Wissenschaftler/in

10 12 von 20 M 6 Der Kerzenaufzug Was passiert eigentlich, wenn man ein Glas über die im Wasser stehende brennende Kerze stülpt (außer dass die Kerze ausgeht)? Tauscht euch vor der Durchführung des Versuchs über eure Vermutungen aus. Falls ihr nicht weiterkommt, nutzt die Tippkarte. Schülerversuch Vorbereitung: 5 min Durchführung: 15 min Materialien r Suppenteller r Teelicht (58 mm Durchmesser) r Streichhölzer Versuchsaufbau und -durchführung SCHUTZBRILLEN tragen! Vorsicht beim Umgang mit offenem Feuer. Abgebrannte Streichhölzer auf den Teller legen. Setzt das Teelicht vorsichtig in den Teller mit Wasser und zündet es an. Wenn die Kerze ruhig brennt, stülpt ihr das Glas mit der Öffnung nach unten über die brennende Kerze. r Hohes, gerades Glas r Schutzbrillen r Wasser Versuchsbeobachtung Beschreibt eure Beobachtung. Foto: H. Schieferdecker Erklärung Versucht, das Ergebnis mit eigenen Worten zu erklären. Verwendet dabei den Begriff Luftdruck. Einigt euch auf eine gemeinsame Erklärung und schreibt diese auf einen Zettel. Überprüft eure Erklärung mithilfe der Musterlösung und korrigiert sie wenn nötig. Den Zettel mit der korrigierten Erklärung könnt ihr bei der Präsentation als Spickzettel verwenden. Präsentation Bereitet die Präsentation des Experiments vor der Klasse vor. Bestimmt hierzu, wer in eurer Gruppe die folgenden Rollen übernimmt: Moderator/in Experimentator/in Wissenschaftler/in

11 17 von 20 M 11 Die starke Karte Tippkarte Da die Karte nicht abfällt, muss der Luftdruck, der die Karte von außen auf das Glas presst, größer sein als der Schweredruck des Wassers im Glas. Was vermutest du? 1. Wievielfach höher ist der Luftdruck als der Schweredruck des Wassers im Glas? 2. Wie hoch müsste das Glas mit Wasser gefüllt sein, damit die Karte abfällt? Überprüfe deine Vermutungen, indem du rechnest: a) Berechne mit der Schweredruckformel (p = ρ g h) den Schwerdruck des Wassers im Glas. ρ Wasser = 1000 kg/m 3 ; g = 9,81 m/s 2 ; [m/s 2 N/kg] h = Höhe des Wasserglases, z. B. 15 cm = 0,15 m. b) Der uns umgebende Luftdruck beträgt ca. 1 bar. Wie viel Pa entspricht 1 bar? 1 bar = 10 N/cm 2 c) Wie hoch müsste das Glas sein, damit der Schweredruck der Flüssigkeitssäule genau dem Luftdruck entspricht? Berechne. Anmerkung: Eine Analogie So tief müsstest du also tauchen, damit der gleiche zusätzliche Druck auf dir lastet wie derjenige, den die Luft ständig auf dich ausübt.

12 18 von 20 Erläuterungen und Lösungen M 1 Ist Luft nichts? Luft ist nicht nichts! Eine Wissensshow Die Unterrichtssequenz starten Sie mit der Ankündigung, dass ein Wissensmagazin nach dem Muster der Fernsehsendung Kopfball durchgeführt werden soll. Hierzu spielen Sie eine Videosequenz ( oder wdr_fernsehen_kopfball_ mp4: Sequenz: Luftballon im Flüssigen Stickstoff, Minuten: 0:09:43 bis 0:11:23) vor, in der die Frage gestellt wird, was eigentlich passiert, wenn man einen aufgeblasenen Luftballon in flüssigen Stickstoff hält. Nach der einführenden Frage des Moderators stoppen Sie die Sequenz kurz, um an dieser Stelle zunächst die Vermutungen der Schüler zu erfragen. Aus dieser Videosequenz leiten Sie dann zum einen das Stundenthema Luftdruck ab, das Sie auch an der Tafel fixieren. Zum anderen erklären Sie die Struktur der Erarbeitungsund Sicherungsphase, die auf der Eingangsfolienvorlage (M 1) fixiert ist und die Sie während der Stunde zur Orientierung an die Wand projizieren. Struktur der Erarbeitungs- und Sicherungsphase 1. Vermutungen erfragen 2./3. Experiment durchführen und beobachten 4. erklären 5. Präsentation vorbereiten Lenken Sie anhand der Beobachtung, dass der Moderator zwar Schutzbrille, aber keine Schutzhandschuhe trägt, die Aufmerksamkeit der Schüler auf Sicherheitsmaßnahmen. Erklären Sie in diesem Zusammenhang die auf den Arbeitsblättern verwendeten Sicherheitssymbole. M 3 M 11 Arbeitsblätter, Tippkarten und Musterlösungen Die verschiedenen Experimente (M 3, M 5, M 6, M 8) werden in arbeitsteiliger Gruppenarbeit durchgeführt. Je nach Klassengröße empfiehlt sich eine Einteilung in 3er- oder 4er-Gruppen, wobei in jeder Gruppe je ein Schüler die Rolle des Moderators, des Experimentators und des Wissenschaftlers übernimmt. Bei 4er-Gruppen kann es darüber hinaus einen Assistenten geben oder die Rolle des Wissenschaftlers oder Moderators wird von 2 Schülern übernommen. Ggf beschäftigen sich jeweils 2 Gruppen unabhängig voneinander mit dem gleichen Experiment. Die präsentierende Gruppe wird in diesem Fall ausgelost. Stehen die Materialien nicht in doppelter Ausführung zur Verfügung, können die beiden Partnergruppen das eigentliche Experiment während der Erarbeitungsphase gemeinsam durchführen. Zur Unterstützung während der Erarbeitungsphase stehen den Schülern zum einen Tippkarten, zum anderen Musterlösungen zur Verfügung (M 4, M 7, M 11). Die Tippkarten können die Schüler nutzen, wenn sie Schwierigkeiten haben, das Ergebnis ihres Versuches vorherzusagen und/oder mithilfe des Phänomens Luftdruck zu erklären. Die Musterlösungen müssen von allen Schülern dazu verwendet werden, die von ihnen selbst formulierten Erklärungen vor der Präsentation vor der Klasse zu überprüfen und ggf. zu korrigieren.