Die Dreieckfüsse gehören nicht zur Lieferung!

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1 Kalorik Lehrwerkstätten und Berufsschule Zeughausstrasse 56 für Mechanik und Elektronik Tel CH-8400 Winterthur Fax Parabolspiegel D = 450 mm Parabolspiegel mit Zubehör, 2 Stück PA6039 PA6040 Die Dreieckfüsse gehören nicht zur Lieferung! PA6039 PA6040 PA6040 = 2 x PA6039 plus 1x PA6038 Parabolspiegel bündeln prallel einfallende Strahlung (Wellen) von Licht, Schall, Wärme usw. in einem Punkt, dem Brennpunkt. Dieser Effekt wird in verschiedenen Versuchen demonstriert: Streichholz entflammen Wärmestrahlenbild erzeugen Wasser erwärmen Brennpunkt-Temperatur bestimmen Bündelung von Schallwellen Erzeugung paralleler Strahlen (Umkehrung) Umwandlung von Wärme in mechanische Energie mit dem Stirling-Motor PA6042 Technische Daten von PA6039: 1 Parabolspiegel ø 450 mm, Tiefe = 110 mm, Aluminium glanzgebeizt, mit Bohrung ø 50 mm, Brennpunkt x = 110 mm 1 Befestigungsflansch inkl. Stativstange L= 450 mm; Flanschbohrung ø 45 mm Imbusschlüssel, Anleitung PA6038 Zubehör zu Parabolspiegel: Wasserbehälter Stahl schwarz mit Halterung, Teilchenhalter, Stiel mit Griff, Schallrohr, Reduktionsstück PA6041 PA6038 (wird PA6040 beigelegt) ZT0097.doc 08/04 MEM1

2 Streichholz an Teilchenhalter und Griff im Flansch mit Reduzierstück Wasserbehälter an Griff im Flansch mit Reduzierstück Lampenfassung PA7697, direkt im Flansch Halogenlampe PA7698 Stirlingmotor PA6042 direkt montiert (ohne Flanschstück) Reduktionsstück (kann auch als Einzelteil bestellt werden: PA6041) Schallrohr direkt im Flansch ZT0097.DOC 2 / 9 08/04 MEM1

3 2. Inhaltsverzeichnis 1. Kurzbeschreibung 2. Inhaltsverzeichnis 3. Historisches 4. Funktion 5. Anwendung 5.1 Allgemeine Hinweise 5.2 Licht- und Wärmestrahlbild am Parabolspiegel 5.3 Energiebündelung im Parabolspiegel Entflammung eines Streichholzes Messen der Brennpunkt-Temperatur Erwärmen von Wasser Umwandlung von Wärme in mechanische Energie Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mit dem Stirlingmotor 5.4 Schallwellenbündelung im Parabolspiegel 3. Historisches Nutzunq der Sonnenenergie mit dem Hohlspieqel Wir brauchen die Sonnenenergie schon längst in den verschiedensten Formen. Da dies aber meist indirekt geschieht, sind wir uns dessen oft nicht bewusst. In der Geschichte fehlt es nicht an Versuchen, die Sonnenenergie für irgendwelche Zwecke direkt zu nutzen. Archimedes soll 212 v. Chr. bei der Belagerung von Syrakus feindliche römische Schiffe mittels Brennspiegel auf Distanz in Brand gesetzt haben. Der deutsche Mathematiker Ehrenfried Walter von Tschrinhaus ( ) schmolz mit einer Brennlinse von 80 cm Ø keramische Masse. Laurent Lavoisier erreichte 1772 mit einer Hohllinse Temperaturen bis zu 1773 C. Damit konnten verschiedene Metalle geschmolzen, ja sogar Platin verflüssigt werden. Dem Franzosen Lavoisier kommt in der Geschichte der Nutzung von Sonnenenergie deshalb grosse Bedeutung zu, weil er schon damals darauf hinwies, dass die konventionellen Brennstoffe eines Tages zur Neige gehen würden und dass man sich aus diesem Grunde der Sonnenenergie zuwenden müsse. Umweltbewusst äusserte schon er: "Das Feuer gewöhnlicher Öfen ist weniger rein als das der Sonne". ZT0097.DOC 3 / 9 08/04 MEM1

4 4. Funktion Ein Parabolspiegel ist ein Hohlspiegel mit symmetrischer parabelförmiger Krümmung: - Er lenkt parallel zur Spiegelachse einfallende Strahlen durch den Brennpunkt. (1) - Er lässt Strahlen, die durch den Brennpunkt in den Spiegel fallen, parallel zur Spiegelachse austreten. (2) 1 2 Brennpunkt und Fläche des Spiegels Der Brennpunkt liegt in der Mitte des Spiegellrand-Kreises. Brennpunkt d x= Spiegeltiefe 110 mm d= Durchmesser 450 mm Fläche= 0.159m 2 x ZT0097.DOC 4 / 9 08/04 MEM1

5 5. Anwendung 5.1 Allgemeine Hinweise: - Empfindliche Augen während den Versuchen mit Sonnenbrille schützen. - Die bei klarem Himmel auf die Spiegelfläche fallende Sonnenenergie erwärmt im Brennpunkt 3.5 cm³ Stahl innerhalb 50 sek. von 20 C auf über 700 C. - Ist der Himmel bedeckt, so wird mit einem zweiten Parabolspiegel die Sonnenstrahlung simuliert. Dazu wird im zweiten P-Spiegel eine 250W-Halogenlampe eingesetzt. Die erreichbare Wärme im bestrahlten P-Spiegel ist vom Abstand der Spiegel abhängig. Nachstehendes Diagramm liefert Anhaltspunkte. Es wurde ein kaltes (20 C) Stück Stahl von 3,5 cm³ bei verschiedenen P-Spiegelabständen während 2 bzw. 5 Minuten erwärmt. Die gemessenen Temperaturen: Erwärmung einer Stahlscheibe Stahl Ø 15 x 5 mm= 3,53 cm³ 800 C 700 Temperatur nach 5 min 600 x 500 Temperatur nach 2 min Abstand x [m] Justierung der Lampenfassung PA7697 Spiegel im Abstand von 1 bis 2 m parallel auf eine weisse Fläche richten. Das Lampenrohr solange verschieben, bis das Abbild auf der Wand exakt dem Spieigeldurchmesser (450 mm) entspricht, die Lichtstrahlen verlaufen parallel. Kann das Lampenrohr zuwenig weit verschoben werden, so muss die Lampenfassung im Lampenrohr selbst verschoben werden. Lampe vom Netz trennen und Lampe entfernen! Der Keramiksockel mit hartem Gegenstand (und einiger Kraft) verschieben. 5.2 Licht- und Wärmestrahlenbild am Parabolspiegel Viele Lichtquellen strahlen Licht und Wärme aus. Bestrahlen wir den Parabolspiegel mit der Sonne, so erstrahlt ein im Brennpunkt liegender Körper gleissend hell. Gleichzeitig wird er sehr stark erhitzt. Frage: Ist die grosse Wärme im Brennpunkt nun eine Folge der stark konzentrierten Lichtstrahlen oder aber eine Folge der für uns nicht sichtbaren Wärmestrahlen? ZT0097.DOC 5 / 9 08/04 MEM1

6 Für unseren Versuch ist vorab zu zeigen, dass Glas Lichtstrahlen durchlässt, aber Wärme abblockt. Wir stellen eine Bunsenbrennerflamme (hell leuchtend, ca. 8 cm hoch) ca. 40 cm vor den Brennpunkt des Parabolspiegels. Höhe so wählen, dass die Flammenmitte mit der Spiegelachse übereinstimmt. Ein Blatt Wärmepapier wird ca. 5 cm vor dem Brennpunkt montiert. Die Bunsenbrennerflamme wird auf das Wärmepapier gespiegelt (Lichtbild). Das Bild ist hell und durchscheinend. Nach ca. 1/2 Min. verfärbt sich das Wärmepapier im Bereich des Flammenbildes, ein Zeichen, dass es erwärmt wird (Wärmebild). Jetzt halten wir eine Glasscheibe vor die Flamme. Die Verfärbung tritt nicht mehr ein, das helle Flammenbild leuchtet weiter. Folgerung: Licht- und Wärmestrahlen folgen den gleichen optischen Gesetzmässigkeiten, sind offenbar physikalisch eng verwandt. Glasplatte Wärmepapier Flamme 80 ca PA6039 Parabolspiegel 1 PA5015 Plattenhalter auf Stiel, D = 10 mm 1 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm 1 Wärmepapier* 1 PA1128 Rundfuss D = 82 mm, Loch 10 mm 1 PA6022 Bunsenbrenner Glasplatte 2 4 mm 1 verstellbare Unterlage *Lieferant für Wärmepapier: Spirig, Hohlweg 1, CH-8640 Rapperswil, Artikel CR / LCF-W (Flüssigkristallfolie W-28, ca. 30 x 30 cm) 5.3 Energiebündelunq im Parabolspieqel Die folgenden Versuche bis können auch mit der Sonne als Wärmequelle gezeigt werden. Der P-Spiegel muss dann entsprechend dem Sonneneinfallswinkel schräg stehen. In diesem Fall benötigen Sie eine drehbare Doppelmuffe PA1125 und eine Stativstange PA1132. ZT0097.DOC 6 / 9 08/04 MEM1

7 5.3.1 Entflammen eines Streichholzes im Brennpunkt des Spiegels 1 PA6040 Parabolspiegel, 2 Stk. 1 PA7698 Halogenlampe E27 1 PA7697 Lampenfassung E27 2 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm 1 Halter für Streichholz und Stiel Messen der Brennpunkt- Temperatur Temperaturfühler Anzeige 1 PA6040 Parabolspiegel, 2 Stk. 1 Thermofühler Typ K, bis ca 750 C 1 PA7697 Lampenfassung E27 (beliebiges Fabrikat) 1 PA7698 Halogenlampe E27 1 PA7477 Demo-Multimeter; digital Achtung: Die Temperatur im Brennpunkt ist sehr gross und beschädigt bei zu langer Messdauer die Fühlerspitze! ZT0097.DOC 7 / 9 08/04 MEM1

8 5.3.3 Erwärmen von Wasser im Brenpunkt des Spiegels 1 PA6040 Parabolspiegel, 2 Stk. 1 PA7698 Halogenlampe E27 1 Wasserbehälter mit Stiel 1 PA7697 Lampenfassung E27 2 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm Umwandlung von Wärme in mechanische Enegie 1 PA6040 Parabolspiegel, 2 Stk. 1 PA7698 Halogenlampe E27 1 PA7697 Lampenfassung E27 1 PA6042 Stirling-Motor 1 PA1124 Doppelmuffe D = 10 mm 2 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm Diese Versuche gelingen nur, wenn beide Spiegel in Höhe und Breite genau justiert sind. Weitere Versuche mit dem Stirling-Motor siehe separate Anleitung von PA6042. ZT0097.DOC 8 / 9 08/04 MEM1

9 5.3.5 Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mit dem Stirling-Motor Sonnenstrahlen Voltmeter 1 PA6039 Parabolspiegel, 1 Stk. 1 PA6042 Stirling-Motor 1 PA7505 Motor/Generator 0 12VDC 1 PA7477 Demo-Multimeter; digital 2 PA7325 Verbindungskabel 4 mm, 1m 1 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm 1 PA1124 Doppelmuffe D = 10 mm 1 PA1125 Doppelmuffe D = 10 mm 1 PA5031 Plattenhalter auf Stiel 1 PA8514 Lampenfassung E10 1 PA7701 Glühlampe E10, 1.2V 5.4 Schallwellenbündelung am Parabolspiegel Schallwellen folgen den gleichen physikalischen Gesetzen wie die Wärme- und Lichtwellen. So werden auch diese im Brennpunkt eines Hohlspiegels gebündelt. ca. 15 Wir benützen als Schallquelle einen kleinen Transistor-Radio. Dieser wird ca. 6m vor dem Spiegel mit gerade noch hörbarer Lautstärke aufgestellt. Im Parabolspiegel wird das im Zubehör mitgelieferte Rohr ca. 15mm vom Brennpunkt zurückversetzt eingespannt (Bild). Der Schall wird einmal mit dem Ohr durch das Schallrohr, nachher direkt wahrgenommen. Dabei wird man feststellen, dass der P-Spiegel den Schall verstärkt. ZT0097.DOC 9 / 9 08/04 MEM1