Begleitmaterialien für Unterrichtsgänge in das Deutsche Museum erarbeitet von Lehrkräften

Transkript

1 Begleitmaterialien für Unterrichtsgänge in das Deutsche Museum erarbeitet von Lehrkräften Thema Physik DM- Abteilung Physik Kurzbeschreibung Forscherbogen über Mechanik fester Körper, Mechanik der Flüssigkeiten und Gase, Schwingungen und Wellen Schulart Gymnasium Jahrgangsstufe 8-11 Schulfach Autor/ Autorin Physik Susanne Grabisch (Schul)-Adresse Homepage Schule Anmerkungen/ Hinweise Vorlage Papier Erstellungsjahr Deutsches Museum 2002

2 Deutsches Museum Lageplan Abteilung Physik

3 Name: Kl. Datum: Dies ist ein Forscherbogen über die Teilbereiche Forscherbogen Physik Mechanik der festen Körper, Mechanik der Flüssigkeiten und Gase sowie Schwingungen und Wellen. Du betrittst die Abteilung Physik durch die Brander- und die Fraunhofer-Halle. Beim Betreten der Abteilung Physik siehst du eine Kugel, die wie von magischer Hand in der Luft zu schweben scheint. Faszinierend, oder? Warum das so ist, erfährst Du in der Abteilung Physik. Die dicken Überschriften helfen Dir bei der Orientierung, sie beziehen sich auf die Themenüberschriften in der Abteilung. Mechanik fester Körper Am Anfang war die Mechanik... 1) Hier sind alte Geräte ausgestellt, welche die Gesetze der Mechanik benutzen. Was für Hilfsmittel, die Menschen zur Erleichterung ihrer Arbeit erfanden, kannst Du hier entdecken? Schwerpunkt 2) Warum fällt der schiefe Turm von Pisa nicht um? 3) An dem Modell auf dem Tisch kannst Du selber ausprobieren, wann ein Turm umfällt. Was beobachtest Du?

4 - 2 - Die Standfestigkeit von Gegenständen, die leicht umzukippen drohen, wird deshalb vergrößert, indem man ihnen eine grosse Fußfläche gibt und den Schwerpunkt durch künstliche Beschwerung möglichst tief legt. 4) Bei einer Kugel, einer Halbkugel oder einem Quader liegt der Schwerpunkt im Inneren dieser Körper. Das ist aber nicht bei allen Körpern so! Finde zwei Beispiele, wo der Schwerpunkt außerhalb der Körpers liegt! Galileis Arbeitsraum 5) Mache die auf die Suche nach Galileis Arbeitsraum. Galilei hat im 17. Jahrhundert als erster den planmäßig vorbereiteten Versuch eingeführt, um seine theoretischen Überlegungen zu überprüfen. In dem Raum findest Du einige aufgebaute Versuche und Erfindungen von Galilei. Welche Funktion hatte das Wasser im Versuch mit der Fallrinne? Mehr über Galilei und die Raumeinrichtung erzählt Dir das Tonband. Masse 6) Auf dem Boden liegt eine große Bleikugel. Mit einer solchen Kugel hat der Münchener Physiker von Jolly die Schwerkraft und das gegenseitige Anziehungsvermögen von Massen untersucht. Was hat er dabei herausgefunden? Nun gehe weiter zur Fensterwand. 7) Das Foucaultsche Pendel. Mit einem solchen Pendel wies L. Foucault 1851 nach, dass sich die Erde um sich selber dreht. Probiere selbst den Versuchsaufbau aus: Was kannst Du beobachten? Im Turmbau des Museums kannst Du diesen Versuch in der Realität anschauen. 8) Die Drehung der Erde ist auch für ihre Elipsen-Form verantwortlich. Das wird in einem Modell veranschaulicht. Welche Kraft ist für die Verformung der Erde verantwortlich? 9) Mache Dich nach rechts auf die Suche nach der Drehwaage von Eötvös. Was misst dieses Gerät?

5 - 3 - Elektrizität und Festigkeit 10) Zug- und Druckkraft spielen bei der Biegung eines Materials eine Rolle. In der oberen Hälfte des gebogenen Balkens im Modell entstehen Zugspannungen in der Längsrichtung, dadurch wird das Material gedehnt. In der unteren Hälfte entstehen Druckspannungen, und das Material wird verkürzt. Dazwischen liegt die (fast) spannungsfreie und ungedehnte "neutrale Faser". Wo bricht der Balken bei Überlastung? Energie 11) Energie nennt man -die Fähigkeit, Arbeit zu leisten, -den Arbeitsvorrat oder -die gespeicherte Arbeit. In der Mechanik gibt es zwei Energieformen: Alle mechanischen Bewegungsvorgänge sind nur Umwandlungen dieser Energieformen ineinander. Impuls und Stoss 12) An Fäden sind in vier Gruppen Kugeln befestigt. Beobachte, was jeweils passiert, wenn Du eine der Kugeln gegen die anderen fallen läßt, und schreibe Deine Beobachtungen auf. a) b) c) d) Kreisel 13) Kreisel sind Dir sicher als Spielzeug bekannt. In dem Schaukasten kannst Du sehen, was für Kreisel es früher schon gab. Zähle drei von ihnen auf!

6 - 4 - Mechanik der Flüssigkeiten und Gase 14) Die Waage des Archimedes: Auf der einen Seite hängt eine goldene Krone, auf der anderen Seite ein Goldklumpen. Weißt Du, welches Gesetz Archimedes damit entdeckt hat? Vakuum (so nennt man den Gewichtsverlust eines in Flüssigkeit eingetauchten Körpers. Der Körper verliert soviel an Gewicht, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeitsmenge wiegt.) 15) Die Magdeburaer Halbkugeln / Versuch von Otto von Guericke: 1656 inszenierte Otto von Guericke in Magdeburg ein Aufsehen erregendes Experiment mit zwei Kupferschalen: Aus den lose aneinanderliegenden Halbkugeln pumpte er die Luft heraus. Dann spannte er an jede Kupferschale acht Pferde und trieb sie an, doch die Tiere waren nicht in der Lage, die Halbkugeln wieder auseinander zu ziehen. Das Gewicht der Luft auf den Halbkugeln, der Luftdruck ist stärker. Diesen Versuch kannst Du selbst am Modell ausprobieren wenn Du ihn findest! Konntest Du die Halbkugeln auseinanderziehen? 16) Am Tisch mit den Vakuumglocken kannst Du erfahren: Im luftleeren Raum (Vakuum) ist vieles nicht mehr so, wie wir es gewohnt sind: a) Der Schall kann sich nicht mehr ausbreiten, deshalb kann man eine Klingel nicht hören. b) Alle Körper fallen gleich schnell. Eine Flaumfeder fällt ebenso rasch wie eine Holzkugel. Denn wodurch wird der Fall einer Feder in der luftgefüllten Röhre verlangsamt? c) Ohne Luft gibt es auch keine Auftriebskraft der Luft. Sie ist jeweils gleich dem Gewicht des verdrängten Luftvolumens. Bei einem umfangreichen Glaskörper ist die nach oben gerichtete Auftriebskraft der Luft größer, als bei einem kleinen Metallgewicht, deshalb sinkt der Glaskörper bei abnehmendem Luftdruck immer stärker ab. Luft hat auch Gewicht, woran kannst Du das erkennen? 17) Der Saugheber ist mit einer türkisen Flüssigkeit gefüllt. Was kannst Du beobachten, wenn Du den Knopf gedrückt hältst? Beschreibe Deine Beobachtung oder versuche sie zu zeichnen! Probiere auch aus, wie Wasserstand und Wassermenge zusammenhängen. Mit dem Knopf kannst Du den Wasserfluss stoppen. Im danebenstehenden Kettenmodell ist noch einmal erklärt, was im Wassermodell passiert ist.

7 - 5 - Schwingungen und Wellen 18) Beim Federpendel wird die ausschwingende Masse durch eine elastische Feder immer wieder in die Ruhelage zurückgezogen. Wovon hängt die Schwingungsdauer (das ist die Zeit für ein volles Aufund Abschwingen) ab? 19) Der Resonanzkasten: Schlage die Stimmgabel an und verstelle den vorderen Hebel. Was passiert? 20) Im Modell ist die Oberflächenbewegung des Wassers symbolisch dargestellt. Wodurch entsteht sie? Obwohl die gesamte Wellenerscheinung fortschreitet, entfernen sich die einzelnen Wasserteilchen nicht aus ihrer Umgebung. Schwingungen 21) Das mathematische Pendel: Warum kam Galilei auf die Idee, ein solches Pendel als Gangregler für Uhren zu benutzen? Schallwellen Ein Pendel verlangsamt sich deshalb bis zum Stillstand, weil es durch die Luft gebremst wird. 22) An der Wand am Ende der Fensterreihe entdeckst Du verschiedene Sandmuster. Sie entstehen durch geschicktes Anstreichen mit einem Geigenbogen. Durch die Schwingungen bildet sich eine flächenhaft stehende Welle. Die Knoten dieser Welle (das sind die Plattenpunkte, die bei der Schwingungsbewegung stets in Ruhe bleiben) sind Linien, die durch aufgestreuten Sand sichtbar werden. 23) Auf dem im Raum stehenden Tisch kannst Du Wellen unter verschiedenen Einflüssen beobachten. Was passiert bei der Interferenz? Was passiert bei der Brechung an einer Linse? Was passiert bei der Beugung? Zeichne oder beschreibe Deine Beobachtungen! Jetzt hast Du einiges über die Physik erfahren. Wenn Du immer noch neugierig bist, besuche doch noch die weiteren Physik-Abteilungen über Wärme, Elektrizität, Optik oder Atomphysik!

8 Dies ist ein Forscherbogen über die Teilbereiche Forscherbogen Physik (mit Lösungen) Mechanik der festen Körper, Mechanik der Flüssigkeiten und Gase sowie Schwingungen und Wellen. Du betrittst die Abteilung Physik durch die Brander- und die Fraunhofer-Halle. Beim Betreten der Abteilung Physik siehst du eine Kugel, die wie von magischer Hand in der Luft zu schweben scheint. Faszinierend, oder? Warum das so ist, erfährst Du in der Abteilung Physik. Die dicken Überschriften helfen Dir bei der Orientierung, sie beziehen sich auf die Themenüberschriften in der Abteilung. Mechanik fester Körper Am Anfang war die Mechanik... 1) Hier sind alte Geräte ausgestellt, welche die Gesetze der Mechanik benutzen. Was für Hilfsmittel, die Menschen zur Erleichterung ihrer Arbeit erfanden, kannst Du hier entdecken? Schubkarre (Rad und Hebel als wichtigste Bauelemente) schiefe Ebene Kolbenpumpe Wellrad und Flaschenzug Walze Keil Rad Wagenwinde Schraube und Schraubenpresse Schwerpunkt 2) Warum fällt der schiefe Turm von Pisa nicht um? Weil das Lot von seinem Schwerpunkt noch in die Standfläche trifft. 3) An dem Modell auf dem Tisch kannst Du selber ausprobieren, wann ein Turm umfällt. Was beobachtest Du? Der Körper mit hoch liegendem Schwerpunkt und schmaler Standfläche fällt schon bei schwacher Neigung um. D.h. die Standfestigkeit ist umso größer, je tiefer der Schwerpunkt liegt und je breiter die Standfläche ist.

9 - 2 - Die Standfestigkeit von Gegenständen, die leicht umzukippen drohen, wird deshalb vergrößert, indem man ihnen eine grosse Fußfläche gibt und den Schwerpunkt durch künstliche Beschwerung möglichst tief legt. 4) Bei einer Kugel, einer Halbkugel oder einem Quader liegt der Schwerpunkt im Inneren dieser Körper. Das ist aber nicht bei allen Körpern so! Finde zwei Beispiele, wo der Schwerpunkt außerhalb der Körpers liegt! Vollring bzw. Halbring Seiltänzer mit Balancierstange Motorrad auf Seil Galileis Arbeitsraum 5) Mache die auf die Suche nach Galileis Arbeitsraum. Galilei hat im 17. Jahrhundert als erster den planmäßig vorbereiteten Versuch eingeführt, um seine theoretischen Überlegungen zu überprüfen. In dem Raum findest Du einige aufgebaute Versuche und Erfindungen von Galilei. Welche Funktion hatte das Wasser im Versuch mit der Fallrinne? Masse Ein Wasserkübel mit einem Loch im Boden wurde als Wasseruhr benutzt. Die während der kurzen Falldauer ausfließende Wassermenge wurde gewogen und diente als Zeitmaß. Mehr über Galilei und die Raumeinrichtung erzählt Dir das Tonband. 6) Auf dem Boden liegt eine große Bleikugel. Mit einer solchen Kugel hat der Münchener Physiker von Jolly die Schwerkraft und das gegenseitige Anziehungsvermögen von Massen untersucht. Was hat er dabei herausgefunden? Die Kugel (Durchmesser von 1 Meter und der Masse von 5775 Kilogramm) zog eine dicht über ihr an einer Waage hängende Masse von 5 kg an. Schluß auf Masse der Erde (Dichte 5,6) Nun gehe weiter zur Fensterwand. 7) Das Foucaultsche Pendel. Mit einem solchen Pendel wies L. Foucault 1851 nach, dass sich die Erde um sich selber dreht. Probiere selbst den Versuchsaufbau aus: Was kannst Du beobachten? Das Pendel pendelt trotz der Drehung seiner Aufhängung in seine Richtung weiter. Im Turmbau des Museums kannst Du diesen Versuch in der Realität anschauen. 8) Die Drehung der Erde ist auch für ihre Elipsoid -Form verantwortlich. Das wird in einem Modell veranschaulicht. Welche Kraft ist für die Verformung der Erde verantwortlich? die Fliehkraft 9) Mache Dich nach rechts auf die Suche nach der Drehwaage von Eötvös. Was misst dieses Gerät? Die Veränderung der Erdanziehungskraft (um Salz, Öl oder Erzlager zu finden).

10 - 3 - Elektrizität und Festigkeit 10) Zug- und Druckkraft spielen bei der Biegung eines Materials eine Rolle. In der oberen Hälfte des gebogenen Balkens im Modell entstehen Zugspannungen in der Längsrichtung, dadurch wird das Material gedehnt. In der unteren Hälfte entstehen Druckspannungen, und das Material wird verkürzt. Dazwischen liegt die (fast) spannungsfreie und ungedehnte "neutrale Faser". Wo bricht der Balken bei Überlastung? Energie An der Befestigungsstelle des Balkens, hier sind die Druck- und Zugspannungen am größten. 11) Energie nennt man -die Fähigkeit, Arbeit zu leisten, -den Arbeitsvorrat oder -die gespeicherte Arbeit. In der Mechanik gibt es zwei Energieformen: Energie der Lage (potentielle Energie) Energie der Bewegung (kinetische Energie) Alle mechanischen Bewegungsvorgänge sind nur Umwandlungen dieser Energieformen ineinander. Impuls und Stoss 12) An Fäden sind in vier Gruppen Kugeln befestigt. Beobachte, was jeweils passiert, wenn Du eine der Kugeln gegen die anderen fallen läßt, und schreibe Deine Beobachtungen auf. Kreisel a) Stoß - Stillstand - Stoß - Stillstand Stoß -... Die kleine Kugel gibt einen Teil ihres Bewegungsimpulses beim Zusammenstoß an die große Kugel ab. b) gleichmäßiger Wechsel Die eine Kugel bleibt durch den Aufprall stehen, während die bisher ruhende losschwingt (und umgekehrt) c) kein Impuls wird übertragen d) Der Bewegungsimpuls der stoßenden Kugel pflanzt sich über die Kugelkette hinweg fort und schleudert die Kugel am anderen Ende ab. Alle anderen Kugeln bleiben in Ruhe. 13) Kreisel sind Dir sicher als Spielzeug bekannt. In dem Schaukasten kannst Du sehen, was für Kreisel es früher schon gab. Zähle drei von ihnen auf! Bogenbergerscher Kreisel Resonanzkreisel Polygonalpendel nach Guey

11 - 4 - Mechanik der Flüssigkeiten und Gase 14) Die Waage des Archimedes: Auf der einen Seite hängt eine goldene Krone, auf der anderen Seite ein Goldklumpen. Weißt Du, welches Gesetz Archimedes damit entdeckt hat? Vakuum das Gesetz vom Auftrieb. (so nennt man den Gewichtsverlust eines in Flüssigkeit eingetauchten Körpers. Der Körper verliert soviel an Gewicht, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeitsmenge wiegt.) 15) Die Magdeburger Halbkugeln / Versuch von Otto von Guericke: 1656 inszenierte Otto von Guericke in Magdeburg ein Aufsehen erregendes Experiment mit zwei Kupferschalen: Aus den lose aneinanderliegenden Halbkugeln pumpte er die Luft heraus. Dann spannte er an jede Kupferschale acht Pferde und trieb sie an, doch die Tiere waren nicht in der Lage, die Halbkugeln wieder auseinander zu ziehen. Das Gewicht der Luft auf den Halbkugeln, der Luftdruck ist stärker. Diesen Versuch kannst Du selbst am Modell ausprobieren wenn Du ihn findest! Konntest Du die Halbkugeln auseinanderziehen? 16) Am Tisch mit den Vakuumglocken kannst Du erfahren: Im luftleeren Raum (Vakuum) ist vieles nicht mehr so, wie wir es gewohnt sind: a) Der Schall kann sich nicht mehr ausbreiten, deshalb kann man eine Klingel nicht hören. b) Alle Körper fallen gleich schnell. Eine Flaumfeder fällt ebenso rasch wie eine Holzkugel. Denn wodurch wird der Fall einer Feder in der luftgefüllten Röhre verlangsamt? Größerer Luftwiderstand c) Ohne Luft gibt es auch keine Auftriebskraft der Luft. Sie ist jeweils gleich dem Gewicht des verdrängten Luftvolumens. Bei einem umfangreichen Glaskörper ist die nach oben gerichtete Auftriebskraft der Luft größer, als bei einem kleinen Metallgewicht, deshalb sinkt der Glaskörper bei abnehmendem Luftdruck immer stärker ab. Luft hat auch Gewicht, woran kannst Du das erkennen? Auf einer Waage, deren Schalen ein Luft gefüllter Behälter und einer mit einem Vakuum liegen, sinkt der mit Luft gefüllte. 17) Der Saugheber ist mit einer türkisen Flüssigkeit gefüllt. Was kannst Du beobachten, wenn Du den Knopf gedrückt hältst? Beschreibe Deine Beobachtung oder versuche sie zu zeichnen! Probiere auch aus, wie Wasserstand und Wassermenge zusammenhängen. Mit dem Knopf kannst Du den Wasserfluss stoppen. Wenn der Wasserstand das Seitenrohr gefüllt hat, sinkt beim Auslaufen des Wassers der Spiegel im Behälter bis zu der Höhe, wo der Rohransatz beginnt. Im danebenstehenden Kettenmodell ist noch einmal erklärt, was im Wassermodell passiert ist.

12 - 5 - Schwingungen und Wellen 18) Beim Federpendel wird die ausschwingende Masse durch eine elastische Feder immer wieder in die Ruhelage zurückgezogen. Wovon hängt die Schwingungsdauer (das ist die Zeit für ein volles Aufund Abschwingen) ab? von der Pendelmasse und von der Federstärke 19) Der Resonanzkasten: Schlage die Stimmgabel an und verstelle den vorderen Hebel. Was passiert? Resonanzkasten kommt bei bestimmter Stellung in Resonanz, der Ton wird lauter. 20) Im Modell ist die Oberflächenbewegung des Wassers symbolisch dargestellt. Wodurch entsteht sie? Durch kreisförmige Bewegungen der Wasserteilchen. Obwohl die gesamte Wellenerscheinung fortschreitet, entfernen sich die einzelnen Wasserteilchen nicht aus ihrer Umgebung. Schwingungen 21) Das mathematische Pendel: Warum kam Galilei auf die Idee, ein solches Pendel als Gangregler für Uhren zu benutzen? Schallwellen Weil die Schwingungsperiode sehr konstant ist Ein Pendel verlangsamt sich deshalb bis zum Stillstand, weil es durch die Luft gebremst wird. 22) An der Wand am Ende der Fensterreihe entdeckst Du verschiedene Sandmuster. Sie entstehen durch geschicktes Anstreichen mit einem Geigenbogen. Durch die Schwingungen bildet sich eine flächenhaft stehende Welle. Die Knoten dieser Welle (das sind die Plattenpunkte, die bei der Schwingungsbewegung stets in Ruhe bleiben) sind Linien, die durch aufgestreuten Sand sichtbar werden. 23) Auf dem im Raum stehenden Tisch kannst Du Wellen unter verschiedenen Einflüssen beobachten. Was passiert bei der Interferenz? Beide kohärente Wellen überlagern sich und löschen sich in mehreren streifenförmigen Gebieten gegenseitig aus, während sie sich dafür in den dazwischen liegenden Gebieten verstärken. Was passiert bei der Brechung an einer Linse? Durch die Linse wird die Form der Wellenfront so verändert, dass die Wellen hinter der Linse näherungsweise in einem Punkt zusammengeschnürt sind (Brennpunkt der Linse). Was passiert bei der Beugung? Zeichne oder beschreibe Deine Beobachtungen! Ebene Welle trifft auf Öffnung im undurchlässigen Schirm, diese bildet Ausgangspunkt für Kugelwelle, die sich nach allen Richtungen ausbreitet Jetzt hast Du einiges über die Physik erfahren. Wenn Du immer noch neugierig bist, besuche doch noch die weiteren Physik-Abteilungen über Wärme, Elektrizität, Optik oder Atomphysik!