Das Demonstrationsexperiment Hydrostatischer Druck

Transkript

1 Das Demonstrationsexperiment Hydrostatischer Druck Daniel Sandler

2 1 VERSUCHSBESCHREIBUNG 2 1 Versuchsbeschreibung Quelle: Benötigte Geräte: 1 Druckdose 1 Manometer 1 Standzylinder oder Aquarium 1 Hubtisch 1 Spritze 1 Schlauch 1 Messlatte mit Fuÿ und Zeiger 1 Stativstange 2 Muen

3 2 LERNVORAUSSETZUNGEN 3 Man verbindet zunächst die Druckdose über den Schluach mit dem Manometer und befestigt sie mittels Muen an der Stativstange. Das mit Wasser gefüllte Gefäÿ sollte so hoch sein, dass man Messungen mit deutlich unterschiedlichen Höhen durchführen kann. Zur Bestimmung der Höhendierenz dient die Messlatte. Die Druckdose wird nun im Standzylinder abgesenkt und der Höhenunterschied am Manometer in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe h abgelesen. Die erhaltenen Werte werden in eine Wertetabelle eingetragen. Zur Demonstration der Allseitigkeit des Drucks kann die Membran der Druckdose mittels der beiden Schnurräder und eines Kunststoriemens gedreht werden, wobei die Manometeranzeige (annähernd) konstant bleibt. 2 Lernvoraussetzungen Die Schüler kennen den Begri Kraft, sie wissen, dass jede Kraft einen Betrag und eine Richtung hat. Die Schüler sind mit der Dichte von Stoen vertraut. Die Schüler kennen die Denition des Drucks : Druck = Kraft / Fläche Die Schüler wissen, wie man die Gewichtskraft eines Körper/einer Masse berechnet. 3 Lernziele 3.1 Grobziele Die Schüler sollen die Existenz des Schweredrucks einer Flüssigkeit verstehen und diesen für verschiedene Flüssigkeiten und unterschiedliche Eintauchtiefen berechnen können. Die Schüler sollen das Experiment zum Nachweis der Richtungsunabhängigkeit des Schweredrucks kennen und nachbauen können. 3.2 Feinziele Die Schüler sollen sich aus Alltagserfahrungen wie z.b. dem Tauchen bewusst machen, dass unter Wasser Druck auf den Körper wirkt Sie sollen die Proportionalität der Manometeranzeige zur Eintauchtiefe erkennen Sie sollen sich darüber klar werden, dass die Gewichtskraft der Flüssigkeit über der betrachteten Fläche verantwortlich für den Druck ist

4 4 ÜBERGEORDNETES UNTERRICHTSTHEMA 4 Sie sollen erkennen, dass Druck letztlich unabhängig von der Gröÿe der Fläche ist, die zur Berechnung des Druckes betrachtet wird / dass er also nur von der Eintauchtiefe abhängt Sie sollen lernen, dass der hydrostatische Druck von allen Seiten auf einen Körper wirkt und betragsmäÿig in einer festen Tiefe gleich groÿ ist. 4 Übergeordnetes Unterrichtsthema Im G9: In der achten Klasse wird Druck als gröÿere Unterrichtseinheit behandelt. Vorausgengangen sind in der achten Klasse die Einführung der Kraft und der Dichte, welche zum Verständnis der (hydrostatischen) Drucks notwendig sind. Im G8: Hier ist der Druck allgemein nur noch im Prolbereich am NTG als lediglich ein Vorschlag von vier als Thema vorhanden. 5 Experimentelle Alternativen PET-Flasche mit Löchern: Man bohrt in eine gewöhnliche, groÿe (1,5-2 Liter) PET-Flasche mehrere kleine (ca. 1mm Durchmesser) Löcher, die in etwa gleichem Abstand übereinander liegen. Nun füllt man eine Flüssigkeit in die Flasche, während die Löcher verschlossen bleiben. Dies ist z.b. durch Tesalm oder einen Schüler, der seine Finger auf die Löcher hält, zu realisieren. Nun werden die Löcher gleichzeitig geönet. Es ist zu beobachten, dass die Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit proportional zur Tiefe des entsprechenden Austrittlochs ist. Da die Schüler den horizontalen Wurf noch nicht kennen, ist ihnen dieser Sachverhalt z.b. mit dem Vergleich mit Wasserpistolen zu vermitteln, in welchen durch Pumpen ein Druck erzeugt wird (Super Soaker). Je länger man pumpt, desto gröÿer wird der Druck, desto weiter iegt der Wasserstrahl. Im Experiment ersetzt sozusagen eine gröÿere Tiefe ein längeres Pumpen. Vorteil dieses Experiments: Es ist mehr Action vorhanden als im obigen Experiment, die Schüler sind somit wahrscheinlich aufmerksamer Es ist anschaulicher und direkter zugänglicher, da der erhöhte Druck weiter unten sich unmittelbar in eine weitere Flugbahn auswirkt.

5 6 GRUPPENUNTERRICHT 5 Ein gleichzeitiger Vergleich von verschiedenen Tiefen ist möglich. Nachteil: Es ist keine quantitative Messung möglich. Die Flugweite und somit die Austrittsgeschwindigkeit v 0 ist zwar auch direkt proportional zum an dieser Stelle herrschenden Druck, jedoch kann dies nur qualitativ beoabachtet werden. Da hier also keine Messungen möglich sind, können nicht alle Lernziele mit diesem Experiment allein erreicht werden. Somit eignet sich dieses Experiment als zusätzliche Veranschaulichung in Kombination mit dem Versuch mit der Druckdose. 6 Gruppenunterricht Das Experiment kann im Gruppenunterricht durchgeführt werden. Mit einigen groÿen, gut ablesbaren U-Rohren, PET-Schläuchen und Tauchglocken lassen sich einfache Manometer realisieren. Die Gefäÿe sollten aus Plastik sein. Es sind verschiedene Stationen denkbar, an denen Flüÿigkeiten mit unterschiedlichen Dichten, wie z.b. Wasser, Salzwasser usw., untersucht werden und diese dann mittels Druckmessung an bestimmten Tiefen bestimmt werden. 7 Unterrichtsverfahren 7.1 Sozialform Demonstrationsexperiment 7.2 Lehr-/Lernform Fragend-entwickelnd, anreizend, darbietend 7.3 Motivations-/Einstiegssituation Beispiel: Münchhausen-Geschichte: Wir waren mit unserem Unterseeboot etwa 2000 m unter der Meeresoberäche, als wir merkten, dass Wasser durch ein kleines Loch herein spritzte. Ich konnte das Loch mit dem Daumen gerade zudecken. Der Kapitän befahl möglichst schnell aufzutauchen, die Spitze des Bootes richtete sich steil nach oben und mit voller Schubkraft fuhren wir zur Wasseroberäche. Ich

6 7 UNTERRICHTSVERFAHREN 6 war froh, dort meinen Daumen vom Loch entfernen zu können, da es doch einiger Kraft bedurft hatte, dem gleich bleibend starken Wasserdruck standhalten zu können. Wieviel Kraft hätte der Lügenbaron denn aufbringen müssen, wenn seine Geschichte stimmen würde? Könnte ein Mensch das überhaupt? Hätte der Baron wirklich während des gesamten Auftauchens mit der gleichen Kraft drücken müssen? Weiteres gut geeignetes Thema zur Motivation ist der Druck beim Tauchen im Ohr. So kann man im Experiment die Druckdose als Trommelfell betrachten und die Anzeige im U- Rohr als Maÿ für dem Gehirn gemeldeten Druck. Dies lässt das Experiment weniger abstrakt erscheinen und die Schüler behalten den Alltagsbezug im Auge.

7 8 SICHERUNG DER LERNZIELE 7 8 Sicherung der Lernziele (Im Anschluss an die Demonstration der Richtungsunabhängigkeit des hydrostatischen Drucks mittels Drehen der Druckdose wird folgender Satz notiert.) Merksatz: Der hydrostatische Druck wirkt in alle Richtungen gleich. 9 Präkonzepte, Misskonzepte Die Existenz des hydrostatische Drucks ist jedem Schüler aus dem Alltag bekannt, häug auch die Abhängigkeit von der Tiefe, jedoch nicht die direkte Proportionalität. Des weiteren ist bei Schülern sehr häug die Meinung vertreten, dass es neben der Höhe des Gefäÿes auch auf die Form ankommt, in der sich die Flüssigkeit bendet und der hydrostatische Druck aufgrund der Gewichtskraft lediglich von oben wirkt.