Auftrieb. Bevor ihr jedoch mit den Experimenten beginnt, müsst ihr folgende Punkte beachten:

Transkript

1 Einführung In diesem Dokument findet ihr die Experimente zum Thema. Viele Experimente und Themenbereiche haben wir bereits im Unterricht behandelt, andere Teile könnten neu und ein wenig knifflig sein. Wenn ihr nicht weiterkommt oder Fragen zu den verschiedenen Experimenten habt, habt ihr immer die Möglichkeit eure Lehrperson zu fragen. Bevor ihr jedoch mit den Experimenten beginnt, müsst ihr folgende Punkte beachten: Euer Auftrag ist es zum einen die Experimente sorgfältig durchzuführen, zum anderen diese auf eurer Homepage zu dokumentieren. Schaut zuerst also die Tutorials auf unserer Webseite an, damit ihr wisst, wie man eine Homepage erstellt und wie man sie bedient. Habt im Hinterkopf, dass ihr am Donnerstag der Klasse ein Schlüsselexperiment präsentieren sollt. Wenn euch also ein Experiment besonders gut gefällt, merkt euch dieses vor und denkt schon mal im Voraus, wie ihr es präsentieren wollt und was es für Material braucht. Vergesst im Eifer des Experimentierens nicht Bilder und Videos zu erstellen. Die Medienarbeit ist mindestens ebenso wichtig wie die Physik. Nun wünschen wir euch viel Spass und gutes Gelingen bei den Experimenten! Experiment 1: Die Dichte Jedes Kind weiss, dass ein Stein im Wasser sinkt und ein Stück Holz im Wasser schwimmt. Ein Kieselsteinchen wird im Wasser nie schwimmen können, ein grosser Baumstamm der mehrere hundert Kilogramm wiegt jedoch schon. Es kommt also nicht nur auf das Gewicht an, die Dichte des Körpers ist zentral. m = Masse in Gramm V = Volumen in cm 3 (1cm 3 = 1ml) 1.1) Berechnet nun die Dichte von Wasser, einem Stück Holz, einem Korken, dem Eisenquader und von Brennsprit. Die berechneten Werte vergleicht ihr mit den Literaturwerten (Suche im Internet) und stellt die Resultate auf eure Homepage. 1.2) Verfasst zudem eine Überlegung zu folgender Frage: Wann schwimmt ein Körper oder eine Flüssigkeit auf dem Wasser und wann sinkt etwas?

2 Experiment 2: Die Tragkraft des Wassers 2.1) Der schwere grosse Stein wird an dem Seil in einen Kessel mit Wasser hinein getaucht, aber nicht auf dem Boden abgesetzt. Beschreibt, was ihr spürt: Wird der Stein leichter? Wird er schwerer? Wird er schwerer je weiter man ihn ins Wasser hinein taucht? Oder leichter? 2.2) Hängt danach den Stein an die 100 N Federwaage und messt die Gewichtkraft des Steines. Notiert diesen Wert. (1g/cm 3 = 1000 kg/m 3, die Gewichtskraft F g = m (Masse in kg) * g (10 N/m 2 ), die Federwaage zeigt die Gewichtskraft des Steines an, also die Masse des Steines multipliziert mit 10N/m 2. Das heisst, wenn der Stein 3kg schwer ist, dann zeigt die Federwaage 30 N an). 2.3) Nun taucht ihr den Stein an der Federwaage ins Wasser und beobachtet, was passiert. Was verändert sich genau beim Eintauchen ins Wasser? Um wie viele Newton wird der Stein leichter / schwerer? 2.4) Füllt nun zuletzt den Kessel bis obenhin mit Wasser. Danach taucht ihr den Stein wieder hinein und schaut, wie viel Wasser der Stein verdrängt, wenn er ganz in den Kessel getaucht wird. Fangt das Wasser in einem Messbecher auf, und berechnet die Gewichtskraft des verdrängten Wassers. 2.5) Vergleicht die gemessenen Werte von 2.3) und 2.4) und schreibt zuerst in eigenen Worten auf, wie die Gewichtskraft des verdrängten Wassers mit der Änderung der Gewichtskraft des Steines zusammenhängt. Experiment 3: Das Gesetz von Archimedes Vor ca Jahren war im antiken Griechenland ein Gelehrter Namens Archimedes genau an demselben Punkt gestanden, wie ihr jetzt (natürlich ohne Federwaage und Plastikkessel). Er beschäftige sich mit der Tragkraft des Wassers und fragte sich, wie sich das Schwimmen und Absinken von Gegenständen im Wasser erklären lässt. Er erkannte eine Gesetzmässigkeit und verfasste das berühmte Gesetz des Archimedes. Recherchiert im Internet nach diesem Gesetz und vergleicht es mit eurer Vermutung, die ihr im Schritt 2.4.) gemacht habt. Der Legende nach kam Archimedes auf das Gesetz wie folgt: Vor über Jahren erhielt Archimedes einen kniffligen Auftrag. König Hieron II. von Syrakus bat ihn herauszufinden, ob seine Krone tatsächlich aus purem Gold bestand. Wie konnte Archimedes die Aufgabe lösen? Der König hatte einem Schmied einen großen Goldklumpen gegeben, aus dem dieser eine Krone fertigen sollte. Als das Schmuckstück fertig war, versicherte der Schmied seinem

3 Auftraggeber, dass die Krone aus reinem Gold war. Doch der Herrscher hegte einen Verdacht: Hatte der Schmied heimlich Silber beigemischt, um einen Teil des wertvolleren Goldes für sich zu behalten? Zwar glänzte die Krone golden und auch das Gewicht entsprach der Menge des Goldklumpens, den der Schmied erhalten hatte - dennoch war König Hieron II. skeptisch. Archimedes sollte den Fall lösen. Der wusste bereits, dass ein Barren aus einem Kilogramm Silber größer ist als ein gleichschwerer Barren aus Gold. Anders ausgedrückt: Der Silberbarren hat ein größeres Volumen als der Goldbarren. Doch wie sollte Archimedes bei der verschnörkelten Krone berechnen, ob sie mehr Volumen hat als die gleiche Masse an Gold? Er konnte das kostbare Stück ja nicht einfach einschmelzen. Die zündende Idee kam Archimedes der Legende nach, als er in eine randvolle Badewanne stieg und das Wasser überschwappte. Er begriff, dass sein Körper eine ganz bestimmte Menge Wasser verdrängt hatte. Wäre ein kleines Kind in die Wanne gegangen, wäre weniger übergelaufen. Dieser Geistesblitz überwältigte Archimedes angelblich so sehr, dass er vor Freude aus der Wanne sprang und laut "Heureka, heureka" geschrien haben soll. Das ist griechisch und bedeutet "Ich hab's gefunden!" Er nahm einen Goldbarren, der genauso schwer war wie die Krone, und tauchte ihn in einen vollen Wasserbehälter. Anschließend bestimmte er die Menge des übergelaufenen Wassers. Nun legte er die Krone in den randvoll gefüllten Behälter. Siehe da: Sie verdrängte mehr Wasser als der Goldbarren. Damit hatte Archimedes bewiesen, dass der Schmied geschummelt hatte und die Krone nicht aus purem Gold bestand. Er hatte heimlich noch ein leichteres Metall mit geringerer Dichte beigemischt, wahrscheinlich Silber, denn das war billiger als Gold. Dadurch hatte die Krone bei gleichem Gewicht wie der Goldbarren ein größeres Volumen und verdrängte mehr Wasser. Anders könnte man sagen: Die manipulierte Krone hatte eine geringere Dichte als der Goldbarren. Dieser Geschichte zufolge hat Archimedes das Gesetz zum formuliert:

4 Experiment 4: Schwimmen, der Kampf von Gewichtskraft und Die Menge des verdrängten Wassers und damit der (die Tragkraft des Wassers) hängt nur vom Volumen und nicht vom Material des eingetauchten Körpers ab. Mit anderen Worten: Der eines Holzwürfels und eines gleich grossen Würfels aus Eisen ist gleich gross. Das Verhalten jedoch, also ob der Körper nun schwimmt oder sinkt, hängt nicht nur vom ab, sondern auch der eigenen Gewichtskraft. Wenn ein Holzstück langsam ins Wasser getaucht wird, verdrängt es immer mehr Wasser, bis genau so viel Wasser verdrängt worden ist, wie das Gewicht des Holzstückes beträgt. Die Abbildung veranschaulicht dies noch deutlicher. Die Gewichtskraft des Holzes bleibt immer gleich, jedoch nimmt, je weiter das Holz in das Wasser eingetaucht wird, der zu (weil mehr Wasser verdrängt wird). Wenn die Gewichtskraft gleich der skraft ist, schwimmt das Holzstück. Beim Stein bleibt der jedoch immer kleiner als die Gewichtskraft, auch wenn er völlig eingetaucht ist, deshalb kann der Stein nicht schwimmen. Wieso kann jetzt aber ein Eisenschiff schwimmen (Dichte Eisen 7.8g/cm 3, also noch grösser als ein Stein)? Führt folgenden Versuch durch und erklärt in eigenen Worten mit der Abbildung oben, was genau passiert und wieso ein Eisenschiff schwimmen kann. 4.1) Ihr habt eine Holzkugel und eine Knetkugel, welche beide gleich schwer sind. Die Holzkugel schwimmt, die Knetkugel sinkt, was Sinn macht, denn Knete hat eine grössere Dichte als Wasser (mehr als 1 g/cm 3 ). Formt nun eine Schale aus der Knetkugel, so gross bis sie schwimmt. Erklärt wieso sie trotz einer Dichte von über 1g/cm 3 schwimmen kann und wie viel Wasser (in Milliliter) die Schale verdrängen muss, damit sie schwimmt. Verwende die Begriffe Dichte,, Gewichtskraft. 4.2*) Ihr habt Styroporplatten von 0.5m 2 Fläche und 5cm Dicke. Wie manche Platte braucht es, um ein Floss zu bauen, dass eine Person von 50kg trägt? (Die Masse der Platten könnt ihr vernachlässigen). Dies ist eine schwierige Aufgabe. Falls ihr nicht weiter wisst, wird euch euer Lehrer sicher helfen.

5 Experiment 5: Vertiefungsexperimente 5.1) Der schmelzende Eiswürfel Füllt das Glasgefäss, in dem ein Stück Eis schwimmt, randvoll mit Wasser. Wird das Wasser nun überlaufen, wenn das Eis schmilzt? Begründet eure Antwort und haltet diese auf eurer Homepage fest. Wie würde es aussehen, wenn im Eis Luftblasen eingeschlossen sind? Oder wenn im Innern des Eisblocks noch Wasser enthalten wäre? Stimmt die Behauptung: Wenn sich die Atmosphäre durch den Treibhauseffekt erwärmt, schmilzt das Eis an den Polen und der Wasserpegel steigt? Stimmt sie oder ist sie falsch? 5.2) Ein Schiff verliert Ladung Ein Schiff, das im Wasser schwimmt, ist mit einem Stein von einer Tonne beladen. Sinkt der Wasserspiegel, wenn der Stein ins Wasser fällt? Oder bleibt er gleich? Oder steigt er? Haltet eure Überlegungen auf der Homepage fest. Baut das Experiment nach (mit der Dose als Schiff und dem Stein). Markiert auf dem Glasbehälter den Pegel mit dem Stein an Bord und im Wasser. Wie hat sich der Pegel verändert? Wieso hat er sich gehoben/gesenkt/bleibt gleich? Wie wäre es wenn das Schiff mit Baumstämmen statt mit Steinen beladen wäre? 5.3) Finger im Wasser Gebt Wasser in ein Becherglas, stellt es auf die Waage und überlegt: Was wird passieren, wenn ich dem Finger ins Wasser tauche? Begründet die Antwort und haltet eure Überlegungen und Beobachtungen auf eurer Homepage fest. 5.4) Der Cartesische Taucher Baut euch zuerst einen cartesischen Taucher. Dazu müsst ihr eine leere Tintenpatrone (wenn sie noch voll ist zuerst im Ausguss leeren) oben aufschneiden und zwei M3 Muttern hineindrücken.

6 Nun füllt ihr die PET Flasche mit Wasser (randvoll), legt den Taucher mit der Öffnung nach unten ins Wasser und verschliesst die Flasche. Je weniger Luft im Deckel enthalten ist, desto besser wird der Versuch funktionieren. Nun drückt ihr die Flasche fest zusammen und beobachtet, was der cartesische Taucher macht. Was passiert mit der Luft im Innern des Tauchers? Wieso sinkt der Taucher wenn man zudrückt und steigt wieder auf wenn man loslässt? Begründet eure Antwort und haltet eure Beobachtungen in der Dokumentation fest. Könnt ihr die Erkenntnisse über den cartesischen Taucher auch auf ein Unterseebot übertragen, oder auf die Schwimmblase bei einem Fisch?