3 Freihandversuche. Freihandversuche Elektrizität bestimmt unser Leben

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1 3 Freihandversuche 3.1 Elektrizität bestimmt unser Leben Erzeugen eines Magneten Der magnetisierte Nagel Nagel Büroklammer Hammer Kompass Schnur und Schere Knote den Nagel an einen Faden und bringe ihn in die Nähe der Büroklammer. Beobachte, was passiert. Richte den Faden mit dem Nagel mithilfe des Kompasses in Richtung Norden, wobei er schräg auf den Boden zeigen soll, und schlage mehrmals mit einem Hammer auf den Nagel. vorher hinterher Wird der Nagel in die Nähe der Büroklammer gebracht, bleiben sie ruhig liegen. Schlägt man mit dem Hammer auf den Nagel und führt dann den Nagel an die Büroklammer heran, dann bewegen sich die Büroklammer und der Nagel aufeinander zu. Jeder ferromagnetische Stoff ist aus Elementarmagneten aufgebaut. Da diese zu Beginn unseres Versuches ungeordnet sind, heben sich entstehende Kräfte gegenseitig auf. Die Erde besitzt ein magnetisches Feld, welches vom geografischen Südpol (entspricht dem magnetischen Nordpol) zum Nordpol orientiert ist, jedoch eine geringe Abweichung von dieser Achse aufweist. In Mitteleuropa treffen diese Feldlinien im Winkel von ca. 65 auf die Erdoberfläche. Hält man nun den Nagel parallel zu den Feldlinien und erschüttert zusätzlich das Material, so richten sich die Elementarmagnete in Richtung des sie umgebenden Feldes aus. Bei einer geordneten Ausrichtung der einzelnen Elementarmagnete summieren sich ihre Kräfte und der Nagel ist somit selbst zu einem Magneten geworden. Die Bereiche gleicher Magnetisierung werden Weiß sche Bezirke genannt. 10

2 Lorentzkraft Die zittrige Glühbirne Glühbirne (15 W) Magnet Dimmbare Lampe Aufbau und Besorge dir eine alte Glühbirne und bringe einen Magneten in die Nähe des Glühfadens. So kannst du feststellen, dass der Faden nicht ferromagnetisch ist. Schraube nun die Birne in eine dimmbare Stehlampe, schalte den Lichtschalter ein und reduziere die Leuchtstärke der Glühbirne derart, dass der Glühfaden hellrot bis gelb leuchtet. Bringst du nun den Magneten in die Nähe der Birne, so bemerkst du, dass der Glühdraht zu vibrieren beginnt. Sobald Ladungen durch den Glühfaden fließen, wird der Faden aufgrund der Lorentzkraft, die auf bewegte Ladungen im Magnetfeld wirkt, ausgelenkt. Im Gegensatz zur Leiterschaukel fließt der Strom nicht in eine Richtung, sondern ändert 50-mal in der Sekunde seine Fließrichtung. Das bedeutet, dass die Bewegungsrichtung des Glühfadens alle zwei hundertstel Sekunden umgekehrt wird. Der Glühfaden schwingt also mit einer Frequenz von 50 Hz hin und her. Der Mikrowellenherd pulsierende Bombe Mikrowelle Schwedenbombe Man stellt eine Schwedenbombe in die Mikrowelle und schaltet diese auf niedriger Stufe ein. Nach einiger Zeit fängt die Schwedenbombe an zu pulsieren. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass die Wassermoleküle der zu erwärmenden Speise angeregt werden. Übliche Geräte arbeiten mit einer Frequenz von etwa 2500 MHz. Da sich die verrichtete Arbeit aus Leistung mal Zeit ergibt, kann man in einem gegebenen Zeitintervall die Arbeit wahlweise durch Verringerung der Leistung oder durch Verkürzung der Einwirkzeit erreichen. Im Falle der Mikrowelle ist die abgestrahlte Leistung konstant, weshalb eine Verringerung der geleisteten Arbeit, also eine weniger starke Erwärmung, nur durch periodisches zu- und abschalten des Mikrowellensenders möglich ist. Besonders auf kleiner Garstufe sind diese Intervalle sehr lang. An der Schwedenbombe erkennt man die Heizperioden am Ausdehnen des eingeschlossen Wasserdampfs in den Hohlräumen und die Leerlaufzeiten am Schrumpfen aufgrund der Abkühlung. 11

3 3.2 Gekrümmte Wege auf der Erde und im Weltall Geschwindigkeitsmessung 5 Stoppuhren Maßband 6 Schülerinnen bzw. Schüler Start t = 0 Ziel t =? 3,75 m Anhand mehrerer Zeitmessungen soll deine Geschwindigkeit festgestellt werden. Dabei wird das Experiment einmal mit schnellem und einmal mit langsamem Gang durchgeführt. Zudem sollst du aus den Ergebnissen ein Weg-Zeit-Diagramm darstellen. Sobald du die Nulllinie überschreitest, starten auf ein Signal hin fünf Stoppuhren. Am Boden ist eine Strecke in gleich große Streckenabschnitte geteilt. Ein Abschnitt ist 3,75 m lang. Sobald du einen Streckenabschnitt erreichst, stoppt die zugehörige Stoppuhr (5 Streckenabschnitte, 5 Stoppuhren). Erstelle eine Wertetabelle und trage deine gemessenen Werte in das Weg-Zeit-Diagramm ein. Stelle auch die berechneten Geschwindigkeiten (schneller und langsamer Gang) gegenüber. Ist es sinnvoll, die Beschleunigung zu berechnen? Siehe Physikbuch S

4 3.3 OPTIK die Lehre vom Licht Das Reflexionsgesetz Stück Karton Kamm Taschenlampe Schere Spiegel 2 Gummiringe Schneide in den Karton ein Loch von etwa 2 cm Durchmesser und befestige ihn mit Hilfe der Gummiringe an dem Kamm. Die Zacken des Kamms befinden sich somit genau hinter dem Loch im Karton, sodass das Licht der Taschenlampe, die sich auf der anderen Seite des Kartons befindet, den Lichtstrahl in parallele Lichtstreifen aufteilt. Bringe nun einen Spiegel in einer gewissen Entfernung zum Karton an. Er muss schräg zu den Lichtstrahlen stehen. Man erkennt, dass die einfallenden Strahlen am Spiegel reflektiert werden. Durch Anbringen eines Lots (beispielsweise ein schmaler Streifen Papier), der normal zur Spiegeloberfläche steht, können die Winkel der Einfallsstrahlen und der Reflexionsstrahlen gemessen werden. Wird nun der Spiegel gedreht, so verändern sich das Lot und folglich auch die Winkel der einfallenden und der reflektierten Strahlen. An der Grenzfläche zweier Medien (hier: Luft Spiegel) wird ein Lichtstrahl ganz oder teilweise reflektiert. Alle Strahlen der Lichtquelle werden so reflektiert, als kämen sie von dem virtuellen Spiegelbild der Lichtquelle hinter dem Spiegel. Für diese Spiegelreflexion gilt das Reflexionsgesetz mit den zwei folgenden wichtigen Aussagen: (1) Einfallender Strahl, Lot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene. (2) Der Einfallswinkel α und der Reflexionswinkel α aller Strahlen sind gleich groß. DIE WINKEL WERDEN IMMER ZWISCHEN LICHTSTRAHL UND DEM LOT GEMESSEN!!! Die Brechung das gebrochene X Trinkglas 2 Strohhalme Wasser Speiseöl Öl Wasser Befülle das Glas bis zur Hälfte mit Wasser und tauche die Strohhalme überkreuzt in das Wasser ein. Beobachte genau und gib anschließend eine etwa 3 cm dicke Schicht Speiseöl hinzu. Wenn du das Glas von vorne betrachtest, erkennst du, dass die Strohhalme versetzt bzw. abgeschnitten erscheinen. Befindet sich zusätzlich noch Speiseöl in dem Glas, scheinen die Strohhalme sogar doppelt abgebrochen zu sein. Die Lichtstrahlen, die an den Strohhalmen reflektiert werden, werden gebrochen. Die optischen Dichten der drei Medien Luft, Wasser und Speiseöl sind unterschiedlich. So ist Speiseöl optisch dichter als Wasser und Wasser optisch dichter als Luft. Beim Übergang des Lichtes vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium tritt an der Grenzfläche der jeweiligen Medien eine Brechung zum Lot auf, im umgekehrten Fall tritt eine Brechung vom Lot weg auf. Die Brechung an den Grenzschichten Wasser Luft und Öl Luft ist unterschiedlich stark, da Wasser und Öl verschiedene optische Dichten besitzen. 13

5 3.4 Wärmeleitung Thermosflasche Trinkglas Ein kleines und ein großes Marmeladenglas mit passenden Deckeln Ein Stück Styropor oder Kork Alufolie Tixo / Klebestreifen Nimm das kleine Marmeladenglas, umwickle es mit zwei Schichten Alufolie und verwende die Klebestreifen, um die Folie zu fixieren. Fülle nun warmes (oder auch heißes) Wasser in das Trinkglas und in das kleine Marmeladenglas und verschließe es anschließend mit dem Deckel. In das große Marmeladenglas wird nun das Styropor bzw. der Kork gelegt und das kleine Marmeladenglas darauf gestellt. (Gib Acht, dass du dich nicht verbrennst!) Auch das große Marmeladenglas wird verschraubt. Warte min, nimm das kleine Marmeladenglas heraus und miss in beiden Gläsern die Wassertemperaturen. Die Wassertemperatur ist im Trinkglas schneller gesunken, als im kleinen Marmeladenglas. Beim Trinkglas kann die Wärmeenergie schnell an die Umgebung abgegeben werden und das Wasser im Inneren kühlt langsam ab. Die Luft zwischen den Marmeladengläsern, das Styropor / der Kork sind schlechte Wärmeleiter. Daher wird die Wärmeenergie nur sehr, sehr langsam an die umgebenden Materialien und Stoffe abgegeben und das Wasser bleibt auch nach min warm. Anwendung: Thermosflaschen, doppelwandige Fenster, 14

6 3.5 Druck und Auftrieb in der Luft Der schwebende Tischtennisball Föhn Tischtennisball Schalte den Föhn ein und halte seine Öffnung senkrecht nach oben. Lege nun vorsichtig einen Tischtennisball in den Luftstrom. Der Tischtennisball schwebt im Luftstrom des Föhns. Ist der Luftstrom nicht senkrecht nach oben gerichtet, dann fällt der Tischtennisball zu Boden. Nach dem Physiker Bernoulli (Bernoulli-Effekt) herrscht in einem Fluid im Strom ein anderer Druck als außen. Das bedeutet, dass der Druck im Luftstrom geringer ist, als der Luftdruck außen. Der äußere Luftdruck hält den Tischtennisball im Luftstrom des Föhns. Anwendung: Auch Wassertröpfchen können von Luftströmen getragen werden sie bilden Wolken. Werden die Wassertröpfchen zu schwer, dann fallen sie als Niederschlag (Regen, Schnee, Hagel, ) zu Boden. Magische Dosen Zwei leere Getränkedosen Strohhalm Wusstest du, dass man Gase und Flüssigkeiten mit dem Begriff FLUID zusammenfasst? Lege die beiden Dosen nebeneinander vor dir auf einen ebenen Untergrund. Blase mit dem Strohhalm zwischen die beiden Dosen. Die Dosen bewegen sich nicht, wie vielleicht vermutet voneinander weg, sondern aufeinander zu. In der strömenden Luft herrscht ein geringerer Druck, als außen (Luftdruck). Diesen Effekt nennt man Bernoulli Effekt. Der Luftdruck außen ist also größer und verursacht, dass sich die beiden Dosen aufeinander zu bewegen. Anwendung: Schiffe müssen einander immer in einem großen Abstand passieren. Bewegen sich zwei Schiffe zu nah aneinander vorbei, dann herrscht in der strömenden Flüssigkeit / der strömenden Luft ein geringerer Druck und die Schiffe bewegen sich (unfreiwillig) aufeinander zu. 15

7 3.6 Druck und Auftrieb in Wasser Springbrunnen zwei Marmeladengläser ohne Deckel ein Marmeladenglas mit passendem Deckel zwei Strohhalme Wasser mit etwas Lebensmittelfarbe oder Tinte gefärbt Knetmasse oder Kaugummi Einen Hammer und einen Nagel Eine Schachtel Verwende den Hammer und den Nagel, um ein Loch am Rand des Deckels zu bohren. (Arbeite vorsichtig und mit einer geeigneten Unterlage.) Bohre ein zweites Loch am gegenüberliegenden Ende des Deckels (siehe Abbildung). Stecke die Strohhalme so vorsichtig durch die beiden Löcher wie in der Abbildung gezeigt. Befestige die Strohhalme mit der Knetmasse. Fülle das gefärbte Wasser in zwei Marmeladengläser, sodass sie etwa halb voll sind. Nun wird eines der beiden Gläser mit dem vorbereiteten Deckel verschlossen. Der eine Strohhalm befindet sich im Wasser, der andere ragt aus dem Glas heraus. Platziere die Schachtel vor dir auf einer ebenen Unterlage. Das offene, mit Wasser gefüllte Glas stellst du auf die Schachtel, das leere Glas neben die Schachtel. Wie in der Abbildung erkenntlich, muss das verschlossene Glas nun umgedreht und platziert werden. Im Glas mit Deckel sprudelt Wasser aus einem Strohhalm. Beim Umdrehen des Glases kann durch den Strohhalm, der aus dem Glas ragt, Wasser abfließen. In dem verschlossenen Glas entsteht dadurch ein Unterdruck. Dieser sorgt dafür, dass das Wasser aus dem zweiten Wasserglas nach oben fließt und aus dem Strohhalm sprudelt. 16

8 Der Rasensprenger Eine kleine Plastikflasche Wasser Eine Schere Ein Strohhalm Fülle die Plastikflasche vollständig mit Wasser. Schneide den Strohhalm etwa 5 cm vom einen Ende entfernt ein (Achtung: nicht komplett durchschneiden) und knicke ihn anschließend wie in der Abbildung um. Der Strohhalm wird nun mit dem kurzen Ende in die Flasche gesteckt. Die Schnittstelle darf sich nicht im Wasser befinden. Sie soll sich etwa 1 cm über der Wasseroberfläche befinden. Schütte, wenn nötig, etwas Wasser aus. Jetzt kannst du kräftig in das lange Ende des Strohhalms blasen. Aus der Schnittstelle kommt ein feiner Wassernebel, der sich wie ein Spray verhält. Bläst du durch das lange Ende des Strohhalms, dann verlässt die Luft an der Schnittstelle den Strohhalm. Gemäß dem Bernoulli-Effekt verursacht der Luftstrom über der Schnittstelle einen Unterdruck. Das Wasser im kurzen Ende kann nach oben steigen und wird mit der ausströmenden Luft als feiner Nebel im Raum verteilt. Schwimmen und Sinken Zwei Eiswürfel Zwei Bechergläser Kaltes Wasser Speiseöl Fülle das kalte Wasser in ein Becherglas, Speiseöl in das andere. Lasse nun die Eiswürfel vorsichtig in die Gläser gleiten. Der Eiswürfel schwimmt im Wasser und sinkt im Öl. Wasser Öl Die Dichte von Eis ist geringer als die Dichte von Wasser. Daher schwimmt der Eiswürfel im Wasser. Öl hingegen, hat eine geringere Dichte als Wasser und eine geringere Dichte als Eis. Aus diesem Grund sinkt der Eiswürfel zu Boden. 17