ffl 1 Laborboy ffl 1 Stativstange (60cm) ffl 1 Querstange (30cm) ffl 2 Kreuzmuffen ffl 1 Tischklemme 1.3 Vorbereitung Das Aquarium wird mit Wasser gef

Transkript

1 Demonstrationsexperimente WS 04/05 Thema: Nachweis des Schweredrucks mit einer Druckdose Simone Schuler 12. November Versuchsbeschreibung Mit Hilfe einer Druckdose soll der Schweredruck in einer Flüssigkeit demonstriert werden und die lineare Abhängigkeit des Druckes von der Eintauchtiefe ermittelt werden. Zusätzlich kann mit diesem Aufbau gezeigt werden, dass der Druck keine Richtung besitzt, also ein Skalar ist. Wird die Dose um ihre Horizontalachse gedreht, so dass die Kraft auf die Dose aus verschiedenen Richtungen wirkt, so bleibt der Druck in der gleichen Tiefe immer gleich. 1.1 Prinzip der Druckdose Die Druckdose besteht aus einer flachen Metalldose, deren offene Stirnfläche mit einer Gummimembran bespannt ist. Durch den bei einer Tauchtiefe h T auf die Membran wirkenden hydrostatischen Druck wird das Volumen der Druckdose verkleinert und somit der Druck der eingeschlossenen Luft erhöht. Diese Druckerhöhung kann mit dem angeschlossenen U-Rohr-Manometer nachgewiesen werden. Der Höhenunterschied h M der beiden Flüssigkeitsspiegel des U-Rohr- Manometers ist ein direktes Maß für den hydrostatischen Druck. Die Richtung der Druckwirkung ergibt sich aus der räumlichen Ausrichtung der Membran der Druckdose. 1.2 Materialliste ffl 1 Druckdose ffl 1 aufgeschnittenen Luftballon als Membran füer die Dose ffl 1 zur Druckdose passendes U-Rohr-Manometer ffl 1 Messlatte (1m) mit Fuß und Zeigern ffl 1 rechteckiges Aquarium 1

2 ffl 1 Laborboy ffl 1 Stativstange (60cm) ffl 1 Querstange (30cm) ffl 2 Kreuzmuffen ffl 1 Tischklemme 1.3 Vorbereitung Das Aquarium wird mit Wasser gefüllt und die Druckdose wird mit einem aufgeschnittenen Luftballon bespannt. Da wir in diesem Versuch verschiedene Eintauchtiefen benötigen, muss entweder das Aquarium oder die Befestigung der Druckdose höhenverstellbar sein. Wie in der Zeichnung ersichtlich, wird hier die Druckdose höhenverstellbar angebracht. (Die lange Stativstange wird mit der Tischklemme am Laborboy befestigt und daran wiederum über die Querstange die Druckdose) Das Manometer wird mit einer Spritze oder einer Spritzflasche mit gefärbtem Wasser gefüllt, bis die beiden Schenkel ca. halb voll sind. Dann setzt man es mit dem Stopfen fest in das Rohr an der Druckdose. Danach öffnet man den Schraubverschluss der Druckdose, damit sich die Flüssigkeitsspiegel in den Manometerschenkeln gleichmäßig einstellen, also zu Beginn in der Druckdose Atmosphärendruck herrscht. Es ist außerdem sinnvoll die Nullmarke der Manometerskala auf Höhe dieses Flüssigkeitsspiegels zu verschieben. Die Gummimembran wird auf die Höhe des Wasserspiegels gebracht und der obere Maßstabszeiger, der die Nullmarke der Eintauchtiefe markiert, wird auf Höhe der Unterkante des " Laborboytischchens eingestellt. Wird die Druckdose ins Wasser getaucht, kann am 2

3 unteren Schieber, der immer auf Höhe der Unterkante des Laborboytischchens " sein soll, die Eintauchtiefe h t abgelesen. 1.4 Durchführung Die Durchführung des Versuchs kann in zwei oder drei Teile aufgeteilt werden: 1. Teil: evtl. Vorversuch zur Funktionweise des Manometers: Auch wenn es bereits als Lernvoraussetzung angesehen wird, so ist es doch sinnvoll, den Schülern noch einmal die Beziehung p ο h M klar zu machen. Dazu nimmt man zwei identische Gewichtsstücke (Scheiben), die man gut aufeinander legen kann. Zuerst legt man ein Gewichtsstück auf die Gummimembran. Am U- Rohr-Manometer ergibt sich eine Höhendifferenz h M. Legt man nun das zweite Gewichtsstück auf das erste, so dass der Druck auf die Membran doppelt so groß ist (gleiche Auflagefläche A, doppelte Gewichtskraft G), so verdoppelt sich auch die Höhendifferenz am Manometer. 2. Teil: h T ο h M ο p Der untere Schieber wird auf die Tauchtiefe h T eingestellt und dann der Laborboy dementsprechend so verstellt (Höhe der Unterkante = Höhe des Zeigers), dass die Druckdose schlielich um h T eingetaucht ist. Die Höhendifferenz h M der Flüssigkeitsspiegel in den Manometerschenkeln wird abgelesen. Dies wird nacheinander für verschiedene Höhen h T durchgeführt und die Werte in eine Tabelle und anschließend in ein Diagramm eingetragen. Dem Diagramm entnimmt man schließlich: h T h M und somit h T p Es ist sinnvoll, die Eintauchtiefe gleichmäßig um h T zu erhöhen, da dann auch die Höhendifferenz im Manometer gleichmäßig um h M zunimmt. Die Proportionalität der beiden Größen wird so sofort ersichtlich. 3. Teil: Der Druck ist richtungsunabhängig, also ein Skalar Bei unterschiedlichen Tauchtiefen (zwei genügen) wird die Druckdose um ihre Horizontalachse gedreht, so dass die Gummimembran auch einmal zu Seite und nach unten zeigt. Man stellt fest, dass der Druck bei fester Eintauchtiefe h T gleich bleibt, egal in welche Richtung die Membran zeigt 2 Lernvoraussetzungen ffl Die Schüler kennen den Begriff Stempeldruck und die Definition des Druckes als p = F A ffl Die Schüler kennen das U-Rohr-Manometer als Druckmeßgerät und wissen, dass der Höhenunterschied h M der beiden Flüssigkeitssäulen im Manometer ein direktes Maß für den Druck ist, d.h. h M ο p. 3

4 ffl Die Schüler kennen den Begriff der Dichte und die Beziehung ρ = m V homogene Körper). (für ffl Die Schüler kennen den Begriff und die Bedeutung der Proportionalität und können aus einem Diagramm die Proportionalität ablesen. ffl Die Schüler kennen das Wechselwirkungsgesetz: " actio gegengesetzt gleich reactio 3 Lernziele 3.1 Grobziele ffl Die Schüler sollen die Beziehung p = ρ g h für den hydrostatischen Druck kennenlernen. ffl Die Schüler sollen lernen, dass der Druck in alle Richtungen gleichermaßen wirkt 3.2 Feinziele ffl Die Schüler sollen erkennen: Wird auf die Membran der Druckdose ein Druck ausgeübt, so kann dieser Druck mit dem Manometer gemessen werden. ffl Die Schüler sollen einen Versuchsaufbau kennenlernen, womit ein Druck im Wasser gemessen werden kann. ffl Die Schüler sollen erkennen, dass der Druck im Wasser mit der Wassertiefe zunimmt und den linearen Zusammenhang zwischen den beiden feststellen. ffl Die Schüler sollen einsehen, dass der Druck auf die horizontal nach obenliegende Membran gegeben ist durch die Gewichtskraft der darüberliegenden Wassersäule dividiert durch die Fläche der Membran. ffl Die Schüler sollen den Begriff " hydrostatischer Druck kennenlernen und die Beziehung p = ρ g h herleiten können. ffl Die Schüler sollen feststellen, dass der Druck in alle Richtungen gleichermaßen wirkt und im Gegensatz zur Kraft keine ausgezeichnete Richtung besitzt. ffl Die Schüler sollen sich die Kraft auf die nach unten liegende Membran gemäß dem Wechselwirkungsgesetz als Gegenkraft zur Gewichtskraft vorstellen. 4

5 4 Bezug zu einem übergeordneten Unterrichtsthema Die übergeordnete Unterrichtseinheit ist " Druck in Flüssigkeiten und Gasen 5 Experimentelle Alternativen Um den hydrostatischen Druck zu demonstrieren, kann auch der in der Anleitung in 3.2 als " Versuch 1 gekennzeichnete Versuch hergenommen werden. Mit diesem Versuch kann ebenfalls gezeigt werden, dass der Druck im Wasser von der Wassertiefe abhängt und der Druck auf eine Fläche im Wasser von der Gewichtskraft der darüberliegenden Wassersäule herrührt. Allerdings kann mit diesem Versuch nicht die Richtungsunabhängigkeit des Druckes demonstriert werden. 6 Notwendige Modifikationen des Demonstrationsexperiments bei Einsatz als Schülerexperiment Der Druckdosen-Versuch kann prinzipiell genauso als Schülerversuch durchgeführt werden. Allerdings verwendet man dann aus Kostengründen billigere Apparaturen aus Plastik. 7 Unterrichtsverfahren Typ: Normalverfahren nach Mothes 7.1 Sozialform Unterrichtsgespräch mit Demonstrationsexperiment Problem: Die von Seiten der Schüler geplante Versuchsplanung ist nur begrenzt möglich, da der Aufbau des Versuchs festgelegt ist. Allerdings können und sollten von Seiten der Schüler Vorschläge zur Versuchsdurchführung gebracht werden. 7.2 Lehr- und Lernformen erarbeitende Lehrform (Lehrer- und Unterrichtsgespräch) 5

6 7.3 Motivations- oder Einstiegssituation Frage nachwasserdichten Uhren: " Warum ist z.b. auf manchen Uhren angegeben, dass sie bis zu 10m wasserdicht sind und bei anderen beispielsweise 20? Wasserdicht ist doch Wasserdicht, oder?! oder: Was spürt man, wenn man im Wasser tief taucht?! " Druckgefühl in den Ohren 8 Sicherung der Lernziele Hefteintrag siehe nächste Seite 9 Lernzielkontrolle Die Schüler sollen als Hausaufgabe ausrechnen, bis zu welchem Druck eine Uhr mit der Angabe " bis zu 10m/25m/50m wasserdicht ist. Gegebenfalls können Daten von Uhren der Schüler verwendet werden. 6