Mariazell 1996 Helmuth MAYR - BGRG- Wien 15/Schmelz und Uni-Wien/AG Physik-Didaktik

Transkript

1 DER FEUERSTURM IM KLASSENZIM- MER (für thermische Anfänger ) viele Teelichter Zünder feuerfeste Unterlage weiteres Experimentiermaterial nach Bedarf In die Mitte einer feuerfesten Unterlage wird ein Teelicht gestellt. Um dieses Zentral-Teelicht werden weitere Teelichter in mindestens zwei konzentrischen Kreisen angeordnet und dann [von innen nach außen - Unfallgefahr!!!] entzündet. Der entstehende Effekt ist in einem möglichst zugluftfreien Raum deutlich erkennbar. 1. Erklären Sie den beobachtbaren Effekt. 2. Stellen Sie fest, von welchen Systemparametern dieser Effekt abhängt. 3. Dieses System stellt ein einfaches Modell für eine alltägliche Wettererscheinung dar. Welche? Erfinden Sie ein Meßverfahren, mit dem Sie die Größenordnung der Geschwindigkeit der aufsteigenden Warmluft bestimmen können. DIE PHYSIK DES SCHLAFZIMMERBLICKES (für optisch leicht Fortgeschrittene ) 1 Teelicht/Zünder Wenn Sie die Augenlider soweit senken, daß sich die Wimpern vor den Pupillen befinden, nennen wir dies im folgenden einen Schlafzimmerblick. Entzünden Sie ein Teelicht und beobachten Sie dessen Flamme mit dem Schlafzimmerblick. 1. Beschreiben Sie die von Ihnen gemachten Beobachtungen mit verschieden intensivem Schlafzimmerblick. 2. Erklären Sie unter Zuhilfenahme einschlägiger Phänomene bzw. Zusammenhänge, wie die von Ihnen beobachteten Erscheinungen zustande kommen. Bauen Sie in Ihre Erklärung(en) auch (eine) zahlenwertmäßige Abschätzung(en) ein! Seite 1 von 5

2 UNSICHTBARES WIRD SICHTBAR (für optische Tüftler ) [EIN EINFACHES EXPERIMENT MIT ZWEI MÜNZEN UND EINER LINSE] BLICK- RICHTUNG LINSE 1 Schilling-Münze 10 Groschen-Münze 1 1-Schilling-Münze 1 10-Groschen-Münze 1 Satz Sammel-Linsen 1 Unterlage 1 Schiebelehre 1 Rollmaßband Knetmasse eventuell: 1 2-Groschenmünze Stellen Sie mit Hilfe von etwas Knetmasse eine 1-Schilling- und eine 10-Groschen-Münze in einer Entfernung von einigen Zentimetern so hintereinander auf, daß sie (orthogonal) auf der Untergrund-Ebene parallel zueinander stehen und ihre Mittelpunkte auf einer Trägergeraden [die gleichzeitig die Blickrichtung beschreibt] liegen, die parallel zu dieser Untergrundebene verläuft. EFFEKT Wenn Sie nun [gemäß Skizze] mit unbewaffnetem Auge genau auf das Zentrum der größeren (!) 1-Schillingmünze blicken [also in Richtung der oben erwähnten Trägergeraden], können Sie die kleinere 10-Groschenmünze klarerweise deshalb nicht sehen, da sie ja von der Schillingmünze verdeckt wird. Betrachten Sie diese Anordnung jedoch aus unveränderter Blickposition durch eine geeignete SAMMEL-LINSE, können Sie die kleinere 10-Groschen-Münze trotzdem sehen! 1. Bauen Sie diese Anordnung gemäß obiger Anleitung so auf, daß Sie den beschriebenen Effekt optimal beobachten können. 2. Formulieren Sie einen Erklärungsversuch. 3. Überprüfen Sie Ihren Erklärungsversuch durch geeignete Messungen. [Verändern Sie gegebenenfalls Ihren Erklärungsversuch derart, daß Ihre Meßergebnisse mit der Letztfassung Ihrer Erklärung in Einklang stehen]. 4. Stellen Sie einen allgemein gültigen funktionalen Zusammenhang der relevanten Systemgrößen auf, der diesen Effekt klärt. 5. Stellen Sie ein (mathematisches) Kriterium für diesen Effekt auf. (Die Anregung zu diesem Experiment wurde der Zeitschrift PRAXIS DER NATURWISSENSCHAFTEN - PHYSIK, Heft 6/45, September 1996, S entnommen.) Seite 2 von 5

3 EIN MAGISCHES QUADRAT (für Rätselfreunde) 1 Diaprojektor 1 Schere oder Messer 1 (verstellbarer) Spalt 1 Rollmaßband 1 Karton (etwa Postkartengröße) 1 helle Wand oder Projektionsschirm 1 Satz Stativmaterial eventuell: weitere Kleinteile bzw. Hilfsmittel Spalt 3-4 Meter Der Diaprojektor wird in einer Entfernung von drei bis vier Metern vor einem Projektionsschirm aufgestellt und so justiert, daß eine Abbildung der Glühwendel in der Projektionsebene gerade vermieden wird. PROJEKTOR Quadrat- Blende ½ m Schirm Direkt vor den Projektor wird ein lotrechter, 1 bis 2 mm breiter Spalt so postiert, daß er vom Licht des Projektors voll ausgeleuchtet wird (und möglichst kein Streulicht auf den Projektionsschirm fällt). In den postkartengroßen Karton wird ein auf die Spitze gestelltes Quadrat mit einer Seitenlänge von 25 mm geschnitten und in einer Entfernung von etwa ½ Meter hinter dem Spalt parallel zu diesem so aufgestellt, daß die Mitte des Quadrates von der optischen Achse getroffen wird. [Die Herstellung der quadratischen Lochblende erfordert größtmögliche Genauigkeit!]. Vom Diaprojektor aus gesehen fällt das Licht also zuerst durch einen lotrechten Spalt und dann durch eine Lochblende, die die Form eines auf die Spitze gestellten Quadrates hat! [Die Mittelpunkte der rechteckigen Spaltfläche und des Quadrates werden von der optischen Achse durchstoßen]. 1. Bauen Sie die Anordnung auf und justieren Sie sie sorgfältig. 2. Beobachten und beschreiben Sie den durch diese Anordnung [in einem so gut wie möglich abgedunkelten Raum] erzeugten Bildinhalt auf dem Schirm. 3. Analysieren Sie die Entstehung der beobachtbaren Bildinhalte durch Veränderung der Anordnung bzw. deren Elemente. 4. Formulieren Sie einen Erklärungsversuch! [Die Anregung zu diesem Experiment wurde der Habilitationsschrift von Peter Reinold, Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften, (Abteilung Didaktik der Physik) an der Universität Kiel, vorgelegt im September 1993, entnommen]. Seite 3 von 5

4 EINE SPRITZE ZÄHER LUFT (für olympische Kämpfernaturen ) 1 10-ml-Spritze mit Nadel bei Bedarf: 1 wassergefülltes Gefäß Millimeterpapier 1 Stoppuhr Schiebelehre/Rollmaßband 1 Satz Stativmaterial [eventuell: zusätzliche Kleinteile] h VARIANTE I Eine 10-ml-Einwegspritze ohne Kolben wird so ins Wasser getaucht, daß die aufgesetzte Nadel (Achtung: VERLETZUNGSGEFAHR!!) lotrecht nach oben zeigt. Der durch das Wasser ausgeübte Druck sorgt dafür, daß die Luft aus der Spritze strömt. h VARIANTE II Die Spritze wird zuerst untergetaucht, sodaß sie mit Wasser gefüllt ist. Dann wird sie hochgehoben. Durch das rückfließende Wasser saugt die Spritze Luft an. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Die Luft strömt laminar durch die Nadel. Das entsprechende Strömungsverhalten eines Mediums durch ein Rohr wird durch das Gesetz von HAGEN-POISEUILLE beschrieben. Es lautet: dv dt 4 π R p = 8 η L dv/dt strömendes Volumen pro Zeit R Innenradius des Rohres p Druckdifferenz zwischen Rohranfang und -ende η Zähigkeitskoeffizient (= kinematische Viskosität) des strömenden Mediums (in Pa. sec) L Rohrlänge Das Hagen-Poiseuille-Gesetz setzt eine konstante Druckdifferenz p voraus. Der veränderliche Wasserspiegel bedingt jedoch eine zeitlich veränderliche Druckdifferenz! Um eine konstante Druckdifferenz zu erzielen wäre es denkbar, die Spritze während des Aus- (bzw. Ein)-Strömens der Luft so zu bewegen, daß tatsächlich p konstant bleibt. Dies setzt jedoch eine überdurchschnittliche experimentelle Geschicklichkeit voraus und kann meist nur sehr ungenau realisiert werden. Seite 4 von 5

5 Die nicht-konstante Druckdifferenz läßt sich durch folgende Überlegung wesentlich einfacher berücksichtigen: Da der Wasserspiegel von Null bis zu einem Maximum steigen (oder bei der Variante II sinken) kann, wird die Änderung des Volumens offensichtlich durch einen Ausdruck der Form δ t Vt () = V0 e beschrieben: Demzufolge läßt sich aus der Ausströmzeit eine HALBWERTSZEIT τ berechnen, mit der die Volumenströmung mathematisch erfaßt werden kann. DATEN Fallbeschleunigung g = 9,8 m/s² Wasserdichte ρ (Wasser) = 10 3 kg/m 3 Nadel-Innen-Radius R = 0,25 mm [laut Herstellerangabe] Nadel-Länge L = 51 mm Kolben-Querschnittsfläche A = 2 cm² AUFGABE Entwickeln Sie ein Verfahren, mit dem Sie den dynamischen Zähigkeitskoeffizienten η der Luft experimentell bestimmen können und vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit den Tabellenwerten! Tabellenwerte für den dynamischen Zähigkeitskoeffizienten η der Luft bei Normaldruck: Temperatur in C η in 10-6 Pa.sec 0 17, , , (Dieses Experiment wurde in der Zeitschrift PRAXIS DER NATURWISSENSCHAFTEN - PHYSIK, Heft 4/45, Juni 1996, S beschrieben). Seite 5 von 5