ENT 8.1. Erwärmen von Wasser mit einer Parabolrinne

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1 Erwärmen von Wasser mit einer Parabolrinne ENT Schlüsselworte Sonnenenrgie, Parabolspiegel, Brennpunkt Parabolrinnen-Kraftwerk, Absorption, Reflexion Kaltes Wasser Prinzip Parabolspiegel bündeln das Licht der Sonne in einem Brennpunkt, in dem dann sogar ein Stück Papier brennt. Parabelförmige Rinnen besitzen eine Brennlinie in der z. B. Röhren sehr effektiv erhitzt werden. Im Versuch wird ein schwarzes, mit Wasser gefülltes Reagenzglas mit einer 120-W-Reflektorlampe beleuchtet und der Einfluss der Parabolrinne in verschiedenen Versuchsaufbauten untersucht: Reagenzglas in der Brennlinie, außerhalb der Brennlinie, Aufbau ohne Parabolrinne. Material *2 Klemmhalter mit 2 Spannstellen *1 Maßstab für Demo-Tafel *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel Parabolrinnen-Einheit Klemmhalter, d = 16 mm, mit Stiel *3 Leitungsbaustein, winklig *1 Becherglas, niedrige Form, 400 ml Spritze, 20 ml, LUER, 1 St. von Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Stativstange PASS, l = 630 mm Lampenfassung E Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor **1 Cobra4 Wireless Manager **1 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur **1 Halter für Cobra4, magnetisch **1 Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl **1 Software measure für Cobra PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Erwärmen von Wasser mit einer Parabolrinne Aufbau - Das 400-ml-Becherglas mit kaltem Wasser füllen. - An der oberen Kante der Demo-Tafel die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin die Stativstange PASS befestigen. Am Ende der Stativstange die Reflektorlampe haltern (siehe Abb. 2). - Den Versuch nach Abb. 1 aufbauen. - Einen magnetischen Klemmhalter mit 2 Spannstellen direkt an die Oberkante der Tafel setzen, wobei die Magnetmitte etwa 3 cm links neben der Stativstange sein soll. - Den anderen magnetischen Klemmhalter in einem Abstand (Mitte-Mitte) von etwa 21 cm darunter setzen. Abb. 2: Aufbau Lampe - Die beiden kleinen Klemmhalter mit Stiel jeweils in die Spannstelle in der Nähe der Tafel stecken. - Das Reagenzglas mit kaltem Wasser aus dem Becherglas füllen, die Wasseroberfläche soll dabei etwa 1 mm über dem schwarz lackierten Teil zu sehen sein. - Die Schraubkappe mit 8-mm-Dichtung aufsetzen. - Den Parabolspiegel an das Reagenzglas klemmen und das Reagenzglas so in die Klemmhalter mit Stiel setzen, dass sich die Schraubkappe am oberen Halter befindet (Abb. 1). - Die Reflektorlampe mittig auf die Parabolrinne ausrichten, der Abstand zum Reagenzglas soll ca. 30 cm betragen (seitliche Feinjustierung des Reagenzgläser durch die Klemmhalter mit Stiel) - Parabolrinne parallel zur Tafel justieren (Abstand der beiden Seitenkanten von der Tafel gleich). - Temperaturfühler in das Reagenzglas schieben und dann das Kabel so um Stange und Muffe legen, dass der Fühler dadurch möglichst senkrecht im Reagenzglas gehalten wird und nicht an eine Wand stößt (Abb. 1). Abb. 3: Messwerterfassung 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Erwärmen von Wasser mit einer Parabolrinne ENT Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur einschalten. Die Sensor- Unit und die Messgrößen T 1 und T 2 werden als Messkanäle angezeigt. - Experiment laden (Experiment > Experiment öffnen > ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 3). - Die Lampe einschalten und die Messwertaufnahme in measure starten. - Die Messung endet automatisch nach 5 min. - Wiederholungsmessung wählen. - Lampe ausschalten. - Reagenzglas aus den Haltern nehmen und Parabolrinne entfernen. das Reagenzglas entleeren, Glas unter dem Wasserhahn abkühlen und abtrocknen. - Aus dem Becherglas neues kaltes Wasser einfüllen. - Reagenzglas wieder in die Halter einsetzen. - Parabolrinne mit Hilfe von 3 Bausteinen senkrecht hinter das Reagenzglas setzen: Dazu die Parabolrinne zunächst unten auf den Halter und einen Baustein setzen, hinten gegen den Magneten des Halters schieben und möglichst senkrecht ausrichten. Dann mit Hilfe der anderen beiden Bausteine oben abstützen und die Parabolrinne parallel zur Tafel justieren (Abb. 4). - Die Lampe einschalten und die Messung starten. - Die Messung endet automatisch nach 5 min. - Wiederholungsmessung wählen. - Lampe ausschalten. - Parabolrinne abnehmen, sie wird für die letzte Messung nicht benötigt. - Reagenzglas wieder abkühlen und abtrocknen, mit kalten Wasser aus dem Becherglas füllen und in die Halter einsetzen. - Die Lampe einschalten und Messung starten. - Die Messung endet automatisch nach 5 min. - Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. - Lampe ausschalten. Abb. 4: Aufbau Reagenzglas außerhalb des Brennpunktes P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Erwärmen von Wasser mit einer Parabolrinne Beobachtung Abb. 5: Messauswertung Auswertung Das schwarze Reagenzglas absorbiert das einfallende Licht, sodass das Wasser erwärmt wird. Durch einen Spiegel, der zusätzliches Licht auf das Glas reflektiert wird, kann eine sehr viel größere Erwärmung erreicht werden. Das Reagenzglas befindet sich direkt in der Brennlinie der Parabolrinne, wenn diese an das Glas geklemmt wird. Im Idealfall wird dann von jeder Stelle des Spiegels Licht auf das Glas reflektiert und dort absorbiert. Befindet sich das Glas außerhalb der Brennlinie, dann fällt nur das von einem Teil des Spiegels reflektierte Licht auf das Glas, es wird also weniger absorbiert. Mit Hilfe der Tabellenwerte oder der Funktion Vermessen kann aus den Messkurven jeweils die Temperaturerhöhung nach einer Beleuchtungszeit von 5 min ermittelt werden. Aufbau Reagenzglas innerhalb der Brennlinie Reagenzglas außerhalb der Brennlinie Reagenzglas ohne Parabolrinne Anfangstemperatur in C Endtemperatur in C Temperaturerhöhung in C 22,9 47,7 24,8 23,0 42,6 19,6 22,7 33,3 10,6 Die gemessenen Temperaturen sind vom Abstand der Lampe und von der Position und Justierung der Parabolrinne abhängig. Der Zusammenhang ist in jedem Fall deutlich zu erkennen. 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Erwärmen von Wasser mit einer Parabolrinne ENT Anwendung Hohlspiegel, die die Sonnenstrahlung im Brennpunkt sammeln und große Hitze z. B. zum Kochen erzeugen, wurden von Menschen schon immer genutzt. Der in diesem Experiment verwendete Spiegel in Form einer parabelförmigen (oder halbreisförmigen) Rinne besitzt eine Brennlinie anstelle eines Brennpunktes. Sie ist ein Beispiel für die in großen Parabolrinnen-Kraftwerken eingesetzten Spiegel. Hier befinden sich in den Brennlinien Rohre mit einer Flüssigkeit, die - bis zum Sieden erhitzt - Turbinen antreiben und Strom erzeugen kann. Korrespondenz Schülerversuche TESS EN Erwärmen von Wasser mit einer Parabolrinne (P ) 8.2 Einfluss der Position des Absorbers in der Parabolrinne auf die Erwärmung (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl Digitale Großanzeige P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Erwärmen von Wasser mit einer Parabolrinne Raum für Notizen 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P