Marco Kröpfl, Doris Wagner 1

Transkript

1 Marco Kröpfl, Doris Wagner 1 ZIELE Die Phasenübergänge anhand des Teilchenmodells beschreiben können Unter welchen Bedingungen ein Phasenübergang stattfindet & welche Größen dabei eine Rolle spielen THEMA Stationenbetrieb: Muss ein Stoff einen bestimmen Zustand besitzen? ELEMENTARE GRUNDIDEEN Stoffe können nicht nur einen Aggregatzustand besitzen Änderung der Aggregatzustände unter bestimmten Voraussetzungen SACHSTRUKTUR - UNTERRICHTSIDEEN Teilchenmodell Unterschiedliche Stoffe wechseln bei verschiedenen Temperaturen, Drücken ihren Aggregatzustand Welche Rolle spielt die Energie bei Phasenübergängen? Beobachtungen aus dem Alltag Erfahrungen im Alltag SCHÜLERPERSPEKTIVEN VERLAUFSSKIZZE Inhalt/Phase Methoden/Medien Kommentar 1. Inputphase über Phasenübergänge 2. Erklärung der Versuche und was man bei jeder einzelnen Station zu tun hat (Versuch durchführen, Beantwortung der gestellten Fragen) 3. Durchführung der Experimente Tafel Nicht mehr als 15 min min. sollte min 30 min dafür Zeit haben 4. Zusammenräumen der Versuchsplätze Zielüberprüfung letzten min der Stunde Fragen auf dem Arbeitsblatt welche während/nach jedem Versuch zu beantworten waren

2 Marco Kröpfl, Doris Wagner 2 Ein Phasenübergang ist ein benutzter Begriff, um abrupte Veränderungen der Eigenschaften eines Materials oder Systems bei nur geringen Veränderungen der Außenbedingungen zu beschreiben. Man spricht von den unterschiedlichen Phasen oder Aggregatzuständen eines Materials, die am Phasenübergang ineinander übergehen. Fest Teilchenmodell eines kristallinen Feststoffes Bewegung: Die kleinsten Teilchen sind bei einem Feststoff nur wenig in Bewegung. Sie schwingen um eine feste Position, ihren Gitterplatz, und rotieren meist um ihre Achsen. Je höher die Temperatur wird, desto heftiger schwingen/rotieren sie und der Abstand zwischen den Teilchen nimmt (meist) zu. Ausnahme: Dichteanomalie. Die Form des Feststoffes bleibt unverändert. Abstand: Durch die starke Anziehung sind die Teilchen eng beieinander (hohe Packungsdichte) Das Volumen eines Feststoffes lässt sich durch Kompression nicht verringern. Lediglich Temperaturänderungen bewirken Veränderung des Volumens durch Wärmeausdehnung. Flüssig

3 Marco Kröpfl, Doris Wagner 3 Teilchenmodell einer Flüssigkeit bzw. eines amorphen Festkörpers Bewegung: Die Teilchen sind nicht wie beim Feststoff ortsfest, sondern können sich gegeneinander verschieben. Bei Erhöhung der Temperatur werden die Teilchenbewegungen immer schneller. Abstand: Obwohl der Abstand der Teilchen durch die schnellere Bewegung ein wenig größer wird (die meisten festen Stoffe nehmen beim Schmelzen einen größeren Raum ein), hängen die Teilchen weiter aneinander. Das Volumen einer Flüssigkeit lässt sich nicht stark durch Kompression verringern. gasförmig Teilchenmodell eines Gases Bewegung: Bei Stoffen im gasförmigem Zustand sind die Teilchen schnell in Bewegung. Ein Gas oder gasförmiger Stoff verteilt sich schnell in einem Raum. In einem geschlossenen Raum führt das Stoßen der kleinsten Teilchen gegen die Wände zum Druck des Gases. Abstand: Durch die schnelle Bewegung der Teilchen in einem Gas sind sie weit voneinander entfernt. Sie stoßen nur hin und wieder einander an, bleiben aber im Vergleich zur flüssigen Phase auf großer Distanz. Ein gasförmiger Stoff lässt sich komprimieren, d. h. das Volumen lässt sich verringern. Anordnung: Aufgrund der Bewegung sind die Teilchen ungeordnet

4 Marco Kröpfl, Doris Wagner 4 Stationenbetrieb zum Thema Phasenübergänge Folgende Punkte sind zu beachten: Im Klassenraum sind insgesamt acht verschiedene Stationen vorbereitet, vier davon müssen mindestens bearbeitet werden! Arbeitet in Dreiergruppen und beantwortet die Fragen vom Arbeitsblatt zu den gewählten Stationen! Arbeitet möglichst leise, damit die anderen nicht gestört werden! Am Ende der Stunde wird das Arbeitsblatt abgesammelt, darum achtet auf euere Zeiteinteilung! Falls Unklarheiten auftreten könnt ihr uns natürlich jederzeit fragen! Die Gruppe die sich am meisten bei der Beantwortung der Fragen bemüht hat, bekommt drei Wärmekissen! Falls das Stationenlernen nicht funktioniert und es zu laut wird oder etwas mutwillig kaputt gemacht wird, wird der Stationenbetrieb eingestellt und es folgt eine normale Physikstunde ohne Experimente! Los geht s! Viel Spaß.

5 Marco Kröpfl, Doris Wagner 5 1. Station Bleigießen Durchführung: Die Bleifiguren sollen mit Hilfe des Löffels über der Flamme des Teelichts erwärmt und anschließend ins Wasser gegossen werden! Beantworte dann nachstehende Fragen! Welche Zustandsänderung(en) kannst du beobachten und warum kann es zu diesem/n Phasenübergang/-gängen kommen? Erkläre kurz diese(n) Vorgang bzw. Vorgänge! 2. Station Wasser kochen Durchführung: Das Wasser im Gefäß soll erhitzt werden und darüber wird ein Glasgefäß gestülpt. Wenn du die Fragen beantwortet hast, darfst du dir einen Tee genehmigen! Welche Zustandsänderung(en) kannst du beobachten und erkläre diese! Bei welcher Temperatur beginnt das Wasser zu kochen? 3. Station Eiswürfel Durchführung: Die Eiswürfel werden in das Wassergefäß gegeben. Beantworte dazu folgende Fragen. Warum wird die Temperatur des Wassers durch Zugabe der Eiswürfel niedriger? Kannst du hier einen Phasenübergang beobachten, wenn ja welchen und erkläre diesen! 4. Station Kerze Durchführung: Zünde die Kerze an und beantworte die Fragen dazu. Welche Zustandsänderungen finden statt? Erkläre diese! Warum wird die Kerze kleiner?

6 Marco Kröpfl, Doris Wagner 6 5. Station Wetter Durchführung: Beantworte folgende Fragen mit Hilfe der Unterlagen. Nenne Beispiele für Wettererscheinungen, die du mit Hilfe der Phasenübergänge beschreiben kannst. Erkläre zwei davon. 6. Station Wasser kochen Durchführung: Drücke mit dem Daumen auf die Öffnung der Spritze und versuche gleichzeitig den Kolben zurück zu ziehen. Wovon sind Zustandsänderungen abhängig? Was kannst du in der Spritze beobachten und warum? 7. Station Flüssiggas (Butan) Durchführung: Flüssiges Isobutan wird aus der Dose in die Glasschale gesprayt. Warum bildet sich an der Glasoberfläche eine gefrorene Schicht? Welcher Phasenübergang ist erkennbar, was passiert dabei? 8. Station Intelligente Textilien / Wärmepads Durchführung: Man kann sich den Mechanismus von Funktionswäsche so ähnlich vorstellen wie bei den Wärmekissen. Knicke das Metallplättchen in der Flüssigkeit und beobachte den Vorgang! Warum wird es beim Übergang vom flüssigen auf den festen Zustand warm? Warum muss ich diese Handwärmer anschließend wieder erwärmen um sie in den flüssigen Zustand zu überführen?

7 Marco Kröpfl, Doris Wagner 7 Namen der Gruppenmitglieder: Arbeitsblatt 1.Station Welche Zustandsänderung(en) kannst du beobachten und warum kann es zu diesem/n Phasenübergang/-gängen kommen? Erkläre kurz diese(n) Vorgang bzw. Vorgänge! 2.Station Welche Zustandsänderung(en) kannst du beobachten und erkläre diese! Bei welcher Temperatur beginnt das Wasser zu kochen? 3.Station Warum wird die Temperatur des Wassers durch Zugabe der Eiswürfel niedriger? Kannst du hier einen Phasenübergang beobachten, wenn ja welchen und erkläre diesen! 4.Station Welche Zustandsänderungen finden statt? Erkläre diese! Warum wird die Kerze kleiner?

8 Marco Kröpfl, Doris Wagner 8 5.Station Nenne Beispiele für Wettererscheinungen, die du mit Hilfe der Phasenübergänge beschreiben kannst. Erkläre zwei davon. 6.Station Wovon sind Zustandsänderungen abhängig? Was kannst du in der Spritze beobachten und warum? 7.Station Warum bildet sich an der Glasoberfläche eine gefrorene Schicht? Welcher Phasenübergang ist erkennbar, was passiert dabei? 8.Station Warum wird es beim Übergang vom flüssigen auf den festen Zustand warm? Warum muss ich diese Handwärmer anschließend wieder erwärmen um sie in den flüssigen Zustand zu überführen?