Anregungen zur Behandlung der Blutsenkungsreaktion im naturwissenschaftlichen Unterricht

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Gundi Otto
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1 Universität Leipzig Fakultät für Physik und Geowissenschaften Bereich Didaktik der Physik Anregungen zur Behandlung der Blutsenkungsreaktion im naturwissenschaftlichen Unterricht Bachelorarbeit Name des Studenten: Stefanie Kluschke Matrikelnummer: Studiengang: Polyvalenter Bachelor Lehramt Mathematik und Physik Abgabedatum: Betreuer: Prof. Dr. Wolfgang Oehme

2 Inhaltsverzeichnis 1 Biologisch-Medizinische Grundlagen Blutkreislauf Funktion und Zusammensetzung des Bluts Medizinische Bedeutung der Blutsenkung Physikalische Grundlagen Innere Reibung und Viskosität Kugelfallmethode nach Stokes Didaktische Umsetzung Experimentelle Grundlagen Versuche zur Blutsenkung Einsatzmöglichkeiten im Unterricht Zusammenfassung 36 5 Anhang 38 6 Literaturverzeichnis 43 7 Abbildungsverzeichnis 45 8 Selbständigkeitserklärung 47 2

3 Kapitel 3 Didaktische Umsetzung Dieses Kapitel stellt eine Reihe von Experimenten zur Veranschaulichung der Blutsenkung im naturwissenschaftlichen Unterricht vor. Dabei werden neben den theoretischen Vorüberlegungen und den praktischen Realisierungen auch deren didaktische Einsatzmöglichkeiten besprochen. 3.1 Experimentelle Grundlagen Es gibt verschiedene Möglichkeiten die Blutsenkung mit Hilfe der Kugelfallmethode nach Stokes umzusetzen. Einerseits lässt sich die Flüssigkeit, also das Äquivalent zum Blutplasma, in Viskosität η und Dichte ρ Fl variieren. Eine kostengünstige Variante stellt die Verwendung von Glycerin dar, welches sich aufgrund seiner relativ hohen Viskosität von η Gly = 1410mP a s gut für die Umsetzung im Unterricht eignet. Abbildung 14: Viskosität η von Glycerin-Wasser-Gemischen 23

4 Außerdem ist Glycerin gut mit Wasser mischbar, wodurch unterschiedliche Viskositäten und Versuchsausgänge herbeigeführt werden können. Mit Hilfe der Abbildungen 14 und A2 soll an dieser Stelle auf zwei Eigenschaften der Viskosität η von Glycerin-Wasser-Gemischen hingewiesen werden, die beim Experimentieren besonders zu beachten sind. Zum einen fällt die Viskosität mit zunehmenden Wasseranteil sehr stark ab. Somit bewirken geringe Ungenauigkeiten im Mischungsverhältnis sowie natürliche Verunreinigungen ein Abweichen von der erwarteten Viskosität, welches bei hohen Glycerinanteilen besonders groß ist. Bei der Arbeit mit reinem Glycerin (20 C) verursacht beispielsweise ein normaler Verunreigungsgrad von einem Prozent ein Absinken der Viskosität von 1410mP a s auf 1150mP a s, was einem Unterschied von etwa 20% entspricht (vgl. [7]). Zum anderen ist eine Temperaturabhängigkeit der Viskosität festzustellen, wobei der Einfluss der Temperatur bei höheren Glycerinanteilen wächst. Folglich lässt sich die Viskosität und damit auch die erwartete Endgeschwindigkeit v E nur näherungsweise vor dem Beginn der Versuchsdurchführung ermitteln. Aus diesem Grund können bei den Vorbetrachtungen zu den Versuchsreihen nur grobe Abschätzung angegeben werden. Die Auswahl geeigneter Körper, die in der Flüssigkeit laminar absinken, stellt einen weiteren wichtigen Aspekt der Vorüberlegungen dar. Dabei erweist sich der Einsatz von Kugeln aus Glas, Keramik und Kunststoff, die sich in Dichte ρ K und Radius r K unterscheiden, nach Kapitel 2.2 als zweckmäßig. Bei der konkreten Umsetzung werden die fünf nachstehenden Kugeln verwendet: Kugel Material Dichte ρ K in kg m 3 Radius r K in mm 1 Sodaglas , 5 2 Sodaglas , 0 3 Sodaglas , 0 4 Keramik , 5 5 POM , 0 Auch mit Sand befüllte Tischtennisbälle und Knetekörper eignen sich gut. Zusätzlich lassen sich die Ergebnisse durch eine Veränderung des Gefäßradius R differenzieren. In den bisherigen Überlegungen wird jedoch stillschweigend vorausgesetzt, dass die Flüssigkeit, die durch das Absinken der Kugel verdrängt wird, 24

5 ungehindert nach oben entweichen kann. Dazu muss der Gefäßradius R aber viel größer als der Radius der Kugel r K sein, was in der Praxis selten auftritt. Infolge dessen reduziert sich die Endgeschwindigkeit v E effektiv. Mathematisch wird dieser Zusammenhang in der Beziehung (2.22) durch das Hinzufügen des Korrekturfaktors ( 1 r KR ) n realisiert (vgl. [2]). Folglich gilt die Formel v E = 2(ρ K ρ Fl )r K 2 g 9η ( 1 r K R ) n, (3.1) wobei n experimentell bestimmt wird (vgl. [2]). Um die Adaption der nachfolgenden Versuche für den Unterricht zu erleichtern, werden drei verschiedene Standzylinder benutzt, die sich in der Regel auch im Gerätearsenal jeder Schule befinden: Zylinder Volumen V in ml Radius R in cm Höhe h in cm , , , , , , 0 Die angegebene Höhe h ist bei diesen Angaben nicht als Höhe des Standzylinders zu verstehen. Sie stellt vielmehr die Fallstrecke dar, auf deren Länge die experimentelle Ermittlung der Zeit t erfolgt. So ist die Höhe von 22, 4cm in Zylinder 1 der Abstand zwischen den Markierungen 250ml und 30ml. In Zylinder 2 erhält man eine Höhe von 30, 8cm, wenn zwischen 1000ml und 100ml abgelesen wird. Da der große Standzylinder keine Skalierung besitzt, wurde eine Markierung 40cm über dem Gefäßboden angebracht. Experimentelle Hinweise Es sollen nun noch einige Hinweise zur Erleichterung des Experimentierens erfolgen. Einfüllen des Glycerins: Wichtig ist, das Glycerin langsam in den schräg gehaltenen Zylinder einzufüllen. Ansonsten entstehen viele Luftbläschen, die vor allem das Verfolgen kleiner Kugeln erschweren. Kugelstart: Um Verfälschungen der Messergebnisse zu vermeiden, müssen die Kugeln in der Mitte des Standzylinders losgelassen werden. Kommen die Kugeln an den Rand des Zylinders, fallen sie langsamer. 25

6 Da die Experimente die Blutsenkung verdeutlichen sollen, ist die Ausgangsgeschwindigkeit v 0 =0zu beachten. Es ist deshalb auch sinnvoll, den Standzylinder bis fast an den Rand zu befüllen. Versuchswiederholung: Damit das Flüssigkeitsgemisch mehrfach verwendet werden kann, ist es ratsam eine Vorrichtung zu basteln, um die Kugel wieder aus der Flüssigkeit zu heben. Dazu benötigt man starken Draht, den man an einem Ende zu einer Schlaufe biegt, sodass die Kugel bequem darin liegt. Sandbefüllte Tischtennisbälle: Da das Material des Tischtennisballs relativ weich ist, lässt sich mit einem kleinen Schraubendreher ein Loch, das nicht zu groß sein sollte, hineinbohren. Zum Sandeinfüllen empfiehlt sich der Einsatz eines kleinen Trichters aus normalem Papier. Das Abdichten des Lochs mit Flüssigkleber funktioniert am besten, wenn die entsprechende Stelle voher mit Klebeband abgedichtet beziehungsweise Tip-Ex mit einem handelsüblichen Korrekturroller aufgetragen wird. Knetekugeln: Die Dichte von Knetekugeln kann durch das Einbringen kleiner Stücke aus Holz, Kork oder spezieller Schwimmknete verringert werden. Erwerb von Glycerin: Für die im Rahmen dieser Arbeit durchführten Versuche wurde 99% technisch reines Glycerin verwendet. Bei der Firma VWR ( kann diese Chemikalie für circa 60e pro Fünfliterbehälter erworben werden. 26

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