Physikalisches Schulversuchspraktikum Katharina Wieser - 9855124 WS 00/01 Luftdruck Lehrplan: Realgymnasium 2. Klasse 5./ 6.Klasse - 1 -
Inhaltsverzeichnis I. Didaktische Aufbereitung...4 Gewicht der Luft...4 Der Luftdruck...6 Druckunterschiede...6 Die Messung des Luftdrucks...6 II. Versuche mit der Vakuumpumpe...8 Versuch 1: Magdeburger Halbkugeln...9 Versuch 2: Luftballon...10 Versuch 3: Schwedenbombe...11 Versuch 4: Runzeliger Apfel...12 Versuch 5: Seifenschaum...13 Versuch 6: Bier...14 Versuch 7: Vakuumverpackte Lebensmittel...15 Versuch 8: Schallausbreitung im Vakuum...16 ANHANG I: Beschreibung der Vakuumpumpe...17-2 -
I. Lernziele Ziel ist es, dass die Schüler die Eigenschaften von Luft erkennen und begreifen können. Wichtig ist dabei die Entstehung des Luftdrucks durch das Gewicht der Luft, sowie die konkrete Differenzierung zwischen Über- und Unterdruck. Im Mittelpunkt sollte die Druckformel p=f/a, sowie die Entstehung und Verwendung des Vakuums stehen. Man sollte den Schülern anhand von anschaulichen Versuchen die dabei auftretenden Phänomene erklären, da der Begriff des Luftdrucks bzw. allgemein des Drucks ein sehr wesentlicher für das Verständnis der Physik ist. - 3 -
II. Didaktische Aufbereitung Der Druck ist ein sehr kleines und kurzes Kapitel der Mechanik, trotzdem ist es von enormer Wichtigkeit, da der Luftdruck in vielen Bereichen zur praktischen Anwendung kommt. Ich beschränke mich auf die physikalische Erscheinung Kraftwirkung der Luft. Meine Versuchauswahl beschränkt sich auf die spektakulärsten Experimente mit möglichst hohem Show-Effekt zur Veranschaulichung. Ich beginne dieses Kapitel, indem ich die Schüler auf die vielseitige praktische Anwendung aufmerksam mache, wie Luftpumpe, Wasserleitung, Verbrennungsmotor,... Anschließend führe ich den Versuch der Magdeburger Halbkugeln durch (Versuch 1). Ich erzähle den Schülern den geschichtlichen Hintergrund und lasse sie dann im direkten Kampf die beiden Kugeln trennen. Dazu benötigt man je nach Abpumpdauer ein Körpergewicht von ca. 60 N. Die Erklärung für den großen Kraftaufwand ist das Gewicht der Luft, das auf den beiden Halbkugeln lastet. Dann werden sich die Schüler natürlich fragen, warum Luft so ein großes Gewicht hat. Gewicht der Luft Gasteilchen bewegen sich sehr schnell und füllen jeden Raum aus. Gase lassen sich leicht zusammendrücken. Versuch: Verschlossene Spritze Zusammendrücken (bei Wasser nicht möglich, bei Luft schon) Luft nimmt einen Platz/Raum ein. Wasser lässt sich z.b. nur dann in ein Gefäß einfüllen, wenn die Luft entweichen kann. - 4 -
Schülerversuch: Jedes Luftvolumen hat Masse und Gewicht wie alle Körper. Luft hat eine Dichte von etwa 1,3 kg/m3. Versuch: Benötigte Geräte: 1 Waage, 1 Luftballon, Tixo, Nadel Vorbereitung: Wir errichten eine Luftballonwaage, indem wir einen aufgeblasenen Luftballon an einer Seite einer Waage befestigen, in die Schale auf der anderen Seite legen wir Papierschnitzel, bis sich die Waage wieder im Gleichgewicht befindet. Versuchsdurchführung: Jetzt stechen wir durch eine auf dem Luftballon befindliche Tixo- Schicht mehrere Löcher in die Hülle des Luftballons. Während des Ausströmens der Luft können die Schüler nun das Absinken der Waage auf die Seite der Papierschnitzel beobachten. Erkenntnis: Luft hat Masse und Gewicht. - 5 -
Der Luftdruck Luft hat ein Gewicht und übt daher auf alle Flächen einen Druck aus. N Druck = Kraft pro Fläche p = F [ p] = 2 = Pa ( Pascal) A m Der Druck wirkt (wie bei Flüssigkeiten) in alle Richtungen, daher heben sich die Druckkräfte meist auf. Der Luftdruck kann sich verändern. Die Größe des Luftdrucks zeigt sich dort, wo er einseitig wirken kann (Erzeugung von Unterdruck: Getränkepackung aussaugen,...). Auch auf dem menschlichen Körper lastet die Lufthülle der Erde mit einer Gewichtskraft von etwas mehr als 10 N/cm 2. Auf unserem Kopf wirkt somit eine Kraft von 3.000 N, das entspricht einer Masse von 300kg. Wir nehmen diesen großen Druck aber nicht wahr, weil der äußere Druck in unserem Körper einen gleich großen Gegendruck erzeugt. Der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab. So verringert sich der Normalluftdruck von 1.013 mbar in Meereshöhe auf 334 mbar an der Spitze des Mount Everest. Druckunterschiede Wenn Druckunterschiede vorliegen, macht sich der Luftdruck bemerkbar. Saugt man Luft aus einem elastischen Behälter, so wird die elastische Haut nach innen gewölbt. Bläst man Luft hinein, wölbt sich die Haut nach außen. Überdruck... nennt man den Zustand, wenn der Druck des Gases, größer ist als der äußere Luftdruck. Unterdruck... ist der Zustand, wenn der äußere Luftdruck größer ist als der Eigendruck, der absolute Druck des beobachteten Gases. Die Messung des Luftdrucks Die Geräte zur Messung des Luftdrucks heißen Barometer. Mit einem einfachen Barometer kann man die Schwankungen des Luftdrucks beobachten. Es gibt verschiedene Arten von Barometern, die jedoch auf dem Prinzip des Druckausgleichs beruhen. - 6 -
Quecksilberbarometer Der Italiener E. Toricelli ein Schüler Galileis maß als erster Mensch den Luftdruck. Er verschmolz eine Glasröhre an einem Ende, füllte sie mit Quecksilber, verschloss sie mit dem Daumen und stellte sie mit dem zugeschlossenen Ende nach oben in ein Gefäß mit Quecksilber. Die Quecksilbersäule sank so weit herab, bis sie im Gleichgewicht mit dem Luftdruck war. Oberhalb des Quecksilbers war ein luftleerer Raum (Vakuum) entstanden. Die Quecksilbersäule hatte eine Höhe von 76 cm. Torricelli bemerkte außerdem, dass die Quecksilbersäule bei Schönwetter stieg und bei Schlechtwetter fiel. - 7 -
III. Versuche mit der Vakuumpumpe Ich beschränkte mich, bis auf kleine Ausnahmen auf die Versuche mit der Vakuumpumpe, da diese besonders schülerfreundlich sind. Versuch 1 dient vor allem der Demonstration der geschichtlichen Entwicklung (siehe Didaktische Aufbereitung). Zur Demonstration der Kraftwirkung der Luft sind die Versuche 2 bis 7 geeignet. Versuch 8 ist als ergänzender Versuch zur Information über Eigenschaften des Vakuums gedacht (für die Oberstufe). Im Anhang I findet man die Beschreibung der Vakuumpumpe. - 8 -
Versuch 1: Magdeburger Halbkugeln Benötigte Materialien Vakuumpumpe 2 genau aufeinander passende Halbkugeln samt Dichtung und Absaugventil Versuchsdurchführung Die Halbkugeln werden zusammengefügt. Anschließend wird die Luft mit Hilfe der Vakuumpumpe, die über einen Schlauch an ein Ventil der Kugel angeschlossen ist, aus dem Inneren der Kugel gepumpt. Zwei Schüler sollen nun versuchen, die Kugeln zu trennen. Es wird ihnen nur bei geringer Abpumpdauer und einem Körpergewicht von ca. 50 kg gelingen. Öffnet man nun das Ventil wieder, so fallen die Halbkugeln von selbst auseinander. Bemerkungen Diesen Versuch kann man mit Variation der Abpumpdauer mehrmals durchführen. Erkenntnisse Die Kraft des Luftdrucks wird sehr oft unterschätzt. Bei dem versuch sieht man die große Kraftwirkung des Luftdrucks auf die Kugelwände sehr deutlich. Dauer Ca. 20 Minuten (abhägig von der Anzahl der Wiederholungen) - 9 -
Versuch 2: Luftballon Benötigte Materialien Vakuumpumpe Telleraufsatz der Vakuumpumpe Luftdicht abschließende Glasglocke 1 Luftballon Klebestreifen Versuchsdurchführung Ein Luftballon wird ein wenig aufgeblasen und verschlossen. Dann wird er mit Klebestreifen in der Kuppel der Glasglocke befestigt. Anschließend wird die Luft mit Hilfe der Vakuumpumpe aus der Glasglocke gepumpt. Der Luftballon schwillt immer mehr an. Lässt man nun wieder Luft einströmen, so zieht sich der Luftballon wieder auf seine ursprüngliche Größe zusammen. Bemerkungen Der Luftballon muß an der Glocke angebracht werden, weil er sonst eventuell die Absaugöffnung für die Vakuumpumpe verstopfen könnte. Erkenntnisse Durch das Abpumpen der Luft fehlt der Gegendruck von außen, der Luftdruck im Ballon bleibt jedoch gleich und drückt von innen auf die Ballonwand. Daher dehnt sich der Luftballon aus. Dauer Ca. 5 bis 10 Minuten - 10 -
Versuch 3: Schwedenbombe Benötigte Materialien Vakuumpumpe Telleraufsatz der Vakuumpumpe Luftdicht abschließende Glasglocke 1 Schwedenbombe 1 Teller oder Becherglas Versuchsdurchführung Die Schwedenbombe wird mit dem Teller unter die Glasglocke, aber nicht über das Absaugloch gestellt. Anschließend wird die Luft mit Hilfe der Vakuumpumpe aus der Glasglocke gepumpt. Die Schwedenbombe schwillt immer an. Lässt man nun wieder Luft einströmen, so zieht sich die Schwedenbombe wieder auf die ursprüngliche Größe zusammen. Bemerkungen Bevor die Schwedenbombe umkippt, oder sonst in irgendeiner Form die Vakuumpumpe verschmutzen könnte, sollte man die Vakuumpumpe anhalten. Aus diesem Grund wird auch ein Teller verwendet. Erkenntnisse Siehe Luftballon Dauer Ca. 5 Minuten - 11 -
Versuch 4: Runzeliger Apfel Benötigte Materialien Vakuumpumpe Telleraufsatz der Vakuumpumpe Luftdicht abschließende Glasglocke 1 runzeliger Apfel 1 Teller oder Becherglas Versuchsdurchführung Der Apfel wird mit dem Teller unter die Glasglocke, aber nicht über das Absaugloch gestellt. Anschließend wird die Luft mit Hilfe der Vakuumpumpe aus der Glasglocke gepumpt. Der Apfel wird soweit anschwellen, dass er wieder frisch und knackig aussieht. Lässt man nun wieder Luft einströmen, so wird der frische Apfel wieder zu einem runzeligen. Bemerkungen Aufgrund der Verschmutzungsgefahr wird ein Teller verwendet. Erkenntnisse Siehe Luftballon Dauer Ca. 5 Minuten - 12 -
Versuch 5: Seifenschaum Benötigte Materialien Vakuumpumpe Telleraufsatz der Vakuumpumpe Luftdicht abschließende Glasglocke 1 Glas Wasser Spülmittel Versuchsdurchführung In das Wasserglas gibt man einige Tropfen Spülmittel und erzeugt Seifenblasen. Anschließend stellt man das Glas unter die Glocke. Pumpt man nun die Luft mit Hilfe der Vakuumpumpe aus der Glasglocke, so werden die Seifenblasen immer größer. Bemerkungen Aufgrund der Verschmutzungsgefahr sollte man auch in diesem Fall ein Überglas verwenden. Erkenntnisse Siehe Luftballon Dauer Ca. 10 Minuten - 13 -
Versuch 6: Bier Benötigte Materialien Vakuumpumpe Telleraufsatz der Vakuumpumpe Luftdicht abschließende Glasglocke 1 Flasche Bier 1 Glas 1 Überglas Versuchsdurchführung Man schenkt das Bier so ein, dass möglichst viel Schaum entsteht, stellt das Glas in das Überglas und anschließend unter die Glocke. Pumpt man nun die Luft mit Hilfe der Vakuumpumpe aus der Glasglocke, so quillt der Schaum sehr rasch über. Bemerkungen Aufgrund der Verschmutzungsgefahr sollte man auch in diesem Fall ein Überglas verwenden. Erkenntnisse Siehe Luftballon Dauer Ca. 5-10 Minuten - 14 -
Versuch 7: Vakuumverpackte Lebensmittel Benötigte Materialien Vakuumpumpe Telleraufsatz der Vakuumpumpe Luftdicht abschließende Glasglocke Vakuumverpackte Lebensmittel, z.b. Kaffee, Erdnüsse, Aufschnitt,... Versuchsdurchführung Die Vakuumverpackung wird unter die Glocke gestellt. Anschließend wird die Luft mit Hilfe der Vakuumpumpe aus der Glasglocke gepumpt. Der Verpackung schwillt an. Lässt man nun wieder Luft einströmen, so zieht sich die Verpackung wieder auf ihre ursprüngliche Größe zusammen. Erkenntnisse Durch das Abpumpen der Luft fehlt der Gegendruck von außen, der Luftdruck in der Verpackung bleibt jedoch gleich und drückt von innen auf die Wände. Daher dehnt sich die Verpackung aus. Dauer Ca. 5 Minuten - 15 -
Versuch 8: Schallausbreitung im Vakuum Benötigte Materialien Vakuumpumpe Telleraufsatz der Vakuumpumpe Luftdicht abschließende Glasglocke 1 batteriebetriebene Klingel / Wecker Klebestreifen Versuchsdurchführung Der mit Klebestreifen in der Kuppel der Glasglocke befestigte Wecker wird eingeschaltet. Nun wird die Glasglocke übergestülpt. Anschließend wird die Luft mit Hilfe der Vakuumpumpe aus der Glasglocke gepumpt. Das Klingeln wird immer leiser. Lässt man nun wieder Luft einströmen, so hört man das Klingeln wieder lauter. Bemerkungen Das Klingeln sollte so laut sein, dass man es auch nach dem Überstülpen der Glasglocke noch laut hören kann, weil sonst der Effekt sehr schwer zu beobachten und nachzuvollziehen ist. Erkenntnisse Im luftleeren Raum breitet sich kein Schall aus, da nicht genügend (in unserem Fall, im Vakuum keine)teilchen zur Schallausbreitung vorhanden sind. Dauer Ca. 5 bis 10 Minuten - 16 -
ANHANG I: Beschreibung der Vakuumpumpe - 17 -
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