Wirkung des Luftdrucks Den Luftdruck bemerken wir immer nur dann, wenn er nur auf einer Seite wirkt. Wasser bis ca. 1 cm unter dem Rand Becherglas Messzylinder 1. Wir tauchen das beiderseits offene Kunststoffrohr möglichst tief in das Becherglas ein. Dann verschließen wir das Rohr mit dem Daumen und ziehen es langsam aus dem Wasser bis es nur mehr ein wenig eintaucht. Fließt Wasser aus? Wir geben nun die Öffnung frei, während das Rohr noch ein wenig eintaucht. Fließt jetzt Wasser aus? Wir wiederholen den Versuch, geben aber die Öffnung erst frei, wenn das Rohr ganz aus dem Wasser gezogen ist (Becherglas darunter!). 2. Wir füllen den Messzylinder bis etwa zur Marke 100 ml mit Wasser. Wir tauchen den PVC-Schlauch soweit wie möglich in den Messzylinder ein halten den Schlauch dann lotrecht und füllen ihn mit Wasser. Das Wasser kann auch durch Erzeugung eines Unterdrucks im Schlauch (z.b. durch Ansaugen) in den Schlauch gebracht werden. Wir verschließen das Ende des PVC-Schlauches mit einem Finger und tauchen es möglichst tief in das leere Becherglas. Dann geben wir die Öffnung frei. Wie tief muss sich das Schlauchende befinden, damit das Wasser nicht in den Messzylinder zurückfließt? Wie kann man verhindern, dass das Wasser weiter in das Becherglas fließt? Wie kann man das Wasser aus dem Becherglas wieder in den Messzylinder fließen lassen? Erkenntnis: Der Luftdruck kann beim Umfüllen von Flüssigkeiten ausgenützt werden. Im 1. Versuch hält er eine Wassersäule in einem Rohr (Stechheber), im 2. Versuch drückt er das Wasser in den Schlauch. Das Wasser fließt solange in das Becherglas, bis der Wasserspiegel in beiden Gefäßen gleich hoch steht. M 4.2
Hydrostatischer Druck Manometer mit gefärbtem Wasser Die Tauchsonde wird mit Hilfe des PVC-Schlauches mit dem Manometer verbunden. Das Wasser muss in beiden Manometerrohren gleich hoch stehen. Eintauchtiefe 1. Die gerade Tauchsonde (für den Druck von unten) wird in das Wasser im Messzylinder zunächst 5 cm eingetaucht und der Höhenunterschied der Wassersäulen in den Manometerrohren wird gemessen. Dann tauchen wir die Tauchsonde 10 cm tief ein und bestimmen wieder den Höhenunterschied der Wassersäulen im Manometer. Wir geben den hydrostatischen Druck (Druck in Wasser) in Millimeter Wassersäule (mm WS) an. 10 mm Wassersäule entsprechen etwa dem Druck von 1 mbar. 2. Wir verwenden nun die Tauchsonde für den Druck von oben. An der Tauchsonde wird die seitliche Öffnung mit dem kleinen Gummistopfen verschlossen. Der Wasserdruck kann nur von oben wirken. Wir messen den Druck wieder in 5 cm und 10 cm Eintauchtiefe. 3. Wir schließen die obere Öffnung der Tauchsonde mit dem kleinen Gummistopfen. Der Wasserdruck kann nun von der Seite wirken. Wir messen den Druck wieder in 5 cm und 10 cm Eintauchtiefe. Eintauchtiefe: 5 cm 10 cm 1. Druck von unten: mmws = mbar mmws = mbar 2. Druck von oben: mmws = mbar mmws = mbar 3. Druck v. der Seite: mmws = mbar mmws = mbar Erkenntnisse: Der hydrostatische Druck nimmt mit der Eintauchtiefe zu. Er wirkt bei gleicher Eintauchtiefe von allen Richtungen gleich. M 4.7
Wovon hängt der Auftrieb ab? Versuchsaufbau: Drehachse Hebelstange 1a) Schlitzgewicht Schlitzgewicht 1b) 2b) 2a) Alu-Quader Fe-Quader Wir bauen eine vereinfachte Balkenwaage auf und bereiten zwei Gefäße (Becher) mit Wasser vor. 1 a) Zuerst werden 2 Schlitzgewichte 50 g an die Balkenwaage gehängt. b) Nun lassen wir beide Schlitzgewichte vollständig ins Wasser eintauchen. Was ändert sich? Die zwei Schlitzgewichte besitzen gleiche Masse (und daher Gewicht) und gleiches Volumen. Der Auftrieb ist gleich. 2 a) Wir hängen jetzt den Aluminiumquader und den kleinen Eisenquader (gleiche Masse und Gewicht) an die Balkenwaage. b) Die beiden Quader werden nun ebenfalls vollständig ins Wasser eingetaucht. Was ändert sich? Die beiden Quader besitzen zwar gleiche Masse und Gewicht, der Alu- Quader hab aber wegen der geringeren Dichte ein größeres Volumen. Er erfährt daher einen größeren Auftrieb. Erkenntniss: Der Auftrieb, den ein Körper im Wasser erfährt, hängt nicht von seiner Masse sondern von seinem Volumen ab.
Auftrieb Wir haben 3 Quader zur Verfügung: Der Aluminiumquader und der kleine Eisenquader haben gleiche Masse, der Aluquader und der größere Eisenquader haben das gleiche Volumen. Für alle 3 Quader ermitteln wir das Gewicht (an den Kraftmesser hängen) und das Volumen (mit Hilfe des Messzylinders), die Gewichtskraft des in Wasser eingetauchten Körpers und die Gewichtsverminderung durch das Eintauchen. Alu-quader Fe-quader kleiner Fe-quader Gewicht des Körpers:... N... N... N Volumen des Körpers:... cm 3... cm 3... cm 3 Gewicht des eingetauchten Körpers:... N... N... N Gewichtsverminderung:... N... N... N Erkenntnis: Der Auftrieb eines Körpers hängt nicht vom Gewicht oder vom Material, sondern nur vom Volumen des Körpers ab. Archimedisches Prinzip gelber Hohlquader Alu-quader Wir bestimmen das Gewicht des Alu-quaders (+Hohlquader) und tauchen in dann zur Gänze unter Wasser. Der Hohlquader darf nicht in das Wasser eintauchen. Nun befüllen wir den Hohlquader vollständig mit Wasser und achten wieder darauf, dass nur der Alu-quader voll in das Wasser taucht. Gewicht:... N Gewicht bei eingetauchtem Alu-quader:... N Gewicht bei gefülltem Hohlquader:... N Erkenntnis: Der Auftrieb (die Gewichtsverminderung) ist gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeitsmenge. M 4.3, 4.4
Modell einer Senkwaage 1. Der Messzylinder wird mit etwa 100 ml Wasser gefüllt und ein schmaler Papierstreifen wird mit einer Zentimeter-Einteilung versehen und in das Reagenzglas geschoben. In das Reagenzglas wird so viel Tarierschrot gegeben, dass es etwa zu drei Viertel ins Wasser eintaucht. Wir merken uns, bis zu welcher Marke auf dem Papierstreifen das Senkwaagen-Modell (Reagenzglas) eintaucht. Diese Stelle auf dem Papierstreifen markieren wir mit 1,0 (Dichte von Wasser). 2. Wir füllen Duftpetroleum statt Wasser in den Messzylinder und wiederholen den Vorgang. Nun erhalten wir die Marke 0,8 für die Dichte von Duftpetroleum. 3. Wir füllen eine Lösung von 100 g Zucker in 100 g Wasser in den Messzylinder und erhalten die Marke 1,2 für die Dichte der Zuckerlösung. Erkenntnis: Senkwaagen ermöglichen die Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten. Die Dichte einer Flüssigkeit durch die Eintauchtiefe der Senkwaage bestimmt. M 4.6 Kapillarität Das Gesetz über verbundene Gefäße gilt nur bei nicht zu kleinen Querschnitten. Bei sehr kleinen Innenquerschnitten sehen wir Abweichungen. Wir füllen das Becherglas etwa 4 cm hoch mit gefärbtem Wasser und stellen drei Kapillarröhrchen mit verschiedenen Innendurchmessern nebeneineander in das Becherglas. Wir beobachten die Wasserhöhe in den Röhrchen. Erkenntnis: Je kleiner der Innendurchmesser ist, umso höher steigt der Wasserspiegel in den Röhrchen (Kapillarwirkung). M 4.8