Wärmelehre Experimente mit Spaß

Schulversuchspraktikum Physik
WS 00/01
Protokoll:
Wärmelehre
Experimente mit Spaß
Magdalena Schauer
9855708
Versuchsdatum: 22.11.00
Praktikumpartnerin: Rauecker Petra
Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
Inhaltsverzeichnis:
Einleitung
Seite 3
Handversuche
§ 1.Kalt – Warm
Seite 4
§ 2.Wasser , die etwas andere Flüssigkeit
Versuch 1
Versuch 2
Versuch3
Seite 5
Seite 6
Seite 7
§ 3.Alles dehnt sich
Versuch 1
Versuch 2
Seite 8
Seite 9
§ 4.Nicht alles leitet
Seite 10
§ 5.Auf die Strömung kommt es an
Versuch 1
Versuch 2
Seite 12
Seite 13
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
Einleitung:
Wir haben unsere Handversuche aus dem Buch: Werner Rentzsch “Experimente mit Spaß
WÄRME“ heraus gesucht.
Es handelt sich dabei nur um Handversuche, die für die Unterstufe geeignet sind und um
Versuche, die die Schüler leicht selber zu Hause nachvollziehen können.
Das Buch ist leicht verständlich geschrieben, die Versuche sind so erklärt, dass man sie gleich
versteht und selber nachbasteln oder nachbauen kann.
Es ist sehr interessant einmal einen andere Art von Physikversuchen kennen zu lernen. Im
Unterricht sollten auch Handversuche immer wieder eingebaut werden. Gerade für die
Unterstufe ist es sicher sehr auflockernd für den Unterricht; und die Schüler bekommen einen
ganz anderen Bezug zur Physik. Physik ist plötzlich etwas was man auch selber machen kann.
Der Stoff der mit den Versuchen verknüpft ist so sicher leichter zu merken.
Eine Möglichkeit die Versuche im Unterricht einzubauen ist, man macht so eine Art
Lernzirkel. Das heißt man baut verschieden Stationen mit versch. Handversuche auf, und die
Schüler müssen, dann jeweils in Gruppen von Station zu Station wandern und den Versuch
selber aufbauen und z.B.: in ein Form von Protokoll oder mit Hilfe von Arbeitsblättern das
Gesehene physikalisch erklären.
Der Stoff zu den Versuchen sollte vorher natürlich durchgemacht werden. Der Lernzirkel
trägt so zur besseren Verständnis und zur Festigung des Wissens der Schüler bei.
Natürlich sind nicht alle Versuche aus diesen Buch für so ein Einbauung im Unterricht
geeignet, da es bei manchen viel zu lange dauern würde diese aufzubauen und meiner
Meinung nach, die Handhabung mancher Geräte für die Unterstufe noch zu kompliziert ist.
Ansonsten war es sehr lustig mit diesem Buch zu arbeiten, und ich kann den Gebrauch dieses
Buches im Unterricht nur wärmstens empfehlen.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
Handversuche:
1. Kalt - Warm:
So löst sich Zucker schnell → Brownsche Bewegung:
Das wird gebraucht:
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Overheadprojektor
2 Bechergläser ( ca. 250 ml)
2 Würfelzucker
heißes Wasser (Brenner)
So wird es gemacht:
Ein Becherglas mit ca. 3cm hoch kaltem Wasser und ein Becherglas mit gleichviel heißem
Wasser (ca. 80° C) stellt man auf den Overheadprojektor. Nun legt man gleichzeitig je einen
Zuckerwürfel in die Mitte jedes der beiden Bechergläser und beobachtet.
Im heißen Wasser löst sich der Zuckerwürfel sehr schnell, kleine Stückchen werden
weggeschleudert und nach kurzer Zeit ist der Würfel zerfallen. Im kalten Wasser erkennt man
erst nach einiger Zeit leichte „Auflösungserscheinungen“ am Würfelrand. Die
Wassermoleküle im heißen Wasser bewegen sich schneller.
Unter Brownscher Molekularbewegung versteht man die zitternde Bewegung kleiner Teilchen
in Wasser oder anderen Flüssigkeiten bzw. auch in Gasen. Die Bewegung wird mit
wachsender Temperatur größer. Benannt ist sie nach dem Botaniker Brown der 1827
erstmals diese Erscheinung beobachtete.
Noch ein paar Hinweise
Ø Das Wasser muss heiß genug sein. In der Anleitung steht 80° C, d.h. das Wasser muss
vorher mit dem Bunsenbrenner erwärmt werden. Das heiße Wasser aus der Leitung ist
wahrscheinlicher zu kalt, um den Effekt schön sehen zu können. VORSICHT beim
Umgang der Schüler mit den Bunsenbrenner.
Ø Ansonsten ist es aber ein sehr guter Versuch, der die Teilchenbewegung in heißen
Flüssigkeiten sehr gut wiederspiegelt.
Ø Da ein Overhead auch normalerweise in jeden Physiksaal und in jedem
Klassenzimmer vorhanden ist kann der Versuch auch schnell aufgebaut und gezeigt
werden oder die Schüler führen in selber durch. Eine ungewöhnliche Anwendung des
Overheads, die den Schülern sicher Freude bereitet.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
2.Wasser, die etwas andere Flüssigkeit:
Versuch 1: Die Unterschichtung → Anomalie des Wassers
Das wird gebraucht:
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Stativ und Stativmaterial
großes Reagenzglas (3 cm Durchmesser)
Glasrohr
Trichter, der in das Glasrohr passt
Becherglas
rot gefärbtes heißes Wasser (Leitung)
Eiswasser
So wird es gemacht:
Das Reagenzglas wird ca. zwei Drittel mit heißen rotgefärbten
Wasser gefüllt. Das Reagenzglas wird nun vorsichtig eingespannt.
Versuchsaufbau siehe auch Abbildung.
Man steckt nun ein Glasrohr mit einem Glastrichter hinein und
schüttet vorsichtig „Eiswürfelwasser“ durch den Trichter.
Das kalte, farblose Wasser sammelt sich unter dem roten an – diesen
Vorgang nennt man Unterschichten. Es beruht darauf, dass kaltes
Wasser eine größere Dichte hat als heißes Wasser.
Noch ein paar Hinweise:
Ø Das Eiswürfelwasser muss ebenso wie das heiße gefärbte Wasser vorher vorbereitet
werden, damit man beim Versuch möglichst kaltes Wasser dem möglichst heißen
Wasser unterschichten kann
Ø Das kalte Wasser muss unbedingt sehr langsam eingegossen werden, da es sonst zu
Verwirbelung kommt, und das Wasser sich durchmischt.
Ø Wenn man anstatt des Glasrohrs einen Trichter nimmt so kann man versuchen, diesen
am Ende etwas abzuschrägen damit man das kalte Wasser am Rand des Reagenzglases
einfliesen lassen kann.
Ø Dieser Versuch braucht mit Sicherheit etwas mehr Fingerspitzengefühl. Wenn er dann
einmal klappt ist es ein ganz empfehlenswerter Versuch.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
Versuch 2: Glas im Socken →
Wärmespeichervermögen von Wasser/Isolierung
Das wird gebraucht:
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Kleine Thermosflasche
2 gleichgroße Gläser
Ein Socken
Thermometer
Küchenmessbecher
Heißes Wasser (Leitung)
So wird es gemacht:
Ein Trinkglas wird in einen Socken gesteckt- der überstehende Rand wird umgeschlagen.
Man stellt die drei Gefäße nebeneinander und füllt gleichviel heißes Wasser ein. Die
Temperatur sollt in allen drei Gefäßen ungefähr gleich sein, ansonsten sollte man versuchen
durch zugeben von heißen oder kalten Wasser, die Temperatur auszugleichen.
Man legt sich nun eine kleine Liste an und schreibt die drei Ausgangstemperaturen, der
jeweiligen Gefäße auf.
Nach einer halben Stunde misst man erneut und notiert. Danach misst man noch zweimal
nach je einer halben Stunde.
Die Temperaturabnahmen erfolgt in den drei Gefäßen verschieden stark. Am langsamsten
fällt die Temperatur in der Thermosflasche und am schnellsten im ungeschützten Glas. Das
Sockenglas liegt im Mittelfeld.
Flüssigkeiten können durch entsprechende Wärmeisolierung länger warm bzw. kalt gehalten
werden.
Noch ein paar praktische Hinweise:
Ø Es ist zwar nicht unbedingt notwendig mit gleichen Ausgangstemperaturen zu
arbeiten, da ja die Temperaturdifferenz leicht berechnet werden kann, aber aus
Gründen der Übersicht und Anschaulichkeit lohnt sich die Mehrarbeit zu Beginn des
Versuchs sicher
Ø Die Ausgangstemperatur soll min. 50°C betragen, damit die Temperaturunterschiede
möglichst deutlich zu sehen sínd.
Ø Die Ableszeiten können natürlich auch verkürzt werden(z.B. auf ¼ Stundenabstand) –
kommt man in die Nähe der Zimmertemperatur, ändern sich die Werte nur mehr sehr
langsam.
Ø Die Werte können auch in ein Diagramm in versch. Farben eingetragen werden. (xAchse/Zeit, y-Achse/Temperatur), auf diese Art und Weise wird dieser Versuch noch
anschaulicher.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
Versuch 3: Der schwebende Eiswürfel → Kältemischung
Das wird gebraucht:
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Joghurtbecher
Eiswürfel
Zündholz
Salzstreuer
So wird es gemacht:
Man legt einen Eiswürfel auf einen Joghurtbecher und
darauf ein Zündhölzchen. Nun streut man
vorsichtig wenig Salz auf das Hölzchen und wartet ein
wenig Jetzt fasst man das Hölzchen und hebt es mit
dem Eiswürfel
Der Grund dafür ist, dass das Eis an der Oberfläche
durch das Salz leicht auftaut und unter dem Hölzchen
zufriert.
Mit Kältemischungen aus Salz und Eis kann man den
Gefrierpunkt herabsetzen; dies geschieht durch die
Schmelzwärme beim Schmelzen des Eises und durch die
Lösungswärme beim Auflösen des Salzes Die Wärme
wird dem Gemisch entzogen und diese kühlt daher ab.
Praktische Hinweise:
Ø Nur wenig Salz aufstreuen – das Salz soll ja nicht unter das Hölzchen bzw. den Faden
kommen
Ø Besonders nett wirkt der Versuch bei der Verwendung eines Salzstreuers aus einem
Kinderkaufmannsladen.
Ø Ein ganz einfache praktische Anwendung dieses Effekts wird im Winter auf den
Strassen gemacht. Durch das Streuen von Salz wird bei Temperaturen unter 0 C die
Bildung von Eis verhindert.
Ø Dieser Versuch kann auch noch variiert werden indem man anstatt des Zündholz einen
Wollfaden nimmt. Dieser Versuch ist allerdings etwas Schwieriger, man sollte nur
vorsichtig an dem Faden ziehen
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
Versuch 4: Bodenlos → Wasser wird auf Papier erwärmt
Das wird gebraucht:
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Geöffnete Konservendose
Butterbrotpapier (Pergamentpapier)
Gummiringerl
Schere
Kerze
Unterstellgläschen oder Klötzchen
So wird es gemacht:
Der Boden einer offenen leeren Konservendose
wird mit Butterbrotpapier überspannt. Das Papier
wird am besten mit mehren Gummirringerln
fixiert. Die überstehenden Papiereste werden mit
der Schere weggeschnitten.
In die Dose füllt man ca. 1 cm hoch Wasser und stellt sie derart auf zwei Gläschen oder
Klötzchen. WICHTIG ist das bei brennender Kerze , die Kerzenflamme den Papierboden
gerade nicht berührt.
Das Wasser in der Dose erhitzt sich ohne dass das Papier zu brennen beginnt.
Die zugeführte Wärme wird dazu verwendet, das Wasser aufzuheizen – die
Entzündungstemperatur von Papier wird nicht erreicht.
Praktische Hinweise
Ø Aufpassen, der Rand der Dose sollt möglichst glatt sein, am besten die Dose schon vor
dem Gebrauch sicher präparieren.
Ø Man soll bei der Größe der Gläser oder Klötzchen sich vorher überlegen wie man den
Versuch aufbaut.
Ø Als Kerze eignen sich besonders gut Teelichter, da dann als Unterstellgläser kleinere
Trinkgläser verwendet werden können.
Ø Einziges wirkliches Problem bei diesen Versuch ist aber, dass man die Dose wirklich
dicht mit dem Butterbrotpapier abschließt. Mehrere Gummiringerl sollten auf jeden
Fall verwendet werden.
Ø Der Versuch ist für die Schüler sicher sehr interessant, da diese sicher mit einem
anderen Versuchsergebnis rechnen würden.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
3.Alles dehnt sich
Versuch 1 : Die Wunderspirale → Modell für Bimetallwirkung
Das wird gebraucht:
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Alufolie
Schreibpapier
Klebestick
2 Trinkhalme
Schere
Kerze
Bleistift
So wird es gemacht:
Ein ca. DIN A 5 großes Schreibpapier wird mit Kleber vom Stift eingestrichen und mit
Alufolie möglichst faltenfrei bestrichet. Nach dem Trocknen schneidet man der Länge nach
etwa 1 cm breite Streifchen ab und rollt sie über einem runden Bleistift zu Röllchen. Bei
einem Röllchen soll die Aluminiumseite außen sein und beim Zweiten die Papierseite.
Die beiden Röllchen werden mit Klebstoff am den beiden geknickten Trinkhalmen befestigt.
Nun hält man die Röllchen hintereinander in einigem Abstand über die brennende Kerze.
Das Röllchen mit dem Aluminium außen dreht sich zusammen, das zweite Röllchen wird
größer.
Beim Erwärmen dehnt sich Metall aus, und es kommt zu einer Wirkung wie beim Bimetall die Krümmung erfolgt in der dem sich stärker ausdehnenden Stoff entgegengesetzten Seite.
Einige praktische Hinweise:
Ø Die Röllchen sollten nicht zu lange zugeschnitten werden, da sonst der Vorgang des
Auf- bzw. Abrollens nicht mehr so schön beobachtet werden kann
Ø Beim „Beschichten“ mit dem Handballen von der Mitte weg die Alufolie
glattstreichen - wie beim Tapezieren
Ø Die Röllchen nicht zu nahe über die Kerzenflamme halten. Durch die starke
Wärmeströmung (und Wärmestrahlung) kann das Röllchen zerstört werden.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
Versuch 2: Die Innenhaut → Volumsänderung von Gasen
Das wird gebraucht:
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1,5 l Petflasche oder Rundkolben
Luftballon
Heißes Wasser (Leitung)
Eiswürfelwasser
So wird es gemacht:
Das Gefäß wird mit heißem Wasser ausgespült. Nun lässt man einen Luftballen in die Flasche
oder den Kolben hängen und stülpt ihn über den äußeren Gefäßrand. Man stellt die Flasche
nun in Gefäß mit Eiswürfelwasser und der Luftballon wird sich nun aufblasen.
Die warme Luft im Gefäß zieht sich zusammen und der äußere Luftdruck „bläst“ den Ballon
auf.
Praktische Hinweise
Ø Der Versuch kann auch ohne das Eiswürfelwasser durchgeführt werden. Ich würde
dessen Gebrauch jedoch sehr empfehlen, da sich der Luftballon viel schöner aufbläst.
Ø Keine 2–Liter-PET-Flaschen verwenden - diese halten den Luftdruck nicht aus und
implodieren.
Ø Laborglaskolben können ev. Auch mit der Brennerflamme statt mit heißem Wasser
erwärmt werden.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
4.Nicht alles leitet
Das Thermofenster → Wärmeleitung von Gasen und Feststoffen
Das wird gebraucht:
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3 gleichgroße Marmeladegläser
6 kleine Glasscheiben (nicht zu dick)
Gummischlauch
Schere
Butter
Messer
Heißes Wasser
So wird es gemacht:
Drei gleich große Gläser werden nebeneinander gestellt und in gleicher Höhe (ca. ¾ der
Glashöhe) mit dem Schreiber markiert. Von einem Gummischlauch werden 12 gleiche dicke
Gummistückchen abgeschnitten. Vor die Gläser legt man die Glasabdeckungen. 1.Glas: 1
Scheibe; 2.Glas: 2 Scheiben mit dazwischen 4 Gummistückchen; 3. Glas: 3 Scheiben mit
zweimal Zwischenraum. Aufbau siehe auch Abbildung.
Auf die oberste Glasscheibe gibt man jeweils ein Stückchen feste Butter. Nun füllt man in die
Gläser gleich hoch heißes Wasser (Markierung!) und gibt schnell alle drei Abdeckungen auf
die Gläser.
Nach kurzer Zeit beginnt die Butter am „ Einfachglas“ zu schmelzen; beim „Doppelglas“
dauert es schon ziemlich lange, bis die Butter zu schmelzen beginnt, während beim
„Dreifachglas“ keine Veränderung zu beobachten ist.
Glas und Luft sind schlecht Wärmleiter. Wasser dient nur als Wärmequelle.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
Einige praktische Hinweise:
Ø Anstatt der Gummistückchen kann man auch kleine Plastellinkügelchen verwenden
allerdings ist darauf zu achten das diese alle ungefähr die gleiche Größe haben.
Ø Dieser Versuch sollt man unbedingt durchführen wenn man Wärmeleitung bespricht,
außerdem kann man ganz leicht praktischen Bezug finden und zwar bei der
Wärmeisolierung bei Fenstern:
• EINFACHFENSTER: Eine einfache Glasschicht ist ein schwacher
Wärmeschutz. Einfachfenster wurden früher häufig beim WC verwendet Im
Winter war bei dem ungeheizten
Raum eine längere
Verweildauer unmöglich.
• DOPPELFENSTER: Dies bieten schon einen besseren Schutz. Früher gab es
äußere und innere Fensterflügel. Heute sind bei Verbundfenstern die beiden
Glasscheiben häufig schon luftdicht verbunden
• DREIFACHFENSTER: Einen besonders guten Schutz ergeben diese Fenster.
Zusätzlich ist au stark befahrenen Strassen auch die dadurch bewirkte
Schalldämmung mehr als erwünscht.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
5.Auf die Strömung kommt es an
Versuch 1:Die Zentralheizung → Wärmekreislauf von Wasser
Das wird gebraucht:
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Stativ und Stativmaterial
Geschlossenes Glasrohr mit einer Öffnung
Brenner
Kaliumpermanganat
So wird es gemacht:
Ein geschlossenes Glasrohr wird mit Wasser gefüllt und leicht
geneigt im Stativ eingespannt. Nun erwärmt man auf einer Seite
vorsichtig mit dem Brenner bis das Wasser an dieser Stelle die
ersten Dampfblasen bildet. Man wirft dann einen
Kaliumpermanganatkristall ein.
Der Kristall löst sich leicht im Wasser und bildet in
Strömungsrichtung des Wassers eine lila Spur.
Einige praktische Hinweise:
Ø VORSICHT im Umgang mit dem Brenner
Ø Das Kaliumpermanganat auch äußerst vorsichtig behandeln da es von der Haut nicht
mehr abwaschbar ist. Hat man keinen Kristall zur Verfügung gibt man etwas Pulver
man besten vorsichtig mit einem Löffel in das Glasgefäß.
Ø Weiters ist darauf zu achten, dass das Glasrohr unbedingt vorsichtig eingespannt wird,
und auch auf jeden Fall vorsichtig erwärmt – Bruchgefahr
Ø Der Versuch soll beendet werden, wenn eine geschlossene rote Färbung entstanden ist.
Man braucht dazu gar nicht viel Farbe hineingeben.
Ø Es ist auf jeden Fall ein schöner Versuch der auch für die Schüler ganz hinten im
Klassenzimmer gut zu sehen sein wird.
Natürlich kann der Versuch auch ohne weitere Umstände von den Schülern selbst
durchgeführt werden. Es gelten dann eben die üblichen Vorsichtsmaßnahmen, wie
aufpassen beim Umgang mit dem Bunsenbrenner und das Glasrohr nur vorsichtig
einspannen.
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Magdalena Schauer
Wärme - Handversuche
Versuch 2: Wie von Geisterhand→
→ Wärmeströmung in Gasen
Das wird gebraucht:
ü Teebeutel
ü Feuerzeug
ü Feuerfeste Unterlage
So wird es gemacht:
Die Klammer aus den Teebeutel vorsichtig öffnen und den Teebeutel ausleeren. Man erhält
so eine Papierröhre. Diese stellt man nun aufrecht auf eine feuerfeste Unterlage.
Das Papier wird nun am oberen Rand (ev. An zwei gegenüberliegenden Seiten) entzündet.
Die Flamme brennt nach unten – die entstehende Asche beginnt durch die Wärmeströmung
aufzusteigen.
Einige praktische Hinweise:
Ø Türen und Fenster sollten geschlossen werden – keine Zugluft im Raum!
Ø Vorsichtig der Teebeutel hebt dann erst ab wenn er schon fast nacht unten verbrannt ist.
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