Stationsunterricht im Physikunterricht der Klasse 10 Experimente zur

Oranke-Oberschule Berlin (Gymnasium)
Konrad-Wolf-Straße 11 13055 Berlin
Frau Dr. D. Meyerhöfer
Stationsunterricht
im Physikunterricht der Klasse 10
Experimente zur
spezifischen Wärmekapazität von Körpern
Berlin, Februar 2002
Stationsunterricht im Physikunterricht der Klasse 10
Information für die Schüler
In 3 Stunden des Physikunterrichts der Klasse 10 werden die folgenden Experimente im Stationsbetrieb vorbereitet und durchgeführt.
1. Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser mit Hilfe einer Heizspirale
2. Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität einer Flüssigkeit
3. Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität eines festen Körpers
4. Bestimmung des Wirkungsgrades einer Heizplatte unter Verwendung der Erwärmung von Wasser
Bei den Experimenten werden folgende Geräte und Hilfsmittel verwendet, nutzen Sie die Fachbegriffe bei
der Zusammenstellung dieser Geräte und Hilfsmittel!
Heizplatte
Kabel für die Heizplatte
Thermometer
Rührer
Kalorimetergefäß mit Becherglas und Deckel
Heizwendel
Stromversorgungsgerät
Kabel
Waage
Fliespapier
Messzylinder
Spannungsmesser
Stromstärkemesser
Wasser
unbekannte Flüssigkeit
Kupferkrampe
Uhr mit Sekundenzeiger
Zu jedem Experiment ist ein Protokoll anzufertigen.
Die Anleitungen für die Experimente bleiben am Arbeitsplatz, in der Stunde wird das gesamte Experiment
vorbereitet, durchgeführt und ausgewertet.
Das Protokoll soll so gestaltet werden, dass ein Außenstehender das Experiment nachvollziehen kann. Es soll
das Folgende enthalten sein:
Name, Vorname
Zusammenarbeit mit:
Datum der Durchführung des Experiments
Thema oder Aufgabenstellung
Aufstellen einer Vermutung
Experimentieraufbau und Durchführung des Experiments
Geräte und Hilfsmittel:
Es sind alle Geräte und Hilfsmittel zu notieren, auch Kleinigkeiten.
Aufbau:
Der Aufbau kann in Worten oder durch eine beschriftete Skizze beschrieben werden. Der Aufbau
muss so beschrieben sein, dass er nachvollzogen werden kann.
Durchführung:
Beschrieben wird, wie bei der Durchführung des Experiment vorgegangen wird.
Beobachtungen und Messergebnisse
Beobachtungen sind sorgfältig zu notieren. Messergebnisse sollen in der Regel in einem Messprotokoll in Tabellenform erfasst werden. Dabei sind die gemessenen physikalischen Größen und ihre Maßeinheiten aufzunehmen.
Auswertung
Die Auswertung des Experiments erfolgt entsprechend der Aufgabenstellung und der z.T. vorgegebenen Formeln. Häufig kann ein Diagramm gezeichnet werden. Die Fragen sind zu beantworten, aufgestellte Vermutungen mit dem Ergebnis zu vergleichen.
Fehlerbetrachtung
Da jede Messung mit Fehlern behaftet ist (zufällige und systematische Fehler), sind mögliche Fehle rquellen zu nennen, die das Messergebnis beeinflussen. Individuelle Fehler sollten dabei von vorn herein ausgeschlossen werden (z.B. „Ich habe falsch abgelesen.“).
Experimente zur spezifischen Wärmekapazität von Körpern
Fachliche Voraussetzungen
Aus dem vorangegangenem Unterricht sind Ihnen die wesentlichen Voraussetzungen für die Durchführung der Experimente bekannt:
- Durch die Zuführung von Energie wird ein Körper erwärmt. Die Energie kann in Form von Wärme
oder von elektrischer Energie zugeführt werden.
- Die einem Körper zugeführte Wärmeenergie (Wärmemenge) kann durch die Formel Q = m . c . ∆ϑ
bestimmt werden, wobei m die Masse des Körpers ist, c die spezifische Wärmekapazität des verwendeten Materials und ∆ϑ die Temperaturdifferenz zwischen den Messungen vor und nach der
Erwärmung.
- Die spezifische Wärmekapazität ist eine stoffabhängige physikalische Größe, die angibt, wie viel
Energie einem Körper von 1 kg Masse zugeführt werden muss, damit der Körper um 1 Kelvin (1
K) erwärmt wird. Die Maßeinheit von c ist kJ . kg-1 . K-1 .
- Wird einer Flüssigkeit elektrische Energie zugeführt, kann diese bei Verwendung einer Heizplatte
mit der Formel W = P . t berechnet werden (P ist die Leistung der Heizplatte, sie ist auf der Heizplatte angegeben, t ist die Zeit in der Wärme zugeführt wird).
- Elektrische Energie kann auch mit einer Heizwendel zugeführt werden; dann gilt W = U . I . t. Dabei sind U und I die Spannung und Stromstärke an der Heizwendel und t die Zeit, in der die Heizwendel die Flüssigkeit erwärmt.
- Die Masse m einer Flüssigkeit kann unter Verwendung des Volumens V und der Dichte ρ nach der
Formel m = ρ . V berechnet werden.
- Bei den Experimenten werden Energien miteinander verglichen und daraus die unbekannten Größen bestimmt.
Um Wärmeverluste möglichst gering zu halten, wird beim Experimentieren ein
Kalorimetergefäß aus Aufbauteilen verwendet. Es besteht aus einem Aluminiumgefäß, einem Becherglas, einem durchbrochenen Deckel und einem Rührer. Beachten Sie, dass alle Teile des Kalorimetergefäßes Wärme aufnehmen, das gilt
auch für das Thermometer.
Kalorimetergefäß
Experimente zur spezifischen Wärmekapazität von Körpern
Aufgabe 1:
Unter Verwendung der elektrischen Energie W = U . I . t einer elektrischen Heizwendel und der Messung der Zeit t, in der eine bestimmten Wassermasse m erwärmt wird, soll die spezifische Wärmekapazität cW des Wassers bestimmt werden.
Durchführung
1. Messen Sie eine Wassermasse von 100 g ab und füllen Sie es
in das Becherglas im Kalorimetergefäß mit Deckel.
2. Bestimmen Sie die Anfangstemperatur des Wassers.
3. Bauen Sie die Schaltung mit der Heizspirale entsprechend
nebenstehender Skizze auf. Verwenden Sie eine Spannung
von etwa 6 V! Messen Sie die Spannung und die Stromstärke.
4. Erwärmen Sie das Wasser 5 Minuten unter ständigem vorsichtigem Umrühren und messen Sie die Endtemperatur des
Wassers!
5. Bestimmen Sie durch Energievergleich der elektrischen Energie und der zugeführten Wärmemenge die spezifische
Wärmekapazität cW des Wassers!
6. Wo liegen die Ursachen, dass der Wert nicht genau mit dem Wert aus dem Tafelwerk übereinstimmt?
7. Fertigen Sie ein Protokoll an, das den Nachvollzug des Experiments ermöglicht.
Experimente zur spezifischen Wärmekapazität von Körpern
Aufgabe 2:
Bestimmen Sie die spezifische Wärmekapazität einer unbekannten Flüssigkeit durch den Vergleich
der Wärmemengen, die einer Wassermasse und einer Masse der unbekannten Flüssigkeit in gleichen
Zeiten zugeführt wird.
Durchführung
1. Messen Sie eine Wassermasse von 100 g ab und füllen Sie es in
das Becherglas im Kalorimetergefäß mit Deckel.
2. Bestimmen Sie die Anfangstemperatur des Wassers.
3. Bauen Sie die Schaltung mit der Heizspirale entsprechend nebenstehender Skizze auf. Verwenden Sie eine Spannung von etwa 12 V!
4. Erwärmen Sie das Wasser mit der Heizspirale 5 Minuten unter
ständigem vorsichtigem Umrühren und bestimmen Sie die Endtemperatur des Wassers!
5. Die unbekannte Flüssigkeit hat eine Dichte von ρ = 0,83 g . cm-³.
Welche Masse muss die Flüssigkeit haben, wenn das Volumen
100 ml betragen soll?
Messen Sie nun 100 ml der unbekannten Flüssigkeit ab und füllen Sie diese in das Becherglas im
Kalorimeter mit Deckel.
6. Erwärmen Sie die Flüssigkeit mit der Heizspirale 5 Minuten unter ständigem vorsichtigem Umrühren und bestimmen Sie die Endtemperatur! Verwenden Sie dieselbe Spannung wie in 3.
7. Bestimmen Sie aus dem Vergleich der den beiden Flüssigkeiten zugeführten Wärmemengen die
spezifische Wärmekapazität des Spiritus!
(Spezifische Wärmekapazität des Wassers: cW = 4,186 kJ . kg-1 . K-1 )
8. Welche Wärmeverluste treten beim Experiment auf?
9. Fertigen Sie ein Protokoll an, das den Nachvollzug des Experiments ermöglicht.
Experimente zur spezifischen Wärmekapazität von Körpern
Aufgabe 3:
Bestimmen Sie die spezifische Wärmekapazität eines Metallkörpers (Kupferkrampe).
Durchführung:
1. Messen Sie mit Hilfe der Waage die Masse der Kupferkrampe!
2. Bringen Sie eine beliebige Menge Wasser in einem Becherglas mit der Kochplatte zum Sieden
und legen Sie den Metallkörper in das Gefäß, so dass er vollständig vom Wasser bedeckt ist.
3. Lassen Sie das Wasser etwa 3 Minuten sieden, damit der Metallkörper die Temperatur des Wassers annimmt. Die Siedetemperatur wird mit 100 o C angenommen!
4. Ein zweites Gefäß, wird mit 100 g kaltem Wasser gefüllt und in das Kalorimetergefäß gestellt. Die
Temperatur und die Masse des Wassers werden gemessen.
5. Der Metallkörper aus dem siedenden Wasser wird nach kurzem Abtrocknen nun in das Gefäß mit
kaltem Wasser gelegt und die Temperaturerhöhung des kalten Wassers gemessen.
6. Durch den Vergleich der Wärmemengen, die dem kalten Wasser zugeführt wurde und der Wärmemenge, die vom Metallkörper abgegeben wurde, kann die spezifische Wärmekapazität des Metallkörpers bestimmt werden.
(Spezifische Wärmekapazität des Wassers: cW = 4,186 kJ . kg-1 . K-1 )
7. Wo liegen die Ursachen, dass der Wert der spezifischen Wärmekapazität des verwendeten Kupfers
nicht genau mit dem Wert aus dem Tafelwerk übereinstimmt?
8. Fertigen Sie ein Protokoll an, das den Nachvollzug des Experiments ermöglicht.
Experimente zur spezifischen Wärmekapazität von Körpern
Aufgabe 4:
Bestimmen Sie den Wirkungsgrad einer Kochplatte! Verwenden Sie die Formel zur Bestimmung der
elektrischen Energie W = P . t und die Formel zur Bestimmung der vom Wasser aufgenommenen
Wärmemenge Q = m . cW . ∆ϑ.
Durchführung:
1. Lesen Sie die Leistung an der Kochplatte ab.
2. Heizen Sie die vorliegende Kochplatte 5 Minuten vor.
3. Verwenden Sie eine Wassermasse von 150 g und füllen diese in das Becherglas mit Deckel. Messen Sie die Anfangstemperatur des Wassers!
4. Erwärmen Sie das Wasser 5 Minuten unter ständigem vorsichtigem Umrühren mit der Heizplatte.
5. Bestimmen Sie die elektrische Energie und die Wärmemenge, die das Wasser aufgenommen hat.
6. Berechnen Sie den Wirkungsgrad η als Quotient aus abgegebener und zugeführter Energie.
7. Fertigen Sie ein Protokoll an, das den Nachvollzug des Experiments ermöglicht.