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Vorwort
Winterliches weltweit
Weihnachten in verschiedenen Hauptstädten der Welt
Jährlicher Temperaturverlauf in verschiedenen Hauptstädten der Welt
Warum es auf der Erde Jahreszeiten gibt
Länder des ewigen Winters - Das Polargebiet
Wenn das Eis der Pole schmilzt - Die Zukunft der Eisbären
Wenn der Winter ausfällt
Weiße Weihnacht in Deutschland - Ein Wintermärchen?
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Kalt oder warm? – Die Temperatur als physikalische Größe
Eiskalte Fehlersuche im Durcheinander der Begriffe
Aufbau und Funktion eines Flüssigkeitsthermometers
Das Fieberthermometer früher und heute
Vor Kälte krümmen und vor Hitze biegen - Das Bimetallthermometer
Die Temperaturskalen nach Celsius, Fahrenheit und Kelvin
Eiskalte Berechnungen
Rätsel rund um die Temperaturmessung
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Thermische Energie, Wärme und Kälte
Thermische Energie als Energieform
Was verstehen wir unter Wärme und Kälte?
Heizen mit Kälte?
Wärme und Energie im Winter - Rätsel
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Aggregatzustandsänderungen
Überblick über die Aggregatzustandsänderungen
Schnee, Eis und Raureif - frostige Werke der Natur
Winter im Kühlschrank
Schnee aus der Schneekanone
Wärme durch Frost?
Eiskalter Test rund um den Schnee
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Physik im Winter
Physikalische und geographische Aspekte – Bestell-Nr. P11 680
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Inhalt
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Verhalten der Körper beim Erwärmen und Abkühlen
Körper dehnen sich bei Erwärmung aus - und bei Frost...?
Wächst der Eifelturm?
Das Bübchen auf dem Eise und die Fische darunter
Frost sprengt
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Wärmetransport
Auf welchen Wegen wandert die Wärme?
Der Golfstrom als natürliche Warmwasserheizung Europas
Wärme halten - Kälte stoppen
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Winterfest machen – Checkliste
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Rätsel rund um den Frost
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Lösungen
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Physik im Winter
Physikalische und geographische Aspekte – Bestell-Nr. P11 680
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Vorwort
Liebe Kollegen und Kolleginnen,
wenn in den letzten Schulwochen des alten Jahres, insbesondere kurz vor den Weihnachtsferien, die Lernfreude der Schüler ermüdet, könnte die Arbeit mit vorliegenden winterlichen Kopiervorlagen zur Motivation des Lernens im Physikunterricht der Mittelstufe
beitragen.
Mit Einstimmung auf den Winter soll das Grundwissen aus der Wärmelehre gefestigt
werden; gleichzeitig aber auch der fachübergreifende Aspekt zu geograischen Betrachtungen über Länder des ewigen Winters, Spiegelungen der Jahreszeiten in den Ländern
entsprechend ihrer Lage zum Äquator, der Nutzen des Golfstroms und die Auseinandersetzung mit Problemen des Klimawandels realisiert werden.
Auch praktische Bezüge zu Winterfreuden und Winterleiden wie Schlaglöcher und geplatzte Rohren werden hergestellt, denn Ausdehnung der Stoffe erfolgt nicht nur bei Wärmezufuhr, sondern auch bei Frost, wie es die Anomalie des Wassers zeigt. Welche Formen des Wärmetransportes es gibt, wo sie erwünscht oder unerwünscht in Erscheinung
treten und dementsprechend gefördert oder verhindert werden müssen, ist Inhalt vieler
Seiten.
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Da allerdings sowohl die Betrachtung winterlicher Phänomene, Betrachtungen zur Temperaturmessung nach verschiedenen Skalen und zu unterschiedlichen Messverfahren
als auch der Aufruf zu praktischen und alltäglichen Maßnahmen in Vorbereitung des Winters überwiegen, eignen sich die Kopiervorlagen nicht nur ausschließlich für den Physikunterricht, sondern auch zum allgemeinbildenden Einsatz in Vertretungsstunden und zum
fachfremden Unterricht.
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Viel Erfolg bei der Bildungsarbeit mit vorliegenden Arbeitsmaterialien sowie freudige Einstimmung auf den Winter wünscht Ihnen der Kohl Verlag und
Barbara Theuer
Bedeutung der Symbole:
Einzelarbeit
PA
EA
GA
Partnerarbeit
Arbeiten in
kleinen Gruppen
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Physik im Winter
Physikalische und geographische Aspekte – Bestell-Nr. P11 680
Selbstverständlich geht es nicht ohne Arbeit mit Fachbegriffen, Gesetzen der Wärmeausdehnung, physikalischen Größen und Maßeinheiten - verpackt in Zuordnungsübungen,
Tests in Quizform und Rätsel.
Arbeiten mit der
ganzen Gruppe
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Winterliches weltweit
Weihnachten in verschiedenen Hauptstädten der Welt
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Aufgabe 1: Ordne den Hauptstädten die entsprechenden Länder, die
Durchschnittstemperaturen im Dezember und die geographischen
Koordinaten zu und trage die Informationen unten ein.
(Hinweis: Beachte auch die Temperaturtabellen und Diagramme
auf den Seiten 8, 9 und 11!)
-3,4° C max.
18° C max.
Neuseeland
-2,6° C min.
U
A
-8,9° C min.
0° 13′ S 78° 31′ W
44° 26′ N 26° 6′ O
3,8° C max.
Russland
55° 45′ N 37°32′ O
19,6° C max.
H
C
41° 17′ S 174° 46′ O
Rumänien
S
R
Bukarest
9° C min.
Ecuador
13,2° C min.
Wellington
Hauptstadt von ________________
Hauptstadt von ________________
geographische Breite ___________
geographische Breite ___________
Temperaturen im Dezember
Temperaturen im Dezember
Maximum _________
Maximum _________
Minimum _________
Minimum _________
O
V
Moskau
Quito
Hauptstadt von ________________
Hauptstadt von ________________
geographische Breite ___________
geographische Breite ___________
Temperaturen im Dezember
Temperaturen im Dezember
Maximum _________
Maximum _________
Minimum _________
Minimum _________
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Physik im Winter
Physikalische und geographische Aspekte – Bestell-Nr. P11 680
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Winterliches weltweit
Monatliche Durchschnittstemperaturen für Quito
Jan.
Feb.
Mär.
Apr.
Mai
Juni
Juli
Aug. Sep.
max.
Temperatur
in °C
17
18
18
18
18
18
18
19
min.
Temperatur
in °C
9
9
9
10
9
8
8
8
mittlere
Temperatur
in °C
13
Okt.
Nov.
Dez.
19
19
18
18
8
9
8
9
Messwerte entnommen aus: de.wikipedia.org/wiki/Quito
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Aufgabe 6: Zeichne auf der Weltkarte den Äquator farbig nach und
markiere Quito.
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C
S
R
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Aufgabe 7: Berechne jeweils den Mittelwert aus monatlichem Temperaturmaximum und Temperaturminimum (siehe Beispiel für Januar) und trage
die Werte in die Tabelle ein! Zeichne dann ein entsprechendes
Temperaturdiagramm für den Verlauf der monatlichen mittleren
Durchschnittstemperaturen in Quito.
Hinweis: Für die Darstellung des Temperaturverlaufes eignen sich
bevorzugt Säulendiagramme. Zeichne auf Millimeterpapier,
schneide die Diagramme sauber aus und klebe sie in dein Heft.
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Aufgabe 8: Beschreibe den Temperaturverlauf in Quito während eines
Jahres in Sätzen in dein Heft. Vergleiche mit dem Temperaturverlauf in Moskau.
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Winterliches weltweit
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Aufgabe 20: 18 Begriffe rund um das Polargebiet und
seine Phänomene haben sich im eisigen
Gestöber von Buchstaben versteckt.
Finde sie und schreibe sie unten auf.
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X
M
N
E
R
A
E
T
M
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B
R
A
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A
L
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B
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P
P
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K
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V
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Im Buchstabengestöber eiskalt aufgespürt:
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Winterliches weltweit
Weiße Weihnacht in Deutschland – Ein Wintermärchen?
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Aufgabe 26: Schreibe einen kleinen Text zum Thema. Dabei sollen meteorologische Fakten, Sorgen um die Zukunft der Menschheit, aber auch
deine Wünsche und Hoffnungen eine Rolle spielen.
Vielleicht beginnst du mit...
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Es war einmal
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Physik im Winter
Physikalische und geographische Aspekte – Bestell-Nr. P11 680
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Thermische Energie, Wärme und Kälte
Thermische Energie als Energieform
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Aufgabe 1: Lies den untenstehenden Informationstext. Schreibe deine
Fragen in die Felder.
Endlich hat der Winter Einzug gehalten. Das Thermometer
zeigt genau 0°C und es hat die ganze Nacht geschneit. Die
Schüler nutzen eine Freistunde, um auf dem Schulhof einen
Schneemann zu bauen. In der folgenden Physikstunde
erarbeitet der Lehrer mit den Schülern einen Fragekatalog,
mit dem Ziel, einen „physikalischen Steckbrief“ des Schneemanns zu erarbeiten.
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Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome
oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Sie ist Teil der inneren Energie. Die thermische Energie wird in Joule (Einheitenzeichen J) gemessen.
Die thermische Energie Eth eines Stoffes ist von seiner Masse, seiner absoluten Temperatur T, welche in Kelvin gemessen wird, sowie vom Stoff abhängig, was sich in
seiner speziischen Wärmekapazität c – einer Stoffkonstante – ausdrückt.
Eine Wärmezufuhr steigert die mittlere kinetische Energie der Teilchen (Atome oder
Moleküle) und damit die thermische Energie, eine Wärmeabfuhr verringert sie. Thermische Energie ist also kinetische Energie, aber mit dem Merkmal der ungeordneten Bewegung vieler Teilchen. Ist die kinetische Energie aller Moleküle eines Stoffes
gleich Null, so ist, da m und c stets größer als Null sind, seine Temperatur am absoluten Nullpunkt. Die Kelvin-Temperaturskala verwendet diesen als Bezugspunkt. Obwohl es einen Zusammenhang zwischen thermischer Energie und Temperatur eines
Stoffes gibt, dürfen diese beiden Größen nicht verwechselt werden.
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Aufgabe 2: Welche anderen Energieeinheiten kennst du?
Notiere in dein Heft.
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Physik im Winter
Physikalische und geographische Aspekte – Bestell-Nr. P11 680
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Thermische Energie, Wärme und Kälte
Was verstehen wir unter Wärme und Kälte?
Kommen zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen (Symbol T) zusammen,
so gleichen sich ihre Temperaturen durch Wärmeaustausch an. Dabei geht jedoch
ohne zusätzliche Hilfe niemals thermische Energie vom Körper niedrigerer Temperatur zum Körper höherer Temperatur über. Die Angleichung erfolgt so lange, bis
keine Temperaturdifferenz zwischen den Körpern mehr auftritt. Dieser Vorgang wird
als Wärmeaustausch oder Wärmeübertragung bezeichnet.
Wärme ist eine Prozessgröße, während thermische Energie eine Zustandsgröße
ist. Das Symbol für die Wärme ist Q, sie wird in Joule gemessen. Kälte ist gleichbedeutend mit einem Mangel an Wärme.
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Aufgabe 3: a) Lies den Informationstext.
Beschreibe einen praktischen
Sachverhalt, bei welchem die
physikalischen Begriffe
„thermische Energie“ und „Wärme“
vorkommen.
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b) „Kälte“ ist keine physikalische Größe. Dennoch spüren wir sie
im Winter. Beschreibe einen Sachverhalt, bei welchem „Kälte“
im physikalischen Sinn eine Rolle spielt.
Kälte
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Physik im Winter
Physikalische und geographische Aspekte – Bestell-Nr. P11 680
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Die Lösungen
1
Aufgabe 6:
Q
X
Aufgabe 7:
Monatliche Durchschnittstemperaturen für Quito
mittlere
Temperatur
in °C
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Jan.
Feb.
Mär.
Apr.
Mai
Juni
Juli
Aug.
Sep.
Okt.
Nov.
Dez.
13,0
13,5
13,5
14,0
13,5
13,0
13,0
13,5
13,5
14,0
13,0
13,5
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C
Graphische Darstellung der monatlichen Durchschnittstemperaturen in Quito
(1 auf der waagerechten Achse für Monat Januar
2 auf der waagerechten Achse für Monat Februar usw.)
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Aufgabe 8:
Die Mittelwerte der Monatstemperaturen bewegen sich in Quito zwischen 13° C und 14° C;
sind also im Verlauf eines Jahres nahezu konstant, während die Temperaturen in Moskau
stark zwischen Monatsmitteltemperaturen von -9,5° C und 18,5° C schwanken.
Aufgabe 9:
Beide Städte liegen etwa gleich weit vom Äquator entfernt. Bukarest nördlich und Wellington südlich
des Äquators. Deshalb sind auch die Jahreszeiten verschoben.
Bukarest
Wellington
Aufgabe 10:
Physik im Winter
Physikalische und geographische Aspekte – Bestell-Nr. P11 680
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Seenähe oder Binnenland, Höhe über dem Meeresspiegel
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Die Lösungen
2
Kalt oder warm? - Die Temperatur als physikalische Größe
Aufgabe 1:
Temperatur , T
Kelvin, 1 K
Grad Celsius, 1°C
Grad Fahrenheit, 1°F
Wärme, Kälte Q
Thermische Energie, E
Joule, 1 J
Kilowattstunde, 1kWh
Aufgabe 2:
Temperatur: schnell, Nullpunkt, Bewegung, Celsius
Thermische Energie: Bewegung, Joule
Wärme: Temperatur, Temperatur
Kälte: Wärme
Aufgabe 3:
a) Brettchen, Glasröhrchen, Temperaturskala, Thermometerlüssigkeit
b) Allgemein gilt: Körper dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen.
Die Ausdehnung der Thermometerlüssigkeit kann in dem Glasröhrchen nur linear erfolgen. Es erfolgt
eine Messgrößenwandlung von der Temperatur in die Länge der Flüssigkeitssäule.
c) Grad Celsius, Grad Fahrenheit, Kelvin
U
A
Aufgabe 4:
- Bei Temperaturen unter 0°C erstarrt das Wasser.
- Wegen der Anomalie des Wasser versagt im Bereich zwischen 0°C und 4°C das Prinzip
„Körper ziehen sich bei Abkühlung zusammen.“ Die Anomalie des Wassers besteht darin, dass
Wasser bei 4°C seine kleinste Dichte hat und sich folglich sowohl bei Erwärmung über 4°C
als auch bei Abkühlung unter 4°C ausdehnt. Somit würde die Thermometerlüssigkeit bei
Abkühlung unter 4°C wieder steigen - das Messprinzip versagt.
Aufgabe 5:
Der Gefrierpunkt von Quecksilber liegt bei -38°C
Messbereich eines Quecksilberthermometers: -30°C bis +350°C.
Aufgabe 6:
- Der Messbereich reicht mindestens von 35°C bis 42°C .
- Eine Ablesegenauigkeit von 0,1°C ist erforderlich.
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Begründung:
- Die Körpertemperatur eines Menschen unterschreitet allgemein 35°C nicht und steigt nicht über 42°C
- Eine empindliche Messung auf Zehntel Grad genau ist erforderlich, da bereits Temperaturänderungen
von einigen Zehntel Grad Aussagen über den Gesundheitszustand zulassen.
Aufgabe 7:
A
B
C
S
R
Die Temperatur liegt unter 34,7°C, was bedeutet, dass das Thermometer keinen Kontakt zum
menschlichen Körper hatte.
Das Thermometer zeigt eine Körpertemperatur von 36,6°C an.
Das Thermometer zeigt eine erhöhte Körpertemperatur von 37,7°C an.
Aufgabe 8:
Quecksilber
- besitzt einen nahezu temperaturunabhängigen Wärmeausdehnungskoefizienten
- benetzt das Glas des Thermometerröhrchens nicht
- garantiert als Thermometerlüssigkeit präzise Messungen
- hat den Gefrierpunkt bei -38°C und den Siedepunkt bei 350°C
- ist giftig
- Die Quecksilbersäule reagiert sehr langsam auf Temperaturänderungen. Deshalb dauert das
Fiebermessen relativ lange (mindestens 5 Minuten), was bei Kleinkindern Schwierigkeiten mit sich
bringt.
- Glasthermometer sind zerbrechlich.
- Wenn ein Fieberthermometer zerbricht, tritt giftiges Quecksilber aus.
Aufgabe 9:
Vorteile: unzerbrechlich, keine giftigen Inhaltsstoffe, kleine Messdauer, Ende der Messung bei erreichter
Maximaltemperatur wird durch ein akustisches Signal angezeigt
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Nachteil: keine Funktion ohne oder bei verbrauchter Batterie
Aufgabe 10:
Bimetallthermometer sind unzerbrechlich und robust; sie vertragen hohe Temperaturen.
Aufgabe 11:
Wärmeausdehnung, Metalle, Temperatur, Krümmung, Stärke, Skala, Bimetallschalter, Sensorelement,
Temperaturänderung, Temperatureinsatzbereich, Backofenthermometer
Aufgabe 12:
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Grad Celsius
Einheitenzeichen °C
Gefrierpunkt von Wasser
bei Normaldruck
0 - Temperatur
273,15 K
32°F
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•
Kevin
Einheitenzeichen K
Absoluter Nullpunkt, bei
dem die Teilchen keine
Bewegung mehr zeigen
0 - Temperatur
- 273,15°C
- 459.7°F
Seite 58
•
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•
•
•
•
Grad Fahrenheit
Einheitenzeichen °F
Gefrierpunkt von Wasser
bei Normaldruck (als
zweite Festlegung)
0 - Temperatur
-17.8°C
255.3 K
Physik im Winter
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