Physikalisches Schulversuchspraktikum: Flüssigkeiten
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Physikalisches Schulversuchspraktikum: Flüssigkeiten 2. und 3. Klasse 16. 1. 2003 und 23. 1. 2003 Gerhild Gabath 9802524 Abgabetermin: 4. 2. 2003 INHALTSVERZEICHNIS 1) Unterrichteter Stoff 2) Vorwissen 3) Lernziele 4) Lerninhalt des Themas 5) Versuche 6) Quellenverzeichnis 2 1) Unterrichteter Stoff Das Thema Flüssigkeiten wird zu einem Teil bereits in der zweiten Klasse Unterstufe (sechste Schulstufe) durchgenommen, zum anderen Teil dann in der dritten Klasse (siebente Schulstufe) fortgesetzt. In der Oberstufe kommt dieses Kapitel dann in der sechsten Klasse (zehnte Schulstufe) vor. In der zweiten Klasse wird vornehmlich das Kapitel Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten behandelt. Im vorhinein wird allerdings erläutert, dass Körper aus diversen Stoffen bestehen, welche in bestimmten Zustandsformen auftreten. Diese heißen Aggregatzustände und es gibt Festkörper, Flüssigkeiten und Gase. Man unterscheidet dabei nach den Kräften, die zwischen den Teilchen der Körper wirken. Die Kraft, die zwischen den Teilchen eines Stoffes wirkt, nennt man Kohäsion. Aber auch zwischen verschiedenartigen Teilchen zweier Körper, die sich in engem Kontakt befinden, wirkt eine anziehende Kraft, welche als Adhäsion bezeichnet wird. Weiters wird die Unterscheidung zwischen Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen getroffen: Die Festkörper werden anhand von der Betrachtung von Kristallen untersucht. Als Ergebnis wird dabei festgehalten, dass die Teilchen in Festkörpern an feste Plätze gebunden sind, da die Kohäsion sehr groß ist. Auch zwischen den Teilchen von Flüssigkeiten wirken Kohäsionskräfte, welche allerdings wesentlich kleiner sind als bei festen Körpern. Deshalb lassen sich die Teilchen leicht gegeneinander verschieben und durch geringe Kräfte voneinander trennen. Bei Gasen jedoch ist keine merkliche Kohäsion vorhanden, ihre Teilchen befinden sich in ständiger, ungeordneter Bewegung. Gase unterscheiden sich von Flüssigkeiten dadurch, dass sie keine Oberfläche bilden. Die gegen die Gefäßwände stoßenden Gasteilchen bewirken einen Druck. Im Folgenden werden die Oberflächen von Flüssigkeiten einer genaueren Betrachtung und auch Behandlung unterzogen. Benetzende und nichtbenetzende Flüssigkeiten, Oberflächenspannung, Kapillarität Die freie Oberfläche einer ruhenden Flüssigkeit ist waagrecht. Durch Beobachtung erkennt man, dass es Flüssigkeiten gibt, die eine Gefäßwand benetzen (Wasser), was durch die Adhäsionskräfte zwischen Flüssigkeit und Gefäß erklärt werden kann. Zusätzlich gibt es auch Flüssigkeiten, die die Gefäßwände nicht benetzen, wie beispielsweise Quecksilber, die Kohäsion zwischen den Teilchen der Flüssigkeit ist in diesem Fall größer als die Adhäsion zu den Teilchen der Gefäßwand. Abbildung 1 3 Im Inneren der Flüssigkeit heben sich die Kohäsionskräfte zwischen den Teilchen gegenseitig auf, die Teilchen an der Oberfläche werden jedoch durch Kohäsion nach innen gezogen. Dadurch wirkt die Oberfläche wie eine Haut, die die Flüssigkeit umspannt. Diese Erscheinung wird Oberflächenspannung genannt. Eine besondere Form der Flüssigkeitsoberfläche liegt bei Seifenblasen vor. Abbildung 2 Anschließend wird auch die sogenannte Haarröhrchenwirkung oder Kapillarität behandelt. Als Haarröhrchen bzw. Kapillare bezeichnet man sehr enge Röhren. Die Kapillarität läßt sich aus dem Zusammenwirken von Adhäsion und Kohäsion erklären. Bei benetzenden Flüssigkeiten überwiegt die Adhäsion, die Flüssigkeit wird im Haarröhrchen emporgezogen. Die Steighöhe ist umso größer, je enger das Rohr ist. Bei nichtbenetzenden Flüssigkeiten überwiegt die Kohäsion zwischen den Flüssigkeitsteilchen. Quecksilber wird in den Haarröhrchen hinuntergezogen. Abbildung 3 Abbildung 4 Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten Der hauptsächliche Schwerpunkt bezüglich Flüssigkeiten liegt in der zweiten Klasse wie bereits erwähnt auf dem Kapitel Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten. Zuerst wird die Druckfortpflanzung in Flüssigkeiten betrachtet und erklärt. Aufgrund diverser Versuche läßt sich zeigen, dass sich ein auf Flüssigkeiten ausgeübter Druck nach allen Richtungen mit gleicher Stärke fortpflanzt (Gesetz der allseitigen Druckfortpflanzung). 4 Auf diesem Prinzip der allseitigen Druckfortpflanzung in Flüssigkeiten beruht die hydraulische Presse. Abbildung 5 Zwei starkwandige Zylinder mit dichtschließenden Kolben und ein Vorratsgefäß für die Flüssigkeit sind über zwei Ventile miteinander verbunden. Der kleinere Kolben wird Druckkolben, der größere Presskolben genannt. Wird der Druckkolben abwärts bewegt, so drückt er bei geschlossenem Ventil in den Zylinder mit dem Presskolben. Dieser wird dadurch gehoben und presst die zwischen ihm und einem Widerlager befindlichen Stoffe zusammen. Mit geringem Kraftaufwand am Druckkolben können große Druckkräfte am Presskolben ausgeübt werden. Im Anschluss daran wird der Begriff hydrostatischer Druck erläutert. Als hydrostatischen Druck bezeichnet man den Druck, der vom Gewicht der darüber befindlichen Flüssigkeitsmenge herrührt. Auch auf die Seitenwände eines Gefäßes wird von einer ruhenden Flüssigkeit ein hydrostatischer Druck ausgeübt. Anhand diverser Versuche kann veranschaulicht werden, dass der von einer ruhenden Flüssigkeit auf den Boden eines Gefäßes ausgeübte Druck nicht von der Form des Gefäßes und folglich auch nicht vom Flüssigkeitsvolumen abhängt. Er hängt allerdings von der Flüssigkeitshöhe und von der Dichte der Flüssigkeit ab. Der Flüssigkeitsdruck kann auch berechnet werden: Bei einem quaderförmigen Gefäß mit der Grundfläche A und einer Flüssigkeitshöhe h ist das Volumen V = a.h. Hat die Flüssigkeit die Dichte , so beträgt ihre Masse m = V. = A.h.. Für das Gewicht G erhält man dann G = m.g = A.h.g.. Damit ergibt sich für den Druck: p = G/A = h.g.. p ... Druck h ... Flüssigkeitshöhe g ... Fallbeschleunigung ... Dichte der Flüssigkeit Weiters ist es nötig, Flüssigkeiten in miteinander verbundenen Gefäßen (= kommunizierende Gefäße) zu betrachten, was besonders gut anhand von verschiedenen Versuchen geht. An jeder Stelle in einem Gefäß müssen sich die hydrostatischen Druckkräfte aus den verschiedenen Richtungen das Gleichgewicht halten. In einem Querschnitt eines Verbindungsrohres zwischen zwei Gefäßen können sich die Druckkräfte von beiden Seiten her nur dann aufheben, wenn die Flüssigkeitssäulen überall gleich hoch sind. 5 Als nächstes wird der Auftrieb in Flüssigkeiten behandelt. Wenn man einen Gegenstand in eine Flüssigkeit taucht, wirkt von allen Seiten Druck auf ihn. Abbildung 6 Druckkräfte, die seitlich auf den Körper wirken, heben sich gegenseitig auf. In gleicher Tiefe sind sie gleich groß. In größerer Tiefe ist der Druck stärker. Deshalb ist die Kraft, die auf die untere Fläche des Gegenstandes wirkt, größer als die Kraft, die auf die obere Fläche drückt. Beide Kräfte ergeben zusammen eine resultierende Kraft, die Auftrieb genannt wird. Hängt man einen Gegenstand auf einen Kraftmesser, so kann man seine Gewichtskraft messen. Taucht man diesen Köper nun in eine Flüssigkeit, so zeigt die Federwaage weniger an. Da die Anziehungskraft der Erde und die Masse des Gegenstandes auch in einer Flüssigkeit nicht geringer werden, muss eine Kraft wirken, die der Gewichtskraft entgegengesetzt ist, dies ist die Auftriebskraft. Ist die Auftriebskraft größer als die Gewichtskraft, so schwimmt der Körper. Sind beide Kräfte gleich groß, schwebt er. Ist der Auftrieb kleiner als das Gewicht, so sinkt er. Abbildung 7 Den Zusammenhang zwischen dem Volumen eines Körpers und dem Auftrieb in einer Flüssigkeit läßt sich mittels des Gesetzes von Archimedes erklären. Dieses besagt, dass ein Körper, der in eine Flüssigkeit eintaucht, einen scheinbaren Gewichtsverlust erfährt, dies ist der Auftrieb. Dieser ist gleich dem Gewicht der vom Körper verdrängten Flüssigkeitsmenge. Fa = V.g., also der Auftrieb ist gleich dem Veränderungsvolumen mal der Dichte der Flüssigkeit mal Fallbeschleunigung. Fa ... Auftrieb V ... Volumen des eingetauchten Körpers g ... Fallbeschleunigung ... Dichte der Flüssigkeit 6 In der dritten Klasse stellt das Wasser selbst das schwerwiegende Thema dar. So werden hier etwa die Volumsänderungen beim Schmelzen und Erstarren behandelt. Dabei ist bereits bekannt, dass Temperaturänderungen Volumsänderungen der Körper zur Folge haben. Auch beim Schmelzen und Erstarren treten Änderungen des Volumens auf, weil die Teilchen und damit der gesamte Körper bei der stärkeren Wärmebewegung mehr Raum beanspruchen. Wasser dehnt sich beim Gefrieren mit großer Gewalt um etwa 1/10 seines Volumens aus. Daher hat es eine kleinere Dichte als Eis, als wenn es flüssig ist, weshalb auch Eis auf Wasser schwimmt. Die meisten Stoffe dehnen sich beim Schmelzen aus und ziehen sich beim Erstarren zusammen. Das Wasser dagegen dehnt sich beim Gefrieren aus. Dies führt direkt zum nächsten Kapitel, der Anomalie des Wassers. Im allgemeinen hat ein Körper bei einer höheren Temperatur ein größeres Volumen. Anders ist das bei Wasser zwischen 0° und 4° C. Das Volumen des Wassers verkleinert sich beim Erwärmen von 0° C auf 4° C. Erst beim Erwärmen über 4° C wird das Volumen des Wassers größer. Daher ist Wasser mit 4° C schwerer als Wasser mit 0° C. Anomalie des Wassers: Das Wasser hat bei 4° C sein kleinstes Volumen und daher seine größte Dichte. Auch die Begriffe Verdampfen und Verdunsten werden geklärt. Den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand nennt man Verdampfen. Das bei jeder Temperatur stattfindende Verdampfen heißt Verdunsten. Dabei überwinden die schnellsten Teilchen der Oberfläche die Kohäsion, sie entweichen aus der Flüssigkeit und bilden meist unsichtbaren Dampf. Jene Art des Verdampfens, bei der auch von innen her bei einer bestimmten Temperatur ein lebhafter Übergang in den gasförmigen Zustand erfolgt, nennt man Sieden. Nach einiger Zeit bilden sich im Inneren der Flüssigkeit kleine Luftbläschen, sie steigen auf, wodurch in der ganzen Flüssigkeit eine Art leichtes Perlen entsteht. nach längerem Erhitzen bilden sich auf dem Boden des Gefäßes Dampfblasen. Bei weiterer Wärmezufuhr steigen diese Blasen bis an die Oberfläche und entweichen. Dadurch kommt die Flüssigkeit in wallende Bewegung, sie siedet. Das Wasser verdampft nicht nur an der Oberfläche, sondern auch im Inneren. Der entstehende Dampf muss beim Sieden den auf der Flüssigkeit lastenden Druck überwinden. Bei normalem Luftdruck erreicht Wasserdampf dies bei 100° C. Dies bezeichnet man auch als Siedepunkt bzw. Siedetemperatur des Wassers. Die beim Normalsiedepunkt zum Verdampfen von 1 kg einer Flüssigkeit erforderliche Wärmemenge heißt spezifische Verdampfungswärme. Der Abstand der Teilchen in Flüssigkeiten ist so klein, dass zwischen diesen noch Kohäsionskräfte wirksam sind. Einzelne, sich rasch bewegende Teilchen sind jedoch im Stande, aus der Oberfläche in den darüberliegenden Gasraum überzutreten, die Flüssigkeit verdunstet. Erhitzt man die Flüssigkeit bis zum Sieden, so bewegen sich die Teilchen immer schneller und entfernen sich voneinander über die Reichweite ihrer Kohäsionskräfte. Es bilden sich Dampfblasen, die Flüssigkeit geht in den gasförmigen Zustand über. In diesem Rahmen ist auch die Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck zu behandeln. Beim Sieden müssen die entstehenden Dampfblasen den äußeren Druck 7 überwinden. Daher ist die Siedetemperatur vom Druck abhängig, der auf die Flüssigkeit wirkt. Die Siedetemperatur ist umso höher je größer dieser Druck ist, und umso kleiner, je kleiner er ist. Abbildung 8 Es bleibt dann noch der Begriff der Kondensation bzw. Verflüssigung zu klären. Als Kondensieren bezeichnet man den Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand. Die Temperatur, bei der dies stattfindet, heißt Kondensationspunkt. Will man ein Gas kondensieren, so genügt es meist, dieses abzukühlen. Beim Kondensieren wird die einer Flüssigkeit beim Verdampfen zugeführte Verdampfungswärme als Kondensationswärme wieder frei. Dies ist für das Prinzip des Kühlschranks und der Wärmepumpe von Bedeutung. 2) Vorwissen In der zweiten Klasse werden Kenntnisse über den Aufbau und die Zusammensetzung von Stoffen benötigt, d.h. die Schüler sollten bereits wissen, dass Moleküle zu den kleinsten untereinander gleichartigen Teilchen eines Stoffes gehören. Die Moleküle bestehen wiederum aus noch kleineren Teilchen, den Atomen. Stoffe, die aus gleichartigen Atomen bestehen, nennt man Grundstoffe oder Elemente. Weiters ist besonders zur Erklärung der Kohäsions- – und Adhäsionskräfte zwischen den Teilchen grundlegendes Wissen über Kräfte und deren Wirkungen nötig. Die Schüler sollten wissen, dass eine Kraft einen Körper verformen oder eine Geschwindigkeitsänderung hervorrufen kann. Auch die Arten der Kraftmessung (z.B. Federwaage) und die Einheit der Kraft (Newton) sollen bekannt sein. Ebenso wichtig ist, dass die Wirkung einer Kraft von ihrer Größe, ihrer Richtung und ihrem Angriffspunkt abhängt. Zwei Kräfte sind im Gleichgewicht, wenn sie auf einer Wirkungslinie liegen, entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind. Dann heben sie einander in ihrer Wirkung auf. Auch die Begriffe Gewicht und Gewichtskraft müssen von vornherein bekannt sein. Also entspricht das Gewicht eines Körpers jener Kraft, mit der er von der Erde angezogen wird. Das Gewicht eines Körpers hängt demnach von seiner Masse und vom Ort ab, es entspricht dem Produkt von Masse und Fallbeschleunigung. Zwar sollten Kenntnisse bezüglich des Zusammenhangs zwischen Teilchenbewegung und Temperatur schon aus der zweiten Klasse bekannt sein, jedoch besonders benötigt wird dieses Wissen dann in der dritten Klasse, wenn es um die Zustandsänderungen von Wasser geht. Folglich sollte bekannt sein, dass das Volumen fester, flüssiger und gasförmiger Körper im allgemeinen bei Erwärmung größer und bei Abkühlung kleiner wird. Hier ist dann wieder Wissen über die Teilchenstruktur der Stoffe gefragt. Die Teilchen eines Körpers befinden sich also in dauernder, ungeordneter Bewegung. Je größer nun die Geschwindigkeit der Teilchen ist, desto höher ist die Temperatur. Mit Hilfe der Teilchenbewegung kann die Erwärmung eines kälteren Körpers durch einen Wärmeren erklärt werden. Die sich schneller bewegenden Teilchen des wärmeren Körpers stoßen mit den langsameren Teilchen des kälteren Körpers 8 zusammen. Dadurch erhöhen sie deren Geschwindigkeit, sie werden aber selber langsamer. Die Temperaturen der beiden Körper gleichen sich somit allmählich aus. Wird die Geschwindigkeit der Teilchen kleiner, so sinkt die Temperatur des Körpers. Man kann sich demnach vorstellen, dass die Bewegung der Teilchen einmal praktisch aufhört, dann hätte der Körper die tiefstmögliche Temperatur angenommen. Dieser absolute Nullpunkt der Temperatur liegt bei – 273,15° C, was der Ausgangspunkt für die Kelvinskala ist. 3) Lernziele Die Schüler sollen einerseits Hintergrundwissen über Phänomene wie Oberflächenspannung, Haarröhrchenwirkung und über benetzende bzw. nichtbenetzende Flüssigkeiten erhalten. Zur Erklärung werden die Kohäsions- und Adhäsionskräfte zwischen den Teilchen herangezogen. Andererseits ist es auch ein Ziel, den Schülern Beispiele für Anwendungen dieser speziellen Eigenschaften von Flüssigkeiten aufzuzeigen, so etwa die Ausnutzung der Oberflächenspannung beim Wasserläufer. Ebenso ist es beim Druck in Flüssigkeiten: die Schüler sollen sowohl wissen, was diesen Druck verursacht, als auch praktische Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die hydraulische Presse, kennenlernen. Der Begriff Auftrieb und das Archimedische Gesetz sind von besonderer Bedeutung, da sie auch in späteren Kapiteln (v.a. Luftdruck) wieder benötigt werden und dann dem leichteren Verständnis durchaus förderbar sind. In der dritten Klasse liegt der Schwerpunkt dann auf dem Verhalten von Wasser, hier gilt es das Phänomen der Anomalie des Wassers darzulegen und eventuell im Unterricht auch auf dessen Wichtigkeit im Rahmen der Biologie einzugehen, da diese Eigenschaft des Wassers es erst ermöglicht, dass Wasserlebewesen im Winter problemlos überleben können. Weiters ist das Zustandsdiagramm des Wassers und die Abhängigkeit der Siedetemperatur vom äußeren Luftdruck in dieser Klasse ein wichtiges Thema. 4) Lerninhalte Die Schüler sollen den Unterschied zwischen Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen formulieren können: Festkörper haben eine bestimmte Gestalt und ein bestimmtes Volumen. Flüssigkeiten haben ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Gestalt. Gase haben weder ein bestimmtes Volumen, noch eine bestimmte Gestalt. Die Kraft zwischen den Teilchen eines Körpers heißt Kohäsion, die Kraft zwischen den verschiedenartigen Teilchen zweier Körper heißt Adhäsion. Festkörper zeigen eine große, Flüssigkeiten eine geringere und Gase fast keine Kohäsion. Weiters gibt es Flüssigkeiten, die eine Gefäßwand benetzen (Wasser) und solche, die sie nicht benetzen (Quecksilber). Bezüglich Kapillarität ist zu bemerken, dass die Haarröhrchenwirkung umso größer ist, je enger das Rohr ist. Allgemein sollte in Erinnerung bleiben, dass die freie Oberfläche von Flüssigkeiten waagrecht ist. Benetzende Flüssigkeiten werden an Gefäßwänden emporgezogen, nichtbenetzende nach unten gedrückt. Darauf beruht auch die in engen Röhren auftretende Haaröhrchenwirkung. 9 Bezüglich der Druckfortpflanzung in Flüssigkeiten gilt als essentiell, dass sich ein auf eine Flüssigkeit ausgeübter Druck nach allen Richtungen mit gleicher Stärke fortpflanzt. Als Druck bezeichnet man dabei folgende Größe: p = F/A, wobei F die Druckkraft ist und A die gedrückte Fläche. Der Druck ist umso größer, je größer die Druckkraft und je kleiner die gedrückte Fläche ist. Die Einheit des Drucks ist das Pascal. Jede ruhende Flüssigkeit übt durch ihr Gewicht einen Druck aus, den sogenannten hydrostatischen Druck. Der von einer ruhenden Flüssigkeit auf den Boden eines Gefäßes ausgeübte Druck ist von der Form des Gefäßes und vom Volumen unabhängig. Er hängt aber von der Höhe und der Dichte der Flüssigkeit ab. Der hydrostatische Druck kann nach der Formel p = h.g. berechnet werden. In kommunizierenden Gefäßen steht eine ruhende Flüssigkeit überall gleich hoch. Durch den hydrostatischen Druck entsteht in einer Flüssigkeit Auftrieb. Ein Körper, der in eine Flüssigkeit getaucht wird, erfährt einen scheinbaren Gewichtsverlust, den Auftrieb. Dieser ist gleich dem Gewicht der vom Körper verdrängten Flüssigkeitsmenge. Ein Körper sinkt, wenn sein Gewicht größer ist als der Auftrieb bzw. wenn seine Dichte größer ist als die der Flüssigkeit. Ein Körper schwebt, wenn sein Gewicht gleich dem Auftrieb ist bzw. wenn seine Dichte gleich der der Flüssigkeit ist. Ein Körper schwimmt, wenn sein Gewicht kleiner ist als der Auftrieb bzw. wenn seine Dichte kleiner ist als die der Flüssigkeit. In der dritten Klasse sind folgende Lerninhalte zu vermitteln: Durch Erwärmen können Stoffe schmelzen, durch Abkühlen erstarren. Der Schmelzpunkt und der Erstarrungspunkt eines Körpers liegen bei der gleichen Temperatur. Die zum Schmelzen notwendige Wärme wird beim Erstarren wieder frei. Auch beim Lösen eines Stoffes wird Wärme benötigt. Beim Schmelzen und Erstarren ändert sich das Volumen der Körper. Die meisten Stoffe dehnen sich beim Schmelzen aus und ziehen sich beim Erstarren zusammen. Das Wasser dagegen dehnt sich beim Gefrieren aus. Wasser hat bei 4° C sein kleinstes Volumen und daher seine größte Dichte (Anomalie des Wassers). Als Verdunsten bezeichnet man das bei jeder Temperatur stattfindende Verdampfen. Das Verdunsten kann durch Erwärmen, Vergrößerung der Oberfläche und durch Luftbewegung beschleunigt werden. Jene Art des Verdampfens, bei der ein lebhafter Übergang in den gasförmigen Zustand erfolgt, bezeichnet man als Sieden. Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit siedet, nennt man Siedetemperatur oder Siedepunkt. Die beim Normalsiedepunkt zum Verdampfen von 1 kg einer Flüssigkeit erforderliche Wärmemenge heißt spezifische Wärmemenge. Die Siedetemperatur einer Flüssigkeit steigt bei Erhöhung und sinkt bei Erniedrigung des auf sie wirkenden Druckes. 10 Der Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand heißt Kondensieren. Dabei wird die einer Flüssigkeit beim Verdampfen zugeführte Verdampfungswärme als Kondensationswärme wieder frei. 5) Versuche Kapillarität Man benötigt hierfür einige Glasröhrchen mit verschiedenen, möglichst kleinen Durchmessern ( 3 – 4 Stück), ein Glasgefäß (Becherglas), Wasser und ein Färbemittel für das Wasser. In das mit Wasser gefüllte Becherglas werden gleichzeitig die Haarröhrchen hineingetaucht, ohne dass ihre Öffnungen den Boden berühren. Es läßt sich erkennen, dass sich die Röhrchen verschieden hoch mit Wasser füllen, und zwar steigt das Wasser in dem Röhrchen mit dem geringsten Durchmesser am höchsten, in dem mit dem größten Durchmesser steigt es am wenigsten. Dieser Effekt läßt sich durch Adhäsion in benetzenden Flüssigkeiten erklären, die Flüssigkeit wird im Röhrchen emporgezogen. Dieser Versuch könnte natürlich auch mit Quecksilber (nichtbenetzende Flüssigkeit) durchgeführt werden, es zeigt sich dann, dass die Flüssigkeit in den Röhrchen hinuntergezogen wird, da die Kohäsion überwiegt. Es ist dabei allerdings auf die Giftigkeit von Quecksilber zu verweisen. Es ist empfehlenswert, das verwendete Wasser einzufärben, beispielsweise mit Kaliumpermanganat oder mit Tinte, da so der Kapillareffekt für die Schüler besser sichtbar wird. Zur Versuchsdurchführung braucht man ungefähr ein oder zwei Minuten, zur Besprechung und Interpretation der Versuchsergebnisse kann man dann noch drei bis fünf Minuten einkalkulieren. Oberflächenspannung Es werden ein Becherglas, Wasser und eine möglichst leichte Münze benötigt, im konkreten Fall war dies eine alte 10 – Groschen – Münze aus Aluminium. Weiters kann ein Papiertaschentuch recht hilfreich sein. Die Münze muss trocken sein und wird auf das Taschentuch gelegt, anschließend legt man das Tuch mit der Münze ins Wasser. Das Taschentuch saugt sich mit Wasser voll und sinkt langsam ab, die Münze scheint zu schwimmen. Bei genauem Hinsehen zeigt sich, dass die Münze von der Oberfläche des Wassers getragen wird (siehe folgende Abbildung). Abbildung 9 Die Teilchen an der Oberfläche werden durch die Kohäsion nach innen gezogen, die Oberfläche wirkt dadurch wie eine Haut, die Münze schwimmt auf der Oberfläche. 11 Der Versuch funktioniert einwandfrei mit einer alten Aluminiummünze, wenn man zuvor ein wenig geübt hat. Er ist allerdings auch mit Cent – Münzen durchführbar, man muss in diesem Fall aber unbedingt den Trick mit dem Papiertaschentuch anwenden, da man beim Hineinlegen mit den Fingern zu ungeschickt wäre. Der gesamte Versuch benötigt inklusive Vorbereitung etwa zwei Minuten. Archimedisches Gesetz Man benötigt eine Balkenwaage, ein Massestück, ein Becherglas mit Wasser und eine Haltezange für das Becherglas. Zuerst wird das an der Waage aufgehängte Massestück gewogen und somit die Balkenwaage ins Gleichgewicht gebracht. Für die Masse des Metallstücks ergab sich in diesem Fall ein Wert von 375,2 g. Anschließend nimmt man das etwa zu zwei Dritteln mit Wasser gefüllte Becherglas und hält es so unter das Metallstück, dass man dieses in das Wasser eintauchen kann. Macht man dies dann auch , so zeigt die Balkenwaage einen ziemlich starken Ausschlag, das ins Wasser getauchte Metallstück ist so leicht, dass die andere Waagschale am Boden zu stehen kommt. Laut dem Gesetz von Archimedes erfährt ein Körper, der in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, einen scheinbaren Gewichtsverlust, den Auftrieb. Dies wird anhand dieses Versuchs sehr deutlich durch das Ausschlagen der Waage sichtbar, wie man auch auf den Photos erkennen kann. Abbildung 10 Abbildung 11 Anstelle der Balkenwaage kann man auch eine Federwaage verwenden, was die Beobachtung des Effekts vereinfacht. Das Hantieren mit der Waage und dem Becherglas erweist sich als etwas schwierig, da man das Becherglas unterhalb des Metallstücks platzieren muss, ohne die Waage aus dem Gleichgewicht zu bringen. 12 Der Versuch benötigt inklusive Aufbau etwa sechs bis sieben Minuten, da man eben zuerst das Massenstück abwiegen muss und danach erst den eigentlichen Versuch durchführen kann. Auftrieb Wiederum braucht man eine Waage, ein Becherglas mit Skala, Wasser und ein spezielles Metallstück. Dieses hat die Form eines Zylinders, dessen innerer Teil herausnehmbar ist. Dieser innere Zylinder hat natürlich das gleiche Volumen wie der Hohlraum, der vom ursprünglichen Zylinder übrigbleibt. Man mißt in das Becherglas z.B. genau 900 ml Wasser ein, danach entnimmt man mit dem Zylinder mit Hohlraum so viel Wasser, wie genau hineinpasst. Im konkreten Fall waren dies 70 ml, im Becherglas sind also 830 ml Wasser zurückgeblieben. Taucht man dann den kleinen Zylinder in das Wasser, so zeigt sich, dass das Volumen im Becherglas genau wieder den ursprünglichen 900 ml entspricht, die beiden Volumina sind wirklich gleich. Den mit Wasser gefüllten Zylinder hängt man an eine Waage, an der Unterseite wird dann der kleine Vollzylinder mit einem Faden befestigt und in das Becherglas mit Wasser getaucht. Das Volumen des vom Körper verdrängten Wassers stimmt mit dem des Hohlzylinders überein. Deshalb ist der scheinbare Gewichtsverlust des Körpers gleich dem Gewicht des von ihm verdrängten Wassers, die Waage nimmt wieder Gleichgewichtslage ein. Versuchsaufbau und –ablauf sind recht problemlos und ohne größere Vorbereitungen und Schwierigkeiten durchführbar. Man benötigt dafür insgesamt wohl ungefähr vier bis fünf Minuten, allerdings ohne Interpretation des Versuchsergebnisses. Cartesianischer Taucher Man benötigt eine ganz mit Wasser gefüllte Flasche, die oben mit einer Membran (Frischhaltefolie) zugebunden werden kann, und natürlich einen sogenannten cartesianischen Taucher. Dies ist eine hohle, mit Luft gefüllte und unten mit einer kleinen Öffnung versehene Glasfigur. Abbildung 12 Der cartesianische Taucher wird in die mit Wasser ganz gefüllte Flasche gegeben und die Membran über die Öffnung gegeben. Dann drückt man mit einem Finger auf die Membran, so dringt durch die kleine Öffnung Wasser in den Hohlkörper ein und der Taucher sinkt. Lässt der Druck nach, dann kann sich die im Taucher eingeschlossene Luft wieder ausdehnen und 13 das Wasser herausdrängen, der Taucher steigt auf. Durch Druck mit passender Stärke kann das Schweben in der Flüssigkeit erreicht werden. Der Versuch bedarf keiner besonderen Vorbereitung, es erfordert aber eventuell etwas Übung, die Membran mit entsprechend angemessener Kraft einzudrücken, sodass der Taucher auch wirklich sinkt. Es ist darauf zu achten, dass die Membran sorgfältig befestigt wird, da ansonsten Wasser herausrinnen könnte. Nach mehreren Versuchen kann es sein, dass sich der Taucher schon zu sehr mit Wasser gefüllt hat, welches kaum herauszubekommen ist, außer man läßt ihn komplett trocknen. In diesem Fall sinkt der Taucher ab. Der Versuch ist auch sehr schnell und einfach durchzuführen, man braucht dafür lediglich zwei bis drei Minuten. kommunizierende Gefäße Man verwendet für derartige Versuche verschiedene Gefäße, die über Gummidichtungen miteinander in Verbindung gebracht werden können. Die Gefäße können dabei beliebige Formen haben. Egal, welche der Gefäße man benutzt, ob sie spiralförmig, bauchig oder geschwungen sind, man steckt zwei oder mehrere aneinander und füllt in eines Wasser ein. Es zeigt sich, dass in allen miteinander verbundenen Gefäßen das Wasser genau gleich hoch steht. In nachfolgender Abbildung sind vier verschiedene Beispiele für kommunizierende Gefäße dargestellt: Abbildung 13 Den gleich hohen Wasserstand in allen Säulen kann man dadurch erklären, dass sich an jeder Stelle die hydrostatischen Druckkräfte aus den verschiedenen Richtungen das Gleichgewicht halten müssen. In einem Querschnitt eines Verbindungsrohres zwischen zwei Gefäßen können sich die Druckkräfte von beiden Seiten nur dann aufheben, wenn die Flüssigkeitssäulen überall gleich hoch sind. Wiederum ist es empfehlenswert, das Wasser mit Kaliumpermanganat oder Tinte einzufärben, da die Versuchsergebnisse somit besser erkennbar sind. Da die Gefäße aus Glas sind, ist im Umgang mit ihnen entsprechende Vorsicht geboten. Abgesehen davon treten keine Schwierigkeiten bei Vorbereitung und Durchführung auf, trotz der Einfachheit ist dieser Versuch aber sehr anschaulich und effektiv. Der Versuch ist rasch erledigt, man benötigt dafür wohl lediglich zwei bis drei Minuten. Versuche mit Seifenblasen Hierzu lassen sich viele verschiedene kleine Versuche durchführen. Man benötigt dafür natürlich Seifenlauge, die man bereits fertig kaufen kann. Weiters kann man verschiedene Rahmen benutzen, um Seifenblasen aller möglichen Größen zu machen. Dies geht von den kleinen Plastikgestellen, die man in Spielzeuggeschäften käuflich erwerben kann, bis zu großen Gestellen, mit denen man riesige Seifenblasen machen kann. Zusätzlich können verschiedene geometrische Körper aus Metalldraht verwendet werden, um vor allem das 14 Bestreben der Flüssigkeiten zu zeigen, immer möglichst kleine Oberflächen zu bilden. Die unten angeführten Bilder zeigen die minimalen Flächen aus Seifenlauge in einem Würfel und in einer Pyramide. All diese Versuche gehören zum Kapitel Oberflächenspannung und sind auch dadurch zu erklären. Sie sind einfach nachzumachen und erregen trotz ihrer einfachen Durchführung großes Aufsehen bei den Schülern. Deshalb ist für derartige Versuche auch ziemlich viel Zeit einzuplanen, da es für die Schüler weit lustiger ist, wenn sie all das auch selbst ausprobieren dürfen. So ist es bestimmt keine Schwierigkeit in einer großen Klasse 15 bis 20 Minuten damit zu verbrauchen. Es erfordert allerdings einige Übung, die riesigen Seifenblasen herzustellen, man sollte dies also vorher ausprobieren. Abbildung 14 Abbildung 15 Abbildung 16 15 6) Quellenverzeichnis Gollenz, Konrad, Breyer: Physik 2. Klasse Gollenz, Konrad, Breyer: Physik 3. Klasse Paill, Schut, Wahlmüller: Physik 2 Abbildungsverzeichnis Abbildungen 1 – 4: Gollenz, Konrad, Breyer: Physik 2. Klasse, S 40f. Abbildung 5: Gollenz, Konrad, Breyer: Physik 2. Klasse, S 53. Abbildungen 6 – 7: Paill, Schut, Wahlmüller: Physik 2, S 44. Abbildung 8: Gollenz, Konrad, Breyer: Physik 3. Klasse, S 85. Abbildung 9: Gollenz, Konrad, Breyer: Physik 2. Klasse, S 40. Abbildungen 10 – 11: Schulversuchspraktikum Abbildung 12: Gollenz, Konrad, Breyer: Physik 2. Klasse, S 60. Abbildung 13: Paill, Schut, Wahlmüller: Physik 2, S 43. Abbildungen 14 – 16: Schulversuchspraktikum 16
