Mittendorfer
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 1/16 Übungsdatum: 25.10.2001 Abgabetermin: 08.11.2001 Physikalischen Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten (6. Klasse AHS) Mittendorfer Stephan Matr. Nr. 9956335 Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten VERSUCHE....................................................................................................... 3 Lernziele..................................................................................................... 4 Oberflächenspannung................................................................................. 5 Auftrieb / Archimedisches Prinzip............................................................. 7 Kapillarwirkung ......................................................................................... 10 Hydraulik.................................................................................................... 11 Hydrostatisches Paradoxon ........................................................................ 13 Hydrodynamisches Paradoxon ................................................................... 14 ANHANG ........................................................................................................... 15 2/16 Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten INHALT 3/16 Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten Lernziele • • • • • • • Allgemeines Verständnis der Oberflächenspannung (Wiederholung) Kapillarwirkung & Anwendungen (Wiederholung) Was ist Auftrieb und wie macht sich dieser im Alltag bemerkbar Wie kann man mithilfe von Flüssigkeiten Kräfte transformieren Hydrostatisches Paradoxon Hydrodynamisches Paradoxon Ausblick: Anomalie des Wassers 4/16 Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 5/16 Oberflächenspannung Wasserhügel Man benötigt: • 1 Trinkglas • Salz • Wasser • Spülmittel Durchführung: Fülle das Glas randvoll mit Wasser und streu so lange vorsichtig Salz ins Wasser bis die Wasseroberfläche steigt und sich wölbt. Lass aber das Wasser nicht überlaufen. Füge, wenn sich die Wölbung schön ausgebildet hat, einen Tropfen Spülmittel hinzu! Das Spülmittel zerstört die Oberflächenspannung des Wassers. Das überschüssige Wasser (der „Wasserberg“) läuft über die Glaskante ab. Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 6/16 Oberflächenspannung Flucht aus der Mitte Man benötigt: • 1 Suppenteller • Wasser • Pfeffer • Geschirrspülmittel Versuchsdurchführung: Gib etwas Wasser in den Suppenteller, verstreue Pfeffer auf der Wasseroberfläche und gib dann einen Tropfen Geschirrspülmittel in die Tellermitte! Die schwimmenden Pfefferteilchen bewegen sich blitzartig an den Rand des Tellers. Der Grund dafür ist, dass das Spülmittel die Oberflächenspannung des Wassers von der Mitte nach Außen zerstört. Oberflächenspannung, ein Effekt, der an Grenzflächen zwischen zwei unterschiedlichen Medien (z.B. Wasser und Luft) auftritt. Dieses Phänomen kann man besonders bei Oberflächen von Flüssigkeiten beobachten. Die Oberflächenspannung hat ihre Ursache in den zwischenmolekularen Kräften, die die betreffende Substanz zusammenhalten. Diese Kohäsionskräfte gleichen sich im Inneren der Flüssigkeit für die einzelnen Moleküle aus, weil dort jedes Molekül allseitig von Nachbarmolekülen umgeben ist. An der Oberfläche gibt es jedoch nach außen hin keine Nachbarmoleküle; daraus resultiert hier eine Kraft, die in das Innere der Flüssigkeit gerichtet ist und durch die Krümmung der Oberfläche deutlich wird. Rein formal ist die Oberflächenspannung definiert als die Kraft, die einer Oberflächenvergrößerung pro Längeneinheit entgegenwirkt. Siehe Kohäsion. Aufgrund der Oberflächenspannung hat jede Flüssigkeit das Bestreben, ihre Oberfläche zu verkleinern. Beispielsweise bildet Quecksilber kleine runde Tröpfchen, wenn man es auf eine flach liegende Glasplatte gießt. Auch die Kugelform von Seifenblasen entsteht durch die Oberflächenspannung her – eine Kugel hat bei gegebenem Volumen die kleinstmögliche Oberfläche. Aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers kann eine kleine Metallnadel darauf schwimmen, obwohl sie wegen ihrer höheren Dichte eigentlich sinken müsste.1 1 "Oberflächenspannung" Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 7/16 Auftrieb Salz- oder Süßwasser? Man benötigt: • 2 hartgekochte Eier • 2 Trinkgläser • 1 Teelöffel • Wasser • Salz Versuchsdurchführung: Fülle die Trinkgläser etwa zu zwei Drittel mit Wasser. Dann gibst du in eines der beiden Gläser 1-2 Teelöffel Salz und rührst solange mit dem Löffel um, bis sich das Salz vollständig aufgelöst hat. Lege nun in die zwei Gläser je ein hartgekochtes Ei. Was glaubst du passiert? Tip: Durch das Verhalten der Eier in den beiden unterschiedlichen Flüssigkeiten, kannst du sofort erkennen, ob es sich um Salz- oder Süßwasser handelt, ohne dies vorher zu wissen. Kleiner Hinweis: Dieser Versuch beruht auf dem Archimedischen Prinzip, das nach dem Physiker und Mathematiker Archimedes benannt wurde. Taucht man einen Körper in eine Flüssigkeit, so wird dieser nach oben getrieben. Die Auftriebskraft entspricht dem Gewicht des verdrängten Flüssigkeitsvolumens und ist von der Dichte der Flüssigkeit abhängig. Archimedisches Prinzip, sprachgebräuchliche Bezeichnung für das von Archimedes formulierte physikalische Gesetz über den Auftrieb bei schwimmenden Körpern. Nach diesem Prinzip erfährt ein Körper, der ganz oder teilweise in eine Flüssigkeit eintaucht, eine Auftriebskraft. Diese Kraft ist der Schwerkraft (siehe Gravitation) entgegengesetzt und weist einen Betrag auf, der gleich der Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Flüssigkeitsvolumens ist. Ist die Auftriebskraft größer als das Gewicht des Körpers, so schwimmt der Körper auf der Flüssigkeit (der Körper wird dann gerade so weit herausgedrückt, dass die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit gleich derjenigen des Körpers ist); ist der Auftrieb gleich seinem Gewicht, so schwebt er in der Flüssigkeit; ist der Auftrieb kleiner als sein Gewicht, so sinkt der Körper. Dieses Gesetz gilt übrigens auch für Gase.2 Archimedes (um 287 bis 212 v. Chr.), griechischer Mathematiker und Physiker, der bedeutende Werke über ebene Geometrie und Stereometrie, Arithmetik und Mechanik verfasste. Archimedes wurde in Syrakus (Sizilien) geboren und lebte vermutlich auch einige Zeit in Alexandria (Ägypten). Auf dem Gebiet der Mathematik machte er einige bahnbrechende Entdeckungen, so z. B. – durch seine Studien über die Flächen und Volumina krummliniger Flächen und Körper – die Infinitesimalrechnung. Er wies z. B. nach, dass das Volumen einer Kugel zwei Drittel des Volumens des sie umgebenden Zylinders beträgt. 2"Archimedisches Prinzip."Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 8/16 In der Mechanik entwickelte Archimedes die Hebelgesetze. Außerdem wird ihm die Erfindung des Flaschenzuges zugeschrieben. Während seines Aufenthalts in Ägypten erfand er die Wasserschnecke, mit der man Wasser von einem tieferen auf ein höheres Niveau befördern konnte. Die größte Bekanntheit erlangte Archimedes mit der Entdeckung eines grundlegenden Gesetzes der Hydrostatik, das als Archimedisches Prinzip bekannt ist. Archimedes verbrachte den größten Teil seines Lebens in und um Syrakus auf Sizilien. Über sein Leben ist wenig bekannt. Vieles gehört in den Bereich der Legende. Tatsache ist jedoch, dass er während der zweijährigen Belagerung Syrakus’ durch die Römer Steinschleudern bzw. Katapulte zur Verteidigung der Stadt erfunden hat. Die Umstände seines Todes sind ebenfalls nicht näher bekannt. Archimedes starb während der Eroberung von Syrakus durch die Römer im 2. Punischen Krieg. Der Legende nach war er damit beschäftigt, geometrische Figuren in den Sand zu zeichnen, als die Römer anrückten. Er sei so sehr in seine Aufgabe versunken gewesen, dass er mit dem Satz reagiert habe: „Störe mir meine Kreise nicht.” Daraufhin sei er erschlagen worden. Einige seiner erhalten gebliebenen Schriften über Mathematik und Mechanik sind Über schwimmende Körper, Der Sandrechner, Kreismessung, Über Spiralen und Über Kugel und Zylinder.3 3"Archimedes."Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten Auftrieb – Dichteunterschied – Archimedisches Prinzip Das schwebende Ei Man benötigt: • 1 gekochtes Ei • 1 Löffel • 1 leere Plastikflasche (z.B. 2 l Getränkeflasche) • Salz • Wasser • Schere Versuchsdurchführung: Das Gefäß für dein schwebendes Ei ist die leere Plastikflasche, von der du zuerst mit der Schere das obere Viertel abschneiden musst. Dann füllst du die Flasche ungefähr zur Hälfte mit Wasser und gibst ein paar Löffel Salz dazu. Rühre das Wasser kräftig um, bis sich das ganze Salz aufgelöst hat. Nun legst du das gekochte Ei ins Salzwasser und füllst vorsichtig entlang des Flaschenrandes normales Leitungswasser dazu, damit sich die beiden Flüssigkeiten nicht vermischen. Dabei solltest du allerdings die Flasche leicht schief halten! Tip: Noch lustiger sieht das Ganze aus, wenn du die beiden Flüssigkeiten mit färbiger Tinte oder Lebensmittelfarben verschieden einfärbst. Merksatz zum Auftrieb:4 Ein Körper erfährt in einer ruhenden Flüssigkeit, die unter dem Einfluss der Schwerkraft steht, einen Auftrieb. Er ist lotrecht nach oben gerichtet und greift am Schwerpunkt der verdrängten Flüssigkeitsmenge an. Sein Betrag ist gleich groß wie das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit. 4 Physik 2, Sexl Raab Streeruwitz 9/16 Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 10/16 Kapillarwirkung Farbzerlegung Man benötigt: • 1 Kaffeefilter oder Löschpapier (weiss) • 1 Trinkglas • Essigwasser • Schere • Filzstifte (verschiedenfarbig) Versuchsdurchführung: Schneide mit Hilfe der Schere aus einem Kaffeefilter einen Streifen aus (ca. 4x10 cm). Ungefähr 3 cm überhalb des unteren Streifenendes malst du mit den Filzstiften 4 verschiedenfarbige Punkte auf. Fülle nun das Trinkglas zur Hälfte mit Essigwasser und hänge den Streifen Kaffeefilter hinein. Dabei sollten aber die Farbpunkte das Essigwasser nicht berühren. Kleiner Hinweis: Diese Technik nennt man Chromatographie. Sie beruht auf der Kapillarwirkung und wird in vielen Labors eingesetzt (z.B. bei der Stoffanalyse). Chromatographie, allgemeine Sammelbezeichnung für verschiedene Verfahren der chemischen Analyse, mit denen sich beispielsweise reine Substanzen aus Mischungen isolieren lassen. Das Grundprinzip dieser Methoden beruht auf der selektiven, also gezielten Adsorption (die nicht mit der Absorption verwechselt werden darf). Allgemein versteht man unter Adsorption das Anhaften einer Substanz an einer Oberfläche. Bei der Papierchromatographie steigt das Analysengemisch an einem Papierstreifen nach oben. Aufgrund der unterschiedlich starken Adsorption am Papier befinden sich die einzelnen Bestandteile der Mischung nach einiger Zeit in verschiedenen Höhen.5 Kapillarität - Die Flüssigkeit steigt so lange in der Röhre nach oben, bis die durch die Oberflächenspannung verursachte nach oben gerichtete Kraft durch die nach unten wirkende Gewichtskraft der Flüssigkeit ausgeglichen wird. Dieses Hochsteigen wird Kapillarwirkung oder einfach Kapillarität genannt, und die Röhre heißt Kapillare. 5"Chromatographie."Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 11/16 Hydraulik Kraftübersetzung Man benötigt: • 1 Silikonschlauch (Aquarien-Zubehör, ca. 50 cm) • 1 kleine Spritze (ca. 2 ml) • 1 große Spritze (ca. 20 ml) • Wasser • weitere Person Versuchsdurchführung: Fülle den Schlauch vollkommen mit Wasser und stecke in die beiden Enden die bis zur Hälfte mit Wasser gefüllten Spritzen. Dein Partner hält das Schlauchende mit der größeren Spritze. Versuche nun gegen den Widerstand deines Partners den Kolben in die kleine Spritze zu drücken und tausche mit ihm! Den physikalischen Hintergrund entdeckte Blaise Pascal im 17. Jahrhundert. Dieser beschäftigte sich neben seinen philosophischen und mathematischen Studien auch mit hydrostatischen Untersuchungen. Er stellte sich ein beliebig geformtes Gefäß vor, das mit einer ideal Flüssigkeit gefüllt ist. In dieses Gefäß führen zwei leicht bewegliche Kolben. Presst man den Kolben 1 mit einer Kraft F1 in das Gefäß so wird der Kolben 2 mit der Kraft F2 herausgedrückt. Da es sich um eine ideale Flüssigkeit handelt, Reibung und Schwerkraft vernachlässigt wird muss die die zugeführte Arbeit F1s1 daher gleich groß wie die abgegebene Arbeit F2s2 sein. Ebenso müssen beide Flüssigkeitsvolumina A1s1 und A2s2 gleich groß sein. Es gelten folgende Beziehungen: F2 s2 = F1 s1 A2 s2 = A1s1 Aus diesen beiden Gleichungen erhalten wir: F2 F1 = A2 A1 Da Kraft pro Fläche nichts anderes als der Druck ist, ist die Gleichung gleichbedeutend mit: p 2 = p1 Das heißt, das der Druck an der Wand, wie auch an den Stellen im Inneren der Flüssigkeit gleich groß ist. (Merksatz6) In ruhenden Flüssigkeiten und Gasen, die der Schwerkraft nicht unterworfen sind, herrscht überall der gleiche Druck. Nimmt man also zwei Kolben passender Querschnittsfläche (Einwegspritzen) und verbindet diese mit einem Silikonschlauch, so kann man mit einfachen Mitteln einen Krafttransformator bauen. Dieser wandelt eine kleine Kraft F1 in eine große F2 um, auf „Kosten“ eines längeren Weges. Drauf basieren hydraulische Pressen und z.B. die Öldruckbremsen bei den meisten Kraftwagen. 6 Physik 2, Sexl Raab Streeruwitz Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 12/16 Ursprünglich habe ich den Versuch einer hydraulischen Pumpe inklusive Kraftübersetzung gemacht. Ich halte diesen aber für relativ unanschaulich im Vergleich zu dem Versuche mit den zwei Einwegspritzen. Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 13/16 Hydrostatisches Paradoxon Man benötigt: • 2 Glassgefäße wie auf den Abbildungen • 1 kleines Aquarium • Wasser • 1 Stück glattes Papier / 1 Foto Der holländischer Ingenieur Simon Stevins schrieb folgendes nieder: (Merksatz7) Der Gewichtsdruck, den eine ruhende Flüssigkeit am Boden des Gefäßes besitzt, hängt von der örtlichen Fallbeschleunigung, von der Dichte und von der Höhe der Flüssigkeitssäule, nicht aber von der Form des Gefäßes ab. Der von Stevin aufgestellte Satz ist äußerst merkwürdig und wird als hydrostatisches Paradoxon bezeichnet. Um klar zu erkennen, worin die Merkwürdigkeit liegt führte ich folgenden Versuch durch. Versuchsdurchführung: Man drückt eine glattes Stück Papier fest auf die untere Öffnung der in den Abbildungen erkennbaren Gefäße und taucht dieses in ein Wassergefäß. Danach wird das Stück Papier losgelassen, es fällt aber nicht auf den Boden, da der Wasserdruck die Karte auf die Öffnung presst. Da ich zwei verschieden geformte Gefäße verwendet habe kann man nur in jedes der beiden eine gleich große Menge Wasser schütten. Was passiert?: Bei dem sich nach oben verengendem Gefäß reicht eine geringe Menge Wasser aus, um zu bewirken, dass das Stück Papier langsam zu Boden sinkt. Bei dem anderen Gefäß ist eine weitaus größere Menge notwendig. 7 Physik 2, Sexl Raab Streeruwitz Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 14/16 Hydrodynamisches Paradoxon Klappernde Löffel Man benötigt: • 2 Löffel • Wasserleitung Versuchsdurchführung: Bringe zwei Löffel laut Zeichnung in die Fließrichtung eines starken Wasserstrahls. Wie bewegen sich die Löffel? Die Löffel beginnen mehr oder weniger laut zu klappern. Sie werden nicht, wie vielleicht anfangs vermutet, auseinander gedrückt sondern zusammengezogen. Den Grund dafür entdeckte Daniel Bernoulli (1700 – 1784) [Bernoulli Prinzip]. Später gab man der „Erscheinung“ den Namen des hydrodynamischen Paradoxons. Bernoulli-Prinzip, ein physikalisches Gesetz, nach dem in einem strömenden Fluid (d.h. in einem Gas oder einer Flüssigkeit) der Druck um so mehr abnimmt, je schneller die Strömung wird. Das Gesetz wurde in seiner heutigen Form 1738 von dem Schweizer Mathematiker und Physiker Daniel Bernoulli aufgestellt; eine frühere Form stammt von Leonhard Euler. Das Bernoulli-Prinzip besagt, dass die Gesamtenergie in einer stationären Strömung über den ganzen Strömungsweg konstant ist. Es lässt sich zeigen, dass als Konsequenz daraus eine Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit immer von einem geringeren Druck begleitet wird. Das Prinzip beschreibt auch die Strömung entlang von Oberflächen, z.B. über die Tragflächen eines Flugzeuges oder um eine Schiffsschraube. Eine Flugzeugtragfläche ist so geformt, dass die Luft an der Oberseite schneller strömt als an der Unterseite. Dieser Effekt erzeugt auf der Oberseite einen geringeren Druck als auf der Unterseite. Die Druckdifferenz sorgt für den Auftrieb, der das Flugzeug in der Luft hält. Auch eine Schiffsschraube oder ein Propeller ist so ähnlich wie eine Tragfläche geformt. Beim Drehen entsteht eine Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite, die für den Vortrieb des Schiffes oder des Flugzeuges sorgt. Das Bernoulli-Prinzip gilt auch in Düsentriebwerken (siehe Strahlantrieb), wo die Strömung immer schneller wird, je enger der Durchmesser ist, und der Druck entsprechend fällt. Das Prinzip nutzt man ebenfalls bei Staudruck- oder VenturiStrömungsmessern. Bei diesen Messinstrumenten misst man die Druckdifferenz zwischen der langsamen Strömung in einem Staurohr und der durch eine Düse beschleunigten Strömung. Daraus lassen sich die Strömungsgeschwindigkeit und der Durchfluss bestimmen.8 Weiteres Beispiel: Wenn zwei Schiffe in geringem Abstand nebeneinander herfahren, werden zwischen ihnen die Stromlinien zusammengedrängt. Infolgedessen sinkt der Wasserdruck zwischen den Schiffen. Die Schiffe werden zueinander gezogen. 8 "Bernoulli-Prinzip."Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten ANHANG 15/16 Physikalisches Schulversuchspraktikum Flüssigkeiten 16/16 Anomalie des Wassers Reines Wasser ist eine geruchs- und geschmacksneutrale Flüssigkeit. Es besitzt einen bläulichen Schimmer, der aber nur an dickeren Schichten wahrgenommen werden kann. Bei Normaldruck (760 Millimeter Quecksilbersäule oder 760 Torr) liegt der Gefrierpunkt des Wassers bei 0 C und der Siedepunkt bei 100 C. Das besondere an Wasser ist, dass es seine größte Dichte nicht wie vielleicht vermutet beim 0 Grad Celsius hat, sondern bei einer Temperatur von 4 C. Beim Gefrieren dehnt es sich ca. um 10 Volumsprozent aus, was auch der Grund dafür ist das Eis schwimmt. Ausblick Wie die meisten Flüssigkeiten kann Wasser auch in einem unterkühlten Zustand existieren. In diesem Zustand bleibt es auch dann flüssig, wenn seine Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt. Wasser kann unter Laborbedingungen und selbst in der Atmosphäre leicht bis circa -25 C abgekühlt werden, ohne dass es einfriert – nach jüngsten Erkenntnissen bleibt Wasser sogar bei Temperaturen unter -113 C flüssig. Unterkühltes Wasser gefriert bei Erschütterung, bei weiterer Temperaturabnahme oder wenn man einen Eiskristall hinzufügt. Die physikalischen Eigenschaften des Wassers dienten als Standards, um Temperaturskalen festzulegen und um im metrischen System die Einheit der Masse (das Gramm) ursprünglich zu definieren. Die Anomalie des Wassers ist unter anderem auch der Grund für die Verwitterung. Durch physikalische oder mechanische Verwitterung wird Gestein zerkleinert, ohne dass sich seine Zusammensetzung ändert. Die Verwitterungsprodukte unterliegen der Erosion. Verwitterungsprozesse sind eine der Voraussetzungen für die Bodenbildung. Physikalische Verwitterung entsteht vorwiegend durch Temperaturwechsel wie beispielsweise starke Hitze und durch die Einwirkung gefrierenden Wassers in Felsrissen. Temperaturwechsel führen abwechselnd zur Ausdehnung und Schrumpfung des Gesteins. Es kommt zur Körnung, zum Abblättern und zur massiven Abschalung der äußeren Schichten. Frosteinwirkung und Wurzelwachstum erweitern Risse, wodurch tiefere Schichten der chemischen Verwitterung ausgesetzt werden. Paradoxon, in den Bereichen der Logik und der Mathematik ein offensichtlich widersprüchlicher Schluss, der sich jedoch von gültigen Prämissen abzuleiten scheint. Bereits zur Zeit des griechischen Philosophen Zenon von Elea, im 5. Jahrhundert v. Chr., waren derartige Phänomene bekannt. Häufig beruht ein Paradoxon bei näherem Hinsehen auf fehlerhaften Argumenten oder Annahmen oder aber auf unvollständigen Voraussetzungen, die den jeweils betroffenen logischen und mathematischen Systemen zugrunde liegen. Andere Paradoxien, die sich weniger leicht auflösen ließen, trugen zur Entwicklung der modernen Mathematik bei.9 9 "Paradoxon." Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.
