Protokoll 6

Protokoll zum Physik-Praktikum vom
29.01.01
Gruppe III/e (Julian Schorpp und Franz Gravenhorst, Klasse 9c)
1.Theorie
Taucht man einen Körper in eine Flüssigkeit ein, so verringert sich scheinbar die
Gewichtskraft. Diese Erscheinung nennt man Auftrieb. Lässt man also z.B. einen Quader in
eine Flüssigkeit eintauchen, so wirkt gegen die Richtung der Gewichtskraft eine andere Kraft,
nämlich die Auftriebskraft. Durch die gegensätzliche Wirkungsrichtung der Kräfte verringert
sich die Gewichtskraft um den Betrag der Auftriebskraft (d.h. der Quader verliert scheinbar an
Gewichtskraft). Ist ein Körper jedoch vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht, so verändert
sich die Auftriebskraft nicht mehr.
Ein wichtiges Gesetz ist das Archimedische Gesetz, das die oben genannten Aussagen
bestätigt. Es lautet: Die Auftriebskraft FA hat den Gleichen Betrag wie die Gewichtskraft der
durch den Körper verdrängten Flüssigkeit.
Die Gewichtskraft einer Flüssigkeit ist das Produkt aus dem spezifischen Gewicht der
Flüssigkeit und dem Volumen.
 FA=  Vverdrängt
weil  = G / V (Gewichtskraft pro Volumen)
Die Form und Lage des Körpers in der Flüssigkeit verändert also die Auftriebskraft nicht,
sondern das Volumen, durch welches Flüssigkeit verdrängt wird, und das spezifische Gewicht
der Flüssigkeit, ist ausschlaggebend.
2. Durchführung
2.1 Durchführung von „Vorversuch mit verschiedenen Körpern“
2.1.1 Versuchsaufbau
Als erstes befestigten wir die Tischklemme an der Tischplatte, klemmten die Stativstange 75
cm fest, am oberen Ende eine Muffe und an dieser befestigten wir wiederum eine Stativstange
25 cm waagrecht zur Tischkante. An diese Stativstange hängten wir wiederum einen
Kraftmesser. Dann füllten wir den Wasserbecher halb voll mit Wasser und trimmten die
schwarze Dose mit Bleichschrot auf 100cN, welche wir dann mit dem daran befestigten
Haken an den Kraftmesser hängten.
2.1.2 Versuchsablauf
Langsam verschoben wir die Muffe nach unten und ließen somit die Plastikdose mit dem
Bleischrot langsam in den Wasserbehälter ein. Währenddessen beobachteten wir die Anzeige
des Kraftmesser und konnten beobachten, dass sich die Gewichtskraft des eingetauchten
Körpers je weiter wir ihn ins Wasser eintauchten scheinbar verringerte. Als der Körper jedoch
ganz ins Wasser eingetaucht war, stellten wir fest, dass sich die Anzeige nicht mehr
veränderte. Das selbe wiederholten wir mit dem Eisen- und Bleikörper statt der schwarzen
Dose.
2.1.3 Messungen (Ergebnisse)
Durch die Beobachtungen konnten wir folgende Schlüsse ziehen:
Taucht man einen Körper in Wasser (oder eine andere Flüssigkeit) ein, so verringert sich
scheinbar seine Gewichtskraft. Ist ein Körper jedoch vollständig eingetaucht, so spielt die
Eintauchtiefe keine Rolle mehr, d.h. die Anzeige am Kraftmesser verändert sich nicht.
Alle Körper hatten an der Luft die gleiche Gewichtskraft aufgewiesen, nur das Volumen war
bei jedem einzelnen anders. Im Wasser hatten die Körper mit mehr Volumen mehr an
Gewichtskraft „verloren“ (=Kraftmesser zeigte weniger an).
2.1.4 Besonderheiten
Bei diesem Versuch hatten wir keine Schwierigkeiten, da wir (bzw. Julian) einen ähnlichen
Versuch schon das letzte Mal durchgeführt hatten. Dadurch wussten wir schon worauf bei
diesem Versuch zu achten war.
2.2 Durchführung von „Messversuch mit verschiedenen Körper“
2.2.1 Versuchsaufbau
Zuerst hängten wir den Kraftmesser in gleicher Weise, wie in Versuch 1 beschrieben auf,
stellten allerdings nicht den Wasserbecher darunter, sondern das Überlaufgefäß. Nun stellten
wir den Messzylinder so davor, dass der Schnabel des Überlaufgefäßes über den Messzylinder
ragte. Dann füllten wir das Überlaufgefäß solange mit Wasser, bis es aus dem Schnabel in den
Messzylinder tropfte. Wir warteten bis es nicht mehr tropfte und schütteten dann das Wasser,
das sich im Messzylinder gesammelt hatte weg.
2.2.2 Versuchsablauf
Als erstes haben wir das Gewicht des Bleikörper GL an der Luft gemessen, indem wir ihn an
den Kraftmesser gehängt haben. Dann schoben wir die Muffe nach unten, bis der Körpers
vollständig im Wasser war. Dann haben wir die Gewichtskraft GT am Kraftmesser abgelesen
und notiert. Nun haben wir gewartet bis das Überlaufgefäß aufhörte zu tropfen und haben
dann das Volumen VvF des verdrängten Wassers am Messzylinder abgelesen. Schließlich
haben wir dieses Wasser in den kleinen Becher mit Aufhänger umgefüllt und dann das
Gewicht GvF von diesem an der Luft gemessen, indem wir ihn an den Kraftmesser gehängt
haben und das Gewicht abgelesen und notiert haben.
Das gleiche wiederholten wir mit dem Eisenkörper und mit der schwarzen Dose, die wir
einmal mit Bleischrot auf 70 cN und einmal auf 25 cN getrimmt hatten.
2.2.3 Messungen
Körper
GL
cN
GT
cN
VvF
cm³
FA = GL-GT
cN
GvF gemessen cN
GvF gerechnet cN
(w  VvF)
Blei
2.2.4 Besonderheiten
Eisen
100
90
10
10
10
10
Dose 1
100
85
12
15
15
12
Dose 2
70
30
45
40
45
45
25
0
28
25
26
28
Bei diesem Versuch sind kleine Ungenauigkeiten gegenüber dem zu erwartenden Ergebnis (=
gerechnete Werte) zu erkennen. Die Ursachen liegen wahrscheinlich im Detail, da unser
qualitatives Ergebnis nicht beeinflusst wurde.
Ansonsten lief alles wie erwartet ab!
2.3
Durchführung von „Messversuch mit einer anderen
Flüssigkeit“
2.3.1 Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau entsprach dem von Versuch 2. Nur verwendeten wir statt Wasser Spiritus
(Alkohol). Aus diesem Grund mussten wir zuerst die restlichen Wassertropfen von allen
Gefäßen mit Hilfe von Handtüchern entfernen.
2.3.2 Versuchsablauf
Alles verlief genauso wie beim 2. Versuch, außer die ermittelten Werte unterschieden sich, da
wir statt Wasser Spiritus verwendeten.
2.3.3 Messungen
Körper
Blei
GL
cN
GT
cN
VvF
cm³
FA = GL-GT
cN
GvF gemessen cN
GvF gerechnet cN
(w  VvF)
Eisen
100
93
10
7
8
7,7
Dose 1
100
89
12
11
10
9.24
Dose 2
70
35
42
35
35
34,7
25
0
32
25
25
24,6
2.3.4 Besonderheiten
Die einzige Schwierigkeit, die wir zusätzlich zu denen von Versuch 2 hatten, war, dass wir
mit dem Spiritus sorgfältig und sparsam umgehen mussten, da es natürlich teurer ist als
Wasser. Und wir mussten natürlich sicherstellen, dass nur Spiritus im Spiel war, da auch
kleinste Wasserreste das Ergebnis verfälscht hätte.
3. Auswertung
WICHTIG: Die Messtabellen wurden bereits vollständig im zweiten Teil (Durchführung) bei
den jeweiligen Versuchen abgedruckt!
3.1
Ausrechnung
Keine Inhalte! Das Zeichen eines Schaubildes ist nicht möglich!
3.2
Ergebnis
Taucht man einen beliebigen Körper in eine Flüssigkeit ein, so verringert sich scheinbar die
Gewichtskraft des Körpers in der Flüssigkeit gegenüber der Gewichtskraft des Körpers an der
Luft. Ist der Körper vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht, so spielt die Eintauchtiefe keine
Rolle mehr. Durch diese Beobachtungen kann man deuten, dass hier noch eine zweite Kraft,
die Auftriebskraft, gegen die Gewichtskraft wirkt, welche dadurch um den Betrag der
Auftriebskraft reduziert wird.
Die Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der durch den Körper verdrängten Flüssigkeit.
Wird eine Flüssigkeit verdrängt, so ist dabei nur das Volumen des Körpers wichtig.
Da ein Körper mit größerem Volumen mehr Flüssigkeit verdrängt (vorrausgesetzt der Körper
sinkt), ist seine Auftriebskraft größer (er „verliert“ in der Flüssigkeit mehr Gewicht).
Um so größer das spezifische Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist, um so größer ist die
Auftriebskraft, vorrausgesetzt das Volumen der verdrängten Flüssigkeit ist gleich.
Außerdem konnten wir noch den Zusammenhang zwischen der Auftriebskraft (=
Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit) und der Gewichtskraft des Körpers feststellen:
Die zwei Kräfte wirken gegeneinander (Gewichtskraft nach unten, Auftriebskraft nach oben).
1. Sinkt der Körper, ist die Auftriebskraft kleiner als die Gewichtskraft
2. Schwebt der Körper, ist die Auftriebskraft gleich der Gewichtskraft (hält sich „in der
Waage“)
3. Schwimmt der Körper, ist die Auftriebskraft auch gleich der Gewichtskraft.
Logisch wäre aber, dass die Auftriebskraft größer ist als die Gewichtskraft. Dann würde
der Körper aber über der Oberfläche schweben. Das kann aber praktisch nicht
vorkommen, da der Einflussbereich der Flüssigkeit an der Oberfläche endet. Der Zustand
„fliegen“ muss also sozusagen von der Luft ausgelöst werden.
3.3
Fehler
Die Messfehler schwanken – soweit die gerechneten Ergebnisse stimmen – zwischen ca: 0%
und 25%.
 Qualitatives Ergebnis ist aber korrekt.
3.4
Diskussion
Keine nennenswerte Probleme! (nur die allgemeinen Ablesefehler)
4. Bemerkungen
4.1
Praxisbezug
Ein wichtige Anwendung findet man im Tierreich:
Ein Fisch kann seine Tauchtiefe mit Hilfe seiner Schwimmblase, die er mit Luft füllen und
leeren kann, regulieren. Füllt er Luft hinein, nimmt sein Volumen zu, somit wird mehr Wasser
verdrängt und als Folge daraus nimmt die Auftriebskraft zu, wodurch der Fisch nach oben
getrieben wird. Wenn er seine gewünschte Höhe erreicht hat, lässt er wieder soviel Luft ab,
bis er in der „Schwebe“ ist.
4.2
Sonstiges
Eine lustige Erscheinung, die uns dazu in den Sinn kommt, ist der überaus starke Auftrieb des
Schwarzen Meeres. Diese Erscheinung kommt durch den sehr hohen Salzgehalt zustande.
Dadurch nimmt das spezifische Gewicht um einiges zu. Wie wir aus 3.2 wissen, nimmt
dadurch auch die Auftriebskraft zu...