hydraulik_WS_14

BMS Physik
Hydrostatik
Werkstatt Hydrostatik
Schülerexperiment
Zeit: 10 Lektionen ohne Lerntest
Einleitung
In dieser Unterrichtssequenz beschäftigen Sie sich mit den Gesetzmässigkeiten von Flüssigkeiten und
dem Luftdruck.
 Die Theorie (5 Seiten) erhalten Sie als Kopie. Sie werden ins kalte Wasser geworfen und müssen sich
alleine durch die Theorie kämpfen. Die anschliessende Diskussion führen Sie am Besten in einem
kleinen Team.
 Die Aufgaben (3 Seiten inkl. Lösungen) dienen zur Festigung.
Kernstoff: 3, 5, 6, 7, 8, 12, 13, 15, 17, 18, 19
Zusatzstoff: 14, 20
Wenn Sie die Aufgaben gelöst haben lohnt es sich oft, den Theorieteil noch einmal zu lesen.
 Sie arbeiten selbständig! Wichtig bei der selbständigen Arbeit ist die Selbstverantwortung. Stellen
Sie Fragen, wenn Sie nicht mehr weiter kommen.
 Test auf der LEIFI Homepage zur Selbstkontrolle:
www.leifiphysik.de/themenbereiche/auftrieb-und-luftdruck/aufgaben - Online-Test
www.leifiphysik.de/themenbereiche/druck-kolben-und-schweredruck/aufgaben - Online-Test
 Experimente: Es folgt keine Betty-Bossy Anleitung!
Ohne Mitdenken können Sie die Versuche nicht befriedigend durchführen.
 Ihre Haltung: Neugier, das finden wir selbst! Sie entdecken, wenden an und analysieren.
 Begründen und Erklären: Schreiben Sie für einen interessierten Laien und nicht für den Physiklehrer. Erklären Sie anschaulich, notieren Sie die Idee zu allen Rechenschritten.
Das geht am Besten mit Handschrift, der Formel-Editor ist zeitraubend!
 Zitate aus Büchern und dem Internet mit Quellenangabe belegen.
 Fehlerrechnung. Zu jedem Experiment gehört eine Fehlerabschätzung. Damit kann z.B. geklärt werden, ob theoretische Berechnung und Messwert innerhalb der Fehlergrenzen übereinstimmen.
Grundlage ist die Seite in der Formelsammlung.
Multiplikation und Division:
Die relativen Fehler werden addiert:
Algebraische Summe:
Summe  a  b  c
Resultat1 = a × b × (1± ( ra + rb ))
Die absoluten Fehler
werden addiert.
Resultat 2 = a ¸ b × (1± ( ra + rb ))
relativer Fehler: ra = Da / a
Resultat = a + b - c ± ( Da + Db + Dc )
Messwert a mit abs. Fehler:
a ± Da
1 2% bedeutet:
98%  Resultat  102%
mit dem Messwert multiplizieren.
Die Werkstatt bietet Experimente, weitere Texte und Aufgaben zum Thema.
Sie arbeiten zu zweit.
Notieren Sie Resultate in einem Heft und ergänzen Sie die Theorie oder Ihre Formelsammlung.
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15.05.16, dk
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Hydrostatik
Schülerexperiment
Versuchsprotokolle
Jeden Versuch den Sie durchführen, müssen sie protokollieren. Die Protokolle müssen abgegeben werden. Sie werden benotet. Protokolle können von Hand oder mit dem Computer geschrieben werden.
Folgende Inhalte müssen enthalten sein:
Titel
Ersteller, Datum, Ort
Gehört in jedes Protokoll, kann z.B. auch in der Kopf / Fusszeile stehen.
Kurzzusammenfassung (abstract)
Enthält das Wichtigste in Kürze: Maximal fünf Sätze.
Was war das Ziel, welche Methoden wurden angewendet? Was ist die Aussage, das Resultat?
Vorgehen und Methoden
Sie beschreiben das Vorgehen, die Arbeitsschritte, den Versuchsaufbau und die Messgeräte. Verweisen
Sie auf die Versuchsanleitung und ergänzen Sie, wenn es notwendig ist. Hinweise auf allfällige Schwierigkeiten und Gefahren.
Eine andere Person müsste den Versuch anhand Ihrer Erklärung durchführen können.
Theoretische Grundlagen
Welche theoretischen Grundlagen sind zum Verständnis zwingend notwendig?
Notieren Sie die Gleichungen aus der Formelsammlung. Literaturrecherche bei Bedarf.
Messwerte, Beobachtungen (detailliert!)
Welche Beobachtungen wurden gemacht? Seien Sie hier so exakt wie möglich.
Messwerte in einer Tabelle darstellen. (Zahlenwerte und Einheiten)
Unterscheiden Sie gemessene und berechnete bzw. gegebene Grössen.
Mit welcher Präzision können Sie messen? Absolute und relative Fehler bestimmen oder schätzen.
Keine Berechnungen und Interpretationen in diesem Teil.
Auswertung, Berechnungen (kurz und klar)
Auswertung der Experimente, Berechnungen inklusive Einheiten.
Fehlerabschätzung: Wie genau sind die Resultate?
Diskussion, Interpretation der Versuchsresultate (ausführlich)
Entspricht das Resultat den Erwartungen? Kann die Hypothese bestätigt oder muss sie verworfen werden.
Vergleich mit anderen Quellen: Wie können allfällige Abweichungen interpretiert werden?
Sind weitere Versuche notwendig? Wenn ja welche?
Haben Sie Verbesserungsvorschläge für das Vorgehen bzw. die Versuchsanordnung?
Bewertung:
Theoretische Grundlagen
Messwerte und Beobachtungen
Auswertung, Berechnung
davon 5 P. Fehlerrechnung
Diskussion und Interpretation
Total
Ausgezeichnet
Gut
Genügend
Fehlerhaft
Schwerwiegende Mängel
Nicht vorhanden
5 P.
15 P.
20 P.
Note  Punktzahl  10  1
10 P.
50 P.
5 P.
4 P.
3 P.
2 P.
1 P.
0 P.
Sie schreiben einen Test zum Thema Hydrostatik.
Die Note zum Thema Hydrostatik setzt sich zusammen aus der Protokoll- und der Testbewertung.
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15.05.16, dk
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Aufgaben
Die Unterlagen sind im Internet verfügbar:
http://www.gibb.ch/Berufsmaturitaet/Faecher/Seiten/Physik.aspx
BMS / aktuelles Schuljahr / Fachgruppen / Physik / Lehrmittel Physik / Unterlagen / David Kamber
Sorgfalt
Wenn Sie einen Posten beendet haben, räumen Sie auf.
Das nächste Team ist Ihnen dankbar. Wasserspuren werden getrocknet.
Nr. Aufgaben im Umfang von einer Doppellektion, mit Protokoll
10 Der Wagenheber: Kolben und Hydraulik
Untersuchung eines Wagenhebers
11 Die Magdeburger Halbkugeln
das historische Experiment zum Thema Vakuum
12 Cartesianischer Taucher und Galilei Thermometer
Wie genau muss das Thermometer gefertigt werden?
13 Archimedes und die Krone des Hiero
Geschichte: Lektüre und Anwendungen
Reines Gold oder nur eine Legierung?
14 Rätsel Schleuse: Wie viel Wasser verdrängt ein Stein?
Kombination von Experiment und Gedankenexperiment
15 Scheinbare Gewichtsabnahme im Wasser
Theorie einfach erfahren.
Warum fliegt ein Zeppelin?
16 Dichtebestimmung von Flüssigkeiten mit dem Aräometer
Kombination von Theorie und Experiment
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Theorie
Druck / Kraft, Hebelgesetz
Druck / Kraft,
Luftdruck
Schwimmen, schweben
Auftrieb, Dichtebestimmung
Schwimmen
Auftrieb, Schweben
Repetition Gasgesetz
Schwimmen
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10. Kraftverstärkung durch hydraulische Systeme
Theorie
Vorrichtungen, bei denen Kräfte mit Hilfe von Flüssigkeiten
übertragen und verstärkt werden, nennt man hydraulische
Systeme. Beispiele für hydraulische Systeme sind der Wagenheber und die Bremsanlage
eines Autos. Auch Bagger, Planierraupen, Schaufellader, Kipperfahrzeuge und
Traktoren arbeiten mit solchen Vorrichtungen.
Wie hydraulische Systeme funktionieren, ist vereinfacht auf der 1. Seite der Theorie dargestellt.
Hydraulische Systeme verändern Beträge und Richtungen von Kräften, sie sind Kraftwandler – genau wie
Hebel. Während aber Hebel oft unförmig lang sind, lassen sich entsprechende hydraulische Systeme auf
recht kleinem Raum unterbringen. In den heute verwendeten hydraulischen Systemen beträgt der Druck
bis zu 200 bar. Als Flüssigkeit wird Öl verwendet.
Der Wagenheber
Das Schema rechts zeigt den
grundsätzlichen Aufbau eines
Wagenhebers.
Die effektiven Daten sind am
Wagenheber zu messen!
a) Eine Person steht auf den Wagenheber, die andere Person
misst mit einer Federwaage
die benötigte Kraft F am Hebel.
Last ........................... kg
Last ............................ N
Kraft F ....................... N
Es ist sinnvoll, die Kraft F vertikal (kein rechter Winkel) einzusetzen. Warum?
b) Hinweis: Der Hebelarm hat die Tendenz, von selbst nach unten zu
fallen. Bestimmen Sie diese Kraft experimentell.
Skizzeiren Sie die Kräfte am Hebelende!
Wie gross ist das Übersetzungsverhältnis? Verhältnis 
Abmessungen ausmessen!
Material
Wagenheber
Personenwaage, Federwaage
Meter, Schieblehre
FLast
FHebel ohne Eigengewicht
c) Abmessungen inklusive Angabe der Messpräzision:
Durchmesser gross
......................... mm

Durchmesser klein
......................... mm

Hebel Kraftarm F
......................... cm

Hebel Lastarm Kolben ......................... cm

d) Wie gross ist der Druck in der Flüssigkeit, wenn die maximale Last von 5 Tonnen gehoben wird?
e) Wie gross ist die benötigte Kraft F, um 5 Tonnen zu heben?
Theoretische Berechnung mit den Abmessungen von c)
f) Wie gross ist das theoretische Übersetzungsverhältnis? Ableitung aus den Abmessungen wie d).
Vergleichen Sie das Resultat mit b). Wie erklären Sie allfällige Abweichungen?
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15.05.16, dk
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Schülerexperiment
11. Die Magdeburger Halbkugeln
Publikumswirksame Demo
um 1663
http://de.wikipedia.org/wiki/Otto_von_Guericke
Vorbereitung: Schmieren Sie die Gummidichtung massvoll mit Vakuumfett ein.
Versuch
Material
Halbkugeln
Vakuumpumpe
Unterdruckmanometer
Federwaage (Kraftmesser) 500N
Flaschenzug
Saugheber
1.
Welche Kraft wird maximal benötigt, um die historischen
Halbkugeln mit einem Durchmesser von 57 cm zu trennen?
Treffen Sie vernünftige Annahmen. Rechnung
Nach Überlieferung waren total 16 Pferde eingespannt. Welche Zugkraft hat ein Pferd?
2.
Evakuieren Sie die Kugel mit der Vakuum-Handpumpe.
Sie müssen schnell pumpen und dann das Ventil schliessen.
Skizzieren Sie die Funktion des Dreiwegventils mit dem T.
Dreiweg
Ventil
3.
Messen Sie den Unterduck mit dem Manometer. Welchen Unterdruck können Sie erzeugen? Welche
Präzision ist erreichbar? Vergleichen Sie mit dem aktuellen Luftdruck und geben Sie den absoluten
Innendruck an. Fehler abschätzen.
4.
Trennen Sie die Halbkugeln, indem Sie die Kugel auf einer Seite stabil befestigen und auf der anderen Seite mit einer starken Federwaage die Trennkraft ermitteln. Eine der Federwaagen ist mit einem
Schleppzeiger ausgerüstet.
Führen Sie das Experiment mindestens drei Mal mit verschiedenen Drücken durch.
5.
Wie gross ist die berechnete Trennkraft?
Welchen Durchmesser wählen Sie für die Berechnung? Skizze oder Beschreibung.
Welche Fläche wählen Sie für die Berechnung der Trennkraft:
Eine Kreisfläche, die Kugeloberfläche ( 4  r 2 ) oder nur die halbe Oberfläche?
Begründen Sie Ihre Wahl physikalisch.
Vergleichen Sie die theoretische Rechnung mit dem Messresultat von Punkt 4.
6.
Der Saugheber dient zum Anfassen von glatten Flächen, z.B. Glas.
Welcher Unterdruck ist notwendig, um die im Datenblatt genannte Hubkraft zu ermöglichen? Wie
kann diese Hubkraft erzielt werden?
Fabrikat: Bohle AG, D-42755 Haan, www.Bohle.de
Art. 600.0BL, Durchmesser 120mm
Tragkraft senkrecht: 30 kg
Material: Aluminium, Kunststoff
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15.05.16, dk
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Hydrostatik
Schülerexperiment
12. Cartesianischer Taucher
Erforderliche Vorkenntnisse Wärmelehre:
Volumenausdehnung und Dichte berechnen
Experimentieren Sie mit dem „Taucher“.
a) Druck auf die geschlossene Flasche lässt den Taucher absinken. Durch geeigneten Druck kann der Taucher in der
Schwebe gehalten werden. Eventuell müssen Sie den Druck
durch anspannen und loslassen schnell ändern.
Material
 Petflasche mit “Taucher”
 Schieblehre, Waage
 Galilei Thermometer
Vorsicht Glas!
b)
Beantworten Sie die nachfolgende Frage mit einem kleinen Aufsatz, liefern
Sie eine physikalische Begründung.
 Wie ist der Taucher konstruiert?
 Welche physikalische Grösse verändert sich eigentlich?
 Was bedeuten schweben und sinken?
c)
Messen Sie Masse und Abmessung (Zylinder plus Halbkugel) des leeren Tauchers.
Berechnen Sie die Wassermasse im Taucher, wenn er schwebt.
mit Fehlerabschätzung
Holen Sie sich das Galilei Thermometer aus dem Vorbereitungszimmer.
d) Wie funktioniert das Galilei Thermometer mit den schwebenden Kugeln.
Physikalische Erklärung.
e)
Warum sind sie nicht gleichmässig über die Höhe verteilt?
f)
Warum kann das Instrument als digitales Thermometer bezeichnet werden?
g)
Wie gross sind die Gewichtsunterschiede der Glaskugeln?
Angabe in g oder mg
Nehmen Sie ein konstantes Volumen von 20 cm3 und
ein T von 1K an.
Substanz
Dichte
(g cm-3)
Wasser
Ethanol
Tetrachlorkohlenstoff
technische Gläser
0.998
0.789
1.594
ca. 2.4
10 3  
(K-1)
0.207
1.10
1.23
ca. 0.02
Welche Flüssigkeit würden Sie wählen?
Hinweis: Die Zusammensetzung der Flüssigkeit wird von fast jedem Hersteller geheim gehalten (so heißt es z. B.: "Die Flüssigkeit ist FCKW-frei,
schwer entflammbar und entwickelt keine gesundheitsschädlichen Dämpfe").
h)
Wie könnten so präzise Kugeln am besten hergestellt und auf Temperatur
geeicht werden?
Welches Verfahren schlagen Sie vor? Stellen Sie sich vor, dass Sie als Unternehmer mit einem schlauen Vorschlag einen Auftrag gewinnen wollen.
Hinweis:
Einfache Kopie der Informationen aus dem Internet genügt nicht!
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15.05.16, dk
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Hydrostatik
Schülerexperiment
13. Archimedes und die Krone des Hiero
Leifiphysik.de/Auftrieb und Luftdruck/ Geschichte:
Drucken Sie das untenstehende Dokument für sich aus und lesen Sie es
so, dass Sie die Physik dahinter verstehen.
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/auftrieb-undluftdruck/geschichte#lightbox=/themenbereiche/auftrieb-undluftdruck/lb/archimedes-und-die-krone-wie-war-es-wirklich
Schreiben Sie nicht gedankenlos ab!
Den ersten Versuch mit dem Überlaufgefäss lassen wir weg.
Material
“Krone”
Vergleichsmetall “Gold”
Waage
Balkenwaage
Massgewichte geeicht
2 Plastic Eimer
Versuch
Die „Krone“ und das „Goldstück“ sind gleich schwer.
1.
Führen Sie den im Text vorgeschlagenen Vergleich mit
der Auftriebsmethode durch. Die Gegenstände werden
ohne Waageteller angehängt.
Warum entsteht ein Ungleichgewicht?
Erklären und mit einer Skizze verdeutlichen.
2.
Welche Ausgleichsmasse müssen Sie anhängen, damit die Waage ins Gleichgewicht kommt?
Auf welcher Seite müssen Sie addieren?
Welche physikalische Bedeutung hat die Ausgleichsmasse?
Welche Präzision ist erreichbar? Ausprobieren mit auflegen von 1g bzw. 500 mg.
Interpretation Rechnen Sie mit einer Krone von 1000 g.
Die Dichten von Gold und Silber können Sie der Formelsammlung entnehmen.
Rechnen Sie nun mit den Dichten von echtem Gold und Silber.
3.
Wie genau kann die Volumendifferenz einer 1000 g Krone und einem Stück echten Gold mit der
Auftriebsmethode bestimmt werden?
Annahme: Sie haben dieselbe Waage und Eichmassen zur Verfügung. Die in Punkt 2 erreichte Präzision (z.B. ± 1 g) gelte auch für eine echte Krone.
4.
Ab welchem Silberanteil (bezogen auf 1000 g Masse der Krone) können Sie mit der AuftriebsMethode einen Betrug sicher nachweisen? Die 70/30% im Text sind lediglich ein Rechenbeispiel.
Tipp: Stellen Sie eine Formel auf, mit welcher die Dichte der Legierung aus den Dichten von Gold
und Silber ermittelt wird. Oder rechnen Sie mit einer Excel-Tabelle die Dichte für einen Silberanteil
von 5, 10, 50, 100g etc.
Document1
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15.05.16, dk
BMS Physik
Hydrostatik
Schülerexperiment
14. Die Schleuse
1. und 2. Beobachtungen im einfachen Experiment,
Punkt 3. und 4. theoretische Überlegung und Begründung.
Material
Becherglas gross als „Schleuse“
Becher klein als “Kahn”
Steine
Filzstift
1.
Ein Lastkahn ist mit einer Ladung Steine in die Schleuse eingefahren. Beide Schleusentore sind geschlossen, der Kahn
schwimmt also in einem geschlossenen Wasservolumen.
Die Steine werden mit einem Kran ans Ufer abgeladen.
Steht das Wasser in der Schleuse nach dem Entladen gleich hoch, ist er gefallen oder gestiegen?
2.
Derselbe Lastkahn kommt mit derselben Ladung Steine nochmals in
die Schleuse gefahren. Nun werden
aber die Steine in die Schleusenkammer selbst abgeladen, weil ihr
Boden – nach Trockenlegung – gepflastert werden soll.
Welche Pegelstandsänderung ist nun
abzulesen?
3.
Gedankenexperiment: Was passiert
mit dem Wasserspiegel, wenn der
Kahn (aus Stahl) ein Leck hat und zu sinken beginnt?
4.
Schreiben Sie eine physikalische Begründung zu den Punkten 1 bis 3.
Nach Jearl Walker, der fliegende Zirkus der Physik, 4.7
Material Stein
Messbecher, Überlaufgefäss, Messzylinder,
Waage Filzstift
5.
Bestimmen Sie die Dichte eines Steins z.B. mit einem Überlaufgefäss.
Beschreiben Sie das Vorgehen. Mit welcher Präzision kann die Dichte bestimmt werden? Fehlerabschätzung
6.
Rechenaufgabe: In einem Gefäss mit 800 cm2 Grundfläche ist der Wasserstand markiert.
a) Wie viel steigt der Wasserstand, wenn ein „Schiff“ von 100g im Wasser schwimmt?
b) Wie ändert sich der Wasserstand, wenn das Schiff mit einem ein Stein von 900 g
(Dichte 3.0 g/cm3) beladen wird?
c) Wie ändert sich der Wasserstand, wenn der Stein aus dem Schiff entnommen und im Gefäss versenkt wird?
7.
Im Trockendock (Gedankenexperiment)
a) Lesen Sie im Internet nach, wie ein Trockendock funktioniert.
(keine Abschrift)
b) Stellen Sie sich ein Schiff in einem Trockendock vor, in dem
durch verschieben der Wände die Wassermenge verringert wird.
Welches ist die minimale Wassermenge, die nötig ist, um z.B. ein
Zehntonnenschiff noch tragen zu können?
Betrachten Sie dazu die einfachen Formen im zweiten Bild.
Zu Beginn muss mindestens das Schiffsvolumen vorhanden sein. Welche Wassermenge braucht
es aber bei geschlossenem Tor?
Gibt es eine minimale Dicke der Wasserschicht rund ums Schiff?
“Schiff”
Begründen Sie Ihre Antwort!
Bewertung: Auswertung und Berechnung: 15 P (statt 20 P.) .
Diskussion und Interpretation 15 P (statt 10 P.) . (Aufgabe 7!)
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15.05.16, dk
BMS Physik
Hydrostatik
15. Scheinbare Gewichtsabnahme
1. Experiment
Schülerexperiment
Material
Becherglas mit Wasser
Stativ mit Federwaage
Verschiedene “Gewichte”
Eine Federwaage (Kraftmesser) wird mit einem Stück Aluminium
belastet und zeigt in der Luft die Gewichtskraft. (linke Figur)
Nun wird das Metall ganz in Wasser getaucht (rechte Figur) und „verliert“ dabei einen Teil seiner Gewichtskraft.
Wiederholen Sie das Experiment mit Körpern aus verschiedenen
Materailien, auch solchen die “leichter” als Wasser sind.
Erstellen Sie eine Messtabelle
Serie1: gleiche Volumen in Wasser
Serie 2: gleiche Volumen in Brennsprit
a)
Kopfrechnen! Finden Sie den Zusammenhang (Gesetzmässigkeit) zwischen dem Volumen (z.B. in cm3)
und der Auftriebskraft in Gramm.
Hinweis: Rechnen Sie mit g  10
und der Wasserdichte   1.0
m
N
 10
2
s
kg
g
cm 3
b)
Welche Gesetzmässigkeit wird hier überprüft? Welche Kräfte wirken am Körper? Skizze!
c)
Schreibauftrag: Notieren Sie das Auftriebsgesetz in Sprache! (Kurz und prägnant, ohne Formeln)
d)
Was muss präzisiert werden, damit das Auftriebsgesetz auch für schwimmende Körper gilt?
e)
Vergleichen Sie den Auftrieb in Brennsprit und Wasser.
Berechnen Sie mit diesen Angaben die Dichte von Brennsprit.
Aufgabe Zeppelin
Vorkenntnis: Luftdichte mit dem Gasgesetz umrechnen
Das Auftriebsgesetz gilt auch in Gasen und kann für Ballone und Zeppeline angewendet werden. Achtung: Das Gas
im Luftschiff ist nicht masselos!
BZ vom 13.6.2003
Der im Bild dargestellte Zeppelin enthält ca. 7’200 m3 Helium (He = 0.179 kg/m3)
Maximale Zuladung:
1900 kg
Treibstoff max.
600 kg
2.
Welche Menge Helium (kg) ist im Zeppelin?
3.
Bestimme das Gesamtgewicht FZeppelin das der Zeppelin samt Ladung haben
darf, wenn er sich in einer Höhe befindet, bei der die Luftdichte
Luft = 1.20 kg/m3 ist.
4.
Bis jetzt haben Sie mit Normwerten gerechnet. Treffen Sie plausible Annahmen für die Flughöhe und die Lufttemperatur. Die benötigten Angaben können
Sie der nebenstehenden Tabelle mit der Norm-Atmosphäre entnehmen.
Das Helium hat einen Überdruck von 5 mbar.
Rechnen Sie mit den Gasgesetzen die Dichten um!
Bestimmen Sie das angepasste Gesamtgewicht des Zeppelins.
Weitere Unterlagen: www.skycruise.ch
Document1
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15.05.16, dk
BMS Physik
Hydrostatik
Schülerexperiment
16. Dichtemessung mit Hilfe des Auftriebs: Aräometer




Repetieren Sie das Auftriebsgesetz und den Begriff der Dichte 
Welche SI-Einheit hat die Dichte?
Welche Dichte hat Wasser?
Messen Sie die Dichte von Wasser und Salzwasser mit dem
Aräometer.
Vergleichen Sie mit den Literaturwerten. Verschliessen Sie die
Flasche nach der Messung wieder.
Achtung! Das Gerät ist zerbrechlich!
Material
Flasche mit Salzwasser
Brennsprit
2 verschiedene Aräometer
Vorsicht, zerbrechlich!
Waage, Schieblehre
Zur Dichtbestimmung von Flüssigkeiten könnte man die Masse und das Volumen einer Flüssigkeitsprobe messen und dann den Quotienten bilden. Dies ist
aber etwas umständlich, da man z.B. einen Messzylinder (oder eine Pipette) und
eine Waage benötigt.
Einfacher geht die Dichtemessung mit dem Aräometer, das im einfachsten Fall
ein langes zylindrisches Glasgefäss ist. Im unteren Teil ist das Gerät mit Metall
beschwert.
Versuch
1.
Vergleichen die zwei Aräometer, geeicht für 20°C.
Für welche Dichtemessungen sind sie geeignet?
2.
Bestimmen Sie die Dichte von Brennsprit mit dem Aräometer.
3.
Bestimmen Sie Masse und Durchmesser der beiden Aräometer.
Mit Angabe der Messpräzision.
4.
Wie weit tauchen die Aräometer im Wasser ein?
Längenmessung in cm.
Welches Volumen wird verdrängt?
Annahme Zylinder plus Halbkugel.
5.
Theoretische Berechnung nach Archimedes. Wie viel Wasser wird durch die zwei Aräometer verdrängt, wenn sie in Wasser schwimmen?
6.
Wie gut stimmen die Resultate von Punkt 4 und 5 überein?
Sind die Abweichungen mit den Messtoleranzen erklärbar?
7.
Zeigen Sie, wie die Marke von 1.20 kg/dm3 berechnet werden kann.
Die notwendigen Angaben und Abmessungen haben Sie in Punkt 2 bestimmt.
8.
Ermitteln Sie eine Formel, mit der die Skala für das
vorliegende Aräometer berechnet werden kann.
Zeichnen Sie die Kurve l (  ) für 0.80 – 2.00 g/cm3
9.
Bestimmen Sie die Dichte von Salzwasser mit dem
Aräometer. Präzision?
Suchen Sie Unterlagen zum Salzgehalt. Wie hoch ist
der Salzgehalt in Gramm/Liter?
10. Kontrolle: Machen Sie eine konventionelle Dichtebestimmung von Salzwasser ohne Aräometer, mit Fehlerabschätzung!
Document1
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15.05.16, dk
BMS Physik
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Schülerexperiment
21. Wasserfontäne (Luftdruck)
Wir brauchen einen Rundkolben mit etwas Wasser, doppelt
durchbohrtem Stopfen und zwei Glasrohren. Wenn wir den
Kolben umdrehen, so dass das kurze Rohr 1 in ein hoch stehendes Wasserbecken getaucht wird, dann sprudelt es aus dem
Rohr 1 in den Kolben hinein und über das andere Rohr läuft
Wasser in die Auffangwanne ab. Das Wasser muss über dem
Rohr 2 stehen.
Material: PET-Flasche mit zwei Rohren (anstelle des Rundkolbens),
zwei Kunststoff Literbehälter als Wasserbecken
Aufgaben
Wie kann die Höhe des Wasserstrahls variiert werden?
Experimentieren Sie.
Wie erklären Sie die Wasserfontäne?
22. Herons Brunnen
Document1
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15.05.16, dk
BMS Physik
Hydrostatik
Schülerexperiment
23. Pascalsche Zauberfontäne
Eine Pascalsche Zauberfontäne kann man im einfachsten
Falle mit zwei Plastflaschen erzeugen. Sie werden beide
mit einem Stopfen verschlossen, der zwei Bohrungen besitzt. Eine der Flaschen wird - z.B. auf einem Holzklotz mindestens 20 cm höher als die andere aufgestellt. In je
einer Bohrung der Stopfen befindet sich ein kurzes Rohrstück. Die äusseren Enden dieser Rohrstücke werden durch
einen Schlauch miteinander verbunden. In der anderen
Bohrung jedes Stopfens steckt ein langes Rohr, das jeweils
bis dicht über den Boden der Plastikflasche reicht Das
Rohr, das sich in der tieferstehenden Flasche befindet, endet oben in einem Trichter. Das lange Rohr in der zweiten
Flasche ist am oberen Ende zu einer Düse verengt. Es ist
zweimal abgewinkelt, so dass sich seine nach oben gerichtete Öffnung direkt über dem Trichter der anderen Plastflasche befindet.
Die höherstehende Flasche wird vollständig mit Wasser
gefüllt. Nachdem man alle Stopfen und Bohrungen sorgfältig auf Dichtheit geprüft hat, giesst man das Wasser in den
Trichter bis er etwa zur Hälfte gefüllt ist. Aus der Düse tritt
ein Wasserstrahl aus (siehe Bild). In gleichem Masse, wie
dieses Wasser in den Trichter hineingelangt, fliesst Wasser in die tieferstehende Flasche ab. Diese Vorgänge vollziehen sich so lange, bis alles Wasser aus der höhergelegenen Flasche über die
Fontäne in die tieferstehende Flasche geflossen ist. Bei einem inneren Düsendurchmesser von 1
mm dauert das etwa 12 Minuten.
Wie erklären Sie den Vorgang?
Document1
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15.05.16, dk