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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. Document1 -1- 15.05.16, dk BMS Physik 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. Document1 -2- 15.05.16, dk BMS Physik Hydrostatik Schülerexperiment 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 Document1 -3- Theorie Druck / Kraft, Hebelgesetz Druck / Kraft, Luftdruck Schwimmen, schweben Auftrieb, Dichtebestimmung Schwimmen Auftrieb, Schweben Repetition Gasgesetz Schwimmen 15.05.16, dk BMS Physik Hydrostatik Schülerexperiment 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? Document1 -4- 15.05.16, dk BMS Physik Hydrostatik 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 Document1 -5- 15.05.16, dk BMS Physik 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! Document1 -6- 15.05.16, dk BMS Physik 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 -7- 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!) Document1 -8- 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 -9- 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 - 10 - 15.05.16, dk BMS Physik Hydrostatik 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 - 11 - 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 - 12 - 15.05.16, dk
