Physik beim Kochen - Didaktik der Physik

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Seminar:
Dozent:
Referenten:
Natur - physikalisch gesehen
Herr Backhaus
Sabrina Spöler
Janine Großer
Helga Zimbelmann
Aufbau der
Unterrichtsstunde
Physikversuche für die
Grundschule und die
Sekundarstufe
Vorstellung des Themas
Es vergeht kein Tag an dem nicht irgendetwas
gekocht wird. Oft fängt unser Tag schon damit
an, dass wir uns einen Kaffee kochen oder es
gibt zum Frühstück ein gekochtes Ei. Kaum zu
Hause hat unsere Mutter auch schon das
Mittagessen für uns gekocht. Kochen ist für uns
ein fester Bestandteil des Tages geworden.
Doch was passiert da eigentlich? Wir kochen
etwas, und danach ist es warm.
Muss man etwas beim Kochen berücksichtigen?
Gibt es eine Art Gebrauchsanweisung für das
richtige Kochen?
Jede Menge Fragen, die wir mit Euch klären
wollen.
Einführung der Thematik
Wärme
1.Versuch: Temperaturschätzen
Materialien:



3 Plastikschalen
1 Thermometer
etw. kaltes Wasser, etw. lauwarmes
Wasser und etwas wärmeres Wasser
Versuchsbeschreibung


Man nimmt die drei Schalen und füllt eine mit kaltem
Wasser, eine mit lauwarmen und eine mit etwas
wärmeren Wasser. Mit einem Thermometer misst man
die genaue Temperatur des Wassers. Dies soll jedoch
nicht im Beisein der Kinder geschehen.
Nun bittet man ein Kind nach vorne. Es soll nun seine
Hände nach einander in die Schalen legen und
versuchen die Temperatur zu schätzen.

Diesen Vorgang führt man mit noch zwei Kindern
durch. Die geschätzten Temperaturen werden notiert.

Anschließend schaut man gemeinsam mit den Kindern,
wie gut sie geschätzt haben.
Ziel
Die Kinder versuchen ein Gefühl für
die Temperatur zu bekommen.
2.Versuch:
Welche Materialien leiten Wärme?
Wenn man sich einmal in der Küche
umschaut, stellt man fest, dass dort eine
Vielzahl von unterschiedlichen
Kochgeräten bzw. Kochutensilien zu
finden sind. Sie bestehen oft aus
unterschiedlichen Materialien, z.B. Holz,
Metall oder Plastik.
Warum ist das so?
Dies wollen wir mit einem Versuch
klären.
Der Gummibären-Versuch
Materialien:







ein Glas
1 Esslöffel
1 Plastiktrinkhalm
1 Schaschlikstäbchen
heißes Wasser
Margarine aus dem
Kühlschrank
3 Gummibärchen
Versuchsbeschreibung
Das Glas füllen wir mit heißem Wasser. Am
Ende des Esslöffels, des Plastik-Trinkhalms
und des Schaschlikstäbchens wird jeweils ein
Gummibärchen befestigt. Damit die Bärchen
auch an den Materialien haften bleiben,
verwenden wir einen Klecks Margarine aus dem
Kühlschrank.
Ganz vorsichtig werden nun Löffel,
Schaschlikstäbchen und Plastik- Trinkhalm mit
dem unteren Ende in das heiße Wasser
gestellt, so dass die Gummibärchen hoch über
das Wasser ragen.
Beobachtung
Für einige Zeit können die Gummibärchen
ihren hohen Aussichtspunkt in vollen Zügen
genießen, doch dann gerät eines von ihnen
ins Rutschen - dasjenige, was sich am Metall
festgeklammert hatte. Die beiden anderen
bleiben mit dem Margarineklecks noch recht
lange an Holz und Plastik haften.
Erklärung
Wärme wird von verschiedenen Materialien
unterschiedlich gut geleitet:
Holz und Plastik leiten Wärme- ebenso wie
elektrischer Strom- gar nicht, sie sind
Isolatoren.
Metalle leiten dagegen Wärme sehr gut, sie
sind wärmeleitfähig. Die Margarinenkleckse
machen die unterschiedliche
Wärmeleitfähigkeit von Metall, Holz und Plastik
gut sichtbar.
Beim Metalllöffel schmilzt die Margarine am
schnellsten- und mit ihr rutscht unser
Gummibärchen.
Ziel
Die Kinder sehen, dass es wichtig ist,
welche Materialien zum Kochen
verwendet werden. So würde sich ein
Topf aus Holz nicht zum Kochen
eignen. Er leitet die Wärme nicht.
Dagegen ist ein Kochlöffel aus Holz
ideal zum Umrühren.
Frage an die Studenten
Ihr trinkt einen Kaffee. In Eurem
Kaffeebecher befindet sich ein
Löffel.
Wäre ein Plastiklöffel oder ein
Silberlöffel besser?
Antwort
Da Metalle gute Wärmeleiter sind,
nehmen sie die Wärme schnell auf
und geben diese auch schnell wieder
ab. Deshalb nimmt der Silberlöffel die
Wärme des Kaffees schnell auf und
gibt sie zum Beispiel an die Hand
schnell wieder ab. Der Plastiklöffel
hingegen ist ein schlechter
Wärmeleiter, daher entzieht er dem
Kaffee weniger Wärme. Man
verbrennt sich also nicht die Finger
und der Kaffee kühlt nicht so schnell
aus.
3.Versuch: Wie erwärmt sich Wasser
in einem Topf?
Wir wollen uns einen Tee machen.
Dazu müssen wir Wasser in einem
Topf erwärmen.
Doch was passiert da eigentlich
genau in dem Topf?
Materialien






1 Topf
Herd
Wasser
Glasplatte
Stativ
Schüssel
Versuchsbeschreibung
Wir füllen den Topf mit Wasser
und stellen ihn auf die Herdplatte.
Nun schalten wir den Herd an.
Schräg über dem Topf ist eine
Glasscheibe befestigt.
Beobachtung
Nach einiger Zeit bilden sich am
Boden des Topfes kleine Bläschen.
Diese steigen nach kurzer Zeit auf.
Das Wasser beginnt zu brodeln.
Der Wasserdampf steigt auf. Es bilden
sich Tropfen auf der Glasscheibe. Die
Tropfen sammeln sich und laufen in
die Schale.
Was passiert im Topf?
Erklärung
Die Herdplatte erwärmt sich. Die Herdplatte ist
heißer als der Topf, da sich die Atome der Herdplatte
schneller bewegen als die des Topfes. Da die beiden
miteinander in Kontakt stehen, regen die schnell
beweglichen Atome der Platte, die des Topfbodens
an.
Durch diese Wärmeleitung von der Herdplatte zum
Topfboden erwärmt sich der Topfboden. Zuerst
werden die Atome des Topfes angeregt und dann die
Moleküle des Wassers. Also gibt die Topfplatte die
Wärme durch Wärmeleitung an das Wasser ab. In
der Mitte der Topfplatte ist das Wasser am
heißesten, da das Wasser von unten beheizt wird
und der Topf seitlich Wärme durch Wärmestrahlung
abgibt.
Das heiße Wasser in der Mitte des Topfes dehnt sich
aus und wird durch diese Volumengröße nach oben
steigen. Wenn es oben angelangt ist wird es durch
die Luft abgekühlt. Da die Temperatur am Rand
geringer ist, beginnt das Wasser am Rand wieder
nach unten zu sinken. Dadurch kommt es zu einer
Bewegung, die wärmere und kühlere Bereiche
vermengt. Das heißt, das Wasser wird durch
Konvektion erwärmt. Die Konvektion wird noch
durch Dampfbläschen unterstützt. Wenn eine
Temperatur von über 100 °C am Topfboden erreicht
wird, entstehen Dampfbläschen, die nach oben
steigen und damit zu einer zusätzlichen Verwirblung
der Flüssigkeit führen.
Wenn die Wassermoleküle eine entsprechend hohe
Temperatur (ca. 100 °C) bzw. große
Bewegungsenergie besitzen, können sie aus der
Oberfläche austreten und verdampfen. Man
bezeichnet den Übergang eines Reinstoffes vom
flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand am
Siedepunkt als Verdampfen oder Sieden. Der Dampf
kondensiert an der Glasscheibe (beim Abkühlen). Bei
größerer Menge an Wasser läuft es runter.
Niedere Temperatur, geringe durchschnittliche
Molekülgeschwindigkeit
Hohe Temperatur, hohe durchschnittliche
Molekülgeschwindigkeit
Ziel
Die Schüler sehen, was beim
Erwärmen von Wasser geschieht.
Sie lernen wichtige Bestandteile, die
in der Physik eine große Rolle
spielen, wie z.B. Druck, Siedepunkt,
Wärmeleitfähigkeit etc.
Wichtige Begriffe in diesem
Zusammenhang





Atome: kleine Teilchen
Wärmeleitung: Wärme wird transportiert
Wärmestrahlung: Elektromagnetische
Strahlung, die ein Körper aufgrund seiner
Temperatur an die Umgebung abgibt.
Konvektion: Transport von Energie durch
bewegte Teilchen
Bewegungsenergie: Moleküle werden
erhitzt und ihre Bewegung steigt an
4.Versuch: Sieden bei niedrigem
Druck
Der „Flaschenversuch“
Material:
 1 Erlenmeyerkolben mit Stopfen
 Wasser
 Bunsenbrenner
 Schwamm
Versuchsbeschreibung
Wir füllen in den Erlenmeyerkolben etwas Wasser und
erhitzen es über den Bunsenbrenner bis es anfängt zu
kochen. Der Kolben mit dem kochenden Wasser wird mit
dem Stopfen verschlossen, so dass er luftdicht
abgeschlossen ist. Nun wird der Kolben gewendet, damit
der kugelige Teil nach oben gerichtet ist. Nach einigen
Augenblicken, wenn das Kochen aufhört, tröpfeln wir aus
dem Schwamm vorsichtig kaltes Wasser auf die Kugel. Das
Wasser beginnt wieder zu kochen, sobald man kaltes
Wasser mit dem Schwamm drauf tröpfelt. Vorsichtig
messen wir jetzt die Temperatur.
Beobachtung
Die Temperatur ist weit unter
100°C, doch trotzdem siedet das
Wasser.
Frage an die Studenten
Wie ist das zu erklären?
Erklärung



Zunächst einmal war über dem kochenden Wasser
Dampf, die Luft aus der Atmosphäre wurde heraus
getrieben. Die Abkühlung der Flasche durch das kalte
Wasser führte eine Verdichtung des Dampfes herbei. So
nahm der Dampf nun weniger Raum ein, so dass über
dem Wasser eine fast luftleere Stelle entstand.
Neue atmosphärische Luft ist durch den Stopfen
abgesperrt, der Druck auf die Oberfläche des Wassers
ist daher viel geringer als in der offenen Flasche.
In der offenen Flasche hat der Dampf nicht bloß das
Gewicht der Wassersäule, sondern auch den Druck der
Atmosphäre zu überwinden. Ist nun der
Atmosphärendruck, wie in unserer geschlossenen
Flasche geringer, so muss die Dampfbildung, das
Sieden, eher (also unter 100°C) einsetzen.
Ziel
Die Schüler kommen zu der
Erkenntnis, je geringer der
Luftdruck und je leichter die
Flüssigkeit, desto früher das Sieden.
Frage an die Studenten
Wir haben nun das Sieden bei
niedrigem Druck kennen gelernt.
Wie aber können wir das Sieden bei
höherem Druck erzielen?
Antwort
Wenn wir den umgekehrten Weg
der Verminderung des Drucks
einschlagen, also nicht durch
Abkühlung in verschlossenen
Gefäßen, sondern durch
Vermehrung des Wasserdampfes in
denselben.
Frage an die Studenten
Warum werden wir den Versuch
nicht mit einem Erlenmeyerkolben
durchführen können?
Antwort:
Der Erlenmeyerkolben würde
platzen, da der Druck zu hoch wird.
Frage an die Studenten
Wie erfolgt Eurer Meinung nach das
Sieden mit erhöhtem Druck?
Antwort:
Das Sieden bei erhöhtem Druck
erfolgt bei erhöhtem Siedepunkt.
5.Versuch:
Ausdehnung von Flüssigkeiten bei
Erwärmung
Euch ist es bestimmt auch schon
einmal passiert, dass euch etwas
übergekocht ist.
Uns stellt sich die Frage, wie so
etwas passieren kann?
Hängt es vielleicht damit
zusammen, was wir erwärmen?
Wärmeausdehnung bei Flüssigkeiten
Material:







3 gleichgroße Erlenmeyerkolben
1 Schüssel
Wasser
3 durchbohrte Gummistopfen
3 dazu passende Glasröhrchen mit
gleichem Innendurchmesser
1 elektrischer Wasserkocher
Sonnenblumenöl, Milch, Wasser
Versuchsbeschreibung
Die drei Erlenmeyerkolben werden mit je
einer Flüssigkeit (Sonnenblumenöl, Milch,
Wasser) bis an den oberen Rand gefüllt.
Nun steckt man die Glasröhrchen in die
durchbohrten Gummistopfen und setzt sie
auf die drei Erlenmeyerkolben. Es ist
darauf zu achten, dass der Pegel in allen
Glasröhrchen gleich hoch ist. Dann stellt
man die drei Behälter in die Schüssel.
Das Wasser wird zum Kochen gebracht
und in die Schüssel gegeben, so dass es
die Kolben umgibt.
Was passiert mit den Flüssigkeiten?
Beobachtung
Nun kann man sehen wie die
Flüssigkeiten in den Röhrchen
ansteigen. Am schnellsten steigt das
Öl nach oben und läuft recht schnell
über. Dann folgt die Milch und
schließlich das Röhrchen mit dem
Wasser. Es laufen alle drei
Flüssigkeiten über.
Erklärung
Flüssigkeiten vergrößern in der Regel ihr
Volumen, wenn sie erwärmt werden.
Modellvorstellung:
Stoffe sind aus Molekülen aufgebaut, die sich
nicht in Ruhe befinden, sondern Drehbewegungen
sowie Hin- und Herbewegungen ausführen. Führt
man einem Stoff Wärmeenergie zu, so erhöht sich
die Geschwindigkeit der Bewegung und die
Moleküle haben in der Regel größere Abstände
voneinander. Somit benötigen sie mehr Raum
und der Stoff dehnt sich aus. Dieses Ausdehnen
kann man durch den Anstieg der Flüssigkeiten in
den Glasröhrchen beobachten.
Ziel
Die Schüler wissen, dass sich
Flüssigkeiten bei Erwärmung
ausdehnen.
6.Versuch:
Was „poppt“ denn da?!
Was Druck und Hitze alles bewirken
können?
Popcornherstellung
Material:




1 Herdplatte
ein großer Topf
Puffmais
Pflanzenöl
Unser Popcorn
Herstellung
Etwas Öl kommt in den Topf und die
Herdplatte wird angestellt. Dann
kommt die gewünschte Menge
Puffmais dazu. Der Topf wird mit
einem Deckel verschlossen
Beobachtung
Nach einigen Minuten fängt es im
Topf an zu knallen. Die Maiskörner
explodieren.
Erklärung
Um das zu erklären, hilft es zu wissen, wie
ein Maiskorn von innen aufgebaut ist.
Schneidet man es auf, sieht man eine
weiße Schicht. Diese Schicht besteht aus
Stärke, und sie enthält Feuchtigkeit.
Erhitzt man das Maiskorn im Topf, wird
die darin enthaltene Feuchtigkeit
aufgrund der Hitze in Wasserdampf
umgewandelt und dehnt sich aus. Dabei
entsteht eine so gewaltige Kraft, dass die
Schale des Korns gesprengt wird und
explodiert.
ENDE
Vielen Dank für Eure
Aufmerksamkeit!!!
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