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!!!
