3A-Klasse steht unter Strom
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II EDUARD 2012 FREITAG, 29. JUNI 2012 LEHRER.DIEPRESSE.COM Die Presse 3A-Klasse steht unter Strom Energie im Web 2.0. Wie eine Grazer Hauptschule physikalische und chemische Experimente durchführte, diese filmte und gewann. W ir, die Schüler und Schülerinnen der 3A-Klasse der PHST in Graz, gewannen am 26. März 2012 überraschenderweise den EDUARD 2012. Die Idee hinter dem Projekt war, die Zusammenarbeit der Schüler zu fördern und die Teamfähigkeit zu stärken. Entgegen allen Erwartungen wurden wir unter 70 Teilnehmern ausgewählt. Wir kamen zunächst unter die besten zehn Schulen, schließlich wurden wir zum Sieger gekürt. Unser Thema war: „Energie im Web 2.0“. Wir führten physikalische und chemische Experimente durch, filmten diese und stellten sie auf YouTube. An der Karl-FranzensUniversität im Uni-Museum wurden die Experimente vor 250 Gästen vorgeführt. Unserem Projektleiter, Prof. Eduard Schittelkopf, gelang es, uns senschaften zu Projekt wird Schuljahr auf fortgesetzt. für die Naturwisinteressieren: Das im kommenden unseren Wunsch 1. Platz Pflichtschulen Praxis-HS Graz Eduard Schittelkopf Die 3A-Klasse filmt ihre Experimente und stellt diese ins Web. [ Schittelkopf ] 1. DER SCHUSSAPPARAT 4. DIE DOSENPALME 7. KUPFER REAGIERT AUF LICHT Wir berechnen die Geschwindigkeit einer 10-mlSpritze. Die Spritze wird durch erhöhten Luftdruck in einem Acrylglasrohr beschleunigt. Knapp vor dem Verlassen der Röhre wird mittels zweier Induktionsspulen die Zeitdifferenz des Projektildurchgangs gemessen. Ausgelöst wird die Induktionsspannung durch einen Neodymmagneten, der im vorderen Teil der 10-ml-Spitze positioniert ist. Der Abstand der beiden Spulen beträgt 15 mm. Mit dem Oszilloskopvorsatz der Firma Meilhaus (DS1M12 USB-Oszilloskop) wird die Zeitdifferenz der beiden Induktionsspannungen bestimmt. Da sowohl der Abstand der beiden Spulen als auch die Durchlaufzeit des Projektils bekannt sind, kann recht einfach die Geschwindigkeit berechnet werden. Bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 128 km/h werden 40 Blatt Zeitungspapier durchschossen. Für dieses Experiment benötigt man eine Metalldose, Seidenpapierstreifen, Kabel, ein Elektrometer, eine Glimmlampe und einen Bandgenerator (Flying Stick). Die Seidenpapierstreifen werden auf der Dose befestigt. Mit dem Bandgenerator wird die Dose elektrisch geladen. Das Elektrometer misst die Spannung zwischen Dose und Erdpotenzial. Spannungen bis 25.000 Volt können bei guten Bedingungen gemessen werden. Bei zu hoher Luftfeuchtigkeit werden diese Werte nicht erreicht. Ist die Dosenpalme elektrisch geladen, stoßen sich die Papierstreifen von der Dose ab und „fliegen“ nach außen. Berührt man die Dose mit dem Finger, kommt es zu einem spürbaren Ladungsausgleich. Verwenden wir zum Entladen eine Glimmlampe, erkennen wir das Abfließen der negativen elektrischen Ladung durch das Leuchten an einem der beiden Pole. Mit Kupfer und Kupferoxid kann man lichtempfindliche Zellen bauen. Ein Kupferdraht wird in der Flamme eines Bunsenbrenners bis zur Rotglut erhitzt. Beim Abkühlen entsteht dunkelbraunes und rotes Kupferoxid. Das rote Kupferoxid ist lichtempfindlich. Die leitende Flüssigkeit zwischen Kupfer und Kupferoxid ist eine NaCl-Lösung. Bei Lichteinfall ändert sich die Spannung zwischen Kupfer und Kupferoxid. Der Kurzschlussstrom kann bis zum Zehnfachen der unbeleuchteten Zelle ansteigen. Kupfer(I)-oxid ist ein Halbleiter und wurde schon in den 1920erJahren für den Bau von Gleichrichterdioden verwendet. Was kann man mit dem Speicheroszilloskop bei unserem Experiment messen? S A Den Abstand der beiden Spulen S B Die Geschwindigkeit des Projektils S C Die Zeitdifferenz der Induktionsspannungen Welche maximale Spannung wurde bei diesem Experiment erreicht? S A 7000 Volt S B 17.000 Volt S C 25.000 Volt Die fachlich ganz korrekte Bezeichnung für rotes Kupferoxid lautet: S A Kupfer(I)-oxid, Cu2O S B Kupfer(II)-oxid, CuO S C Kupferoxid 2. SPECKSTEINOBERFLÄCHE Die Oberfläche eines unregelmäßigen Specksteinkörpers wird bestimmt, indem wir das Netz des unregelmäßigen Körpers auf ein Blatt Papier zeichnen. Anschließend schneiden wir das Netz aus und bestimmen die Masse des Papiernetzes 5. BEWEGUNGSENERGIE 8. LEUCHTENDE BLEISTIFTMINE mithilfe einer Digitalwaage. Die Fläche eines Blatts Papier kann einfach berechnet und die Masse gewogen werden. Durch eine einfache Berechnung bestimmen wir die Masse von einem Quadratzentimeter Papier. Wenn wir wissen, wie schwer ein Quadratzentimeter Papier ist, können wir durch eine einfache Divisionen die Fläche des Papiernetzes und die Oberfläche des Specksteinkörpers bestimmen. An beiden Spulenenden wird der schützende Lack des Kupferdrahtes an der Unterseite entfernt. Über die drehbare Spule fließt Strom, ein Magnetfeld wird erzeugt. Dieses wird vom Magnetfeld des Dauermagneten abgestoßen. Elektromotor: Wenn die unlackierte Seite der Spulenenden mit zwei Büroklammern Kontakt hat, fließt in der Spule Strom und erzeugt ein Magnetfeld. Die Pole werden von den entgegengesetzten Polen des Neodymmagneten angezogen – die Spule dreht sich, die isolierte Seite des Drahts liegt an den Kontaktstellen. Bricht der Stromfluss ab, verschwindet das Magnetfeld. Elektromagnet: Bei Stromfluss zieht der Elektromagnet die Münze an. Durch periodische Unterbrechung der Stromzufuhr beginnt die Münze zu vibrieren. Eine 0,9 mm dicke PolymerFeinmine beginnt bei einer Spannung von rund vier Volt und einer Stromstärke von neun Ampere zu leuchten. Erhöht man die Spannung, wird auch eine größere Stromstärke erreicht. Bei 13 Volt Spannung konnten wir eine Stromstärke von 20 Ampere messen. Dies entspricht einer kurzzeitigen Leistung von 260 Watt. Für diese Experimente müssen die Netzgeräte auch die entsprechende Leistung zur Verfügung stellen können. Standardmäßige Netzgeräte für Schüler sind auf eine Stromstärke von sechs Ampere abgesichert. Das präsentierte Experiment kann nur mit speziellen und leistungsfähigen Netzgeräten durchgeführt werden. Vorsicht: Zu hohe Spannungen lassen die Mine explodieren. In welcher Einheit wird die Masse eines Körpers gemäß internationalem Einheitensystem gemessen? S A kg S B m2 S C m/s2 Bei welchen Magneten besteht die Möglichkeit, das Magnetfeld auszuschalten? S A Dauermagnet S B Elektromagnet S C Neodymmagnet Mit welcher Formel kann die elektrische Leistung berechnet werden? S A Spannung plus Stromstärke S B Spannung dividiert durch Stromstärke S C Spannung mal Stromstärke 3. STROM AUS DER ZITRONE 6. DER ELEKTROPHOR 9. DIE ZINK/LUFTBATTERIE Der Kurzschlussstrom von Zink/Kupfer-Elementen einer Zitronenbatterie ist sehr klein. Selten werden Stromstärken von einem Milliampere erreicht. Wesentlich besser funktionieren die Elemente, wenn nur Zitronensaft verwendet wird. Bei solchen Anordnungen können Stromstärken bis zu fünf Milliampere gemessen werden. Wird die Zinkelektrode durch ein Magnesiumband ersetzt, können wir größere Spannung und höhere Stromstärke beobachten. Dieser Aufbau bringt sogar einen kleinen Elektromotor in Schwung. Die negativ aufgeladene Kunststoffplatte erzeugt eine Ladungstrennung im Keksdosendeckel. Durch Berühren des Metalls fließt die negative Ladung ab, der Deckel wird positiv geladen. Beim Hochheben wird die Ladung am PapierblattElektroskop angezeigt. Dieses zeigt negative und positive Ladung an. Nochmaliges Berühren bringt die negative Ladung zurück auf den Deckel. Wird die Metallplatte auf die geladene Kunststoffplatte gelegt, führt dies wieder zur Ladungstrennung. Erneutes Berühren lässt die negative Ladung wieder abfließen. Durch das Aufleuchten der Glimmlampe wird die Ladungsart bestimmt. Mit Luftbatterien können auf einfachste Weise genügend große Spannungen und Stromstärken für unsere Experimente erzeugt werden. Kurzschlussströme von rund 30 Milliampere und einer Stromspannung von sieben Volt sind für die meisten Anwendungen ausreichend. Ein kleiner Elektromotor, der, um sich zu drehen, eine Stromstärke von zwei Volt und eine Spannung von zehn Milliampere benötigt, funktioniert bereits unter diesen Bedingungen. Ein weiterer Vorteil beim Experimentieren mit Luftbatterien ist der NaCl(Natriumclorit)-Elektrolyt, der in diesen Kleinstmengen für die Umwelt absolut unbedenklich ist. Welche elektrische Ladung wird am Papierblatt-Elektroskop angezeigt? S A positive elektrische Ladung S B negative elektrische Ladung S C fließende elektrische Ladung Welche Elektrode aus welchem Element ist bei allen Luftbatterien zu finden? S A Kupfer S B Zink S C Kohle LÖSUNGEN Wie bestimmt man den Kurzschlussstrom einer Batterie? S A Das Multimeter wird als Amperemeter verwendet. Im Stromkreis befindet sich kein weiterer Verbraucher. S B Das Multimeter wird als Amperemeter verwendet. Eine Glühbirne wird seriell in den Stromkreis geschaltet. S C Für diese Messung kann entweder ein analoges Messgerät oder ein digitales Messgerät verwendet werden. Frage 1: C / Frage 2: A / Frage 3: A, B / Frage 4: B / Frage 5: B / Frage 6: A, B / Frage 7: A / Frage 8: C / Frage 9: C LÖSUNGEN
