Physik

Hier gibt es eine Zusammenstellung einiger Unterrichtseinheiten für das Schulfach Physik, die ich noch hatte oder für Freunde zusammengestellt habe. Manchmal handelt es sich auch nur um Teile von Unterrichtseinheiten, die aber trotzdem nützlich sein können.

Zunehmend mehr Lehrer müssen Physik unterrichten, weil es nicht mehr genug Physiklehrer gibt. Für befreundete KollegInnen, die in dieser Lage sind, können die nachstehenden Einheiten eine Hilfe sein. Sie sind nie komplett, ersetzen also auf keinen Fall eine vernünftige Vorbereitung, aber sie enthalten etliche Ideen, die ich in meiner aktiven Zeit selbst entwickelt oder bei KollegInnen abgeguckt habe, und sie sind vor allem erfolgreich. Auch für Fachfremde ist es nicht schwer, Physik so zu unterrichten, dass die Kinder es verstehen, wenn man es kindgerecht anpackt.

Die nachfolgende Zusammenstellung ist zwar systematisch sortiert, aber ohne weitere Sortierhilfen. Man muss suchen, wenn man etwas braucht.

Viel Erfolg!

Die ersten Physikstunden

Man bedenke beim Unterrichten: Die Schulkinder sollen nicht darauf vorbereitet werden, einmal Physiker zu werden. Sie sollen einerseits die Welt, in der sie leben, verstehen lernen und andererseits erfahren, mit welchen einfachen Mitteln Regeln in der Natur aufzuspüren sind. Dazu brauchen sie kaum Fakten- und Zahlenwissen, das man auswendig lernt, sondern verstandene Zusammenhänge, die man von selbst behält. Sie sollen verstehen, dass die Natur verstehbar ist und dass die Technik nichts anderes ist, als die geschickte Anwendung der Regeln aus der Natur. Und vor allem: Sie sollen Freude am Beobachten, Messen und Deuten gewinnen, mit anderen Worten: Freude an der Naturwissenschaft. Die wird ihnen von Anfang an oft verdorben.

Viele Physiklehrer neigen mehr als andere Lehrer dazu, sich selbst als den Vertreter der Krönung der Wissenschaft anzusehen und den Kindern viel Wissen abzuverlangen, dass diese gar nicht verstehen. Dabei werden oft geheimnisvolle Geräte, die den Kindern aus ihrem Alltag nicht bekannt sind, und eine sehr präzise, aber ihnen völlig fremde Sprache verwendet. Daher ist Physikunterricht bei den Kindern oft noch erfolgloser als anderer Unterricht.

Generell lohnt es sich nicht, den Kindern viel vorzuführen und in Klausuren abzufragen, was sie auch nach nach einer guten Klausur sowieso wieder vergessen. Gute Versuche und klare Zusammenhänge in einer Sprache, die sie verstehen, behalten sie auch ohne Klausuren. Leistungstests haben dann mehr die Funktion, die Kinder sich darüber freuen zu lassen, was sie alles schon wissen.

Als Versuchsgeräte sind solche aus der Küche oder vom Baumarkt eindrucksvoller als unbekannte Laborgeräte. Aber einige Geräte sollten unbedingt zur Verfügung stehen. Dazu gehört eine Waage. Es muss nicht eine elektronische Waage sein, denn die hat viele Nachteile. Erstens verstehen die Kinder nicht, wie sie wiegt, und zweitens gaukelt eine solche Waage eine Genauigkeit vor, die der aktuelle Versuch gar nicht hergibt. Eine Goldwaage, auf die man Gewichte legt, ist prima. Ich selbst habe sehr gute Erfahrungen mit einer gewöhnlichen alten Tafelwaage gemacht, die auf etwa 10 kg ausgelegt war, auf der ich aber bis zu einem Zehntel Gramm genau messen konnte. Aufgelegte Gewichte bieten auch den Vorteil, dass die Kinder die Stücke addieren und dabei die unterschiedlichen Maßeinheiten richtig zuordnen müssen. Am besten ist es, wenn man eine leicht einsichtige mechanische Waage hat und dazu als modernes Pendant eine elektronische Feinwaage.

Außer der Waage ist es sehr gut, wenn man eine Vakuumpumpe hat. Die ist sehr teuer. Eine elektrische Pumpe saugt unter einer Glaskuppel die Luft weg. In normalen Schulsammlungen gibt es so etwas, aber sie lohnt sich auch anzuschaffen. Denn man braucht sie in jedem Jahrgang für spektakuläre Versuche, wenn man die sonst allgegenwärtige Luft einfach einmal weg haben will.

Ein bisschen Stativmaterial ist natürlich auch nicht schlecht.

Man sollte die Kinder von Anfang an eine Messgrößentabelle anfertigen lassen, die in allen Jahren immer wieder verwendet wird. Jede neu eingeführte Messgröße wird eingetragen: 1. Spalte Namen der Messgröße (z.B. Masse), 2. Spalte Formelzeichen dazu (m), 3. Spalte Maßeinheit dazu (Kilogramm), 4. Spalte Abkürzung der Maßeinheit (kg), 5. Spalte Messgerät dazu (Waage) und 6. Spalte Formel (für Messgrößen, die nicht direkt gemessen werden, wie z.B. Dichte). Es ist durchaus vernünftig, die Tabelle dadurch einzuführen, dass man Länge und Zeit gleich eintragen lässt. Beide Messgrößen sind den Kindern unmittelbar einsichtig und bedürfen keine weiteren Erklärung.

Die ersten Physik-Versuche

Wasser Sand Salz

(Schüler-Versuch)

Man nehme ein möglich leichtes Glasgefäß und fülle ein:

zuerst 100 g Wasser (oder auch 150 g)

dann 100 g Kochsalz (das löst sich völlig auf!)

dann 100 g Sand (Vogelsand aus der Tierhandlung ist ziemlich sauber. Es geht aber auch mit Sand aus der Sandkiste)

kräftig rühren.

Salz ist verschwunden, Sand nicht. Ist das Salz noch da oder weg?

Nachdem die Fragestellung klar ist, macht man den ganzen Versuch noch einmal:

Erst ein sauberes Glas, das man auswiegt. (wie viel Gramm?)

Dann 100g Wasser

Dann 100 g Salz, bis es nicht mehr zu sehen ist. Aber man kann es schmecken!

Dann 100 g Sand.

Wenn man das dann genau aus wiegt, ergibt sich 300g + Gewicht vom Glas. Das Salz ist also gewichtsmäßig noch irgendwie da!

Von nichts kommt nichts und nichts verschwindet spurlos.

Wie kriege ich die Mischung wieder auseinander?

Die Frage kann man diskutieren, bevor man ans Werk geht.

Sand filtern wir mit einem Kaffeefilter vorsichtig wieder heraus.

Um das Salz heraus zu bekommen, gießen wir das Wasser in einen flachen Teller und lassen den eine Woche lang irgendwo in Ruhe verdunsten. Die Salzkristalle bleiben zurück und sehen sehr interessant aus.

Man kann das Wasser auch mit einem Haarföhn verdunsten, aber das verlangt Übung, damit es nicht plantscht.

Man kann einen Teller mit Salz zu Hause präparieren für den Fall, dass der in der Schule aus irgendeinem Grund nichts wird. Wenn die Teller ganz gleich sind, merken die Kinder nichts.

Man kann den Kindern auch als Hausaufgabe aufgeben, zu Hause eine Salzmischung herzustellen und auf einem Teller über mehrere Tage in Ruhe verdunsten zu lassen. Die Kinder bringen dann ihre Salzkristallteller wieder mit.

Eine Starke Salzmischung macht beim langsamen Verdunsten richtige Würfel! Schwächere Mischungen machen auf dem Teller Kristalle wie Eis am Fenster. Alles sehr hübsch und interessant.

Nebenbei: Selbstverständlich darfst du bei Versuchen schummeln, so lange es die Kinder nicht merken. Das tut man, um sicher zu gehen, dass alles klappt, denn bei kleinen Kindern ist nichts so enttäuschend wie nicht gelungene Versuche. Aber du musst immer „wissenschaftlich redlich“ schummeln, also Ergebnisse haben, wie sie auch wirklich richtig wären.

Längen messen

(Schüler-Einzelversuche)

Man braucht: mehrere Zollstöcke, Geodreiecke.

Ziel: Sorgfalt, Köpfchen, Genauigkeit

Man lässt die Kinder sich untereinander die Größe ausmessen und erklärt ihnen dabei, das es sich nicht um eine Größe, sondern eine Länge handelt. Verschiedene Kinder sollten verschiedene Kinder ausmessen, und zwar auf den Millimeter genau. Jeder soll jede Messung genau notieren.

Dann schreibt man die Namen der Kinder an die Tafel und die dazu gehörigen Längen. Dabei wird man feststellen, dass verschiedene Kinder dieselbe Länge unterschiedlich gemessen haben.

Jetzt wird das Messen standardisiert.

Ein Kind wird ohne Schuhe an die Wand gestellt, Fersen und Hinterkopf fest an der Wand. Man rutscht mit dem einen Schenkel des Geo-Dreiecks an der Wand herunter, bis man mit dem anderen Schenkel auf den Kopf trifft. Dann macht man an der Wand einen Strich genau im Scheitelpunkt des rechten Winkels. Anschließend misst man an der Wand die Strecke vom Fußboden bis zum Strich aus.

Ergebnis: Mit dieser Methode messen alle Kinder dasselbe bei derselben Person.

„Länge“ eintragen in die Messgrößentabelle

Volumen krummer Gegenstände

(Schüler-Versuche)

Man sammle als Vorbereitung erstens einige quaderförmige Holzblöcke und zweitens verschiedene Steine, die alle ähnlich groß sind, aber sehr verschieden geformt (auch mit Loch und so).

Die Schüler sollen raten, welcher der Klötze der größte, der zweitgrößte usw. ist. Tabelle aufstellen. Dann wird wie in der Mathematik das Volumen der Quader nach Ausmessen der Kanten berechnet. Tabelle vergleichen.

„Volumen“ eintragen in Messgrößentabelle

Nun sollen die Kinder raten, welcher Stein der größte und der kleinste ist, jeder macht seine eigene Tabelle. (Die Steine müssen dazu Namen bekommen!)

Aber wie stellen wir fest, wessen Tabelle (Einschätzung) richtig ist?

Wir brauchen

- Steine

- Becherglas mit Ausgieße

- Auffangglas (Tasse)

- Kännchen zum Wassereingießen

- kleiner Messzylinder

Wir benutzen ein Überlaufgefäß. Wenn ein solches nicht vorhanden ist, tut es ein gewöhnliches Becherglas, das eine kleine Ausgießtülle hat, oder auch ein kleines Milchkännchen. Man stellt das Glas oder das Kännchen mit einer Seite auf ein Buch oder so, damit es schief steht, die Ausgieße nach unten. Dann stellt man eine Tasse oder so unter die Ausgieße und füllt das Glas langsam und vorsichtig mit Wasser, bis es etwas überläuft.

Das übergelaufene Wasser gießt man aus der Tasse weg und stellt die Tasse wieder drunter.

Dann tut man einen Stein – eventuell an einem Nähgarnfaden - vorsichtig in das Glasgefäß. Dabei läuft jetzt so viel Wasser über, wie der Stein Volumen hat. Das Wasser in der Tasse wird in einen Messzylinder gefüllt und so gemessen (Maßeinheit: Milliliter). Dann fängt man wieder ganz von vorn an mit dem nächsten Stein. Oder jede Gruppe behandelt je einen Stein.

Bei der Gelegenheit erfahren die Schüler, was ein Volumen ist, und dass man so etwas mit Liter misst. 1 Liter sind 1000 Milliliter, wie 1 Meter 1000 Millimeter sind.

Kann Luft etwas wiegen?

(Demo-Versuch)

Man nimmt am besten eine Sprühflasche, wie sie z.B. bei Aldi verkauft wird. Dort kann man Wasser hineinfüllen, dann mit einer eingebauten Pumpe Luft hineinpumpen und mit dem Luftdruck über einen Abzugshebel Wasser versprühen. Für unseren Versuch muss die Sprühflasche leer und trocken sein. Es wird also kein Wasser eingefüllt.

Nach entsprechendem Vorgespräch mit den Kindern wiegt man die Flasche im „leeren“ Zustand aus. (Natürlich ist Luft drin, aber die ist nachher auch noch drin.) Dann pumpt man etwa 20 Hübe Luft hinein (nicht zu viel, das überfordert die Dichtigkeit der Flasche.)

Dann wiegt man wieder aus. Die Flasche ist deutlich schwerer geworden. Luft wiegt etwas. Luft hat eine Masse.

„Masse“ eintragen in Messgrößentabelle.

Die Luft in der Flasche wurde eindeutig zusammen gedrückt. Wenn man den Abzug betätigt, strömt sie wieder aus.

Wieviel wiegt Luft nun aber?

Dazu muss man wissen, wie viel Luft im entspannten Zustand den in die Flasche gepumpt wurde. Einführung: Volumen. Vorbereitung: Ein sehr großer Messzylinder wird voll Wasser kopfüber in eine Wasserschüssel gestellt und mit einem Stativ gehalten. Auf den Sprühstutzen der Sprühflasche wird ein Gummischlauch aufgeschoben, der fest sitzt.

Nun wiegt man die Flasche, pumpt sie auf, wiegt sie wieder, hält das Ende des Schlauches unter die Öffnung des Messzylinders und betätigt den Abzug. Die Luft strömt über den Schlauch in den Zylinder und man kann von oben nach unten das Volumen ablesen.

Nun kann man ausrechnen, wie viel z.B. ein Liter Luft wiegen würde.

Hausaufgabe: Die Kinder mögen im Internet recherchieren, wie viel ein Liter Luft in entspanntem Zustand (bei normalem Luftdruck) wiegt, wenn das Ergebnis von Physikern in Labors gewonnen wurde.

Die Kinder gewinnen die Erkenntnis, dass man mit einfachen Mitteln auch so etwas Flüchtiges wie Luft in den Griff bekommt.

Wir messen die Schallgeschwindigkeit

(Gemeinschaftsversuch)

Kann man mit kleinen Kindern so etwas Schnelles wie die Schallgeschwindigkeit messen? Ja, das geht! Man braucht mehrere Unterrichtsstunden!

Zuerst einmal lässt man die Kinder in der Klasse ausgiebig schreien. Dann fragt man, ob der Ton, den jemand hervorruft, eigentlich sofort bei dem Hörer ankommt oder dafür eine Zeit braucht. Die Kinder haben dazu unterschiedlichste Erfahrungen (z.B. auf dem Fußballplatz, wenn Aufprall des Balls und dazugehörender Ton nicht zusammen gehen).

Die Frage ist klar, und nun geht es los. Man besorgt aus dem Sportunterricht, Abteilung Laufen, eine Starterklappe. Dann geht man mit den Kindern raus, am besten auf eine sehr lange gerade Strecke. Eine kleine Gruppe Kinder schlägt die Klappe. Die anderen gehen immer weiter weg. Es ist ganz deutlich: Der Knall kommt immer später, als man die Klappe zuschlagen sieht. Frage beantwortet.

Aber wie schnell ist der Schall?

Was ist Geschwindigkeit? Anlehnung an den Sport: Wer für die bestimmte Strecke die kürzeste Zeit braucht, ist der schnellste. Oder: Wie lang ist die Strecke, die der Schall in einer Sekunde schafft?

Ich muss also die Strecke messen und die Zeit. Dazu besorgt man ein Maßband ebenfalls aus dem Sportunterricht, Abteilung Weitsprung. Eine Uhr baut sich der Lehrer am besten zu Hause. Und zwar nimmt man einen schweren Gegenstand, den man als Pendel an einen Stock bindet. Das Band des Pendels muss man gerade so lang machen, dass das Pendel ein Sekunde braucht, um einmal hin und zurück zu schwingen. Das ist leicht (sind ungefähr 25 cm).

Benötigtes Material: ein selbstgebautes Pendel^*), eine Starterklappe^*) aus dem Sport, ein Maßband aus dem Sport.

Vorübung (wichtig! Gründlich üben!): Das Pendel hat eine Schwingungsdauer von 1 Sekunde (hin und her). Die Schüler müssen üben, die Starterklappe im Sekundenrhythmus zu schließen, so dass jede Sekunde ein Knall entsteht. Ein Schüler lässt das Pendel schwingen, ein anderer schlägt die Klappe.

„Zeit“ eintragen in Messgrößentabelle.

Durchführung 1: Schüler mit Pendel und Klappe - und wegen der Ermüdung entsprechende Reserve-Schüler - werden an einem Ende einer langen Strecke aufgestellt. An dieser Stelle müssen die Schüler wie oben beschrieben jede Sekunde einen Knall abgeben.

Mit den anderen Schülern geht man die lange Strecke immer weiter weg, und zwar ziemlich weit. Beim Zurücksehen erkennt man, dass die Starterklappe zwar jede Sekunde geschlagen wird, der Ton aber deutlich verzögert zu hören ist. Man geht so weit, dass die Starterklappe immer dann knallt, wenn sie geöffnet wird, beim Schließen aber nicht. Das sieht sehr ulkig aus. (Die Strecke ist 170 m. Man misst vorher heimlich aus, wo man dann steht!)

Durchführung 2: Zurück im Klassenzimmer betrachtet man das Phänomen mit Hilfe der Tafel. Die Schüler sollen erkennen, dass der Schall bis zu der Stelle, an der die zweite Gruppe stand, genau eine halbe Sekunde gebraucht haben muss. Wenn man also wissen will, wie weit der Schall in einer ganzen Sekunde kommt, muss man die Strecke ausmessen und mal 2 nehmen.

Durchführung 3: Man nimmt ein möglichst langes Maßband und geht mit den Schülern zu der Stelle von gestern, an der man den Schall genau zwischen den Schlägen gehört hat. Nun misst man die Strecke Stück für Stück aus. Die Schüler machen Notizen.

Durchführung 4: Man nimamt das Ergebnis im Klassenraum mal 2 und lässt die ermittelte Geschwindigkeit aufschreiben. Dann kann man sie mit Werten im Buch vergleichen und sich freuen, dass man in der Lage war, mit einfachen Mitteln eine so hohe Geschwindigkeit tatsächlich zu messen.

Geschwindigkeit eintragen in Messgrößentabelle. Statt eines Messgerätes wird die Formel aufgeschrieben: v = s : t Man kann als Messgerät aber zusätzlich Tachometer eintragen.

Hausaufgabe: Man lässt die Kinder im Internet recherchieren, wie schnell der Schall ist, wenn er mit guten Laborbedingungen gemessen wurde.

Optik 1

 

O1 Ohne Licht sieht man nichts.

 

Ich gehe in der ersten Stunde Optik immer mit der Klasse in einen Raum (Abstellraum, Keller oder so), der keine Fenster hat. Dort führe ich alle hinein, kündige an, das Licht auszumachen und frage, wie lange es dauert, bis sich die Augen an die Dunkelheit gewöhnt haben. Die Kinder nennen dann aus ihrer Erfahrung mehrere Zeiten im Sekundenbereich. Dann verbiete ich ausdrücklich alle Handys und ähnliche lichterzeugende Geräte und schalte das Licht aus.

Die völlige Dunkelheit ist für die meisten Kinder eine absolut neue Erfahrung. So lange sie auch warten, es bleibt dunkel und sie sehen nichts. Sie werden dann unruhig, fangen an zu schreien oder zu schubsen. Die Unruhe ertrage ich, so lange es irgend geht, und die Kinder werden immer unruhiger. Dann mache ich das Licht an.

Fazit: Die Augen können sich an wenig Licht gewöhnen, nicht aber an Dunkelheit . Ohne Licht sieht man nichts. Sehen ist nur mit Licht möglich.

Wenn man einen solchen Raum nicht hat, geht ein anderes Experiment: Man lässt die Kinder als Hausaufgabe eine Klorolle (das Innere von Klopapier) besorgen und das eine Ende sehr sorgfältig mit einer nicht zu dünnen Pappe zukleben. Vorher hat man auf die Pappe etwas gemalt in den Farben rot mit weißem Hintergrund. Wenn man jetzt in die Rolle hineinsieht, erkennt man innen das Gemalte in weiß und rot.

Hält man nun die Pappröhre so vor das Auge, dass kein Licht mehr hineinkommt (da muss man sorgfältig sein), dann sieht man die Zeichnung nicht mehr, obwohl sie in sehr auffälligem Kontrast gemalt wurde.

 

 

O2 Lichtstrahlen

 

Ich stelle eine brennende Kerze auf den Tisch und alle Kinder drumherum. Dass die Flamme Licht aussendet, wird vorausgesetzt. Aber jedes Kind sieht die Flamme, egal wo es steht. Dann lass ich Kinder auf den Tisch klettern. Auch von oben sehen sie die Flamme.

Eine Lichtquelle sendet in jede Richtung Lichtstrahlen aus.

(„Lichtstrahlen“ werden einfach vorausgesetzt, nicht definiert)

Die Kinder nehmen kleine Pappen und schneiden mal kleine, mal größere Löcher hinein. Durch jedes Loch sehen sie die Flamme aber nicht durch die Pappe.

Eine Lichtquelle sendet in jede Richtung unzählig viel Lichtstrahlen aus.

Lichtstrahlen können ein Hindernis nicht umgehen. Sie müssen direkt von der Lichtquelle ins Auge gelangen.

Lichtstrahlen gehen immer genau geradeaus.

Die Kinder bekommen eine Styroporplatte oder etwas ähnliches und ein paar Stecknadeln.

Sie stecken ganz am Ende eine Nadel ein. Während sie die Nadel mit einem Auge anpeilen, stecken sie weitere Nadeln so ein, dass jeweil die vordere die hinteren genau verdeckt. Wenn sie das gut gemacht haben (Sorgfalt ist die Mutter der Optik!), kann man an die Nadeln am Schluss ein Lineal anlegen.

 

 

O3 Lichtquellen

Wiederholen: Licht sehen wir nur, wenn es direkt ins Auge fällt.

Wer sieht Peters roten Pullover? Sendet der denn Licht aus?

Experimente: Raum ist dunkel (muss nicht ganz dunkel sein), man suche ein Kind mit weißer Jacke oder weißem T-Shirt, leuchte es im Dunkeln mit einer roten Lampe an.

(So eine Lampe kauft man einfach als Glühlampe, Strahler, im Laden)

Jetzt leuchtet das weiße Shirt rot.

Man leuchte dasselbe Shirt nun mit einer grünen Lampe an. Nun leuchtet es grün.

Das Shirt strahlt alsof nur das Licht weiter, mit dem es selbst angestrahlt wird. Wird es überhaupt nicht angestrahlt, bleibt es schwarz (siehe Versuch mit der Klopapierrolle).

Es gibt also Gegenstände, die man nur sehen kann, weil sie Licht weitergeben, mit dem sie selbst angeleuchtet werden. Aber auch sie senden Licht aus.

Man leuchte im Dunkeln den roten Pullover mit rotem Licht an. Er leuchtet rot. Man leuchte ihn mit grünem Licht an, er bleibt dunkel.

Ein roter Gegenstand leuchtet also vorzugsweise rotes Licht zurück. Deshalb erscheint er rot. Mit den anderen Farben ist es genau so. Ein weißes Hemd strahlt jede Farbe zurück, ein schwarzes keine.

Schwarze Gegenstände schlucken fast alles Licht, weiße geben jede Farbe wieder und farbige Gegenstände geben vorzugsweise ihre Farbe wieder. (Das ist überhaupt der Grund, warum Gegenstände farbig sind.)

Wir legen ein Schulkind auf einen Tisch und stellen alle anderen herum, die ihm ins Auge sehen. Das Innere des Auges ist schwarz. Es heißt Pupille. Es ist schwarz und sendet also, wie wir gerade gelernt haben, kein Licht aus.

Man nehme im dunklen Raum eine Taschenlampe (keine Diodenlampe!!!) und leuchte dem liegenden Kind in die Augen. Sofort verengt sich die Pupille. Dieser Versuch ist sehr beeindruckend für die Kinder!

Im Dunkeln öffnet sich die Pupille, damit mehr Licht hinein kann. Im Hellen verengt sie sich, damit nicht zu viel Licht hinein kann. Sie ist schwarz. Die Lichtstrahlen kommen in ein Auge hinein, aber nicht wieder heraus (außer beim Fotoblitz, wo der blutrote Augenhintergrund auf dem Foto zu sehen ist. Bild mitbringen!)

Alles, was wir sehen können, sendet Licht aus.

Das Auge ist ein Lichtempfänger.

Es gibt zwei Arten von Lichtquellen:

1. Lichtquellen erster Ordnung sind alle Lichtquellen, die ihr Licht selbst erzeugen, z.B. Sonne, Sterne, Glühlampen, Gasentladungslampen (Röhren, Energiespar), Leuchtdioden, Glühwürmchen, Funken, Blitze, Flammen, Leuchtziffern usw. (möglichst für alles Beispielgegenstände mitbringen oder mitbringen lassen)

2. Lichtquellen zweiter Ordnung sind alle Lichtquellen, die Licht nur weitergeben, weil sie selbst angeleuchtet werden, z.B. Mond, Spiegel, alle sichtbaren Gegenstände

 

 

O4 Schatten

Schatten lassen sich so gut wie nicht ohne Verdunkelung erreichen. Wenn man es im hellen Sonnenlicht versuchen will, braucht man zwei unterschiedliche Lichtquellen, die man mit zwei Spiegeln hinbekommen könnte. Das ist aber recht kompliziert.

Andererseits braucht man für die Schatten nicht unbedingt einen vollständig dunklen Raum. Ein gut abgedunkelter oder die erste Stunde am Morgen gehen meistens auch.

Beim Thema Licht und Schatten zeichnen die Kinder das erste Mal so richtig. Die Zeichnungen in der Mappe sind wichtig.

Was braucht man?

Für jede Arbeitsgruppe:

• Zwei Lichtquellen, z.B.zwei gleich hohe Kerzen oder etwas anderes.

• Eine Pappe (Blende groß), die man vor die Kerze stellen kann, mit einem Loch, ausgeschnitten mit einer Revolver-Lochzange, größtes Loch wählen. Die Pappe muss so konstruiert sein, dass man sie senkrecht vor die Mitte der Kerzenflamme stellen kann.

• Eine zweite Pappe (Blende klein) wie oben, aber mit dem kleinsten Loch der Lochzange.

• Einen Schattenkörper. z.B. eine Kugel aus zusammengeknüllter Alufolie, ca. 2 bis 3 cm dick. Die Kugel muss mit einem Draht senkrecht auf einen Holzfuß (oder ähnlich) gestellt werden. Der Draht muss so lang sein, dass die Kugel auf Höhe der Kerzenflamme ist.

• Einen Karton, den man senkrecht hinstellt und dessen lichtzugewandte Seite mit weißen Papier beklebt ist. Das Ding nennt man „Schirm“.

Versuch: Kerze, Schattenkugel und Schirm werden so aufgestellt, dass die Kerze einen Schatten der Kugel auf den Schirm wirft.

Zeichnen: Erste Vereinfachung: Lichtquelle als Sternchen, Kugel als Kreis und Schirm als senkrechte Linie nebeneinander. Von der Lichtquelle gehen viele, viele (gelbe?) Strahlen aus. Einige treffen auf die Kugel, einige auf den Schirm, einige sonstwo hin. Lass die Kinder sorgfältig malen! Um jetzt den Schatten zu haben, muss man oben und unten an der Kugel viel Strahlen machen, nur hinter der Kugel sind keine. Die Lücke auf dem Schirm ist der Schatten. Man malt den ganzen Schatten von hinter der Kugel bis zum Schirm am besten blau an.

Die Kinder lernen jetzt: Um den Schatten genau zu ermitteln, ist es gar nicht nötig, so viele Strahlen von der Lichtquelle aus zu zeichnen. Im Grunde braucht man nur zwei: den, der oben und den, der unten gerade noch an der Kugel vorbeizieht. Diese Strahlen nennen wir Randstrahlen. Zweite Vereinfachung: Die Zeichnung wird noch einmal erneuert unter Weglassung aller anderen Strahlen und mit spitzem Bleistift statt mit Gelb. So wird der Schatten konstruiert. Dritte Vereinfachung: Die Zeichnung wird noch einmal wiederholt, aber diesmal nur die Randstrahlen gezeichnet von der Stelle an, an der sie die Kugel tangieren. Vor der Kugel muss das Lineal zwar richtig angelegt werden, der Strahl ist aber überflüssig, da vor der Kugel ohnehin kein Schatten entsteht. Der nun entstandene Schatten wird von Kugel bis Schirm zwischen den Randstrahlen blau ausgemalt.

Die Kinder lernen, immer mehr Unwesentliches wegzulassen, bis nur noch das übrig bleibt, was wirklich zur korrekten Konstruktion nötig ist.

Danach werden die Abstände zwischen Lichtquelle, Kugel und Schirm variiert. Die Kinder sehen an ihrer Zeichnung, dass sich dadurch auch die Schattengröße verändert. Das wird dann im Versuch mit der Kerze ausprobiert, und tatsächlich, es ist so wie in der Theorie.

Die Schattengröße hängt nicht nur von der Größe des Schattenkörpers ab, sondern auch von den Abständen zwischen Lichtquelle, Schattenkörper und Schirm.

O5 Kern- und Halbschatten

 

A mit zwei Lichtquellen

Versuch: Man baue alles so auf wie schon bei „Schatten“, stelle aber zwei Kerzen nebeneinander. Auf dem Schirm erscheint nun ein seltsamer Schatten: Ein runder Schatten von der einen Kerze geworfen, ein runder Schatten von der anderen Kerze und ein besonders dunkler Schatten in der Schnittmenge der beiden. Das kann man schön variieren: Die eine Kerze abdecken, die andere Kerze abdecken, die Kerzen weiter auseinander, weiter zusammen usw.

Wir nennen den vollständig dunklen Schatten Kernschatten, denn dort fällt gar kein Licht hin. Den halbdunklen Schatten nennen wir Halbschatten, denn dort leuchtet die eine Kerze, aber nicht die andere den Schirm an. Alles andere nennen wir hell.

Jetzt kommt die Zeichnung: Auf der Tafel zwei Lichtquellen übereinander (nur die Betrachtung von oben macht jetzt Sinn), die Schattenkugel und der Schirm. Man zeichnet vier Randstrahlen ein, die sich teilweise kreuzen, und erhält hinter der Kugel einen sich kegelförmig verengenden Kernschatten, oben und unten davon die sich kegelförmig vergrößernden Halbschatten. Der Kernschatten wird dunkelblau, die Halbschatten werden hellblau ausgemalt.

Versuch: Durch die Stellung der Kerzen und des Schirms kann man erreichen, dass zwei Halbschatten, aber kein Kernschatten mehr entstehen. Auch diese Situation wird gezeichnet. Der Kegel des Kernschattens endet dann vor dem Schirm. Zwischen den Halbschatten entsteht auf dem Schirm eine Stelle, an die beide Kerzen leuchten.

 

B mit einer Lichtquelle

Man baut wieder eine Kerze, Kugel und Schirm auf und lässt Schatten entstehen. Bei genauer Betrachtung erkennen die Kinder, dass die Ränder des Schattens sehr unscharf sind. Und zwar sind sie bei einer Kerze oben und unten unschärfer als links und rechts. Manche Kinder sind klug genug zu erkennen, dass es an der großen Kerzenflamme liegt und dass die unterschiedliche Unschärfe daran liegt, dass die Kerzenflamme senkrecht länger ist als waagerecht.

Man verkleinert nun die Lichtquelle, indem man die „Blende groß“ vor die Kerze stellt. Nur das Licht, das durchs Loch fällt, kann nun noch den Schatten machen. Die Schattenerscheinung wird deshalb zwar dunkler, aber der Schatten am Rand sehr viel schärfer.

Man zeichne an der Tafel: große Kerzenflamme, Schattenkörper, Schirm. Nicht nur ein Punkt der Kerzenflamme sende Licht aus, sondern jeder Punkt. Man zeichne einen Schatten aus der Mitte der Flamme, einen aus der Spitze, einen vom unteren Rand der Flamme. Jeder dieser Punkte macht einen eigenen Schatten. Es entsteht ein Kernschatten, aber ein langsam schwächer werdender Halbschatten oben und unten. Das ist mit der Zeichnung sehr deutlich zu sehen. Je größer eine Lichtquelle ist, desto mehr macht sie Halbschatten.

Die Kinder zeichnen und malen die Schatten wie gewohnt aus.

Wichtige Denkfrage: Was würde ein Floh von der Kerzenflamme sehen, wenn er im Kernschatten sitzt? Wenn er im Halbschatten sitzt?

Auch die Sonne ist eine große Lichtquelle. Sie ist zwar ziemlich weit weg, aber man spürt den Halbschatten doch. Versuch: Man nehme einen dicken Draht oder Wäscheleine und lasse sie von den Kindern 20 cm über den Schulhof spannen. Man sieht den Schatten deutlich, den die Sonne wirft. Je höher man nun aber die Leine nimmt, desto unschärfer wird der Schatten, bis er schließlich kaum noch wahrnehmbar ist.

 

 

O6 Schattenspiele im All

Man zeichne an der Tafel eine Sonnenscheibe und weiter weg daneben eine Mondscheibe und konstruiere Kern- und Halbschatten des Mondes. Gerade dort, wo der Kegel des Kernschattens fast zu Ende ist, steht die Erde, so dass nur ein kleiner Teil des Kernschattens auf sie fällt. Die Menschen, die dort gerade wohnen, haben nun eine Sonnenfinsternis. Diese Zeichnung muss man wegen der Abstände und Größen vorher genau üben, sonst wird das nichts! Oder man malt sie aus einem Atlas ab.

Nur ein kleiner Teil des Kernschattens fällt auf die Erde. Nur die Menschen dort erleben eine totale Sonnenfinsternis, dass heißt: Ein runder Schatten schiebt sich vor die Sonne, bis er sie vollständig verdeckt. Es wird dunkel auf der Erde. Die Sterne erscheinen am Himmel. Es wird kühl. Das dauert bestenfalls etwa 5 Minuten, dann ist der Monde weiter gewandert und die Sonne kommt wieder hervor.

Der Mond zieht in 28 Tagen um die Erde und ist deshalb ständig in Bewegung. Deshalb zieht der Kernschatten ziemlich schnell über die Erde dahin. Bei der letzten totalen Sonnenfinsternis 1999 in Deutschland zog der Kernschatten von Saarbrücken bis zum Chiemsee. Ich war deshalb extra nach Karlsruhe gefahren, denn solche Erscheinung ist selten.

Die Menschen im Halbschatten sehen eine „angeknabberte Sonne“, weil die dunkle Mondscheibe teilweise vor der Sonne steht. Das sieht auch sehr seltsam aus.

Eine Sonnenfinsternis kann es logischerweise nur am Tage geben, von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang.

Eine Sonnenfinsternis kann es logischerweise nur bei Neumond geben, wenn die dunkle Seite des Mondes in Richtung Erde liegt und der Mond deshalb vor dem hellen blauen Himmel nicht zu sehen ist. Nur dann liegen Sonne, Mond und Erde auf einer Linie.

Wenn der Umlauf von Sonne, Erde und Mond ganz korrekt wäre, müsste es jeden Neumond eine Sonnenfinsternis geben. Aber die Umläufe schwanken ein wenig, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass das schmale Ende des Kernschattens die Erde trifft, klein ist.

Von Sonnenfinsternissen gibt es Bilder und Filme, die man sicherlich leicht beschaffen kann. Die Erscheinung ist grandios.

Die Mondfinsternis ist ähnlich, aber nicht so spektakulär. Sie findet nur bei Vollmond statt, wenn der Kernschatten der Erde auf den hell erleuchteten Mond fällt. Wenn der Kernschatten vollständig auf den Mond fällt, ist der Mond immer noch zu sehen. Er leuchtet dann dunkelrot. Das ist eine Erscheinung der Erdatmosphäre, die rotes Licht ablenkt, sozusagen die vereinigte Abend- und Morgenröte, die auf den Mond fällt. Eine Mondfinsternis ist viel häufiger als eine Sonnenfinsternis, weil die Schatten der Erde größer ist und mit größerer Wahrscheinlichkeit auf den kleineren Mond fällt.

 

 

07 Bild am Loch

Bau einer Lochkamera

Bastelarbeit mit großem Resultat. Thema „Schatten“ ist nicht Voraussetzung. Ich selbst habe in der 8. diese Arbeit als Hausarbeit gegeben. Besser ist aber Arbeit unter Anleitung.

Man lasse die Kinder sehr sorgfältig ein Rohr aus Pappe herstellen, etwa 10 cm lang. Es geht im Prinzip auch wieder eine Klopapierrolle, aber besser ist ein größerer Durchmesser, ca. 20 cm Mantellänge des Zylinders einschließlich 1,5 cm Klebestreifen. Welche Pappe, ist völlig egal, es kann irgendeine alte Verpackung von Cornflakes oder sonstwas sein. Man beachte aber die Strukturrichtung der Pappe, sie lässt sich in eine Richtung besser rollen als quer dazu. Aber damit kennst du dich wahrscheinlich besser aus als ich.

Danach wird sofort eine zweite Pappröhre gebaut, genauso lang, aber etwas dicker, so dass die eine genau in die andere geschoben werden kann, also mit ca. 1,5 cm mehr Mantellänge. Die eine Röhre muss sich leicht in der anderen schieben lassen.

Die dickere Röhre wird nun vorn mit Pappe zugeklebt, und zwar lichtdicht. Kleberänder des Deckels stören dabei nicht, da es sich um die Außenröhre handelt. In den Deckel wird – vorher! – möglichst in die Mitte ein Loch gemacht, am besten mit eine Revolver-Lochzange, kleinstes Loch. Das Loch kann man auch mit einer heißen Nadel einbrennen. Es darf nur nicht mit einer Schere oder einer Nadel hineingebohrt werden, weil das Loch dann am Rand zu sehr ausfranst. Vielleicht hast du auch eine Stanze. Jedenfalls muss das Loch klein sein und einen glatten Rand haben.

Die dünnere Röhre wird vorn mit Transparentpapier oder einfach Butterbrotpapier zugeklebt, ohne Loch! Die Kleberänder müssen fein verklebt werden, denn die Röhre muss ja noch in die andere passen.

Wenn man das fertig hat, schiebt man die dünne Röhre mit dem Transparentpapier halb in die dicke Röhre und hält sie ans Auge. Das Loch richtet man auf einen hellen Gegenstand, das Fenster, kontrastreiche Dinge im Tageslicht oder eine Kerzenflamme. In der Röhre erscheint jetzt das Bild des Gegenstandes und ist gut zu sehen. Die Kinder sind immer wieder entzückt. Das Bild ist real und farbig. Mit Staunen erkennen die Kinder, dass das Bild immer auf dem Kopf steht. Jede Bewegung der Kerzenflamme ist zu sehen, nur alles auf dem Kopf.

Man kann das Bild zoomen, indem man die innere Röhre hinein- oder herausschiebt. Dabei verändern sich auch Helligkeit und Schärfe, ein Problem, das jede andere Kamera auch hat.

Die Lochkamera funktioniert im Prinzip wie jede Foto- oder Filmkamera, nur dass dort mit Optischen Gläsern, Verschlusstechnik und Elektronik alles perfektioniert wird. Auch das Auge der Wirbeltiere funktioniert so, also auch unseres. Die Pupille ist das Loch.

Um zu verstehen, warum das Bild auf dem Kopf steht, müssen wir in die Theorie einsteigen, und das heißt in der Strahlenoptik: Zeichnen.

An die Tafel malst du drei Punkte eng untereinander: Den oberen rot, den mittleren gelb, den unteren grün. Also eine Ampel.

Ca 50 cm daneben malst du einen senkrechten Strich, der nur in Höhe der gelben Lichtquelle eine kleine Lücke hat. Das ist die Lochblende mit Loch.

Ca. 50 cm wieder daneben zeichnest du eine senkrechte Linie. Das ist der Schirm, oder in unserem Falle die Mattscheibe.

Jetzt wendest du dich der roten Lichtquelle zu. Sie strahlt überall hin, auch auf die Lochblende, aber nur ein Strahl (korrekter: nur ein schmales Strahlenbündel) gelangt durch das Loch. Das zeichnest du geradeaus bis zum Schirm. Auf dem Schirm entsteht hier ein roter Fleck.

Dasselbe machst du nun auch mit der gelben und der grünen Lichtquelle. Völlig von selbst steht die Ampel auf dem Schirm auf dem Kopf. Das ist klar und bedarf keiner weiteren Erklärung.

Das Zoomen kannst du an der Tafel erzeugen, indem du den Schirm näher oder weiter weg vom Loch zeichnest. Ganz von selbst werden die Bilder größer oder kleiner.

Die Unterschiede der Helligkeit kann man dadurch erklären, dass durch das Loch immer gleich viel Licht fällt. Bei einem größeren Bild muss es sich auf mehr Fläche verteilen.

Die Unschärfe des größeren Bildes lässt sich nur mit sehr guten Schülern erklären. Andere würde ich damit nicht belästigen. Da ja nicht ein einzelner Strahl durch das Loch fällt, sondern ein Strahlenbündel, dass von der Dicke des Loches abhängt, entsteht für jeden Lichtpunkt vor dem Loch ein kleiner Lichtfleck hinten auf dem Schirm, also Unschärfe. Die Unschärfe ist um so größer, a) je größer das Loch ist, b) je weiter der Schirm vom Loch entfernt ist.

Auch nur für kluge Schüler: Ein kleines Loch bringt mehr Schärfe aber weniger Helligkeit. Ein großes Loch bringt mehr Helligkeit, aber weniger Schärfe.

Bewiesen wurde:

Lichtstrahlen gehen immer genau geradeaus.

Wenn Lichtstrahlen sich kreuzen, stören sie sich gegenseitig überhaupt nicht.

 

 

 

O8 Spiegel-Gesetz

 

Zur Einführung erzähle ich den Kindern einen Krimi aus dem Gerichtssaal. Meistens verstehen sie eine Menge davon, weil viele von ihnen diese Gerichtssendungen aus dem Fernsehen kennen.

Zeuge: Ich habe den Angeklagten deutlich gesehen. Ich selbst kam gerade aus dem Haus Nr. 32, da öffnete der Angeklagte die Haustür Nr. 36, schaute sich um und ging zurück ins Haus.

Angeklagter: Ich war an dem Tag überhaupt nicht im Haus Nr. 36.

Verteidiger: Vor dem Haus Nr. 34 stehen zwei große Büsche. Der Zeuge kann deshalb gar nicht von der Haustür Nr. 32 bis zur Haustür Nr. 36 sehen. Er kann ja nicht mit Röntgenaugen durch die Büsche gucken.

Zeuge: Das stimmt, da sind die Büsche. Aber genau gegenüber von Nr. 36 ist ein kleiner Laden. Ich habe den Angeklagten in der spiegelnden Fensterscheibe gesehen und genau erkannt.

Frage: ist das möglich?

Ja, man kann in Fensterscheiben gut Spiegelungen sehen, wenn das Objekt, hier der Angeklagte, hell beleuchtet wird, z.B. von der Sonne. Die Situation mit der Straße, den Hauseingängen, den Büschen und der Fensterscheibe wird an die Tafel gezeichnet, natürlich von oben gesehen. Dann werden die Erfahrungen der Kinder diskutiert.

Da in physikalischen Fragen keine Mehrheitsmeinung zählt, sondern nur das Ergebnis einer genauen Untersuchung, wird um zu prüfen, ob der Zeuge recht haben kann, ein Versuch aufgebaut:

Schüler A und Schüler B stellen sich an der Wand, vor der Tafel oder sonstwo sinnvoll auf. Neben Schüler A wird ein Hindernis aufgestellt, dass B nicht direkt zu A sehen kann. In einem gewissen Abstand genau vor A wird ein großer Spiegel aufgestellt.

Ergebnis: A sieht sich selbst im Spiegel. B kann A absolut nicht im Spiegel sehen. Der Zeuge hat gelogen.

Ein Spiegel lässt Spiegelbilder nicht irgendwie und irgendwo, sondern nur in einer ganz bestimmten Weise entstehen.

Um das genauer festzulegen, kommt der nächste Versuch:

Hinten an der Wand, dem Pult gegenüber, werden 5 Personen in gleichen Abständen aufgestellt, ganz links A, in der Mitte C, ganz rechts E. B und D kommen entsprechend dazwischen.

Vorn auf dem Pult steht ein großer Spiegel. (Er kann von weiteren Schülern festgehalten werden. Je mehr Leute beteiligt sind, desto besser) Der Spiegel steht in der Mitte und damit genau gegenüber von C.

Das Ganze wird vorher auf die Tafel gezeichnet.

Ergebnis: A sieht nur E im Spiegel, B sieht nur D im Spiegel und C sieht nur sich selbst im Spiegel. Um gekehrt sieht E auch A, D auch B. Andere Personen sind im Spiegel nicht zu sehen. Jede Versuchsperson sieht eine, und nur eine Person im Spiegel.

Man erinnere daran, dass jede Person eine Lichtquelle 2. Ordnung ist und deshalb Licht aussendet.

Jetzt zeichne man an die Tafel:

Ein roter Pfeil geht von A zum Spiegel und von dort zu E.

Ein grüner Pfeil geht von E zum Spiegel und von dort zu A.

Ein blauer Pfeil geht von B zum Spiegel und von dort zu D.

Ein gelber Pfeil geht von D zum Spiegel und von dort zu B.

Ein violetter Pfeil geht von C zum Spiegel und zu C zurück.

Selbstverständlich macht man die Zeichnung so perfekt wie möglich. Die Strahlen werden am Spiegel umgedreht, dürfen dort aber keine Lücke entstehen lassen und müssen ansonsten perfekt gerade sein.Der rote Pfeil liegt genau auf dem grünen, der blaue auf dem gelben, der violette auf sich selbst, nur die Pfeilrichtung ist jeweils anders. Alle Strahlen spiegeln sich am Spiegel in dem gleichen Punkt. Die gezeichneten Personen sind perfekt aufgereiht, so dass sich das Spiegelgesetz von selbst ergibt, ohne dass es ausgesprochen wird.

Man muss die Zeichnung vorher üben!!

Lichtstrahlen werden am Spiegel in einer ganz bestimmten Weise zurück geworfen, und nicht irgendwie anders.

Man diskutiere das mit den Kindern. Wenn man einen Billardtisch hat, kann man dasselbe Gesetz auch mit den Kugeln und der Bande vorführen. Licht verhält sich so wie eine Kugel an einer perfekt elastischen Wand.

Jetzt kommt die physikalische Zeichnung an die Tafel. Man zeichne einen geaden Strich, der nicht senkrecht und nicht waagerecht und auch nicht perfekt 45 Grad dazu an der Tafel ist, sondern irgendwie schräg, so dass gar keine Vorurteile erst erweckt werden. Dieser Strich heißt nun „Spiegel“. Seine Rückseite wird als solche (mit Farbe oder Schraffierung) gekennzeichnet. Jetzt zeichne man einen Lichtstrahl, der den Spiegel trifft – nicht senkrecht, nicht waagerecht, nicht im 45 Grad-Winkel, sondern ein wenig anders.Dieser Strahl heißt „Einfallstrahl“. Der Punkt, an dem er den Spiegel trifft, heißt „Spiegelpunkt“. Wie wird der Strahl jetzt gespiegelt?

Die Kinder wissen es inzwischen, können es aber nicht ausdrücken. Man halte das Lineal mal so, mal so, bis alle schreien: Ja! (Man darf als Lehrer gern ein wenig nachhelfen!) Dieser nun gezeichnete Strahl heißt „Ausfallstrahl“ und beginnt am Spiegelpunkt.

Nun erinnere man die Kinder an Winkel. Sie werden schnell erkennen, dass der Winkel zwischen Einfallstrahl und Spiegel genau so groß ist wie der Winkel zwischen Ausfallstrahl und Spiegel. Und das gilt immer.

In der Optik werden aber diese Winkel nicht verwendet – aus Gründen, die man hier schlecht erklären kann. Sondern man zeichnet im Spiegelpunkt eine Senkrechte zum Spiegel, und die heißt „Lot“. Jetzt gibt es noch zwei Winkel, die gleich sind.

Der Winkel zwischen Einfallstrahl und Lot heißt Einfallwinkel oder α. Der Winkel zwischen Ausfallstrahl und Lot heißt Ausfallwinkel oder β. Das Lot steht immer senkrecht zum Spiegel auf dem Spiegelpunkt.

Das Spiegelgesetz lautet: α = β

Es ist ein Naturgesetz, und niemals verhält sich ein Lichtstrahl am Spiegel anders.

Das lasse man die Kinder in die Mappen zeichnen.

Und danach müssen sie etliche Aufgaben lösen, bei denen der Spiegel und der Einfallstrahl immer anders gelagert ist, Lot und Ausfallstrahl mit Geodreieck zu ermitteln und zu zeichnen sind.

 

O9 Das Spiegelbild

Dies ist eine rein theoretische Zeichenstunde.

Hinweis: Kleine Kinder oder auch Katzen sehen manchmal hinter einen Spiegel, weil sie dort das vermuten, was sie im Spiegel sehen. Größere Kinder wissen, dass hinter dem Spiegel nichts ist.

Man gebe den Kindern ein vorbereitetes Blatt Papier, auf dem folgendes zu sehen ist:

In der Mitte ein senkrechter Strich (der Spiegel), rechts daneben eine Person aufrecht stehend mit möglichst hohem Hut (Zauberer?), Kopf mit Auge (!), Gürtel, Schuhe (oder Füße). Man sorge bei der vorgezeichneten Figur dafür, dass sich Hutspitze, Auge, Gürtelschnalle und Fußspitze ziemlich genau untereinander befinden, dann wird die Aufgabe leichter. Ich selbst habe einen aufrecht stehenden Garfield genommen, weil der lustig ist. Die Ohren waren dabei praktisch der Hut.

Kann diese Person seine eigene Fußspitze über den Spiegel sehen? Na klar.

Wie geht der Lichtstrahl genau?

Erinnerung: Alles, was man sehen kann, ist ein Lichtsender. Das Auge ist ein Lichtempfänger. Also muss ein Lichtstrahl von der Fußspitze über den Spiegel ist Auge gehen, damit die Person sich selbst im Spiegel sieht. Wie verläuft genau der Strahl? Die Kinder zeichnen vorsichtshalber nur mit Bleistift, falls es nicht ganz richtig wird. Jeder darf es versuchen.

Lösung: Die Strahlen sind richtig, wenn das Spiegelgesetz erfüllt wird. Dazu muss der Lichtstrahl genau auf halber Höhe zwischen Fußspitze und Auge auf den Spiegel treffen. Die Pfeile müssen von der Fußspitze zum Auge verlaufen.

Nach Diskussion korrigieren alle Kinder ihre Zeichnung entsprechend.

Und jetzt: Was sieht das Auge?

Unser Gehirn rechnet nicht mit Spiegeln, sondern geht davon aus, dass alle Lichtstrahlen immer von geradeaus kommen. So haben wir es von kleinauf gelernt. Der Knick am Spiegel wird von Auge und Gehirn völlig ignoriert. Wir sehen den Lichtstrahl so, als käme er von geradeaus.

Man verlängere also nun den Lichtstrahl, der ins Auge fällt, nach hinten hinter den Spiegel. Die Gesamtlänge des Strahls muss gleich bleiben. Das Auge sieht also die Fußspitze hinter dem Spiegel. Da das Auge den Knick ignoriert, denkt es, der Strahl komme ohne Knick von hinter dem Spiegel.

(Strahlen hinter dem Spiegel zeichnet man allgemein gestrichelt, um anzudeuten, dass es hier einen gesehenen, aber keinen wirklich Strahlenverlauf gibt.)

Jetzt verfahre man genauso mit der Hutspitze. Erst den Strahl von der Hutspitze über den Spiegel zum Auge, dann die Verlängerung ohne Knick hinter den Spiegel, und man bekommt den Punkt, an dem das Auge die Hutspitze hinter dem Spiegel sieht. Jetzt mache man dasselbe mit der Gürtelschnalle, dann mit dem Auge selbst (bei dem der Strahl auf sich selbst hin und zurück geht).

Alles das muss man vorher zu Hause ausprobiert haben. Mit einem Geodreieck ist das aber sehr leicht.

Man sieht: Die gespiegelte Fußspitze sieht das Auge genau auf gleicher Höhe und in gleichem Abstand hinter dem Spiegel, wie die echte Fußspitze vor dem Spiegel ist. Usw.

Spiegelpunkte erscheinen hinter dem Spiegel genau gegenüber und in demselben Abstand hinter dem Spiegel, wie die echten Punkte vor dem Spiegel sind.

Die Kinder bekommen das gleiche vorgefertigte Blatt noch einmal. Jetzt zeichnen sie nicht mühsam Lichtstrahlen, sondern legen das Geodreieck so an, dass sie im Rechten Winkel zum Spiegel und mit demselben gemessenen Abstand die Spiegelpunkte von Fußspitze, Hutspitze, Gürtelschnalle und Auge hinter dem Spiegel auch ohne Lichtstrahlen finden.

Mit den vier Fixpunkten zeichnen sie nun die ganze Figur hinter dem Spiegel. Im Idealfall muss sie ein Spiegelbild von der gedruckten Figur werden.

Erst wenn das alles fertig ist, werden die echten Lichtstrahlen von Fußspitze zum Auge usw. gezeichnet, was nun ganz leicht ist und perfekt dem Spiegelgesetz entspricht.

Frage an die Klugen: Wie groß muss der Spiegel mindestens sein, damit sich jemand von oben bis unten vollständig darin sehen kann? Vermute und beweise!

 

 

 

O10 Lichtbrechung 1

 

Man besorge für jede Gruppe: 1 Tasse (kein Becher), ein Gießgefäß (Kännchen?) und eine Münze.

Versuch 1: Man lege die Münze in die Mitte der leeren Tasse. Ein Schüler A der Gruppe setzt sich nun so, dass er in die Tasse hineinschaut, aber die Münze hinter dem Tassenrand nicht mehr sehen kann. Nachdem A seine Postion eingenommen hat, fängt ein Schüler B an, langsam und vorsichtig Wasser in die Tasse zu gießen. Obwohl A und die Münze ihre Postion nicht verändert haben, kann Schüler A die Münze jetzt sehen. (Der Versuch ist sehr erstaunlich.)

Es wird vermutend diskutiert. Dann zeichnen alle die Situation: Tasse im Querschnitt, Münze, Auge A. Die gestrichelte gerade Linie von der Münze zum Auge verläuft durch den Tassenrand. Da das Licht seinen Weg immer geradeaus nimmt, kann das Auge die Münze nicht sehen. Aber mit Wasser kann es die Münze sehen. Also muss das Licht einen anderen als den geraden Weg genommen haben.

Es liegt auf der Hand, dass es etwas mit dem Wasser zu tun haben muss.

Versuch: Man stelle eine möglichst ausgedehnte flache Schüssel auf das Lehrerpult, die Schüler drum herum, und fülle sie ca. 10 bis 15 cm hoch mit Wasser. Dann stelle man ein gewöhnliches 30cm-Lineal senkrecht in die Schüssel. Obwohl die cm-Einteilung auch durch das Wasser sehr gut zu sehen ist, wird der Teil des Lineals, der im Wasser ist, sehr viel kürzer, je schräger und flacher man in das Wasser hinein schaut. Auch das ist sehr erstaunlich.

Zeichnung und Nachdenk-Konsequenzen: Man zeichne an die Tafel die Schüssel im Querschnitt, eine Linie für die Wasseroberfläche und einen senkrechten grünen Strich für das Lineal. Dann zeichne man ein Auge, das schräg ins Wasser hinein sieht. Dicht neben den grünen Strich zeichne man jetzt einen roten, der das Lineal zeigen soll, sie es gesehen wird. Also über dem Wasser ist der Strich genauso lang wie der grüne, aber unter dem Wasser ist er kürzer, denn das Lineal wird ja kürzer gesehen. Die Schüler wissen jetzt ja schon vom Spiegelbild, dass das Auge „denkt“, jeder Lichtstrahl käme immer geradeaus. Das Auge „denkt“ also, der Lichtstrahl von der unteren Kante des Lineals komme von dem roten, kürzeren Ende, denn so sieht das Auge das Lineal. Man zeichne einen Strahl vom unteren roten Ende genau geradeaus bis ins Auge. Das der Strahl aus dieser Richtung ins Auge fällt, daran kann es keinen Zweifel geben. Aber der Lichtstrahl kommt in Wirklichkeit von dem grünen Ende des Lineals, vom dem echten Ende. Im Wasser muss der Strahl also einen anderen Weg genommen haben. Man zeichne einen Lichtstrahl vom grünen Ende des Lineals bis zu dem Punkt, an dem der erste Lichtstrahl die Wasseroberfläche schneidet. Der wirkliche Lichtstrahl macht hier einen Knick. Er kommt vom echten grünen unteren Ende des Lineals, geht bis zur Wasseroberfläche an dem Punkt, an dem der erste Strahl die Wasseroberfläche trifft und geht dann den Weg zum Auge wie der Strahl, der geradeaus vom roten Ende herkommt. Das hört sich alles sehr kompliziert an, wenn man es so beschreiben muss, ist aber eine einfache Sache, wenn man es erst einmal gezeichnet hat, und ist den Kindern eingängig. Man muss sich nur selbst mit dieser Argumentation gut vertraut gemacht haben.

Der Lichtstrahl macht am Übergang vom Wasser zur Luft einen Knick. Anders ist die Erscheinung mit dem, was wir von früher schon wissen, nicht zu erklären.

Beim Übergang von einem durchsichtigen Material in ein anderes wird ein Lichtstrahl abgeknickt. Der Knick ist um so stärker, je schräger der Strahl auf die Grenze trifft. Diese Erscheinung nennt man Lichtbrechung.

Es gibt also zwei Ausnahmen von der Regel, dass Lichtstrahlen immer geradeaus gehen: Die Spiegelung und die Brechung. Beides folgt ganz bestimmten Gesetzen.

 

 

 

O11 Lichtbrechung 2

Um die Lichtbrechung ganz eindeutig zu beweisen, muss man neben den beiden indirekten Versuchen auch einen direkten machen. Dazu braucht man Verdunkelung, aber nicht sehr viel. Dämmerlicht genügt auch.

Man nehme ein kleines, leeres Aquarium und stelle es auf das Lehrerpult. Die Schüler sitzen am besten auf ihren Plätzen. Die Wand des Aquariums beschmutze man, indem man sie von innen und außen mit dem Tafelschwamm abwischt. Ein bisschen Kreideschmiere bleibt dann hängen. Man fülle das Aquarium halb mit Wasser. Im Wasser wasche man den Schwamm, damit es auch mit Partikeln durchsetzt ist. Jetzt nehme man eine scharfstrahlige Taschenlampe, etwa eine mit Leuchtdioden, oder sogar einen Laser-Pointer und strahle damit schräg in das Wasser hinein, so dass der Strahl gerade noch an der verschmutzten Scheibe entlangschrammt. Der ganze Strahl ist jetzt zu sehen, überdeutlich der Knick an der Wasseroberfläche.

Man halte die Lampe senkrecht, dann immer schräger. Der Knick ist erst nicht vorhanden, dann immer stärker.

Man lege einen flachen Spiegel in das Wasser. Wenn der geknickte Strahl aus der Lampe den Spiegel trifft, wird er auf der anderen Seite wieder nach oben gespiegelt und knickt noch einmal, wenn er das Wasser wieder verlässt. Die Erscheinung ist voll symmetrisch.

Trifft ein Lichtstrahl aus der Luft schräg auf eine Grenzfläche zum Wasser, so wird er Richtung Wasser hin gebrochen. Trifft ein Lichtstrahl aus dem Wasser schräg auf die Grenzfläche zur Luft, wird er wieder Richtung Wasser hin gebrochen. Die Brechung von der Luft zum Wasser ist genau umgekehrt wie die Brechung vom Wasser zur Luft.

Man lasse die Kinder das Aquarium im Querschnitt, Wasseroberfläche, Lichtstrahl in der Luft, dann im Wasser, Spiegelung, dann wieder Übergang von Wasser zu Luft zeichnen. Die Zeichnung muss genau symmetrisch sein. Pfeile nicht vergessen!

 

 

 

O12 Der Lichtweg ist umkehrbar

 

Da hinten steht Karla. Kann Karla Moritz sehen? Das ist ganz einfach: Wenn Moritz Karla sehen kann, kann er sicher sein, dass Karla auch ihn sieht.

Zeichnung: Karla, Moritz, irgendwelche Hindernisse, aber sie sehen sich. Lichtstrahl vom Karlas Gesicht in Moritz' Auge, von Moritz Gesicht ins Karlas Auge.

Der Lichtweg ist umkehrbar. Wenn ein Lichtstrahl von Punkt A nach Punkt B gelangt, nimmt er dabei einen ganz bestimmten Weg. Wenn ein Lichtstrahl rückwärts von Punkt B nach A gelangt, nimmt er genau denselben Weg.

Spiegel: Man zeichne, wie Erwin über einen Spiegel einen Vogel sieht. Das Spiegelgesetz ist genau einzuhalten. Genauso sieht jetzt aber auch der Vogel den Erwin. Wieder werden beide Strahlen gezeichnet, die genau aufeinander verlaufen, aber umgekehrte Pfeile haben.

Der Lichtweg ist umkehrbar, auch am Spiegel.

Brechung: Man zeichne eine Wasseroberfläche und im Wasser einen Fisch. Man zeichne den Angler, der mit seinem Auge den Fisch sieht. Achtung! Besser ist es, erst den Angler zu malen, sein Auge, den Lichtstrahl, der an der Wasseroberfläche gebrochen wird, und dann den Fisch. Der Fisch sieht nun auch den Angler. Der Lichtstrahl wird in umgekehrter Richtung genau an derselben Stelle gebrochen. Zeichnen.

Der Lichtweg ist umkehrbar, auch bei der Lichtbrechung.

 

 

W1-00 Übersicht Wärme 1

Es handelt sich hier um die grundsätzliche Einführung in die Wärmelehre, zugeschnitten auf Kinder von 5. bis 7. Klasse. Es gibt drei Abschnitte:

1. Temperatur

2. Wärme-Ausdehnung

3. Wärme-Transport

An Geräten wird auf alles verzichtet, was Kinder nicht ohnehin kennen oder ganz leicht durchschauen können, damit die Kinder die physikalischen Gegebenheiten, die sie kennen lernen, von Anfang an als verbunden mit ihrer Lebensumwelt einordnen.

 

 

 

W1-01 Warm und kalt

 

Man stellt drei gleiche Schüsseln mit Wasser auf das Pult, links warmes (etwa 40 Grad), mittig lauwarmes, rechts kaltes (mit zerstoßenem Eis hergestellt. Man lässt ein Kind je eine Hand in die linke und und mittige Schüssel halten. Es wird für links „heiß“ sagen und für mittig „kalt“. Man lässt ein anderes Kind je eine Hand in die rechte und mittige Schüssel halten. Es wird die mittige als „warm“ bezeichnen. Um den Widerspruch zu lösen, darf ein drittes Kind erst links und mittig, dann rechts und mittig halten, wobei beide Hände die Schüssel wechseln müssen. Es wird auch dieselbe mittige Schüssel einmal als kalt und einmal als warm bezeichnen. (Wenn man sehr fleißig vorbereitet, kann man das Ganze so machen, dass das agierende Kind die Schüsseln gar nicht sieht, sondern nur fühlt, aber die ganze Klasse die Schüsseln dabei sieht.)

Ergebnis: Menschen können warm und kalt fühlen, aber nicht sehr objektiv bestimmen. Objektiv muss man warm und kalt messen.

Man führt ein: TEMPERATUR als Messgröße und THERMOMETER als Messgerät, dazu GRAD CELSIUS als Maßeinheit. (Messgrößentabelle sieh Physik Anfang). Ich empfehle ausdrücklich nicht, zu diesem Zeitpunkt ein Thermometer selbst zu kalibrieren. Es ist leicht, ein Thermometer einzuführen, weil jedes Kind so etwas kennt. Aber aus meiner Erfahrung sollte man den Kindern als Regel mitgeben: Thermometer werden nicht geschüttelt! Denn es gibt immer wieder Kinder, die ein Thermometer zuerst schütteln (und damit zerstören), sobald sie es in die Hand bekommen. Man lässt die Kinder Temperaturen messen.

 

 

W1-02 Wärmeausdehnung

Ich empfehle, schnell zur Wärmeausdehnung zu kommen. Am besten ist der Versuch mit dem Kugelring. Das Gerät gibt es so gut wie in jeder Schule mindestens einmal. Ich empfehle nicht den Schülerversuch, sondern eine Vorführung, weil sie wesentlich weniger gefährlich ist und weniger Vorbereitungs- und Durchführungszeit braucht, trotzdem aber für alle Kinder sehr eindrücklich ist, wenn man es ein bisschen kabarettistisch vorführt.

Die Metallkugel passt knapp, aber problemlos in den Metallring. Wenn man die Kugel in der Gasflamme stark erwärmt hat, passt sie anschließend nicht mehr in den Ring. Wenn man die Kugel unterm Wasserstrahl abkühlt, passt sie wieder. Wenn man sie wieder heißt macht, passt sie nicht. Man lässt die heiße Kugel auf dem Ring liegen und diskutiert mit den Kindern das Phänomen. Dabei wird irgendwann die Kugel abkühlen und der Ring sich erwärmen, so dass die Kugel mit lautem Plumps plötzlich durch den Ring fällt.

Deutung: Die Kugel wird wirklich etwas größer, wenn sie wärmer wird, und zieht sich wieder zusammen, wenn sie kühler wird. Das nennt man Wärmeausdehnung.

Für fleißige Vorbereiter: Man kann die Kugel vor den Kindern als kalte und als warme Kugel mit der Goldwaage wiegen. Sie wird größer, obwohl ihre Masse gleich bleibt. (Relativistisch gesehen ist eine warme Kugel tatsächlich schwerer als ein kalte, aber das müssen die Kinder nicht wissen.)

 

 

W1-03 Wärmeausdehnung eines Stabes

Man nimmt am besten ein dünnes Kupferrohr, ca. 70 cm lang, gibt es beim Klempner meistens nur verchromt, macht aber nichts. Oder man nimmt Aluminiumrohre vom Bau- oder Bastelmarkt, aber weniger als 1 cm Durchmesser, oder es gibt solche Rohre in der Physik-Sammlung. Vor den Kindern misst man das Rohr aus, macht es mit Flamme heiß, misst es wieder. Man wird keinen Unterschied feststellen. Das Metalllineal ist nicht genau genug.

Jetzt macht man mit den Kinder folgendes: Jede Gruppe bekommt ein solches Rohr, das auf der einen Seite eingeklemmt (Stativmaterial aus der Sammlung) und auf der anderen Seite fest auf einem Holzklotz gelagert wird. Unter das Rohr stellt man eine Reihe von Teelichtern. Die Klötze müssen die richtige Höhe haben, dass die Flammenspitzen gerade unter dem Stab enden, sonst Rußgefahr. (Das muss in der Vorbereitung genau ausprobiert werden!) Oben auf den Holzklotz ist feines Sandpapier geklebt. Zwischen Metallrohr und Holzklotz liegt quer zum Metallrohr ein runder Bleistift. Am Ende des Bleistiftes befestigt man ein Stück Blumendraht, dessen freies Ende rechtwinklig zum Bleistift nach unten zeigt. Rohr, Bleistift und Draht stehen jeweils im Rechten Winkel zueinander. Das hört sich kompliziert an, ist aber so einfach, dass man es die Kinder während des Unterrichtes basteln lassen kann, wenn man die Holzklötze vorher präpariert hat. Der Versuch geht dann so: Wenn man die Teelichte anzündet, wird das Rohr heiß, dehnt sich aus, rollt dabei den Bleistift ein bisschen weiter, und das Drahtende schlägt als Zeiger aus. Der Effekt ist sehr deutlich.

Die Kinder lernen bei diesem Versuch nicht nur, dass sich der Stab wirklich ausdehnt, sondern vor allem, dass man mit einfachsten Anordnungen auch unsehbar kleine Ausdehnungen feststellen und damit beweisen kann.

 

 

W1-04 Bimetall

Man braucht dazu zwei ca. 1mm dicke, ca. 30 cm lange und ca. 1,5 cm breite Metallstreifen, einen aus Eisen- und einen aus Kupferblech, die mit Nieten im Abstand von etwa 2 cm fest aufeinander genietet sind. Solche Bimetalle gibt es in jeder ordentlichen Physiksammlung. Wenn nicht, muss man sich wenigsten eines selbst herstellen (Blech schneiden, bohren, nieten).

Wenn man das Bimetall über die Gasflamme hält, biegt es sich schnell durch. Kühlt man das gebogene Bimetall unterm Wasserstrahl wieder ab, wird es wieder ganz gerade. Die Kinder stellen meistens erst die Vermutung an, dass sich das Metall anders verhält, dass der Flamme am nächsten ist. Aber ganz gleich, wie man das Bimetall in die Flamme hält: es biegt sich immer so, dass Eisen in der Innenkurve und Kupfer in der Außenkurve liegt. Das lässt nur den Schluss zu: Kupfer dehnt sich bei gleicher Erwärmung mehr aus als Eisen.

Man lässt die Kinder zwei Pappstreifen schneiden oder bringt selbst welche mit, die gleich breit sind, aber der eine ist 2mm länger. Die lassen sich dann nur genau aufeinander legen, wenn man sie biegt, den kürzeren in die Innenkurve. Daraus ersehen die Kinder, dass in einem Bogen der äußere Streifen länger sein muss als der innere (was die Sportler unter ihnen schon von den Bahnen im Stadion kennen).

Unterschiedliches Material dehnt sich bei gleicher Erwärmung unterschiedlich stark aus.

Hausaufgabe: Die Kinder sollen im Internet recherchieren, welche Metalle sich am stärksten ausdehnen.

Weiter Bimetall: In den meisten Physiksammlungen gibt es kleine, leichte Bimetalle, die sich zwar nicht zu obiger Demonstration eignen, weil man die unterschiedlichen Streifen gar nicht mehr erkennt, die aber für technische Anwendungen geeignet sind: a) Feuermelder. Man baut eine Batterie mit einer Klingel und einem Bimetall so zu einem Stromkreis zusammen, dass das Bimetall erst, wenn es sich biegt, einen Kontakt berührt, der das Klingeln auslöst. Stellt man nun eine Kerzenflamme unter das Bimetall, gibt es Alarm. b) Regelschalter. Man schließt einen Stromkreis mit einer Lampe von mindestens 10 W (zB. 6 V, 3 A) über ein Bimetall, dass genau über der Lampe liegt. Die Lampe erwärmt das Bimetall, es biegt sich, unterbricht dabei den Stromkreis, Lampe kühlt ab, Bimetall kühlt ab, schließt wieder den Stromkreis usw. So funktioniert im Prinzip die Temperaturregelung beim Bügeleisen.

Die Versuche muss man unbedingt so lange ausprobieren, bis man einen Aufbau hat, der gut funktiniert.

 

 

W1-05 Bolzensprenger

Dafür kann man nur ein Gerät aus der Physiksammlung nehmen. Man geht nach der Gebrauchsanleitung vor. Ein Rohr wird auf einem Ende mit einem gußeisernen Stab gehalten, am anderen mit einer großen Rändelschraube. Man zieht die Schraube fest und geht mit der Gasflamme an das Rohr. Es dehnt sich aus, und die Schraube wird lockerer. Man dreht sie immer wieder fest. Zum Schluss löscht man die Gasflamme und legt ein nasses Tuch auf das Rohr. Das kühlt ab, zieht sich zusammen und zerbricht dabei den gußeisernen Bolzen.

Bei der Wärmeausdehnung entstehen sehr große Kräfte.

 

 

W1-06 Brücken auf Rollen

Balkenbrücken aus Eisen oder Beton (keine Bogenbrücken), die frei gelagert sind und daher von der Sonne stark aufgewärmt werden können, werden auf einer Seite nicht fest, sondern auf Rollen auf dem Widerlager befestigt. Sonst würden sie unter Sonnenerwärmung das Widerlager sprengen. Die Fahrbahn hat entsprechend Dehnungsfugen. Da das für alle derartigen Brücken gilt, lässt sich immer eine in der Nähe der Schule finden, zu der man die Kinder führt. Dort kann man ihnen die Rollenlagerung direkt zeigen. Und das sollte man auch unbedingt tun. Bei Straßenbrücken sind auch oben über die Fahrbahn die Dehnungsfugen zu sehen.

(Übrigens: Das Beispiel der Eisenbahnschienen, das viele Lehrer gern verwenden, gilt nicht mehr. Die Bahnschienen werden heute nicht mehr mit Dehnungsfugen verlegt, sondern durchgehend verschweißt. Mit Wärmeleitkabeln, die an den Schienen befestigt und in die Erde geführt werden, verhindert man die Aufwärmung der Schienen über ein gefährliches Maß. Daher machen Züge auch schon seit Jahrzehnten nicht mehr das früher übliche Rumpelgeräusch.)

 

 

W1-07 Ausdehnung von Flüssigkeiten

Dehnen sich auch Flüssigkeiten aus, wenn sie erwärmt werden? Wir versuchen es mit einer besonders einfachen und ungefährlichen Flüssigkeit: Wasser.

Dazu bedarf es einer trickreichen Vorbereitung, die man nur vor der Klasse machen kann, wenn man sehr viel Erfahrung hat. Andernfalls verzichtet man lieber darauf, dass die Kinder sehen, wie man das macht, und bereitet es einfach vor: Ein feuerfester Erlenmeyerkolben wird mit einem durchbohrten Stopfen verschlossen, in dem ein Glasrohr (mind. 20 cm lang) steckt, das einen Innendurchmesser von max. 1 mm hat. Solches Gerät findet sich in normalen Physiksammlungen. Sonst muss muss man es im Laborbedarf (als „Kapillarrohr“) besorgen. Ein normales, dünnwändiges Glasrohr eignet sich nur unter großen Mühen. Die drei Teile müssen so zusammen gesteckt werden, dass der Kolben komplett voll Wasser, ohne Lufteinschluss, ist. Man macht diese Arbeit deshalb am besten in einer großen Schüssel unter Wasser. Das Wasser soll den Kolben vollständig füllen und im unteren Bereich des senkrechten Rohres anstehen. Wenn man beim Eindrücken des Gummistopfens erreicht hat, dass das Wasser auch im Rohr bis oben ansteht, macht das erst einmal nichts. Mann kann den Kolben vorsichtig erwärmen, bis ein wenig Wasser oben aus dem Rohr austritt, und dann wieder abkühlen, um den richtigen Wasserstand zu haben.

Den Kindern zeigt man das fertige mit Wasser, Gummistopfen und Kapillarrohr versehene Glas vor. Das Wasser im Glas hat nur einen Ausgang: Über das Rohr. Wenn das Wasser sich also ausdehnt, muss es im Rohr ansteigend.

Versuch: Bei vorsichtiger Erwärmung des Wasser mit der Gasflamme steigt die Wassersäule im Rohr deutlich.

Auch die Flüssigkeit Wasser dehnt sich aus, wenn sie erwärmt wird.

Man kann denselben Versuch dann auch mit Alkohol machen, das sich viel stärker ausdehnt als Wasser. Da reicht es, den Kolben mit der Hand zu erwärmen. Wegen der Feuergefahr muss man den Versuch von den Kindern fernhalten.

So funktioniert auch ein Thermometer (ein Flüssigkeitsthermometer). Zum Vorzeigen muss man eines nehmen, bei dem das Ausdehnungsgefäß unten und das Kapillrrohr deutlich zu sehen sind.

 

 

W1-08 Ausdehnung von Gasen

Dehnt sich auch ein Gas aus, wenn es erwärmt wird? Wir versuchen es mit einem besonders einfachen und ungefährlichen Gas: Luft.

Wir nehmen wieder einen feuerfesten Erlenmeyer- oder einen Rundkolben mit durchbohrtem Stopfen, in dem ein kurzes Glasrohr steckt. Auf dieses Rohr wird ein Gummischlauch fest aufgesteckt. Das Ende des Gummischlauches wird unter Wasser gehalten, z. B. in eine Glaswanne oder ein großes Einmachglas voll Wasser. Wenn jetzt die Luft in dem Kolben erwärmt wird, dehnt sie sich sofort und heftig aus, macht Blubberblasen am Ende des Schlauches, auch wenn man nur mit der Hand erwärmt, aber erst recht bei vorsichtigem Gebrauch der Gasflamme.

Auch das Gas Luft dehnt sich aus, wenn es erwärmt wird. Zusatzinformation: Alle Gase dehnen sich gleich stark aus. Gase dehnen sich bei Erwärmung besonders stark aus.

Wenn man nach der Erwärmung das Versuchsgerät einfach so stehen lässt, kühlt sich die Luft in dem Kolben wieder ab und saugt dabei Wasser aus dem anderen Gefäß an. An der Menge Wasser, die schließlich in dem Kolben ist, kann man ermessen, wie stark sich die Luft ausgedehnt hatte.

 

 

W1-09 Das Wunder-Ei

Man braucht eine weithalsige Flasche, z.B. eine Milchflasche. Dazu braucht man noch einen Topf und einen Kocher dazu, am besten einen kleinen Elektrokocher mit passendem Topf. Das Ei kocht man heimlich zu Hause vor, dass heißt, man bringt ein hartgekochtes Ei mit in den Unterricht.

Im Unterricht muss man engagiert Theater spielen. Man tut so, als würde man das Ei kochen. Man setzt Wasser auf in dem Topf auf dem Kocher, bis es kocht, und legt das Ei hinein. Nach eineinhalb Minuten holt man das Ei wieder heraus (länger wäre zu langweilig für die Kinder, deshalb das Vorkochen zu Hause). Dann sucht man einen Eierbecher. Man nimmt als Ersatz die Flasche. Um sie angeblich vorher zu reinigen, spült man sie mit etwas von dem heißen Wasser aus. Dann pellt man das Ei und stellt es oben auf die Flasche. Während man angeblich einen Löffel sucht, geschieht etwas spektakuläres: Das Ei wird zusammen gequetscht und durch den viel zu engen Hals unversehrt in die Flasche gezogen.

(Durch das Ausspülen mit heißem Wasser wurde die Flasche und die Luft darinnen warm. Als das Ei den Ausgang verschloss, kühlte die Luft ab und zog das Ei hinein. Genau genommen: Das Ei wird von dem äußeren Luftdruck, der jetzt größer ist als der Unterdruck in der Flasche, in die Flasche geschoben.)

Alles wird mit den Kinder diskutiert. Dann die Frage: Wie bekomme ich das Ei wieder aus der Flasche? Wenn man die Flasche dreht, hüpft das Ei darin wie ein Gummiball, aber es passt ja nicht durch die zu kleine Öffnung.

Der Trick: Man spült die Flasche mit kaltem Wasser, bis sie und die Luft darin kalt sind. Dann hält man die Flasche mit der Öffnung nach unten. Das Ei fällt zur Öffnung. Jetzt fasst man mit beiden Händen die Flasche gut an. Die Erwärmung der Flasche und der Luft darinnen mit den Händen reicht, um das Ei an die Öffnung zu drücken und den Ausgang damit zu verschließen. Dann dreht man die Flasche wieder um und hält sie mit dem Boden vorsichtig in den Rest warmen Wassers. Wieder ein spektakulärer Vorgang: Das Ei wird durch die enge Öffnung gepresst bis es mit einem Plupp oben auf dem Hals sitzt.

Diese Show gefällt allen Kindern, und sie behalten sie bis ans Lebensende.

 

 

W1-10 Wärmeleitung

In eine flache, feuerfeste Schüssel (z.B. Kochtopf aus Jenaer Glas) werden mehrere gleich lange und möglichst gleich dicke Stäbe gelegt, die ca. 5 cm über den Rand hinausragen. Ansonsten wird die Schüssel nicht ganz mit Wasser gefüllt und über einer Gasflamme erhitzt. Die Stäbe sind aus Messing, Aluminium, Edelstahl, Holz, Plastik, Glas und was man sonst bekommen kann. (Damit der Holzstab nicht aufschwimmt, muss man ihn am unteren Ende mit Draht aus Lötzinn bewickeln.) An jedem überstehenden Ende ist ein kleiner Klumpen Kerzenwachs geklebt. Wenn das Wasser nun anfängt zu kochen, werden die Metallstäbe heiß, das Wachs fällt herunter. Die anderen Stäbe behalten ihr Wachs. Man kann die Stäbe auch vorsichtig anfassen. Die Metallstäbe sind heiß, sogar unterschiedlich heiß, die anderen Stäbe wenig oder gar nicht warm.

Die Fähigkeit zur Wärmeleitung ist sehr unterschiedlich. Am besten leiten Metalle, davon am besten Aluminium und Kupfer. Am schlechtesten leitet Luft und alles, was viel Luft enthält.

Man lässt die Kinder die Heizkörper anfassen durch Metallplatten, Topflappen, Polystyrolplatten („Styropor“), Holzplatten usw., was man eben auftreiben kann. Auch unterschiedliche Kleidungsstücke können ausprobiert werden.

 

 

W1-11 Wärmeströmung (Konvektion)

Am besten in einem beheizten Klassenraum: Man zündet eine Kerze an, wartet, bis die Flamme gut brennt, öffnet die Tür und hält die Kerze oben in den Türrahmen. Die Flamme zieht stark nach außen in den Flur. Man hält die Kerze unten in den Türrahmen: Die Flamme zieht stark in den Raum hinein. Dazwischen lässt sich eine Stelle finden, an der die Flamme ruhig nach oben brennt. Die Kinder können das auch selbst probieren. (Es geht auch an einem geöffneten Fenster, aber da ist der Zug oft so stark, dass die Flamme ausgeblasen wird.)

Die Luft strömt oben aus dem beheizten Raum heraus und unten herein. Also: wärmere Luft strömt hinaus und kältere hinein. Zeichnung an der Tafel.

Ein Gedankenexperiment: Die Luft in einem Litergefäß wiegt etwa 1,3 g (siehe Experiment vorher). Wenn man sie erwärmt, dehnt sie sich aus. Ein Teil der Luft muss dann also aus dem Litergefäß heraus strömen. Also wiegt die warme Luft, die jetzt noch in dem Litergefäß ist, weniger, als die kalte Luft vorher.

Ein Liter warme Luft ist leichter als ein Liter kalte Luft. Warme Luft ist leichter als kalte Luft.

An der Tür: Die schwere kalte Luft vom Flur fällt nach unten und verdrängt die leichtere warme Luft im Zimmer nach oben. So strömt unten kalte Luft hinein und oben warme Luft hinaus.

 

 

W1-12 Wärmeströmung im Wasser

Dazu braucht man ein Gerät aus der Physiksammlung. Es ist ein zum Rechteck geschlossenes Glasrohr mit einer Abzweigung und kleinem Trichter nach oben. Dieses Glasgerät wird mit einem Stativ so gehalten, dass der Trichter nach oben zeigt. Dann wird es mit Wasser gefüllt. Unter eines der senkrechten Rohre stellt man nun eine Flamme, eine große Kerzenflamme oder eine schwache Gasflamme. Dann streut man oben ein paar Krümel einer Lebensmittelfarbe in den Trichter. Die Farbe macht die Wasserströmung sichtbar: Über der Flamme steigt das Wasser im senkrechten Rohrteil auf, oben strömt es im waagerechten Rohrteil weiter und nimmt die Farbe mit, dann fällt es im senkrechten Rohrteil ohne Flamme nach unten – es bildet sich ein Kreislauf. Der Effekt ist sehr deutlich. So kann Wärme transportiert werden.

Lehrer erklären dann gern, dass so auch die Zentralheizung in den Häusern funktioniert. Das ist aber extrem veraltet. Heute verlässt sich keine Heizung mehr auf die natürliche Konvektion, sondern arbeitet mit elektrischen Pumpen.

 

 

W1-13 Wärmestrahlung

Als Strahlenquelle eignet sich ein üblicher Heizstrahler, am besten eine sogenannte Heizsonne mit Metallhohlspiegel dahinter. So etwas ist aber nur noch schwer zu bekommen. Es tut auch ein gewöhnlicher elektrischer Heizofen mit Quarzrohr in Rotglut und Spiegel dahinter.

Man strahlt die Kinder mit dem Strahler an. Es werden immer nur die Gesichter warm, die direkt angeleuchtet werden. Die anderen Kinder merken nichts. Wenn man zwischen den Heizer und die Kinder eine Holzplatte oder auch nur eine Mappe hält, erreicht die Wärme das Gesicht nicht mehr. Das Gesicht ist nun im Schatten. Dann stellt man den Strahler auf das Pult und reflektiert die Strahlung mit einer blanken Metallplatte. So wird ein Kind jetzt „um die Ecke“ erwärmt. Das funktioniert sehr gut. Die Wärme wird also wie Licht weitergeleitet, macht Schatten und lässt sich spiegeln, sie ist wie Licht eine Strahlung, Wärmestrahlung.

Wärmestrahlung verhält sich nach den Gesetzen der Optik.

Da Wärmestrahlung kein Material braucht, kommt sie auch wie Licht durch das Vakuum. Sonst würde die Wärme der Sonne uns ja gar nicht erreichen.

 

 

W1-14 Das Garen von Speisen

Zum Transport von Wärme von einem Ort zum anderen gibt es die Wärmeleitung, die Wärmeströmung und die Wärmestrahlung.

Beim Braten in der Bratpfanne geht die Wärme von der heißen Pfanne direkt in das Schnitzel oder die Kartoffeln über. Erhitzt wird also mit der Wärmeleitung.

Beim Kochen in Wasser wird die Kartoffel oben im Topf genau so schnell gar wie die Kartoffel unten. Die Wärme wird nämlich durch Wärmeströmung (Konvektion) übertragen: Das heiße Wasser vom Topfboden steigt auf nach oben, kälteres strömt nach unten, dabei gibt das heiße Wasser die Wärme an die Kartoffeln ab, kühlt dabei ab und fällt wieder nach unten usw. Dasselbe gilt auch für Kuchen oder Braten bereiten im Backofen. Da ist es die Luft, die strömt.

Beim Grillen und Toasten wird die Speise durch Wärmestrahlung erwärmt.

So werden alle drei Möglichkeiten zum Wärmetransport zum Garen von Speisen verwendet.

 

W2-00 Überblick über „Wärme 2“

Jahrgang 9 oder 10

Den Kindern wird der Zusammenhang zwischen Temperatur und Wärme-Energie eines Stoffes nahe gebracht, und zwar am Beispiel des Wassers, weil das Wasser, seine hohe Wärmekapazität und die hohe Phasen-Energie in der allgemeinen Umwelt eine sehr große Rolle spielt.

Gemäß der Komplexität des Themas kann die Einheit nur für einen leistungsstarken Physik-Kurs (oberer Kurs Gesamtschule oder Gymnasium) angesetzt werden, wird dann allerdings als interessant von den Kindern aufgenommen.

Als Versuchsgeräte werden wieder nur den Kindern vertraute oder einfach zu durchschauende Geräte herangezogen.

Die Methode sieht nur zweimal Schülerversuche vor, dort allerdings ausführlich. Nach meiner Erfahrung ist es auch nicht richtig, dass Schülerversuche generell viel erfolgreicher sind als Demoversuche. Wichtig ist, dass alle Kinder bei den Demoversuchen mit einbezogen werden. Eine Art Vorlesung ist immer falsch, weil ineffektiv. Mit den Demoversuchen gelingt es, konsequent am Thema zu bleiben und die vielen Irrtümer, die sich bei Schülerversuchen nicht vermeiden lassen, zu umgehen. Wenn die Kinder aber so an die Hand genommen werden, dass man ihnen jeden Handgriff vorgibt, kann man auf den Schülerversuch gleich verzichten. Schülerversuche müssen Eigentätigkeit inkludieren, was in dieser Einheit so viel Zeit in Anspruch nehmen würde, dass das Interesse der Kinder erlahmen würde. Außerdem sind die Versuche auch nicht ganz ungefährlich, was eine extreme Einweisungszeit inklusive Übungen notwendig machen würde.

Besonders bei dem Kondensationsversuch sollte ein Schutzglas aufgebaut werden.

Am Ende der Einheit sollte auf den enormen Einfluss der Phasenenergie bei Wasser auf Wetter, Klima und Jahreszeiten hingewiesen werden.

W2-01 Wie viel Energie braucht man, um 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen?

Dieser groß angelegte Schülerversuch ist für die Kinder ein Beispiel dafür, was man wirklich alles berücksichtigen muss, um zu einem naturwissenschaftlichen Ergebnis zu kommen. Er ist am Ende leicht durchführbar, braucht aber zwei Doppelstunden in einer 10. Klasse (oder einer guten 9.) Es schadet nichts, wenn man viel Zeit braucht, denn dieser Versuch enthält grundlegende Methoden der Naturwissenschaften.

Lernziel: Die Kinder sollen verstehen und erfahren, wie viel Überlegung und Sorgfalt ein naturwissenschaftlicher Versuch nötig macht, der ein gutes Ergebnis hervor bringt. Die Kinder sollen auch erfahren, dass kein Versuch wirklich dasselbe Ergebnis wie ein anderer bringt und damit umgehen lernen.

Es geht um die Ausgangsfrage: Wie viel Energie braucht man, um 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen?

Vorüberlegungen:

Zunächst müssen Überlegungen angestellt werden, mit welch einem Versuch diese Frage beantwortet werden könnte. Das muss man ausgiebig mit den Kindern diskutieren.

Wie erwärmt man eine so kleine Menge Wasser von nur 1 g? Natürlich erwärmt man mehr und teilt hinterher die Energie durch die Anzahl g.

Wie erwärmt man so präzise um nur 1 Grad? Natürlich erwärmt man um mehr Grad und teilt nachher die Energie durch die Graddifferenz.

Wie erwärmen? Mit Gas? Wie stellt man dann die Energiemenge fest? Was ist mit der Energie, die an der Seite verloren geht? Am besten geht es elektrisch mit einem Tauchsieder. Dann kann man die Energie sehr genau messen und ist auch sicher, dass so gut wie alle Wärme im Wasser verbleibt.

Wie wiege ich das Wasser aus? Gar nicht. 1 ml Wasser hat die Masse von 1g. Wir nehmen also einen Messzylinder, messen ml und schreiben g.

Wie sorge ich dafür, dass Wärmeenergie wirklich im Wasser bleibt und nicht in den Raum gestrahlt oder geleitet wird? Man benutzt isolierte Gefäße, am einfachsten Styroporbecher. Dann wird noch nicht einmal ein Glas zusätzlich mit erwärmt. Und wir erwärmen nicht zu sehr, maximal 40 Grad, um Dampf zu vermeiden und zu hohe Wärmeabgabe durch zu hohe Temperaturdifferenz zur Umgebung.

Fazit: Wir erwärmen ca. 80 g Wasser von ca. 20 bis 50 Grad Celsius mit einem Mini-Tauchsieder.

Wie baue ich einen kleinen Tauchsieder?

Herstellung des Tauchsieders: Es gibt solche kleinen Tauchsieder im Lehrmittelkatalog oder in guten Physiksammlungen. Man kann sie aber leicht selbst herstellen, besonders wenn man dieselbe Klasse auch in Technik unterrichtet. Man nehme von einer gewöhnlichen Stromleitung zur Hausinstallation (NYM 3x oder 5x 1,5qmm) etwa 20 cm und schneide die ab. (Es darf keine flexible Leitung sein, sondern eine mit festen Drähten für Unter- oder Aufputzmontage.) Von dem Stück Leitung entferne man den grauen Mantel. Dann bekommt man 3 oder 5 Drähte in den Farben schwarz, blau, braun oder gelbgrün. Die Drähte werden an den Ende 1 cm abisoliert. Zwei von den Drähten werden nebeneinander verdrillt und damit zu einer Einheit, die sich sehr leicht biegen lässt, aber doch immer zusammen bleibt. Auf der einen Seite wird der Doppeldraht mit zwei Bananensteckern versehen. Dann wickelt man einen Konstantandraht (Verbrauchsmaterial aus der Physiksammlung. Eisen rostet und Kupfer hat zu wenig Widerstand) von 0,2 mm Durchmesser 20x um einen runden Bleistift und schneidet ihn ab. Wenn man den Bleistift heraus zieht, bekommt man eine Spirale, die jetzt links und rechts an die freien Enden des verdrillten Kupferdrahtes gelötet wird. Fertig ist der Tauchsieder. Achtung: Der Tauchsieder muss vom Lehrer oder unter dessen Aufsicht vorsichtig ausprobiert werden, um eine sinnvolle Spannung für ihn festzulegen.

Was muss man bei diesem Versuch alles messen?

a) die Wassermenge (z.B. 80ml)

b) die Temperatur vor der Erwärmung (z.B. 20 Grad)

c) die Temperatur nach der Erwärmung (z.B. 50 Grad)

d) die Zeit der Erwärmung (z.B. 300s)

e) die elektrische Spannung während der Erwärmung (z.B. 13V)

f) die elektrische Stromstärke während der Erwärmung

Jetzt bekommen die Kinder folgenden Zettel:

Aufgabe 1: Zähle alleMessgrößen mit Messgeräten und Maßeinheiten auf, die du im Laufe des Versuches messen musst! Schreibe die Zeilen wie in folgendem Beispiel:

Messgröße:...........................................Messgerät:....................................Maßeinheit:........

usw.

Aufgabe 2: Fertige eine Schaltzeichnung von dem elektrischen Teil des Versuches an mit korrektem Einsatz der elektrischen Messgeräte und Verwendung der korrekten Schaltsymbole!

Aufgabe 3: Schreibe eine Formel mit korrekten Formelzeichen, in die alle Messergebnisse dieses Versuches eingesetzt werden können und mit deren mathematischer Lösung die oben genannte Frage beantwortet werden kann!

Vorversuche

Wenn sich alle Schülergruppen mit den nötigen Geräten versorgt haben, kommen die Vorversuche. Sie sind nötig, um optimale Bedingungen auszuprobieren. Wie viel Wasser? Wie hänge ich den Tauchsieder am besten in das Gefäß? Wie viel Spannung? Das Wasser darf am Tauchsieder möglichst keine Blasen erzeugen! Sind die Messgeräte alle richtig eingestellt? Wie viel Zeit brauche ich, um ca. 20 Grad zu erwärmen? Als Uhr reicht jede gewöhnliche Uhr, da nur volle Minuten gemessen werden müssen.

Hauptversuche

Wenn jeder mit der Vorversuchen seine optimalen Bedingungen gefunden hat, kommen die eigentlichen „gültigen“ Versuche, und zwar mindestens 5. Dafür wird jedes Mal frisches Wasser genommen. Wassermenge messen, Anfangstemperatur messen. Starten. Voltmeter ablesen. Amperemeter ablesen. Nach der vorbestimmten Zeit stoppen. Endtemperatur messen. Für jeden Versuch alle Messungen, auch die Zeit, genau notieren.

Rechnen

Für jeden Versuch: Spannung (V) mal Stromstärke (A) mal Zeit (s) gibt Energie in Ws was dasselbe ist wie J. Sie muss durch die gemessenen ml und durch die Temperaturdifferenz geteilt werden. Das Ergebnis beantwortet die eingangs gestellte Frage. Es sollte auf eine Stelle hinter dem Komma gerundet werden, weil die einzelnen Messungen keine größere Genauigkeit hergeben.

Ergebnisse diskutieren

Die Ergebnisse werden alle sehr unterschiedlich sein. Woher kann das kommen? Gibt es Arbeitsgruppen mit sehr unterschiedlichen Ergebnissen und welche mit sehr ähnlichen Ergebnissen? Was erhält man, wenn man den Mittelwert aller Ergebnisse errechnet? Gibt es Ergebnisse, die von den meisten anderen drastisch abweichen? Kann man annehmen, dass hier einfach Fehler gemacht wurden? Welcher Mittelwert ergibt sich, wenn man Ergebnisse, die man als fehlerhaft bewertet, nicht mit berücksichtigt? Wie kann man erklären, dass das Ergebnis von dem, das im Buch angegeben ist und von Spitzenlabors errechnet wurde, abweicht?

W2-02 Phasenenergie am Beispiel Wasser

Demonstrationsversuch unter Mithilfe der Kinder.

Aufgabe: Wasser wird erwärmt. Wie ändert sich die Temperatur? Wir beginnen bei Null Grad.

Geräte: Gasbrenner, Dreifuß mit Wärmeverteilplatte, Becherglas 250ml, Mörser, Stößel, Wasser, Eiswürfel, Thermometer, eventuell hitzebeständigen Handschuh, Uhr.

Kinder brauchen: Schreibgerät, Millimeterpapier (gerechnet wird nicht)

Einweisung und Durchführung, die vorher genau erklärt wird: Eiswürfel werden zerstoßen und ins Becherglas gefüllt. Das Becherglas wird mit Wasser aufgefüllt. Nach einigem Rühren zeigt das Thermometer Null Grad. Becherglas auf den Dreifuß, die Flamme darunter. Eines der Kinder hat den Auftrag, nach 25 Sekunden „Achtung!“ zu rufen und nach weiteren 5 Sekunden „Jetzt!“ Bei Achtung muss der Lehrer gut rühren, und bei „Jetzt!“ muss er oder ein Sekundant die Temperatur ablesen und in den Raum rufen.

Ein Kind schreibt das Messergebnis an die Tafel, die anderen in ihr Versuchsprotokoll. (Also führen drei mitwirkende Kinder kein Protokoll.) Es wird demnach alle 30 Sekunden abgelesen.

Zum Erstaunen der Kinder bleibt jede Messung Null Grad, bis die Eisstücke zerschmolzen sind. Wenn das Eis komplett geschmolzen ist, ordnet der Lehrer an, eine Markierung an dem letzten Messergebnis anzubringen. Von Mal zu Mal steigt die Temperatur jetzt zügig an. Wenn das Wasser siedet, wird wieder eine Markierung hinter dem Messwert gemacht. Nachdem 100 Grad erreicht sind, steigt die Temperatur nicht mehr. Man lässt noch ca. 6 mal 100 Grad messen, dann bricht man den Versuch ab, weil alle der Meinung sind, nun tut sich nichts mehr.

Jetzt sollen die Kinder die Messdaten in ein Diagramm eintragen, Abszisse 5mm für je 30 Sekunden, Ordinate 100 mm für 100 Grad. Je nach Übung der Kinder aus anderem Unterricht gelingt das schneller oder langsamer. Wichtig ist, das es wirklich jeder hinbekommt.

Diskussion: Am Anfang und am Ende steigt die Temperatur nicht, aber in der Mitte ziemlich gleichmäßig.

Nun sollen die Kinder die Messergebnisse zu einer Kurve verbinden, und bedingt mit Bleistift! Denn sie werden Striche ziehen von Punkt zu Punkt. Man muss mit ihnen diskutieren, dass die Temperatur sicherlich nicht ruckartig alle halbe Minute einen anderen Verlauf nimmt. Was wäre, wenn man alle 15 Sekunden gemessen hätte, alle 5 Sekunden oder gar jede Sekunde? Die Kinder lernen, eine Kurve zu zeichnen, die sanft geschwungen ist, keine Knicke hat und alle Messpunkte mehr oder weniger berührt. Die Kurve beginnt waagerecht, steigt dann in einem Bogen an, verläuft die längste Strecke als Gerade, flacht in einem Bogen ab und endet wieder waagerecht. An den Markierungen werden senkrechte Linien durch das Diagramm gezogen und die Kurve damit in einen ersten, zweiten und dritten Teil unterteilt.

Diskussion der Kurve: Im Mittelteil steigt die Temperatur gleichmäßig an. Das ist leicht zu erklären, denn die Gasflamme lieferte immer dieselbe Energie. Im ersten Teil, so lange noch Eis im Wasser war, blieb die Temperatur Null Grad. Im dritten Teil, solange das Wasser verdampfte, blieb die Temperatur 100 Grad. Dazwischen gab es Übergänge. (Die sind wichtig, weil die Kinder den Grundsatz verinnerlichen sollen, dass in der Natur nichts plötzlich oder ruckartig geht, sondern alles seinen Übergang hat.) Wo ist die Energie der Gasflamme geblieben, wenn die Temperatur nicht anstieg? Das bleibt zunächst ein Rätsel. Als Thesen wird festgehalten: Es ist eine bestimmte Energie nötig, nur um Eis schmelzen zu lassen, ohne dabei etwas zu erwärmen. Es ist eine bestimmte Energie nötig, nur um Wasser verdampfen zu lassen, ohne dabei etwas zu erwärmen. Die Thesen bedürfen weiterer Beweise.

Die Ergebnisse werden sinnvoll notiert und zusammen mit Versuchsbeschreibung und Kurve abgeheftet.

W2-03 Mischversuche

Lernziel: Die Kinder sollen erfahren, wie sehr genau sich die Energie-Erhaltung bei den Mischversuchen wiederfindet.

Die Kinder sollen als bestätigt erkennen, dass es eine Phasenenergie gibt.

Wie sicher kann man davon ausgehen, dass die Wärme-Energie des Wasser von der Temperatur abhängt? Wir machen dazu Mischversuche. Diese lassen sich auch als Schülerversuche organisieren. Ein Demo-Versuch hat aber den Vorteil, dass alle an demselben Problem mitreden können.

Die Versuche sind nicht so einfach zu erklären, wie sie aussehen. Wenn ein Liter Wasser zu 50 Grad mit einem Liter Wasser zu 30 Grad vermischt werden, ergeben sich garantiert 2 Liter Wasser. Aber haben die dann 40 Grad?

Technische Probleme: Es gelingt nicht, Komponenten mit so exakten Mengen und so exakten Temperaturen bereit zu stellen. Gesucht ist eine Methode, mit der beliebige Mengen Wasser von beliebiger Temperatur gemischt werden und eine Mischtemperatur gefunden wird. Überlegung: Je höher die Temperatur der Komponenten, desto höher wird auch die Mischtemperatur sein. Aber auch die Menge spielt eine Rolle: Je mehr Wasser eine Komponente hat, desto mehr spielt deren Temperatur bei der Mischung eine Rolle. Wir nehmen an: Wassermenge und Temperatur sind beide proportional zu berücksichtigen. Also:

m₁• T₁ + m₂• T₂ = m_ges• T_misch

Wenn man bei beiden Komponenten Masse und Temperatur kennt, müsste sich die Mischtemperatur errechnen lassen.

Die Kinder brauchen: Schreibzeug, Taschenrechner

Wir zeichnen ein kleines Tabellenschema zum Ausfüllen:

m1	•	T1	=
+				+
m2	•	T2	=
=				=
mges	•	TMisch	=

Drei Zeilen ergeben eine Gleichung waagerecht.

Zwei Spalten (erste und letzte) ergeben eine Gleichung senkrecht.

Die Maßeinheit in der letzten Spalte ist „g • grad“ als reine Rechengröße.

Versuchsdurchführung:

Warmes Wasser (nicht über 60 Grad wegen Verdunstung) wird bereit gestellt bzw. immer neu erwärmt. Wir messen mit einem Messzylinder das Volumen einer bestimmten Menge Wasser ab, füllen das Wasser in ein Becherglas und messen die Temperatur. Masse 1 (1ml entspricht 1g) und Temperatur 1 werden notiert. Dann messen wir die Temperatur 2 des warmen Wassers und notieren das Ergebnis. Dann gießen wir von dem warmen Wasser eine sinnvolle Menge in das Becherglas, rühren um und messen die Mischtemperatur. Diese notieren wir verdeckt auf eine Karte, so dass sie zunächst niemand sehen kann. Dann messen wir das Volumen der Mischmenge und schließen daraus auch auf die Masse 2. Jetzt haben wir alles, um nach der obigen Formel oder nach der kleinen Tabelle die Mischtemperatur zu errechnen (auf ganze Grad runden!). Anschließend zeigt man die verdeckte Karte. Die gemessene Temperatur stimmt fast immer mit der errechneten überein. Der Versuch wird dreimal wiederholt mit unterschiedlichen Mengen und Temperaturen.

Mischversuch mit Eis

Eis wird fein zerstoßen, mit Wasser gemischt und die Temperatur gemessen. Warmes Wasser (ca. 60 Grad) wird in einen Standzylinder gefüllt, erst die Menge gemessen, dann die Temperatur. Dann wird beides zusammen gemischt. Die Mischtemperatur wird wieder verdeckt notiert. Die Masse der Eismischung wird aus der Gesamtmasse geschlossen. Mit Hilfe der Formel oder der Tabelle sollen die Kinder die Mischtemperatur berechnen.

Alle Kinder errechnen dieselbe Mischtemperatur, aber nach Aufdecken der gemessenen Mischtemperatur ergibt sich, dass die errechnete deutlich zu hoch liegt.

Ein Teil der Wärme-Energie fehlt. Das erhärtet die These, dass Energie gebraucht wird, um Eis zu schmelzen, die also zur Temperatur-Erhöhung nicht zur Verfügung steht.

Mischversuch mit Dampf

Man nimmt entweder einen Dampferzeuger aus der Physik-Sammlung, elektrisch oder mit Gas, mit einem Schlauch mit Düse als Ausgang. Die Düsenöffnung entspricht dann den Vorgaben des Geräteherstellers. Man kann auch einen gewöhnlichen Wasserkessel auf eine Gasflamme stellen. Statt des Kesselverschlusses setzt man einen mit Glasrohr durchbohrten Gummistopfen auf. Auf das Glasrohr steckt man einen Druckschlauch und auf das andere Ende wieder ein Glasrohr als Düse. Damit nicht zu viel Druck im Kessel entsteht (der ist ja für so etwas nicht gemacht!), sollte die Düsenöffnung ca 2mm Durchmesser haben und der Stopfen nicht allzu fest auf den Kessel geklemmt werden, damit er abfliegt, bevor der Kessel platzt. Das muss man alles vorher genau ausprobieren (das Platzen natürlich nicht).

Vorversuch: Man lässt das Wasser im Kessel ohne Stopfen sieden und misst die Temperatur des austretenden Dampfes im Inneres des Kessels. Sie beträgt im Idealfall 100 Grad.

Hauptversuch als Mischversuch: Man füllt in ein Becherglas Wasser von Zimmertempratur. Menge m₁ (ml als g) und Temperatur T₁ werden gemessen und von allen Kindern in der kleinen Tabelle notiert. Dann erzeugt man Dampf im Kessel, bis er kräftig aus der Düse strömt. Nun hält man die Düse in das Becherglas unter Wasser. Unbedingt vorher ausprobieren!

Die Kinder erschrecken, weil die Kondensation des Dampfes im Becherglas einen starken Lärm hervorruft. Mehrere Minuten lässt man so Dampf kondensieren. Wenn das Becherglas deutlich warm wird, hört man auf, zieht die Düse aus dem Wasser und stellt die Energiezufuhr am Kessel ab. Jetzt wird die Mischtemperatur T_misch gemessen und verdeckt notiert. Dann wird die Gesamtmenge m_ges des Wasser gemessen und damit auch auf die Menge Dampf (m₂) geschlossen, die kondensiert wurde. Die Temperatur T₂ ist 100 Grad.

Die Kinder errechnen jetzt die Mischtemperatur. Sie weicht ganz erheblich von der nun aufgedeckten gemessenen Mischtemperatur ab. Die gemessene ist viel höher als erwartet. Daraus ergibt sich:

Es wurde Energie benötigt, um aus Wasser Dampf zu machen. Diese Energie wird wieder frei, wenn Dampf wieder zu Wasser kondensiert. Dadurch ist die starke Temperatur-Erhöhung zu erklären.

Zweierlei sollen die Kinder qualitativ verinnerlichen:

1. Es gibt die Energie, die nur zur Phasenumwandlung gebraucht wird, wirklich.

2. Der Vorgang geht in beide Richtungen. Das Gesetz von der Erhaltung der Energie gilt auch hier.

Erstaunlich ist, wie wenig Dampf für die starke Temperatur-Erhöhung im Glas gebraucht wurde. Die Kinder schlagen im Buch nach, wie groß die Energie ist, die Spitzenlabore für das Schmelzen und das Verdampfen von Wasser ermittelt haben.

Als erstes Anwendungsbeispiel wird die Latte-Macchiato-Maschine genannt, die heute jeder kennt, in der kalte Milch mit sehr wenig Wasserdampf unter viel Lärm stark erhitzt wird.

W2-04 Siedepunkt bei Wasser

Methode: Qualitativer Demoversuch bei laufender Diskussion mit den Kindern.

Die notwendigen Geräte kommen nicht aus dem Alltag, sondern müssen in der Physik-Sammlung vorrätig sein.

Lernziele: Die Siedetemperatur hängt vom Druck ab. Das Gesetzt von der Erhaltung der Energie gilt hier (wie überall).

1. Versuch

Gerät: Rezipient mit Vakuumpumpe. (Es ist nützlich, ein luftdurchlässiges, weiches Tuch auf den Teller des Rezipienten zu legen, damit überplantschendes Wasser nicht in die Absaugvorrichtung gerät.) Vorausgesetzt ist, dass die Kinder die Vakuumglocke schon kennen, z.B. aus den Akustikversuchen in der 5. oder 6. Klasse.

Der Demo-Versuch: Man siedet Wasser in einem Kessel. Mehrere vorherige Versuche haben gezeigt, dass das Wasser jetzt eine Temperatur von 100^o hat. Man gießt einiges davon in ein Becherglas, misst dessen Temperatur und stellt es unter die Vakuumglocke. Sofort startet man den Absaugvorgang.

Beobachtung: Nach kurzer Zeit beginnt das Wasser wieder zu sieden, obwohl das Wasser nicht mehr 100^o heiß ist. Das Sieden setzt sich fort. Die Blasen, die dabei entstehen, werden langsam seltener, aber größer. Schließlich hört die Blasenbildung auf.

Nun stoppt man die Pumpe, lässt wieder Luft unter die Glocke, nimmt die Glocke ab und misst sofort die Temperatur. Sie beträgt etwa 40^o.

Diskussion: Es gibt keinen vernünftigen Grund, warum das Wasser unter dem Vakuum erst wieder auf 100^o gestiegen sein soll, um dann auf 40^o abzufallen.

Fazit 1: Bei niedrigerem Druck siedet Wasser schon bei niedrigeren Temperaturen.

Fazit 2: Der starke Temperaturabfall ist dadurch zu erklären, dass das Sieden Energie kostete, die aber nicht von außen zugeführt wurde. Sie konnte nur aus der Wärme des Wasser bezogen werden. Daher musste die Temperatur sinken.

2. Versuch

Gerät: Haushaltsüblicher Dampfdrucktopf zum Garen von Speisen. Allerdings muss er mit Manometer und Thermometer ausgerüstet sein, kann also nicht einfach aus der Küche entnommen werden.

Man füllt etwas Wasser in den Topf, verschließt ihn vorschriftsmäßig und setzt ihn aufs Feuer. Die Temperatur steigt über 100^o. Bei etwa 120^o entlässt das Überdruckventil zu viel Dampf, dass Druck und Temperatur zum Gleichgewicht kommen.

Fazit: Bei höherem Druck ist auch der Siedepunkt höher.

Der Siedepunkt (des Wassers) hängt vom umgebenden Druck ab.

Aufgabe an die Kinder: Ermittelt mit Buch oder Internet, wie der Siedepunkt (des Wassers) sich bei unterschiedlichen Drücken darstellt und zeichnet dazu eine Kurve.

3. Versuch

Man benutzt einen speziell hergestellten Glaszylinder mit Kolben, in den genau nach Anweisung des Herstellers etwas Butangas eingefüllt wird. Wenn man den Kolben in den Zylinder drückt, verflüssigt sich das Gas. Und der Kolben wird warm. Wenn man ihn wieder entspannt, wird das Butan wieder gasförmig. Und der Kolben wird kalt. Das kann man immer wiederholen und damit die oben genannten Erkenntnisse auch bei einer anderen Flüssigkeit bestätigen.

Anwendung: Kühlschrank

W2-05 Windtemperatur

Warum fühlt sich Wind kalt an?

Gerät: Ventilator, Thermometer, Stativmaterial

Demo- oder Schüler-Versuch (Je nach Menge der Ventilatoren): Die Kinder werden mit dem Ventilator angeblasen. Das fühlt sich kalt an. Diskussion: Wie kann bewegte Luft plötzlich kalt werden? Ist das eine Einbildung?

Versuch 1: Ein Thermometer wird an einem einfachen Stativ befestigt. Die Messspitze wird mit dem Thermometer angeblasen.

Beobachtung: Die Temperatur steigt nicht.

Fazit: Bewegte Luft hat dieselbe Temperatur wie ruhende Luft.

Versuch 2: Die Messspitze des Thermometers wird mit Wasser von Zimmertemperatur angefeuchtet. Die Temperatur ändert sich dadurch nicht. Nun wird die feuchte Messspitze mit dem Ventilator angeblasen.

Beobachtung: Die Temperatur fällt.

Fazit: Das Wasser wird verdunstet, geht also in den gasförmigen Zustand über. Dazu ist Energie nötig (siehe vorher). Da Energie nicht von außen zugeführt wird, wird sie aus dem Wasser und dem Thermometer entnommen, das dadurch kälter wird.

Fazit: Nicht nur beim Verdampfen, sondern auch beim Verdunsten wird Energie benötigt. Es spielt keine Rolle, bei welcher Temperatur das Wasser von einer Phase in die andere übergeht.

W2-06 Kältemischung

Unbedingt Schüler-Versuch, sonst macht das keinen Spaß.

Geräte: Bechergläser, Reagenzgläser, Thermometer und Eiswürfel

Vorüberlegung: Wir wollen Eis zum Schmelzen bringen, aber ohne dass wir es erwärmen. Vorschlag: mit Salz. Dass man mit Salz Eis schmelzen kann, dürfte allgemein bekannt sein.

Versuch 1: Die Eiswürfel werden mit der Hammerfinne grob zerschlagen und in die Bechergläser gefüllt. Ein wenigWasser wird darüber gegossen, damit es eine Anfgangsschmelze gibt. Die Temperatur wird gemessen: Null Grad. Nun gibt man zwei Esslöffel voll Speisesalz darüber und rührt vorsichtig um. Die Temperatur fällt sehr stark. Nach meiner Erfahrung kann man unter -25^o erreichen. Darüber wundern sich die Kinder sehr.

Beobachtung: Außen am Glas schlägt sich Reif nieder. Die Wasser-Salz-Mischung hat eine Temperatur von weit unter Null Grad.

Versuch 2: Man kann die Diskussion ein wenig verschieben, um noch schnell ein weiteres Experiment zu machen, das zwar keine weiteren Erkenntnisse, aber Spaß bringt. Man füllt etwas Wasser und einen Bleistift in ein Reagenzglas und stellt dieses in die Kältemischung. Das Wasser im Reagenzglas gefriert nach kurzer Zeit. Man nimmt das Reagenzglas wieder heraus, wärmt es außen mit der Hand an, zieht den Bleistift heraus und hat Eis am Stiel.

Fazit Versuch 1: Das Eis wurde mit Salz zum Schmelzen gebracht, ohne dass Wärme zugeführt wurde. Die Energie zum Schmelzen wurde der Mischung entnommen, die dadurch stark abkühlte.

Fazit insgesamt: Unabhängig davon, wie ein Phasenübergang stattfindet, ist immer dieselbe Energie zum Übergang nötig bzw. wird dabei frei.

 

 

Elektrik 1 noch nicht verfügbar

 

Elektrik 2 -- Unterrichtseinheit Elektromagnetik

E2-00 Vorbemerkungen

 

Mein Vorgehen in dieser Einheit ist anders als in Plänen und Lehrbüchern vorgesehen, weil ich meinen Weg für eingängiger und leichter verständlich halte.

Ich beginne mit dem Aufbau, der Funktion und den Möglichkeiten (abschaltbar, Pole umkehrbar, Kraft regelbar) eines Elektromagneten. Das Relais spielte bei mir nur eine große Rolle, weil ich es für logische Schaltungen verwendete, ist ansonsten aber eher unwichtig.

Dann komme ich zum Drehspulinstrument, mit dem man Stromstärke messen kann: ein Elektromagnet dreht sich zwischen den Polen eines Dauermagneten.

Von dort komme ich zum Elektromotor: Schleifkontakte zum dauerhaften Lauf.

Die Umkehrung des Elektromotors ist der Generator. Erst Phänomen, dann allgemeine Versuche zur Induktion.

Danach Transformator, Induktion der Ruhe, Energieerhaltung.

Zur Durchführung der Einheit ist erhebliches Lehrmaterial nötig. Mit Gegenständen aus der Küche oder dem Hobbykeller kommt man hier nicht weiter. Motor und Transformator müssen als Demonstrationsgeräte so aufgebaut sein, dass die Funktion sehr einsichtig ist. Schülerversuche werden eigentlich nur nur Bestätigung und zum „Selbermachen“ eingesetzt, nicht zum Gewinnen neuer Erkenntnisse.

Meine selbst gebastelten, beweglichen Modelle für den Tageslicht-Projektor sind inzwischen veraltet – Computer-Animation hatte ich noch nicht. Ansonsten stehen von der Unterrichtseinheit zur Zeit nur noch die Lückentexte zur Verfügung.

E2-04 Elektromagnet

Es fehlt alles außer dem Lückentext für die Mappe:

Der Elektromagnet

Jeder Leiter wird magnetisch, wenn elektrischer Strom hindurchfließt.

Die Magnetkraft um den Leiter ist um so stärker,

• je stärker der ............................. ist

• je mehr ............................. zu einer .............................aufgewickelt sind

• je besser das Magnetfeld durch einen ...................... gesammelt wird.

Ein Elektromagnet besteht aus einer......................, die auf einen ...................... gewickelt ist. Er hat dieselben Eigenschaften wie ein gewöhnlicher Dauermagnet (Nord- und Südpol, zieht Eisen an usw.), bietet aber einige Vorzüge:

1. Man kann ihn ...................... .

2. Man kann seine Kraft ............................. .

3. Man kann seine ............................. vertauschen .

4. Er ist ............................. gegen Stöße und Wärme.

(Auch der Dauermagnet hat seine Vorzüge: Er ist kleiner, billiger, leichter und braucht keinen Strom.)

E2-05 Elektrische Klingel

Hier gibt es nur den Lückentext für die Mappe:

Die elektrische Klingel

Eine elektrische Klingel besteht aus einem ...............magneten mit Selbstunterbrecher. Der Stromkreis des ...............magneten ist über den Anker^*), der eine Unterbrecherschraube berührt, geschlossen. Also zieht der ...............magnet den Anker an. Der berührt dann aber nicht mehr die Schraube. Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen. Der ...............magnet bekommt keinen Strom mehr und lässt den Anker los. Der Anker wird von einer Rückstellfeder zurück gezogen und berührt nun wieder die Schraube. Der Stromkreis ist dadurch wieder geschlossen. Der ...............magnet zieht wieder an usw. So bewegt sich der ............... dauernd hin- und her. Er bewegt einen kleinen Klöppel gegen eine Glocke, die dann schrillt.

(^*) "Anker" nennt man ein Eisenteil, dass vom einem Elektromagneten angezogen werden soll, hat mit einem Schiffsanker überhaupt nichts zu tun.)

E2-06 Elektrischer Türöffner

Hier gibt es nur den Lückentext für die Mappe:

Der elektrische Türöffner

Wenn an der Haustür jemand klingelt, kann die Tür fernbedient geöffnet werden. In der Wohnung befindet sich ein Taster, mit dem ein Stromkreis geschlossen wird. Im Türrahmen der Haustür befindet sich ein ...............magnet, der bei geschlossenem Stromkreis magnetisch wird und die Türschließe weg zieht. So kann man die Tür öffnen. Wenn der Taster losgelassen wird, ist der Stromkreis unterbrochen. Der ...............magnet lässt die Türschließe wieder los. Eine eingebaute Rückstellfeder zieht die Schließe wieder vor: Die Tür ist verschlossen.

Das Geräusch (Summen) des ...............magneten hat seine Ursache darin, dass man ...............strom verwendet. Der Ton soll dem Besucher anzeigen, dass die Tür jetzt geöffnet werden kann.

E2-07 Das Relais

Hier gibt es nur den Lückentext für die Mappe:

Das Relais

Ein Relais ist ein elektrischer Schalter, der nicht von Hand, sondern mit einem ...............magneten in bewegt wird (meistens mit Rückstellfeder). Es entstehen zwei getrennte Stromkreise:

1. Der Steuerkreis, mit dem der ......................magnet fernbedient wird.

2. Der Arbeitskreis, in dem der Schalter liegt, der von dem ..................magneten betätigt wird.

Es gibt viele Anwendungsbeispiele für ein Relais, z.B.:

• Relais als Verstärker - Mit einer ungefährlichen Niedrigspannung wird das Relais angesteuert, das dann aber eine hohe ...................... oder einen starken ............... schaltet.

• Relais als NICHT-Schalter - Wenn der ...............kreis eingeschaltet wird, schaltet er den .............­kreis aus, und umgekehrt.

• Relais als Steuer-Element - Mehrere Relais' können so miteinander geschaltet werden, dass sie Befehle annehmen, im "Gedächtnis" behalten, ausführen und "vergessen".

E2-08 Alarmanlage

Dieser Teil ist völlig unvollständig. Sollte wirklich Interesse bestehen, bitte nachfragen!

Alarmanlage

Mit einem selbsthaltenden Relais kann eine Alarmanlage aufgebaut werden. Wenn der Einbrecher den Steuerkreis unterbricht, startet der Alarm. Wenn der Einbrecher den Steuerkreis wieder repariert, hört der Alarm trotzdem nicht auf. Die Anlage kann nur (bei repariertem Steuerkreis) mit dem Taster T wieder beruhigt und neu scharf gestellt werden.

E2-09 Drehspulinstrument

Das Drehspulinstrument ist sehr eingängig und dient mir zur Einführung des Elektromotors. Es fehlen der Unterrichtsablauf und die Zeichnung. Es gibt nur den Lückentext für die Mappe:

Das Drehspulinstrument

Zwischen den beiden Polen eines festen ......................magneten ist ein drehbarer ......................magnet aufgehängt. Er wird von einer Drehfeder in der Nullstellung gehalten. Wenn Strom durch den ......................magneten fließt, dreht er sich, weil sein Nordpol zum ........pol und sein Südpol zum ........pol des ...............magneten zieht. Je stärker die ............................. ist, desto weiter kann sich der ......................magnet gegen die ...............kraft drehen. Ein ..............., der sich mit dem ......................magneten dreht, zeigt die ............................. auf einer Skala an.

E2-10 Elektromotor

Es fehlt alles außer dem Lückentext für die Mappe:

 

Der Elektromotor

 

Ein Elektromotor besteht aus zwei __________________ , die sich gegeneinander bewegen. Der eine Magnet steht fest und heißt deshalb ______________ (auch „Stator“ genannt). Der andere Magnet, der sich zwischen den Polen des festen Magneten dreht, heißt _____________ (auch „Rotor“ oder „Anker“ genannt).*) Mindestens einer der Magneten muss ein ________________ sein.

Der Strom wird über _____________________ und geteilte _______________ an die Spulen des Läufers angeschlossen. Dadurch können sich keine Kabel verdrehen, und die Pole des Läufers werden immer im richtigen Moment vertauscht.

Ein ___-Pol-Läufer kann nicht genau zwischen den Polen den Ständermagneten stehen. Er läuft deshalb aus jeder Lage von selbst an.

Ein ____________-Läufer hat viele Pole und einen vielfach geteilten Schleifring ("Kommutator"). Er läuft ruhiger und kräftiger, weil zu jedem Zeitpunkt die Pole eingeschaltet sind, die im günstigsten Winkel zu den Ständerpolen stehen.

Wenn Ständer und Läufer Elektromagneten sind, werden beim Wechsel der Stromrichtung beide Magneten umgepolt. Der Motor läuft also in derselben Richtung weiter. Ein solcher Motor eignet sich auch für _____________________ .

 

*) Es gibt auch - seltener - Elektromotoren, bei denen der feste Ständer innen und der bewegliche Läufer außen ist.

 

 

E2-13 Generator

Hier ist nur noch der Lückentext für die Mappe vorhanden:

Der Generator

Ein Generator ist genauso aufgebaut wie ein Elektromotor: Zwei Magnete - Ständer und Läufer - drehen sich gegeneinander. Er funktioniert aber genau umgekehrt: Der Motor dreht sich, wenn Strom hindurch fließt, und der Generator lässt Strom fließen, wenn er gedreht wird. Man kann dieselbe Maschine als ...................... oder als ...................... laufen lassen.

Im Generator entsteht die elektrische Spannung durch elektromagnetische Induktion. Die Spule, in der die Spannung entsteht, heißt Induktionsspule. Der Magnet, der gegen die Spule bewegt werden muss, damit eine Spannung entsteht, heißt Feldmagnet. Er kann ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet sein. Weil die Pole des Feldmagneten immer abwechselnd an den Polen der Induktionsspule vorbeikommen, entsteht grundsätzlich eine......................................

Wenn man ............................. und ...................... dazu benutzt, dass sie die elektrischen Pole immer gerade dann wieder umdrehen, wenn auch der Feldmagnet sich umdreht, bekommt man eine Gleichspannung, die zwar die Pole nicht mehr wechselt, ansonsten aber sehr unregelmäßig ist.

Fast alle elektrische Energie wird mit Generatoren hergestellt. In großen Kraftwerken ist der Generator so groß wie ein Klassenzimmer. Im Windkraftwerk ist er natürlich viel kleiner. Am Fahrrad ist er sehr klein und wird "Dynamo" genannt. Im Kraftfahrzeug heißt er "Lichtmaschine" und wird vom Motor mit angetrieben, damit Licht, Scheibenwischer, Radio usw. versorgt werden können und die Batterie für den nächsten Start geladen wird.

 

 

 

E2-14 Induktion

Nur der Lückentext für die Mappe vorhanden:

Elektromagnetische Induktion

In einem elektrischen Leiter entsteht eine ...................... , so lange er sich gegen ein Magnetfeld bewegt.

Die induzierte ............................. ist um so größer,

• je stärker das ............................. ist,

• je schneller die ............................. Bewegung ist,

• je mehr .................................... die Induktionsspule hat.

 

Die Pole der Spannung drehen sich um

• wenn man den ............................. umdreht,

• wenn man den Anschluss an der ...................... umdreht,

• wenn man die .................................................. umdreht.

Induktion der ...................: Ein Dauermagnet oder Elektromagnet wird gegen die Induktionsspule bewegt.

Induktion der ...................: Die Feldspule des Elektromagneten bleibt äußerlich in Ruhe, wird aber ein- oder ausgeschaltet. Auch dann bewegt sich ein Magnetfeld, und in der Induktionsspule entsteht eine Spannung.

 

 

 

E2-15 Elektromagnetismus

Nur ein Lückentext für die Mappe vorhanden:

Elektromagnetismus

Elektrische und magnetische Vorgänge hängen sehr eng miteinander zusammen!

1. ............................. Strom erzeugt ............................. Kräfte.

Um jeden Leiter, durch den elektrischer Strom fließt, entsteht ein ............... Kraftfeld.

Die Magnetkraft ist um so größer,

• je mehr ...................... einer Leitung zu einer ............... aufgewickelt sind,

• je besser das Magnetfeld in der Spule mit einem ...................... konzentriert wird,

• je mehr ............... fließt.

Die Polrichtung des elektrisch erzeugten Magnetfeldes hängt von der Stromrichtung ab.

2. ............................. Kräfte erzeugen ...................... Strom.

In jedem Leiter, der gegen einen Magneten bewegt wird, entsteht eine elektrische......................, die bei geschlossenem Stromkreis einen elektrischen ............... fließen lässt.

Dieser Vorgang heißt elektromagnetische Induktion.

 

Die induzierte Spannung ist um so größer,

• je mehr ...................... zu einer ............... aufgewickelt sind,

• je besser das Magnetfeld in der Spule mit einem ...................... konzentriert wird,

• je ...................... der Magnet ist,

• je ...................... die Bewegung ist.

Die Erzeugung einer Spannung mit einem Magneten heißt "Elektromagnetische Induktion".

Aufgaben:

1. In welchen Geräten wir elektrische Spannung durch Induktion erzeugt?

2. Warum kann durch Induktion kein gleichmäßig fließender Gleichstrom entstehen?

 

 

 

E2-17 Transformator

Nur der Lückentext für die Mappe vorhanden:

Der Transformator

Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die auf denselben Eisenkern gewickelt sind.

Die eine Spule heißt Feldspule, weil sie an eine Stromquelle angeschlossen ist und damit ein ...............feld erzeugt. Die andere Spule heißt Induktionsspule, weil in ihr eine ...............induziert wird, wenn sich das ........feld in der Feldspule ändert.

(Zeichnung)

Wenn an die Feldspule eine ...............spannung angeschlossen wird, ändert sich ihr Magnetfeld ständig. Deshalb wird in der Induktionsspule dann auch eine ständige ...............spannung induziert. Wenn man dort ein Arbeitsgerät anschließt, fließt auch ein ....... .

Es entstehen zwei elektrisch völlig getrennte Stromkreise: der Eingangsstromkreis mit der Feldspule (Eingangsspule) und der Ausgangsstromkreis mit der Induktionsspule (Ausgangsspule). Die elektrische Energie wird drahtlos durch elektromagnetische Induktion der Ruhe von der Eingangsspule auf die Ausgangsspule übertragen.

 

 

 

E2-18 Spannung, Strom und Leistung am Transformator

Nur noch der Lückentext vorhanden:

Spannung und Strom am Transformator

Mit dem Transformator kann man ...............spannungen und ...............stromstärken beliebig herauf- oder herabsetzen und so dem jeweiligen Bedarf anpassen. Es kommt dabei nur auf die richtigen ............... der Windungen bei Eingangs- und Ausgangsspule an. Allerdings werden Spannung und Stromstärke immer gleichzeitig verändert: Transformiert man die Spannung höher, transformiert sich die Stromstärke in demselben Verhältnis herunter, und umgekehrt. Auf diese Weise kann die ...................... (Spannung mal Stromstärke) am Ausgang nicht größer werden als am Eingang Ü Satz von der Erhaltung der Energie!

Es gelten folgende Regeln:

• Eingangs- und Ausgangsspannung stehen in demselben Verhältnis zueinander wie die ....................- ......­­...... an Eingangs- und Ausgangsspule. *)

• Eingangs- und Ausgangsstromstärken stehen in umgekehrten Verhältnis zueinander wie die ...........­­................. an Eingangs- und Ausgangsspule. *)

• Die ...................... (Spannung mal Stromstärke) ist also an Eingang und Ausgang des Transformators gleich. *)

*) In der Praxis ist die Leistung an der Ausgangsspule immer etwas niedriger als an der Eingangsspule, da der Transformator bei Betrieb auch etwas ........ wird. Diese Energie fehlt dann an der Ausgangsseite. Abgesehen von diesem Verlust gilt aber:

• Solange der Transformator an der Ausgangsseite keine Leistung abgibt, nimmt er an der Eingangsseite auch keine auf. Die Stromstärke ist dann an beiden Seiten ........ .

Aufgaben:

1. Nenne zwei wichtige Gründe, warum das öffentliche Stromnetz nicht mit Gleichstrom, sondern mit Wechselstrom arbeitet!

2. Eine Batterie hat nur 4,5 V Spannung. Kann man diese mit einem geeigneten Transformator auf 230 V transformieren?

3. Ein Trafo hat am Eingang 500 Windungen, am Ausgang 1000 Windungen. Am Eingang liegt eine Wechselspannung von 50 V, am Ausgang ist nur ein Voltmeter angeschlossen.

A) Wie viel Spannung zeigt das Voltmeter?

B) Wie viel Strom fließt in der Eingangsspule?