Physik

Ein Bericht aus dem Physikunterricht  von Iman El Hamassi  9b

Fragestellung

Besteht ein Zusammenhang zwischen dem Spielergebnis von Borussia Dortmund und dem Gefrieren von Wasser?

Es besteht kein Zusammenhang zwischen dem Gefrieren von Wasser und dem Spielergebnis von Borussia Dortmund, da Wasser normalerweise bei 0° Celsius (32° Fahrenheit) gefriert. Es beeinflusst auf keine Weise das Spielergebnis von Borussia Dortmund!

Man könnte aber diese beiden Ereignisse in einen Zusammenhang bringen, indem man eine Wette abschließt.

Beispiel

Borussia Dortmund gewinnt/verliert, wenn das Wasser gefriert!

Das ist natürlich völliger Quatsch, da das Spielergebnis von Borussia Dortmund von den Spielern und den Gegnern abhängt.

Ein anderes Beispiel

Borussia Dortmund gewinnt, wenn das Wasser innerhalb von 90 Minuten (Dauer eines Fußballspiels) in einer Vakuumpumpe gefriert!

Als erstes: Was ist eine Vakuumpumpe?

Das Wort Vakuum ( lateinisch = leer ), bedeutet leerer Raum. Ist in einem evakuierten Gefäß nur ein deutlich geringerer als der atmosphärische Druck vorhanden, spricht man statt von einem Vakuum, von „vermindertem“ oder „reduziertem Druck“.

Vakuumpumpen  dienen dem Zweck, technisch ein Vakuum zu erzeugen. Technisch gesehen sind Vakuumpumpen eigentlich keine Pumpen, sondern Verdichter. Die erste Vakuumpumpe wurde 1649 von „Otto von Guericke“ gebaut.

Versuch

Wenn ich jetzt ein Glas mit Wasser unter eine Vakuumpumpe stelle, passiert folgendes:

  • Die anfängliche Wassertemperatur beträgt 14°Celsius, das ist etwas kälter als Zimmertemperatur.
  • Während der Druck von 1bar bis auf ungefähr 50mbar sinkt, bilden sich kleine Bläschen am Gefäßrand.
  • Bei einem Druck zwischen 30mbar und 20mbar fängt das Wasser an zu sieden. Unterschiedlich große Bläschen steigen schnell auf und es brodelt an der Oberfläche. Die Temperatur sinkt auf unter 10°Celsius. Dann werden die Bläschen immer weniger, nur ab und zu zerplatzt eine.
  • Druck und Temperatur sinken weiter. Der Druck liegt schließlich unter 10mbar und die Temperatur am Gefäßboden beträgt 4°Celsius.
  • Es bildet sich eine dünne Eisschicht an der Oberfläche. Unter dem Eis sammeln sich Gasblasen. Die Temperatur am Boden sinkt, während das Wasser immer tiefer zufriert.
  • Wenn alles eingefroren ist, sinkt die Temperatur unter 0°Celsius. Der Druck bleibt konstant bei ungefähr 8mbar. Das entstandene Eis ist nicht klar, sondern enthält in der oberen Hälfte kleine Blasen und erscheint dadurch milchig.

Diesen Versuch haben wir im Unterricht durchgeführt.

Ergebnis

Das Wasser ist innerhalb von 90 Minuten in der Vakuumpumpe eingefroren, trotzdem hängt das Spielergebnis von Borussia Dortmund immer noch von den Spielern und den Gegnern ab!

Es hat eine Veränderung des Aggregatzustandes von flüssig zu fest stattgefunden (Eis).

Frage: Warum ist das Wasser in der Vakuumpumpe eingefroren?

Zwischen 30 mbar und 20 mbar fängt das Wasser an zu sieden. Verdampftes Wasser wird dabei abgepumpt. Der Druck bleibt dabei solange konstant, bis aus dem abgekühlten Wasser bei diesem Druck nichts mehr verdampfen kann. Dann wird der Druck wieder geringer und es kann wieder Wasser verdampfen. Je kälter das Wasser wird, desto geringer wird auch der Druck.

Aber warum kühlt das Wasser überhaupt ab? Wenn wir Wasser auf dem Herd zum Kochen bringen, fügen wir ständig Wärme zu. Diese Wärme liefert die Verdampfungswärme, die die Wassermoleküle brauchen, um sich zu lösen. In der Vakuumpumpe wird aber keine Wärme zugegeben. Deswegen „nehmen“ sich die verdampfenden Moleküle Energie (=Wärme) von den anderen Molekülen. Diese verlieren dadurch Bewegungsenergie und das Wasser kühlt ab.

Wasser hat eine besondere Eigenschaft, die als Anomalie des Wassers bekannt ist: Bei 4 °C hat es seine größte Dichte. Da bei Flüssigkeiten verschiedener Dichte (z. B. Wasser unterschiedlicher Temperaturen) das dichteste Medium sich immer ganz unten befindet, beträgt die Temperatur am Gefäßboden noch 4 °C, wenn die Oberfläche schon den Gefrierpunkt erreicht hat.

Da der Druck immer weiter fallen kann, verdampft immer mehr Wasser und entzieht die dazu nötige Energie dem restlichen Wasser. Es verdampft sogar dann noch, wenn das übrige Wasser schon 0 °C erreicht hat und nicht weiter abkühlen kann ohne zu gefrieren. Beim Gefrieren wird auch Energie frei. Also gefriert das Wasser, damit es weiter verdampfen kann.

Ein weiteres Projekt aus dem Physikunterricht der Klasse 7d: Beleuchtung

wir, die Schülerinnen und Schüler der Klasse 7D, haben in Physik ein besonderes Projekt durchgeführt.

Wir haben in Zweier- oder Dreiergruppen gearbeitet und jede Gruppe hat ihr Spielzeugauto unterschiedlich beleuchtet, aber alle hatten die gleichen Materialien. Hier ein Protokoll über die Herstellung der Beleuchtung:

Protokoll

Thema:

Spielzeugauto mit Beleuchtung

Aufgabenstellung:

Beleuchtet die Scheinwerfer eures Spielzeugautos mit Hilfe von LEDs und Lichtleitern.

Material:

  • 1 rote LED und ein Widerstand ( braun, rot, braun)
  • 1 weiße LED und ein Widerstand (orange, orange, braun)
  • 2 gelbe Blink-LEDs
  • Spielzeugauto
  • Lichtleiter
  • Schaltkasten mit Batterie, jeweils ein rotes, grünes und braunes Kabel für Plus und ein schwarzes Kabel für Minus
  • Schleifpapier
  • Werkzeug
  • Metallstreifen/Heftzwecken
  • Heißklebepistole
  • Lötzinn/Lötkolben

bild 1

Versuchsdurchführung:

Als erstes haben wir die Skizze für die Schaltkreise angefertigt. Wir haben eine Parallelschaltung benutzt.

Im Anschluss daran haben wir im Werkraum den Schaltkasten für die Beleuchtung des Autos gebaut.

Dafür haben wir zuerst den Leistenzuschnitt für das Holz des Steuerkastens besprochen und anschließend gesägt. Danach  haben wir die Kanten mit Schleifpapier abgeschliffen und alles zusammengeleimt.

Darauf schliffen wir die Heftzwecken und Metallstreifen blank und befestigten sie im Schaltkasten als Schalter.

Nachdem wir den Schaltkasten fertig  gestellt hatten, besprachen wir die Planung der Beleuchtung. Wir löteten die LEDs an die passenden Kabel und Widerstände. Als letztes klebten wir die LEDs an die Lichtleiter, befestigten alles im Spielzeugauto und klebten die Lichtleiter an die Stelle die sie beleuchten sollten. Nun konnten wir die Scheinwerfer der Autos ein-
schalten.

 Auswertung:

Mit dem Projekt sollte gezeigt werden wie eine Parallelschaltung funktioniert. Gleichzeitig haben wir den
praktischen Umgang mit LEDs und Lichtleitern kennengelernt.

Sophie Kaip und Sophie Weiß

 

Ein weiteres Projekt aus der Klasse 7d zum Thema Beleuchtung und Stromkreise

Aufgabenstellung:

Bringe ein Modellauto mithilfe von LEDs und der Parallelschaltung zum Leuchten.

bild 1

 

Material:

Säge, Holzbrett, 5 Holzleisten, Kleister, Metallstreifen, Heftzwecken, Schleifpapier, Bleistift, jeweils ein rotes, ein braunes, ein grünes und ein schwarzes Kabel, Lichtleiter, Heißklebepistole, Lötkolben, Lötzinn, Batterie und das Modellauto.

1. Arbeitsschritt:

Als erstes sind wir in die Holzwerkstatt unserer Schule gegangen, um dort den Batteriekasten anzufertigen, den wir hinterher für die Parallelschaltung benötigten. Für den Batteriekasten braucht man die 5 Holzleisten, das Holzbrett, Schleifpapier, Säge und den Leim. Wir haben uns die Holzleisten mit der Säge zurecht gesägt und mit Schleifpapier glatt geschliffen und sie dann mit Leim an die Holzplatte geklebt. Aber man muss darauf achten, dass die kleinste Holzleiste eine Aussparung erhält, wo die Kabel hinterher durchgeschoben werden.

2. Arbeitsschritt:                          

Hierzu brauchten wir die Heftzwecken und die Metallstreifen, die wir mit dem Schleifpapier blank und somit leitend geschliffen haben. Nun haben wir die Metallstreifen und die Heftzwecken mit einem Hammer befestigt. Das haben wir gemacht, damit man hinterher mit den Metallstreifen schalten kann. Als nächstes haben wir die farbigen Kabel mit dem Batteriekasten verlötet. Danach haben wir die Kabel an die LEDs angelötet. Man musste vorsichtig sein, denn man durfte den Lötkolben maximal 5 Sekunden lang an die LED halten um sie nicht zu beschädigen. Jetzt haben wir die Kabel entsprechend der folgenden Skizze angelötet. Den Pluspol der LED erkennt man an der kleineren Elektrode. Bevor man lötet muss man den richtigen Vorwiderstand für jede LED benutzen.

bild 3.png

3. Arbeitsschritt

Das Modellauto wird für die Beleuchtung nach Plan vorbereitet. Dazu muss es geöffnet werden und mit Bohrungen für LEDs und Lichtleiter versehen werden. Jetzt können die LEDs und Lichtleiter mit Heißkleber befestigt werden.

Deborah Bräunig und Emily Jüngling