Reinoldus- und Schiller-Gymnasium

Beispielhafte Projekte aus dem Physikunterricht

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Projekt 1: 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.

von Iman El Hamassi

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

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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.

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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.

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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